WO2010097207A1 - Optischer diffusor, lichtbox, spritzgussform und verwendung einer spritzgussform - Google Patents

Optischer diffusor, lichtbox, spritzgussform und verwendung einer spritzgussform Download PDF

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WO2010097207A1
WO2010097207A1 PCT/EP2010/001135 EP2010001135W WO2010097207A1 WO 2010097207 A1 WO2010097207 A1 WO 2010097207A1 EP 2010001135 W EP2010001135 W EP 2010001135W WO 2010097207 A1 WO2010097207 A1 WO 2010097207A1
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light
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reflector
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PCT/EP2010/001135
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Gregor Kaszkiel
Yakup Goecmen
Wilfried Koch
Georg Digele
Danie Turnwald
Matthias Morgenstern
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Prettl, Rolf
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    • G02B6/005—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed on the light output side of the light guide
    • G02B6/0055—Reflecting element, sheet or layer

Definitions

  • Optical diffuser Light box. Injection mold and use of an injection mold
  • the present invention relates to an optical diffuser for diffusing light from a light source.
  • the diffuser has a light entrance area formed for entry of light from a light source into the diffuser, and a light exit area formed for exit of the light from the diffuser.
  • the invention further relates to a light box with a diffuser, an injection mold for producing a diffuser and the use of an injection mold for manufacturing a diffuser.
  • BI ⁇ STATIGUNGSKOPIE There are a variety of requirements in the daily world for objects to be illuminated. There are several ways to achieve this. These include in particular a direct illumination from the outside, an indirect illumination from the outside, a backlight from the inside, or the object itself shines, such as a neon tube.
  • the light sources have usually been arranged, with respect to the viewing direction of the observer, behind the element to be illuminated.
  • the punctiform light source causes the user to perceive the area of the operating element, which lies approximately in the direction of the light source, as significantly brighter than at the edge areas.
  • a diffuser between the light source and the display element or the operating element.
  • mechanical concepts have been shown, as they are known for example from DE 43 11 013 Al.
  • a diffuser is mounted between the light source and the visible cover plate.
  • the diffuser has an area immediately above the light source, which is not translucent. In this way the direct radiation from the light source into the eye of the observer is suppressed.
  • Starting from this middle field are perforated fields with increasing perforation and light transmission on both sides. In this way it should be achieved that the light distribution appears homogeneous on the cover plate. In fact, the light distribution in the proposed diffuser remains visibly inhomogeneous, and the diffuser is not suitable for lighting situations with little available space.
  • diffusers In order to improve the diffuser effect and to offer a solution when only little space is available, diffusers have been proposed, as they are known for example from DE 10 2006 034 817 Al.
  • a plurality of smaller second bodies having a second refractive index are located in a first body having a first refractive index. If the diffuser is now irradiated from a light source, the light, due to the different refractive indices, passes through a complex path through the diffuser with several refractions and emission points, so that the light appears diffuse at the light exit region.
  • such solutions still have an unused space, since the light sources must be arranged at a certain distance to the diffuser. If this distance is not given, this again results in an inhomogeneous light distribution.
  • Another type of diffuser is known from DE 195 38 893 Al.
  • light is radiated from the side into a diffuser.
  • the diffuser are balls or particles, which are diffused according to the desired conditions. Depending on the diffusion doping, one can achieve a specific light output length.
  • EP 0 676 218 Bl The introduction to the specification of this document shows why it is difficult and expensive in practice to produce a diffuser made of two materials, that is to say a carrier material and a diffusely acting additional material, in particular if the concentration of the diffusible material differs at different points of the diffuser should.
  • an optical core of a substance containing scattering particles is optically separated and the core is kept separate from the substance containing the scattering particles until the end of an active region of the diffuser.
  • the production is however complex.
  • DE 100 60 364 A1 is concerned, inter alia, with a reduction of the total reflection in a diffuser.
  • the light is deflected in a known manner at the interfaces between a carrier material and volume elements introduced therein.
  • serving as a light emitting surface main side of the diffuser is provided with a lattice structure, at which the total reflection of the light is disturbed within the body. In this way, the diffused light should be able to emerge from the diffuser in a uniform distribution.
  • the improvement should in particular be that the diffuser is easy to manufacture, manages with a small space and achieves good homogeneity in the light distribution.
  • an object of the invention to provide an improved light box having a diffuser and a light source, an injection mold for manufacturing a diffuser and a use of an injection mold for manufacturing a diffuser.
  • the object of the invention is achieved according to one aspect of the invention by an optical diffuser for diffusing light from a light source, wherein the diffuser has a light entry region, which is formed for the entry of light from the light source into the diffuser, and a light exit region is formed for the exit of the light from the diffuser, wherein the light exit region has a surface with impurities which are adapted to decouple at least a portion of the light in the diffuser from the diffuser, and wherein the spatial concentration of the impurities increases with increasing distance from the light entry region ,
  • the invention is characterized, inter alia, by the fact that this is not a prerequisite to achieve a good diffusion effect.
  • the light extraction from the diffuser is made specifically.
  • a uniform light distribution at the outlet region of the diffuser is achieved by the special arrangement of impurities.
  • This particular embodiment in addition to the good uniform distribution of the luminance also allows a good light yield based on the incident light.
  • the concentration or density of the impurities can be determined by determining for a certain area which part of this area is provided with impurities. Alternatively, it is also possible to determine the number of defects per unit area.
  • a diffuser according to the invention it should be noted that it is sufficient in a diffuser according to the invention, if only one or more light sources are arranged on one side. , however, it is considered advantageous, both for a further improvement of Uniform distribution of the luminance as well as for a general increase in the luminance to arrange light sources on two or more sides of the diffuser. Experiments have shown that it is sufficient if light sources are arranged on two opposite sides of the diffuser, in particular on the two short sides of the diffuser.
  • the impurities are formed as elevations on the surface.
  • the impurities have a width between 1 .mu.m and 100 .mu.m and / or a height between 1 .mu.m and 100 .mu.m.
  • the impurities should preferably have a width between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, particularly preferably between 2.5 ⁇ m and 40 ⁇ m, and in particular between 5 ⁇ m and 20 ⁇ m. Concrete tests with a width of 10 ⁇ m have shown good results.
  • the height of the impurities lies preferably between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, particularly preferably between 2.5 ⁇ m and 40 ⁇ m, and in particular between 5 ⁇ m and 20 ⁇ m. First tests with a height of 10 ⁇ m have shown good results. If the impurities are formed as depressions, the height data are to be understood accordingly as depth data.
  • the impurities have a substantially round base, in particular an annular base.
  • Defects formed in this way can be produced particularly favorably in terms of production technology.
  • this embodiment is advantageous because the cast and solidified diffuser can be removed well from the injection mold.
  • the round or annular base also has the advantage that the uniformity of the diffusion is improved. The reason for this effect is seen in the fact that parallel rays that strike a curved interface can be reflected or refracted in different directions. This effect is not observed at a flat interface.
  • the impurities are arranged in groups, in particular in the form of a matrix, wherein at least a part of the groups are spaced apart relative to the surface.
  • This embodiment is advantageous in terms of manufacturing technology since a group of impurities or the corresponding negative image in the injection mold can be produced particularly quickly.
  • the defects in a group adjoin one another.
  • Each group has between 2 and 100, preferably between 4 and 64, in particular between 9 and 36 impurities.
  • Preliminary experiments indicate that a group of 16 defects is beneficial, as this seems to represent a good balance between the size of a group and the effectiveness of manufacturing.
  • the arrangement of the centers of the impurities in a group is preferably triangular, diamond-shaped or rectangular. Good results have been found when the impurities are arranged in a square matrix of a size between 2 ⁇ 2 to 10 ⁇ 10, preferably 3 ⁇ 3 to 6 ⁇ 6. Current results indicate that a 4 x 4 matrix is particularly beneficial.
  • the diffuser consists of a homogeneous material or of a homogeneous material mixture.
  • the invention makes it possible for the first time to have such a configuration, since the special surface structure achieves the desired diffusion effect with a uniform distribution of the luminance.
  • Such a diffuser has particularly good optical properties, is durable and can be produced cheaply.
  • Other preferred embodiments of the invention use polycarbonates (PC) or other translucent materials.
  • the diffuser on a diffusely acting additional material, which is distributed homogeneously in the diffuser.
  • This embodiment allows a simplification of the production process to the extent that the tolerances for the manufacturing process can be expanded. Due to the fine microstructures proposed for realizing the invention, the manufacturing process should be operated within well-defined tolerance ranges in order to obtain a uniform result in the light distribution of the diffuser. to achieve. It has been shown that the manufacturing tolerances can be widened in the manufacturing process if the material used itself already diffuses to a certain degree. This means that even to a certain degree diffused light strikes the light exit area with the impurities, so that certain manufacturing tolerances are no longer significant.
  • a reflector is arranged on the diffuser, which is designed to reflect light from the diffuser in the direction of the light exit region.
  • a reflector is arranged on the diffuser, which is designed to reflect light exiting through the light exit area back into the diffuser, so that the light exits the reflector on one side, which is opposite to the light exit area.
  • the impurities are arranged on the underside of the diffuser. It is advantageous if the inner reflector surface, ie the surface facing the diffuser, is polished, in particular polished to a bare finish.
  • the impurities can also be arranged on the top side of the diffuser, that is to say on the side which does not face the diffuser, but the arrangement on the underside currently appears to be more advantageous. Regardless of whether a reflector is used or not, the impurities may be disposed on one side of the diffuser, in particular the top or the bottom, or on two opposite sides of the diffuser, in particular the top and the bottom.
  • the course of the concentration of impurities with respect to a longitudinal extent of the diffuser is similar to a half Gaussian bell curve.
  • This embodiment allows a particularly uniform distribution of the luminance. As will be explained with reference to the exemplary embodiments, however, the desired effect can also be achieved with other distributions. If several light sources are used, the half Gaussian bell curve can be seen in each case with respect to the individual light source. If two light sources lie opposite one another along a longitudinal extension of the diffuser, then it is preferred that the concentration of the impurities with respect to the longitudinal extension be similar or correspond to an entire Gaussian bell curve.
  • the impurities in relation to a transverse extent of the diffuser are arranged disorderly, in particular stochastically distributed.
  • This embodiment improves the uniform distribution of the luminance. In this way, it is possible in particular to prevent the occurrence of unwanted moiré patterns which otherwise appear as local brightness minima or maxima.
  • the positions of the impurities with respect to the transverse extent are determined by means of a random generator or pseudo-random generator.
  • a portion of the longitudinal extent can also be used to determine the positions of the defects.
  • the disorder or the stochastic distribution in the longitudinal direction must not become so great that the increasing concentration of impurities in the longitudinal direction disappears.
  • a light box which has a light source, a reflector and an optical diffuser described above, wherein the diffuser is arranged on the reflector and the light source is arranged at the light inlet region of the diffuser.
  • This embodiment enables a particularly compact light box.
  • a light box is to be understood in the context of this invention, a component to which light or a voltage for a light source is supplied from the outside and then emits diffused light through the diffuser. If, for example, an LCD (Liquid Crystal Display) is placed on the light box, then the light box represents a backlight for the LCD.
  • LCD Liquid Crystal Display
  • the light box according to the invention is characterized in particular by a small overall depth, wherein the overall depth is usually determined along a line which leads vertically through the Lichtausttitts Society of the diffuser. Due to the special configuration of the diffuser, the light box according to the invention achieves a good uniform distribution in the luminance despite its small installation space.
  • the light box is therefore ideal for providing a backlight in cramped installation situations, as they are often found, for example, in the automotive industry. Since the lightbox achieves a homogeneous luminance over a relatively large area, it is very well suited as backlighting for displays, e.g. can be found at a car radio.
  • the diffuser faces the reflector with its light exit region, so that light emerging from the light exit region is reflected back into the diffuser and then can leave the diffuser on the side opposite to the light exit region.
  • the diffuser has a longitudinal extent, a transverse extent and a thickness, wherein the longitudinal Extent is greater than the transverse extent, the transverse extent is greater than the strength, the light source is arranged on the side, which is spanned by transverse extent and strength, and the exit of diffused light takes place on the side, which is spanned by longitudinal extent and transverse extent.
  • a diffuser extends essentially in two dimensions, namely in a longitudinal extent and in a transverse extent.
  • the third dimension is the thickness or thickness of the material of the diffuser.
  • the longitudinal extent can be understood as the X direction
  • the transverse extent as the Y direction
  • the strength as the Z direction.
  • the diffuser makes it possible to arrange the light source or the light sources along the transverse extent of the reflector, ie along the short side of the reflector, while still achieving a good uniform distribution of the luminance.
  • the light entry direction, X direction is at an angle to the light exit direction, Z direction.
  • the angle is preferably more than 30 °, more preferably more than 60 °, and in particular more than 75 °. If the diffuser is designed in the manner of a cuboid, then the X direction and the Z direction are approximately perpendicular to one another.
  • the light enters via the smallest side of the diffuser, namely the side which is spanned by transverse extension and strength, ie the YZ plane, and emerges on the largest side, which is spanned by longitudinal extension and transverse extension, ie the XY plane ,
  • the directional information given here and the indication of a possible coordinate system serve only for a simplified explanation and an improved orientation with regard to the different regions of the diffuser. The information does not mean, however, that it must be possible to define these distances and directions for each diffuser according to the invention.
  • an injection mold for producing an optical diffuser wherein the injection mold has a first negative portion for a light entry region and a second negative portion for a light exit region of the diffuser and the second negative portion has a plurality of protrusions and / or depressions, and wherein the spatial concentration of the elevations and / or depressions increases with increasing distance from the first negative portion.
  • the elevations and / or depressions, which later form the impurities are worked out by a laser process or an etching process.
  • the second negative section has depressions, since then the production of the injection mold is particularly easy to implement.
  • Fig. 1 is an exploded view of an embodiment of a light box
  • FIG. 2 shows a cross section through the light box according to FIG. 1 in the assembled state
  • Fig. 3 is a plan view of a first embodiment of a diffuser
  • Fig. 4 is a plan view of a second embodiment of a diffuser
  • Fig. 5 possible impurity distributions in a diffuser with unilateral irradiation of light
  • Fig. 6 possible impurity distributions in a diffuser with two-sided irradiation of light
  • Fig. 7 is a detailed illustration of impurities arranged in groups in a third embodiment of the diffuser.
  • FIG. 8 shows a detail of impurities which are designed as elevations in a fourth embodiment of the diffuser
  • FIG. 10 is a detail view of a portion of an injection mold for producing an optical diffuser with impurities as shown in FIG. 8; FIG.
  • FIG. 11 shows beam paths in the case of a diffuser according to FIG. 8, to which a reflector faces on its underside;
  • FIG. 12 is a detailed illustration of impurities formed as depressions in a fifth embodiment of the diffuser;
  • FIG. 12 is a detailed illustration of impurities formed as depressions in a fifth embodiment of the diffuser;
  • FIG. 13 is a detailed view of a portion of an injection mold for producing an optical diffuser with impurities according to FIG. 11; FIG. and
  • FIG. 14 shows beam paths in the case of a diffuser according to FIG. 11.
  • FIG. 1 shows a diffuser 10, which forms part of a light box 12.
  • the light box 12 has a reflector 14 and a plurality of light sources 16, which are embodied here as LEDs and are arranged on a printed circuit board 18 or a PCB (printed circuit board).
  • the diffuser 10 serves to diffuse light from the light sources 16.
  • the diffuser 10 has a longitudinal extent A, a transverse extent B and a material thickness or thickness C.
  • the longitudinal extent A is greater than the transverse extent B, and the transverse extent B is greater than the thickness C.
  • the diffuser 10 consists of a homogeneous material or of a homogeneous material mixture. In particular, polymethylmethacrylate can be used.
  • the diffuser 10 may comprise a diffusely acting additive which is homogeneously distributed in the diffuser 10.
  • the diffuser 10 has a light entry region 20 - in this embodiment, the diffuser 10 has on both short sides a light entry region 20 - which is formed for the entry of light from the light sources 16 into the diffuser 10.
  • the diffuser 10 also has a light exit region 22, which is formed for the exit of the light from the diffuser 10.
  • the light sources 16 are arranged on the side of the diffuser 10, which is spanned by transverse extension B and thickness C. The light sources 16 are therefore located in the immediate vicinity of the light entry region 20.
  • the light entry region 20 lies here in the YZ plane.
  • the discharge of diffused light takes place on the side of the diffuser 10, the longitudinal extent of A and Transverse extension B is clamped.
  • the light exit region 22 is therefore in the XY plane.
  • the structure of the light box 12 shown here provides a compact and self-contained backlight for a display 24, in particular an LCD.
  • Fig. 2 shows the light box 12 with the display 24 in the assembled state in cross section.
  • the diffuser 10 is arranged with its light exit region 22 on the reflector 14, so that light which emerges from the light exit region 22 is reflected back into the diffuser 10 and then can leave the diffuser 10 on the side 26 which lies opposite the light exit region 22.
  • the diffuser 10 may also be arranged on the reflector 14 so that the light from the diffuser 10 is reflected in the direction of the light exit region 22.
  • the light exit region 22 has a surface 30 with impurities 28 which are designed to decouple part of the light in the diffuser 10 from the diffuser 10.
  • the impurities 28 are formed here as elevations on the surface 30, that is not enclosed in the material of the diffuser 10.
  • the spatial concentration of the impurities 28 - with respect to the surface 30 - increases with increasing distance D from the light entry region 20. That is, there are fewer impurities 28 in a portion near the light entry region 20 than in a more distant portion. If a plurality of light sources 16 are to be taken into account, the light source 16 which is closest to the section in question is used to determine a desired concentration K of impurities 28 in accordance with the invention.
  • Fig. 4 shows a second embodiment of a diffuser 10, in which the impurities 28 are arranged in relation to the transverse extent B of the diffuser 10 disordered, in particular stochastically distributed.
  • a light source 16 is shown here. If light sources 16 are to be used on both sides of the diffuser 10, then the diffuser 10 would continue in mirror image to the area shown, see the following two figures.
  • the impurities 28 are arranged in discrete areas, the discrete areas - as shown here - may be spaced from each other.
  • the impurities 28 are distributed with a linearly increasing concentration K.
  • the impurities 28 are distributed with a concentration K, which has the shape of a half Gaussian bell curve.
  • FIG. 6 shows the situation when two light sources 16 are arranged at opposite ends of the diffuser 10. Again, the concentration K is shown as a function of the distance D. However, since at a certain distance D the left light source 16 is farther from a certain section than the right light source 16, the distance D 1 from the right light source 16 must be considered from this point:
  • the impurities 28 are arranged in discrete areas, the discrete areas - as shown here - may be spaced from each other.
  • the function of the concentration K of the impurities 28 has the shape of a triangle.
  • FIG. 7 shows a third embodiment of a diffuser 10.
  • the impurities 28 can be arranged in groups 32, in particular in the form of a matrix, wherein the groups 32 are spaced from one another with respect to the surface 30.
  • FIG. 8 shows, on the basis of a section of a fourth embodiment of a diffuser 10, how the defects 28 of a group 32 shown in FIG. 7 can be configured as elevations 34. It can be seen that a base of the impurities 28 is substantially annular. The wall thickness of an impurity 28 decreases with increasing distance from the surface 30. An impurity 28 therefore has in particular a cup-like shape. Preferably, the cavity 36 formed in the defect has an approximately hemispherical shape. Particularly preferably, all impurities 28 have the same shape.
  • FIG. 9 shows in a more detailed representation of a detail how the defects 28 according to FIG. 7 can be configured.
  • the wavy lines at the impurities 28 serve only to clarify the shape of the outside and inside.
  • the cavity 36 is flattened with its hemispherical shape at the zenith or in the region of the zenith of the hemisphere.
  • the injection mold 38 shows a section of a first embodiment of an injection mold 38 for producing an optical diffuser 10.
  • the injection mold 38 has a first negative section 40 for a light entry region 20 and a second negative section 38 for a light exit region 22.
  • the injection mold 38 also has a third negative section 44 for the lateral region of the diffuser 10th
  • the second negative portion 42 has a plurality of recesses 46 which are formed such that the surface 48 of the injection mold 38 has approximately hemispherical elevations 50.
  • the upper portion of the projections 50 is at the same level as the surface 48 in a region without depressions 46; in other words, the elevations 50 protrude not beyond the surface 48 in a region without depressions 46 addition.
  • the profile of a survey 50 can be seen from the sectional view.
  • the spatial concentration K of the depressions 46 or the elevations 50 increases with increasing distance from the first negative portion 40.
  • FIG. 11 shows in simplified form how the diffuse effect of the diffuser 10 according to FIG. 8, in this case in cooperation with an advantageous reflector 14, arises. It should be noted that in practice there is a much greater variety of light rays in the diffuser 10 because each reflection and refraction in the diffuser 10 or diffuser 10 emits a plurality of less intense secondary rays in almost all directions besides the main beam. In addition, FIG. 11 shows only two-dimensional aspects, whereby three-dimensional aspects also play a role in practice since the beams in the diffuser 10 can each also have a directional component in the Y-direction.
  • the diffuser 10 is an optical fiber.
  • the beam Sl is at a shallow angle and is therefore totally reflected at the boundary surfaces of the diffuser 10.
  • the beam S2 shows that a light beam is coupled out of the diffuser 10 after it has hit an impurity 28 and is reflected there at a steeper angle due to the curvature.
  • the ray S3 shows that by means of a diffuse additional material further refraction and reflection effects can be effected.
  • the beam S3 divides into two partial beams S3 1 and S3 "The partial beam S3 1 strikes the side 26 of the diffuser 10 and is decoupled there The partial beam S3" first leaves the diffuser 10 via the light exit area 22, is then reflected back from the reflector 14 in the diffuser 10 and then leaves the diffuser 10 finally on the diffuser side 26th
  • the individual defects 28 of a group 32 have a substantially round base area have, in particular an annular base surface, and are formed as depressions 52.
  • the impurities 28 may in particular represent a negative image of the elevations 34 from FIG. 9.
  • the wall width of the recesses 52 in the lower region of the impurity, ie at the lowest point of the impurity 28, is between 1 .mu.m and 100 .mu.m, and the depth of the recess 52 is between 1 .mu.m and 100 .mu.m.
  • FIG. 13 shows a section of a second embodiment of an injection mold 38 for producing an optical diffuser 10.
  • the injection mold 38 has a first negative section 36 for a light entry region 20 and a second negative section 42 for a light exit region 22.
  • the injection mold 38 also has a third negative section 44 for the lateral area of the diffuser 10.
  • the second negative portion 42 has a plurality of elevations 54. The spatial concentration K of the elevations 54 increases with increasing distance from the first negative portion 40.
  • the desired impurities 28 are formed on the basis of the elevations 54.
  • the explanations on the elevations 34 according to FIGS. 8 and 9 are used.
  • FIG. 14 shows in simplified form how the diffuse effect of the diffuser 10 according to FIG. 12 arises. It should again be noted that in practice there is a much greater variety of light rays in the diffuser 10 because each reflection and refraction in the diffuser 10 or diffuser 10 emits a plurality of less intense secondary rays in almost all directions besides the main beam , Here too, FIG. 14 shows only two-dimensional aspects, with three-dimensional aspects also playing a role in practice, since the beams in the diffuser 10 can each also have a directional component in the Y direction.
  • the diffuser 10 is an optical fiber.
  • the beam S4 is at a shallow angle and is therefore at the boundary surface surfaces of the diffuser 10 is totally reflected.
  • the beam S5 shows that further refraction and reflection effects can be effected by means of a diffuse additional material, see the two partial beams S5 'and S5.
  • the beams S6 and S7 show further effects of the diffuser 10, through which a good diffusion effect can result , see also the two partial beams S7 'and S7 ".
  • the invention thus shows a total of an advantageous diffuser, which is still easy to manufacture with good properties with respect to a uniform light distribution. Since the diffuser according to the invention allows a light feed over its short side, a light box can be built very compact with such a diffuser.

Abstract

Ein optischer Diffusor (10) zum Streuen von Licht aus einer Lichtquelle (16), der Diffusor (10) mit einem Lichteintrittsbereich (20), der den Eintritt von Licht aus der Lichtquelle (16) in den Diffusor (10) bereitstellt, und mit einem Lichtaustrittsbereich (22), der den Austritt des Lichts aus dem Diffusor (10) bereitstellt, wobei der Lichtaustrittsbereich (22) eine Oberfläche (30) mit Störstellen (28) aufweist, die dafür ausgebildet sind, einen Teil des Lichts im Diffusor (10) aus dem Diffusor (10) auszukoppeln, und wobei die räumliche Konzentration der Störstellen (28) mit zunehmendem Abstand (D) vom Lichteintrittsbereich (20) zunimmt. Ferner werden eine Lichtbox (12) mit einem solchen Diffusor (10), eine Spritzgussform (38) und eine Verwendung einer Spritzgussform (38) gezeigt.

Description

Optischer Diffusor. Lichtbox. Spritzgussform und Verwendung einer Spritzgussform
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Diffusor zum Streuen von Licht aus einer Lichtquelle. Der Diffusor hat einen Lichteintrittsbereich, der für den Eintritt von Licht aus einer Lichtquelle in den Diffusor ausgebildet ist, und einen Lichtaustrittsbereich, der für den Austritt des Lichts aus dem Diffusor ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Lichtbox mit einem Diffusor, eine Spritzgussform zum Herstellen eines Diffusors und die Verwendung einer Spritzgussform zum Fertigen eines Diffusors.
BIΞSTATIGUNGSKOPIE Es gibt in der täglichen Welt eine Vielzahl von Anforderungen dahingehend, dass Gegenstände beleuchtet sein müssen. Um dies zu erzielen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Dazu zählen insbesondere eine direkte Beleuchtung von außen, eine indirekte Beleuchtung von außen, eine Hintergrundbeleuchtung von innen, oder das Objekt leuchtet selbst, wie z.B. eine Neonröhre.
Besondere Erfordernisse bestehen im Bereich von Bedienelementen. Eine Beleuchtung von außen scheidet hier in aller Regel aus, da die Hand des Benutzers durch das Licht von außen zu einem Schattenwurf führt. Außerdem führt die Beleuchtung von außen zu einem unerwünschten Umgebungslicht, und der Kunde sieht bei einem von außen beleuchteten Bedienelement eine geringere Wertigkeit. Schließlich steht eine Beleuchtung von außen auch dem Wunsch der Industrie entgegen, auf einfache in sich geschlossene Module zurückgreifen zu können, in denen die vollständige Funktionalität integriert ist.
Aus diesem Grund ist in der Vergangenheit gerne auf die Möglichkeit der Hintergrundbeleuchtung zurückgegriffen worden. Hierbei macht sich jedoch die Tatsache bemerkbar, dass eine Lichtquelle ihr Licht in aller Regel punktförmig abstrahlt, wie es bei den häufig verwendeten Glühbirnen und LEDs der Fall ist.
Um eine gute Lichtausbeute zu erzielen, sind die Lichtquellen üblicherweise, bezogen auf die Blickrichtung des Betrachters, hinter dem zu beleuchtenden Element angeordnet worden. Die punktförmige Lichtquelle bewirkt allerdings, dass der Benutzer den Bereich des Bedienelements, der in etwa in Richtung der Lichtquelle liegt, als deutlich heller wahrnimmt als an den Randbereichen.
Um diesem Effekt entgegenzuwirken, ist man dazu übergegangen, zwischen der Lichtquelle und dem Anzeigeelement beziehungsweise dem Bedienelement einen Diffusor anzuordnen. Für großflächige Anzeigeelemente wurden beispielsweise mechanische Konzepte aufgezeigt, wie sie z.B. aus der DE 43 11 013 Al bekannt sind. Hier ist zwischen der Lichtquelle und der sichtbaren Deckplatte ein Diffusor angebracht. Der Diffusor hat einen Bereich unmittelbar über der Lichtquelle, der nicht lichtdurchlässig ist. Auf diese Weise wird die direkte Strahlung von der Lichtquelle in das Auge des Betrachters unterdrückt. Ausgehend von diesem mittleren Feld befinden sich an beiden Seiten gelochte Felder mit zunehmender Lochung und Lichtdurchlässigkeit. Auf diese Weise soll erreicht werden, dass die Lichtverteilung auf der Deckplatte homogen erscheint. Tatsächlich bleibt die Lichtverteilung bei dem vorgeschlagenen Diffusor aber sichtbar inhomogen, und der Diffusor eignet sich nicht für Beleuchtungssituationen mit geringem verfügbaren Bauraum.
Um die Diffusorwirkung zu verbessern und auch eine Lösung anzubieten, wenn nur wenig Bauraum zur Verfügung steht, wurden Diffusoren vorgeschlagen, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2006 034 817 Al bekannt sind. Bei einem solchen Diffusor befindet sich in einem ersten Körper mit einem ersten Brechungsindex eine Mehrzahl von kleineren zweiten Körpern mit einem zweiten Brechungsindex. Wird der Diffusor nun aus einer Lichtquelle bestrahlt, so durchläuft das Licht aufgrund der verschiedenen Brechungsindices einen komplexen Weg durch den Diffusor mit mehreren Brechungen und Abstrahlpunkten, so dass das Licht am Lichtaustrittsbereich diffus erscheint. Allerdings haben derartige Lösungen immer noch einen ungenutzten Bauraum, da die Lichtquellen in einem bestimmten Abstand zum Diffusor angeordnet werden müssen. Ist dieser Abstand nicht gegeben, so resultiert dies wieder in einer inhomogenen Lichtverteilung.
Eine weitere Art von Diffusor ist aus der DE 195 38 893 Al bekannt. Hier wird Licht von der Seite in einen Diffusor eingestrahlt. In dem Diffusor befinden sich Kugeln oder Partikel, die entsprechend den gewünschten Bedingungen eindiffundiert werden. In Abhängigkeit von der Diffusionsdotierung kann man eine bestimmte Lichtauskoppellänge erreichen. In diesem Zusammenhang sei noch auf EP 0 676 218 Bl verwiesen. Die Beschreibungseinleitung dieses Dokuments zeigt auf, warum es in der Praxis schwierig und aufwändig ist, einen Diffusor aus zwei Materialien, sprich einem Trägermaterial und einem diffus wirkenden Zusatzmaterial, zu fertigen, insbesondere wenn die Konzentration des diffus wirkenden Materials an verschiedenen Stellen des Diffusors unterschiedlich sein soll. Als Lösung wird hier vorgeschlagen, dass ein optischer Kern von einer Substanz, die Streupartikel enthält, optisch getrennt wird und der Kern von der die Streupartikel enthaltenden Substanz bis zum Ende eines aktiven Bereichs des Diffusors getrennt gehalten wird. Die Fertigung ist allerdings aufwändig.
Die DE 100 60 364 Al befasst sich, die sich unter anderem mit einer Reduzierung der Totalreflexion in einem Diffusor. Bei dem hier gezeigten Diffusor wird das Licht in bekannter Weise an den Grenzflächen zwischen einem Trägermaterial und darin eingebrachten Volumenelementen abgelenkt. Um das gestreute Licht besonders gut aus dem Diffusor auszukoppeln, ist eine als Lichtabstrahlfläche dienende Hauptseite des Diffusors mit einer Gitterstruktur versehen, an der die Totalreflexion des Lichts innerhalb des Körpers gestört wird. Auf diese Weise soll das diffuse Licht in gleichmäßiger Verteilung aus dem Diffusor austreten können.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Diffusoren haben jedoch den Nachteil, dass sie entweder aufwändig in der Fertigung sind, nur eine mäßige Homogenität bei der Lichtverteilung erzielen oder einen erheblichen Bauraum benötigen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Diffusor aufzuzeigen. Die Verbesserung soll dabei insbesondere darin liegen, dass der Diffusor einfach zu fertigen ist, mit einem geringen Bauraum auskommt und eine gute Homogenität bei der Lichtverteilung erzielt.
Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Lichtbox mit einem Diffusor und einer Lichtquelle, eine Spritzgussform zum Herstellen eines Diffusors und eine Verwendung einer Spritzgussform zum Fertigen eines Diffusors aufzuzeigen. Die Aufgabe der Erfindung wird nach einem Aspekt der Erfindung durch einen optischen Diffusor zum Streuen von Licht aus einer Lichtquelle gelöst, wobei der Diffusor einen Lichteintrittsbereich, der für den Eintritt von Licht aus der Lichtquelle in den Diffusor ausgebildet ist, und einen Lichtaustrittsbereich aufweist, der für den Austritt des Lichts aus dem Diffusor ausgebildet ist, wobei der Lichtaustrittsbereich eine Oberfläche mit Störstellen aufweist, die dafür ausgebildet sind, zumindest einen Teil des Lichts im Diffusor aus dem Diffusor auszukoppeln, und wobei die räumliche Konzentration der Störstellen mit zunehmendem Abstand vom Lichteintrittsbereich zunimmt.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass es möglich ist, einen guten Diffusor zu bauen, ohne dass aufwändige Bearbeitungsschritte erforderlich sind, um die Diffusionseigenschaft des Diffusors herzustellen. Zwar kann es, wie später noch erläutert wird, zusätzliche Vorteile bringen, wenn ein diffus wirkendes Material verwendet wird, doch zeichnet sich die Erfindung unter anderem dadurch aus, dass dies keine Voraussetzung ist, um eine gute Diffusionswirkung zu erzielen.
Durch das Einbringen von Störstellen wird die Lichtauskopplung aus dem Diffusor gezielt vorgenommen. Gleichzeitig wird durch die besondere Anordnung der Störstellen eine gleichmäßige Lichtverteilung am Austrittsbereich des Diffusors erzielt. Diese besondere Ausgestaltung ermöglicht neben der guten Gleichverteilung der Leuchtdichte auch eine gute Lichtausbeute bezogen auf das eingestrahlte Licht.
Die Konzentration bzw. die Dichte der Störstellen kann ermittelt werden, indem man für eine bestimmte Fläche ermittelt, welcher Teil dieser Fläche mit Störstellen versehen ist. Alternativ ist es auch möglich die Anzahl der Störstellen je Flächeneinheit zu ermitteln.
Allgemein ist festzustellen, dass es bei einem erfindungsgemäßen Diffusor ausreichend ist, wenn lediglich an einer Seite eine oder mehrere Lichtquellen angeordnet sind.. Es wird aber als vorteilhaft angesehen, sowohl für eine weitere Verbesserung der Gleichverteilung der Leuchtdichte als auch für eine allgemeine Steigerung der Leuchtdichte, Lichtquellen an zwei oder mehr Seiten des Diffusors anzuordnen. Versuche haben gezeigt, dass es ausreichend ist, wenn Lichtquellen an zwei gegenüber liegenden Seiten des Diffusors, insbesondere an den zwei kurzen Seiten des Diffusors, angeordnet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Störstellen als Erhebungen auf der Oberfläche ausgebildet.
Diese Ausgestaltung lässt sich fertigungstechnisch gut realisieren. Außerdem haben erste Untersuchungen gezeigt, dass es vorteilhaft für die Lichtverteilung ist, wenn die Störstellen als Erhebungen ausgebildet sind. Es sei aber darauf hingewiesen, dass die Störstellen prinzipiell auch als Vertiefungen in der Oberfläche ausgebildet sein können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung haben die Störstellen eine Breite zwischen 1 μm und 100 μm und/oder eine Höhe zwischen 1 μm und 100 μm.
Im Rahmen der Erfindung wurde ermittelt, dass sich eine besonders gute Lichtverteilung erzielen lässt, wenn die Störstellen klein gewählt werden. Es wird derzeit davon ausgegangen, dass sich eine besonders günstige Lichtauskopplung ergibt, wenn eine Vielzahl kleiner Störstellen ausgebildet wird anstatt einer kleinen Anzahl von großflächigen Störstellen. Ferner deuten erste Versuche darauf hin, dass sich eine besonders günstige Verteilung der Störstellen erzielen lässt, wenn die Störstellen hinreichend klein gewählt sind.
In diesem Zusammenhang wurde erkannt, dass die Störstellen bevorzugt eine Breite zwischen 1 μm und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 2,5 μm und 40 μm, und insbesondere zwischen 5 μm und 20 μm haben sollten. Konkrete Versuche mit einer Breite von 10 μm haben gute Ergebnisse gezeigt. Die Höhe der Störstellen liegt bevorzugt zwischen 1 μm und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 2,5 μm und 40 μm, und insbesondere zwischen 5 μm und 20 μm. Erste Versuche mit einer Höhe von 10 μm haben gute Ergebnisse gezeigt. Werden die Störstellen als Vertiefungen ausgebildet, sind die Höhenangaben entsprechend als Tiefenangaben zu verstehen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung haben die Störstellen eine im Wesentlichen runde Grundfläche, insbesondere eine ringförmige Grundfläche.
Derart geformte Störstellen lassen sich fertigungstechnisch besonders günstig herstellen. Insbesondere wenn der Diffusor im Spritzgussverfahren hergestellt wird, wie später noch näher erläutert wird, ist diese Ausgestaltung vorteilhaft, da sich der gegossene und erstarrte Diffusor gut aus der Spritzgussform entfernen lässt. Die runde bzw. ringförmige Grundfläche hat aber zudem den Vorteil, dass die Gleichmäßigkeit der Diffusion verbessert wird. Der Grund für diesen Effekt wird darin gesehen, dass parallele Strahlen, die auf eine gekrümmte Grenzfläche treffen, in unterschiedliche Richtungen reflektiert oder gebrochen werden können. Dieser Effekt ist bei einer ebenen Grenzfläche nicht zu beobachten.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Störstellen in Gruppen angeordnet, insbesondere in Form einer Matrix, wobei zumindest ein Teil der Gruppen bezogen auf die Oberfläche voneinander beabstandet sind.
Diese Ausgestaltung ist fertigungstechnisch vorteilhaft, da eine Gruppe von Störstellen beziehungsweise das entsprechende Negativbild in der Spritzgussform besonders schnell hergestellt werden kann. Die Störstellen in einer Gruppe grenzen aneinander an. Jede Gruppe weist zwischen 2 und 100, bevorzugt zwischen 4 und 64, insbesondere zwischen 9 und 36 Störstellen auf. Erste Versuche deuten darauf hin, dass eine Gruppe von 16 Störstellen vorteilhaft ist, da dies eine gute Balance zwischen der Größe einer Gruppe und der Effektivität bei der Fertigung darzustellen scheint. Die Anordnung der Mittelpunkte der Störstellen in einer Gruppe ist bevorzugt dreieckig, rautenförmig oder rechteckig. Gute Ergebnisse haben sich gezeigt, wenn die Störstellen in einer quadratischen Matrix einer Größe zwischen 2 x 2 bis 10 x 10, bevorzugt 3 x 3 bis 6 x 6, angeordnet werden. Derzeitige Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Matrix der Größe 4 x 4 besonders vorteilhaft ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Diffusor aus einem homogenen Material oder aus einer homogenen Materialmischung.
Dies ermöglicht einen einfachen und preisgünstigen Fertigungsprozess, da auf das Einbringen eines weiteren Materials oder das Eindiffundieren von weiteren Teilchen verzichtet werden kann. Wie bereits eingangs erläutert, ermöglicht die Erfindung erstmals eine derartige Ausgestaltung, da die besondere Oberflächenstruktur den gewünschten Diffusionseffekt mit einer gleichmäßigen Verteilung der Leuchtdichte erzielt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Diffusor aus Potymethylmethacrylat (PMMA) oder weist der Diffusor Polymethylmethacrylat auf.
Ein derartiger Diffusor hat besonders gute optische Eigenschaften, ist haltbar und kann günstig hergestellt werden. Bei weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung werden Polycarbonate (PC) oder andere lichtdurchlässige Materialien verwendet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Diffusor ein diffus wirkendes Zusatzmaterial auf, welches homogen im Diffusor verteilt ist.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine Vereinfachung des Produktionsprozesses dahingehend, dass die Toleranzen für den Fertigungsprozess aufgeweitet werden können. Aufgrund der feinen Mikrostrukturen, die zur Realisierung der Erfindung vorgeschlagen werden, sollte der Fertigungsprozess innerhalb wohldefinierter Toleranzbereiche gefahren werden, um ein gleichmäßiges Ergebnis bei der Lichtverteilung der Diffuso- ren zu erzielen. Es hat sich gezeigt, dass die Fertigungstoleranzen im Fertigungs- prozess aufgeweitet werden können, wenn das verwendete Material bereits selbst zu einem bestimmten Grad diffus wirkt. Dies bedeutet, dass bereits zu einem bestimmten Grad diffuses Licht auf den Lichtaustrittsbereich mit den Störstellen trifft, so dass bestimmte Fertigungstoleranzen nicht mehr ins Gewicht fallen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Diffusor ein Reflektor angeordnet, der dafür ausgebildet ist, Licht aus dem Diffusor in Richtung des Lichtaustrittsbereichs zu reflektieren.
Auf diese Weise wird die Lichtausbeute, also die sichtbare Leuchtdichte, die der Diffusor abstrahlt, verbessert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Diffusor ein Reflektor angeordnet, der dafür ausgebildet ist, durch den Lichtaustrittsbereich austretendes Licht zurück in den Diffusor zu reflektieren, so dass das Licht an einer Seite, die dem Lichtaustrittsbereich gegenüberliegt, aus dem Reflektor austritt.
Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Lichtausbeute. Für eine vereinfachte Orientierung kann man hier auch davon sprechen, dass die Störstellen an der Unterseite des Diffusors angeordnet sind. Es ist vorteilhaft, wenn die die innere Reflektoroberfläche, also die Fläche, die dem Diffusor zugewandt ist, poliert ist, insbesondere blank poliert ist. Die Störstellen können auch an der Oberseite des Diffusors angeordnet werden, also an der Seite, die nicht dem Diffusor zugewandt ist, doch erscheint die Anordnung an der Unterseite derzeit als vorteilhafter. Unabhängig davon, ob ein Reflektor verwendet wird oder nicht, können die Störstellen an einer Seite des Diffusors, insbesondere der Oberseite oder der Unterseite, oder an zwei gegenüberliegenden Seiten des Diffusors, insbesondere der Oberseite und der Unterseite, angeordnet sein. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verlauf der Konzentration der Störstellen in Bezug auf eine Längserstreckung des Diffusors ähnlich einer halben Gauß'schen Glockenkurve.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders gleichmäßige Verteilung der Leuchtdichte. Wie anhand der Ausführungsbeispiele noch erläutert wird, kann aber auch mit anderen Verteilungen der gewünschte Effekt erzielt werden. Werden mehrere Lichtquellen verwendet, so ist die halbe Gauß'sche Glockenkurve jeweils in Bezug auf die einzelne Lichtquelle zu sehen. Liegen sich zwei Lichtquellen entlang einer Längserstreckung des Diffusors gegenüber, so ist es bevorzugt, dass die Konzentration der Störstellen in Bezug auf die Längserstreckung einer ganzen Gauß'schen Glockenkurve ähnelt beziehungsweise entspricht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Störstellen in Bezug auf eine Quererstreckung des Diffusors ungeordnet, insbesondere stochastisch, verteilt angeordnet.
Diese Ausgestaltung verbessert die Gleichverteilung der Leuchtdichte. Auf diese Weise kann insbesondere das Auftreten von unerwünschten Moire-Mustern verhindert werden, die ansonsten als lokale Helligkeitsminima oder -maxima in Erscheinung treten. Bei einer stochastischen Verteilung werden die Positionen der Störstellen bezogen auf die Quererstreckung anhand einer Zufallsgenerators oder Pseudo- Zufallsgenerators ermittelt.
Bei der ungeordneten Verteilung kann auch ein Abschnitt der Längserstreckung für die Bestimmung deT Positionen der Störstellen herangezogen werden. Die Unordnung bzw. die stochastische Verteilung in Längsrichtung darf aber nicht so groß werden, dass die zunehmende Konzentration der Störstellen in Längrichtung verschwindet. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Lichtbox vorgeschlagen, die eine Lichtquelle, einen Reflektor und einen zuvor beschriebenen optischen Diffusor aufweist, wobei der Diffusor auf dem Reflektor angeordnet ist und die Lichtquelle am Lichteintrittsbereich des Diffusors angeordnet ist.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders kompakte Lichtbox. Als Lichtbox soll dabei im Rahmen dieser Erfindung ein Bauteil verstanden werden, dem von außen Licht oder eine Spannung für eine Lichtquelle zugeführt wird und das dann über den Diffusor diffuses Licht abstrahlt. Wird auf die Lichtbox dann beispielsweise ein LCD (Liquid Crystal Display) gelegt, so stellt die Lichtbox eine Hintergrundbeleuchtung für das LCD dar.
Die erfindungsgemäße Lichtbox zeichnet sich insbesondere durch eine geringe Bautiefe aus, wobei die Bautiefe in aller Regel entlang einer Linie bestimmt wird, die senkrecht durch den Lichtausttittsbereich des Diffusors führt. Aufgrund der besonderen Ausgestaltung des Diffusors erzielt die erfindungsgemäße Lichtbox trotz ihres geringen Bauraums eine gute Gleichverteilung bei der Leuchtdichte. Die Lichtbox eignet sich daher hervorragend zur Bereitstellung einer Hintergrundbeleuchtung in beengten Einbausituationen, wie sie beispielsweise im Automobilbau häufig anzutreffen sind. Da die Lichtbox über eine verhältnismäßig große Fläche eine homogene Leuchtdichte erzielt, eignet sie sich sehr gut als Hintergrundbeleuchtung für Displays, wie sie z.B. bei einem Autoradio zu finden sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Diffusor mit seinem Lichtaustrittsbereich dem Reflektor zugewandt, so dass Licht, welches aus dem Lichtaustrittsbereich austritt, zurück in den Diffusor reflektiert wird und dann den Diffusor an der Seite verlassen kann, die dem Lichtaustrittsbereich gegenüber liegt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Diffusor eine Längserstreckung, eine Quererstreckung und eine Stärke auf, wobei die Längs- erstreckung größer als die Quererstreckung ist, die Quererstreckung größer als die Stärke ist, die Lichtquelle an der Seite angeordnet ist, die von Quererstreckung und Stärke aufgespannt wird, und der Austritt von diffusem Licht an der Seite erfolgt, die von Längserstreckung und Quererstreckung aufgespannt wird.
Ein Diffusor erstreckt sich in aller Regel im Wesentlichen in zwei Dimensionen, nämlich in einer Längserstreckung und in einer Quererstreckung. Bei der dritten Dimension handelt es sich um die Stärke beziehungsweise die Dicke des Materials des Diffusors. Für ein besseres Verständnis kann die Längserstreckung als X-Richtung, die Quererstreckung als Y-Richtung und die Stärke als Z-Richtung verstanden werden.
Um eine homogene Lichtverteilung zu erzielen, ist es im Stand der Technik bekannt, Lichtquellen entlang der Längserstreckung des Diffusors anzuordnen, mit anderen Worten entlang der langen Seiten des Diffusors. Dies ist allerdings aufwändig, da eine Vielzahl an Lichtquellen benötigt wird. Der Diffusor gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es aber, die Lichtquelle beziehungsweise die Lichtquellen entlang der Quererstreckung des Reflektors anzuordnen, also entlang der kurzen Seite des Reflektors, und dabei dennoch eine gute Gleichverteilung der Leuchtdichte zu erzielen.
Betrachtet man wieder die Richtungen im Diffusor, so stellt man fest, dass die Lichteintrittsrichtung, X-Richtung, in einem Winkel zur Lichtaustrittsrichtung, Z- Richtung, steht. Der Winkel beträgt dabei bevorzugt mehr als 30°, besonders bevorzugt mehr als 60°, und insbesondere mehr als 75°. Wird der Diffusor in der Art eines Quaders ausgebildet, so stehen die X-Richtung und die Z-Richtung in etwa senkrecht aufeinander.
Das Licht tritt über die kleinste Seite des Diffusors ein, nämlich der Seite, die von Quererstreckung und Stärke aufgespannt wird, also die YZ-Ebene, und tritt an der größten Seite aus, die von Längserstreckung und Quererstreckung aufgespannt wird, also die XY-Ebene. Die hier gemachten Richtungsangaben und das Aufzeigen eines möglichen Koordinatensystems dienen lediglich einer vereinfachten Erläuterung und einer verbesserten Orientierung bezüglich der verschiedenen Bereiche des Diffusors. Die Angaben bedeuten aber nicht, dass sich für jeden erfindungsgemäßen Diffusor diese Ersteckun- gen und Richtungen definieren lassen müssen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Spritzgussform zum Herstellen eines optischen Diffusors vorgeschlagen, wobei die Spritzgussform einen ersten Negativabschnitt für einen Lichteintrittsbereich und einen zweiten Negativabschnitt für einen Lichtaustrittsbereich des Diffusors aufweist und der zweite Negativabschnitt eine Vielzahl von Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, und wobei die räumliche Konzentration der Erhebungen und/oder Vertiefungen mit zunehmendem Abstand vom ersten Negativabschnitt zunimmt.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Erhebungen und/oder Vertiefungen, die später die Störstellen bilden, durch einen Laserprozess oder einen Ätzprozess herausgearbeitet werden. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der zweite Negativabschnitt Vertiefungen aufweist, da dann die Herstellung der Spritzgussform besonders einfach zu realisieren ist.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Verwendung einer zuvor erläuterten Spritzgussform zum Fertigen eines optischen Diffusors vorgeschlagen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer Lichtbox;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Lichtbox gemäß Fig. 1 in zusammengebautem Zustand;
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Diffusors;
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Diffusors;
Fig. 5 mögliche Störstellenverteilungen bei einem Diffusor mit einseitiger Einstrahlung von Licht;
Fig. 6 mögliche Störstellenverteilungen bei einem Diffusor mit zweiseitiger Einstrahlung von Licht;
Fig. 7 eine Detaildarstellung von Störstellen, die bei einer dritten Ausführungsform des Diffusors in Gruppen angeordnet sind;
Fig. 8 eine Detaildarstellung von Störstellen, die bei einer vierten Ausführungsform des Diffusors als Erhebungen ausgeführt sind;
Fig. 9 eine noch detailliertere Darstellung der Störstellen gemäß der vierten Ausführungsform;
Fig. 10 eine Detaildarstellung eines Abschnitts einer Spritzgussform zum Erzeugen eines optischen Diffusors mit Störstellen gemäß Fig. 8;
Fig. 11 Strahlengänge bei einem Diffusor gemäß Fig. 8, dem an seiner Unterseite ein Reflektor zugewandt ist; Fig. 12 eine Detaildarstellung von Störstellen, die bei einer fünften Ausführungsform des Diffusors als Vertiefungen ausgeführt sind;
Fig. 13 eine Detaildarstellung eines Abschnitts einer Spritzgussform zum Erzeugen eines optischen Diffusors mit Störstellen gemäß Fig. 11; und
Fig. 14 Strahlengänge bei einem Diffusor gemäß Fig. 11.
Fig. 1 zeigt einen Diffusor 10, der einen Teil einer Lichtbox 12 darstellt. Zusätzlich zu dem Diffusor 10 weist die Lichtbox 12 einen Reflektor 14 und mehrere Lichtquellen 16 auf, die hier als LEDs ausgeführt sind und auf einer Platine 18 beziehungsweise einem PCB (printed circuit board) angeordnet sind. Der Diffusor 10 dient dem Streuen von Licht aus den Lichtquellen 16.
Der Diffusor 10 hat eine Längserstreckung A, eine Quererstreckung B und eine Materialstärke beziehungsweise Stärke C. Die Längserstreckung A ist größer als die Quererstreckung B, und die Quererstreckung B ist größer als die Stärke C. Der Diffusor 10 besteht aus einem homogenen Material oder aus einer homogenen Materialmischung. Insbesondere kann Polymethylmethacrylat verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Diffusor 10 ein diffus wirkendes Zusatzmaterial autweisen, welches homogen im Diffusor 10 verteilt ist.
Der Diffusor 10 hat einen Lichteintrittsbereich 20 - bei dieser Ausführungsform hat der Diffusor 10 an beiden kurzen Seiten einen Lichteintrittsbereich 20 -, der für den Eintritt von Licht aus den Lichtquellen 16 in den Diffusor 10 ausgebildet ist. Der Diffusor 10 hat außerdem einen Lichtaustrittsbereich 22, der für den Austritt des Lichts aus dem Diffusor 10 ausgebildet ist. Die Lichtquellen 16 sind an der Seite des Diffusors 10 angeordnet, die von Quererstreckung B und Stärke C aufgespannt wird. Die Lichtquellen 16 befinden sich also in unmittelbarer Nähe des Lichteintrittsbereichs 20. Der Lichteintrittsbereich 20 liegt hier in der YZ-Ebene. Der Austritt von diffusem Licht erfolgt an der Seite des Diffusors 10, die von Längserstreckung A und Quererstreckung B aufgespannt wird. Der Lichtaustrittsbereich 22 liegt also in der XY- Ebene.
Der hier gezeigte Aufbau der Lichtbox 12 bietet eine kompakte und in sich geschlossene Hintergrundbeleuchtung für ein Display 24, insbesondere ein LCD.
Fig. 2 zeigt die Lichtbox 12 mit dem Display 24 im zusammengebauten Zustand im Querschnitt. Der Diffusor 10 ist mit seinem Lichtaustrittsbereich 22 am Reflektor 14 angeordnet, so dass Licht, welches aus dem Lichtaustrittsbereich 22 austritt, zurück in den Diffusor 10 reflektiert wird und dann den Diffusor 10 an der Seite 26 verlassen kann, die dem Lichtaustrittsbereich 22 gegenüber liegt. Alternativ dazu kann der Diffusor 10 auch so am Reflektor 14 angeordnet sein, dass das Licht aus dem Diffusor 10 in Richtung des Lichtaustrittsbereichs 22 reflektiert wird.
Fig. 3 zeigt eine eiste Ausführungsform eines Diffusors 10. Der Lichtaustrittsbereich 22 weist eine Oberfläche 30 mit Störstellen 28 auf, die dafür ausgebildet sind, einen Teil des Lichts im Diffusor 10 aus dem Diffusor 10 auszukoppeln. Die Störstellen 28 sind hier als Erhebungen auf der Oberfläche 30 ausgebildet, also nicht in dem Material des Diffusors 10 eingeschlossen.
Die räumliche Konzentration der Störstellen 28 - bezogen auf die Oberfläche 30 - nimmt mit zunehmendem Abstand D vom Lichteintrittsbereich 20 zu. Das heißt, dass sich in einem Abschnitt nahe dem Lichteintrittsbereich 20 weniger Störstellen 28 befinden als in einem weiter entfernten Abschnitt. Sofern mehrere Lichtquellen 16 zu berücksichtigen sind, wird für die Ermittlung einer gemäß der Erfindung gewünschten Konzentration K von Störstellen 28 die Lichtquelle 16 herangezogen, die dem in Frage stehenden Abschnitt am nächsten ist.
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Diffusors 10, bei der die Störstellen 28 in Bezug auf die Quererstreckung B des Diffusors 10 ungeordnet, insbesondere stochastisch, verteilt angeordnet sind. Zu den Figs. 3 und 4 ist anzumerken, dass hier lediglich die Situation bezüglich einer Lichtquelle 16 dargestellt ist. Sollen Lichtquellen 16 an beiden Seiten des Diffusors 10 verwendet werden, so würde sich der Diffusor 10 spiegelbildlich zu dem gezeigten Bereich fortsetzen, siehe hierzu die beiden folgenden Figuren.
Fig. 5 zeigt mögliche Verläufe der Konzentration K der Störstellen 28 in Abhängigkeit vom Abstand D vom Lichteintrittsbereich 20:
a) Die Störstellen 28 sind in diskreten Bereichen angeordnet, wobei die diskreten Bereiche - wie hier gezeigt - von einander beabstandet sein können.
b) Die Störstellen 28 sind mit einer linear ansteigenden Konzentration K verteilt.
c) Die Störstellen 28 sind mit einer Konzentration K verteilt, die die Form einer halben Gauß'schen Glockenkurve hat.
Fig. 6 zeigt die Situation, wenn zwei Lichtquellen 16 an gegenüber liegenden Enden des Diffusors 10 angeordnet sind. Auch hier ist wieder die Konzentration K in Abhängigkeit vom Abstand D dargestellt. Da jedoch ab einem bestimmten Abstand D die linke Lichtquelle 16 weiter von einem bestimmten Abschnitt entfernt ist als die rechte Lichtquelle 16, muss ab diesem Punkt der Abstand D1 von der rechten Lichtquelle 16 betrachtet werden:
a) Die Störstellen 28 sind in diskreten Bereichen angeordnet, wobei die diskreten Bereiche - wie hier gezeigt - von einander beabstandet sein können.
b) Die Funktion der Konzentration K der Störstellen 28 hat die Form eines Dreiecks.
c) Die Funktion der Konzentration K der Störstellen 28 hat die Form einer Gauß'schen Glockenkurve. Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Diffusors 10. Hier ist gezeigt, dass die Störstellen 28 in Gruppen 32 angeordnet sein können, insbesondere in Form einer Matrix, wobei die Gruppen 32 bezogen auf die Oberfläche 30 voneinander beabstandet sind.
Fig. 8 zeigt anhand eines Ausschnitts einer vierten Ausführungsform eines Diffusors 10, wie die Störstellen 28 einer in der Fig. 7 gezeigten Gruppe 32 als Erhebungen 34 ausgestaltet sein können. Dabei ist zu erkennen, dass eine Grundfläche der Störstellen 28 im Wesentlichen ringförmig ist. Dabei nimmt die Wandstärke einer Störstelle 28 mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche 30 ab. Eine Störstelle 28 hat demnach insbesondere eine napfartige Form. Bevorzugt hat der in der Störstelle gebildete Hohlraum 36 eine in etwa halbkugelartige Form. Besonders bevorzugt weisen alle Störstellen 28 dieselbe Form auf.
Fig. 9 zeigt in einer detaillierteren Darstellung eines Ausschnitts, wie die Störstellen 28 gemäß der Fig. 7 ausgestaltet sein können. Die wellenförmigen Linien an den Störstellen 28 dienen dabei lediglich der Verdeutlichung der Form außen und innen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlraum 36 mit seiner halbkugelartigen Form am Zenit oder im Bereich des Zenits der Halbkugel abgeflacht.
Fig. 10 zeigt einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform einer Spritzgussform 38 zum Herstellen eines optischen Diffusors 10. Die Spritzgussform 38 hat einen ersten Negativabschnitt 40 für einen Lichteintrittsbereich 20 und einen zweiten Negativabschnitt 38 für einen Lichtaustrittsbereich 22. Außerdem hat die Spritzgussform 38 noch einen dritten Negativabschnitt 44 für den seitlichen Bereich des Diffusors 10.
Der zweite Negativabschnitt 42 weist eine Vielzahl von Vertiefungen 46 auf, die derart ausgebildet sind, dass die Oberfläche 48 der Spritzgussform 38 in etwa halbkugelförmige Erhebungen 50 aufweist. Bei der hier gezeigten Ausführungsform liegt der obere Abschnitt der Erhebungen 50 auf gleichem Niveau wie die Oberfläche 48 in einem Bereich ohne Vertiefungen 46; mit anderen Worten ragen die Erhebungen 50 nicht über die Oberfläche 48 in einem Bereich ohne Vertiefungen 46 hinaus. Das Profil einer Erhebung 50 ist anhand der geschnittenen Darstellung zu erkennen. Die räumliche Konzentration K der Vertiefungen 46 bzw. der Erhebungen 50 nimmt mit zunehmendem Abstand vom ersten Negativabschnitt 40 zu.
In der Fig. 11 ist vereinfacht dargestellt, wie die diffuse Wirkung des Diffusors 10 gemäß Fig. 8, hier im Zusammenspiel mit einem vorteilhaften Reflektor 14, entsteht. Es sei darauf hingewiesen, dass in der Praxis eine viel größere Vielfalt von Lichtstrahlen im Diffusor 10 vorhanden ist, weil jede Reflexion und jede Brechung im Diffusor 10 oder am Diffusor 10 neben dem Hauptstrahl noch eine Vielzahl von weniger intensiven Nebenstrahlen in nahezu alle Richtungen aussendet. Außerdem zeigt die Fig. 11 nur zweidimensionale Aspekte, wobei in der Praxis auch dreidimensionale Aspekte eine Rolle spielen, da die Strahlen im Diffusor 10 jeweils auch eine Richtungskomponente in Y-Richtung haben können.
Anhand des Strahls Sl ist dargestellt, dass der Diffusor 10 einen Lichtleiter darstellt. Der Strahl Sl befindet sich in einem flachen Winkel und wird daher an den Grenzflächen des Diffusors 10 totalreflektiert. Der Strahl S2 zeigt, dass ein Lichtstrahl aus dem Diffusor 10 ausgekoppelt wird, nachdem er auf eine Störstelle 28 getroffen ist und dort aufgrund der Wölbung in einem steileren Winkel reflektiert wird.
Schließlich zeigt der Strahl S3, dass mittels eines diffusen Zusatzmaterials weitere Brechungs- und Reflexionseffekte bewirkt werden können. Bei dem hier gezeigten Beispiel, teilt sich der Strahl S3 in zwei Teilstrahlen S31 und S3" auf. Der Teilstrahl S31 trifft auf die Seite 26 des Diffusors 10 und wird dort ausgekoppelt. Der Teilstrahl S3" verlässt den Diffusor 10 zunächst über den Lichtaustrittsbereich 22, wird dann vom Reflektor 14 in den Diffusor 10 zurückreflektiert und verlässt den Diffusor 10 dann endgültig auf der Diffusorseite 26.
Fig. 12 zeigt eine Detaildarstellung einer fünften Ausführungsform, bei der die einzelnen Störstellen 28 einer Gruppe 32 eine im Wesentlichen runde Grundfläche haben, insbesondere eine ringförmige Grundfläche, und als Vertiefungen 52 ausgebildet sind. Die Störstellen 28 können insbesondere ein Negativabbild der Erhebungen 34 aus der Fig. 9 darstellen. Die Wandbreite der Vertiefungen 52 im unteren Bereich der Störstelle, also am tiefsten Punkt der Störstelle 28, liegt zwischen 1 μm und 100 μm, und die Tiefe der Vertiefung 52 liegt zwischen 1 μm und 100 μm.
Fig. 13 zeigt einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Spritzgussform 38 zum Herstellen eines optischen Diffusors 10. Die Spritzgussform 38 hat einen ersten Negativabschnitt 36 für einen Lichteintrittsbereich 20 und einen zweiten Negativabschnitt 42 für einen Lichtaustrittsbereich 22. Außerdem hat die Spritzgussform 38 noch einen dritten Negativabschnitt 44 für den seitlichen Bereich des Diffusors 10. Der zweite Negativabschnitt 42 weist eine Vielzahl von Erhebungen 54 auf. Die räumliche Konzentration K der Erhebungen 54 nimmt mit zunehmendem Abstand vom ersten Negativabschnitt 40 zu.
Wird in die Spritzgussform 38 nun ein Spritzgussmaterial eingebracht, so bilden sich aufgrund der Erhebungen 54 die gewünschten Störstellen 28. Für die möglichen Ausgestaltungen der Erhebungen 54 können sinngemäß die Erläuterungen zu den Erhebungen 34 gemäß der Figs. 8 und 9 herangezogen werden.
In der Fig. 14 ist vereinfacht dargestellt, wie die diffuse Wirkung des Diffusors 10 gemäß Fig. 12 entsteht. Es sei erneut darauf hingewiesen, dass in der Praxis eine viel größere Vielfalt von Lichtstrahlen im Diffusor 10 vorhanden ist, weil jede Reflexion und jede Brechung im Diffusor 10 oder am Diffusor 10 neben dem Hauptstrahl noch eine Vielzahl von weniger intensiven Nebenstrahlen in nahezu alle Richtungen aussendet. Auch hier zeigt die Fig. 14 nur zweidimensionale Aspekte, wobei in der Praxis auch dreidimensionale Aspekte eine Rolle spielen, da die Strahlen im Diffusor 10 jeweils auch eine Richtungskomponente in Y-Richtung haben können.
Anhand des Strahls S4 ist dargestellt, dass der Diffusor 10 einen Lichtleiter darstellt. Der Strahl S4 befindet sich in einem flachen Winkel und wird daher an den Grenzflä- chen des Diffusors 10 totalreflektiert. Der Strahl S5 zeigt, dass mittels eines diffusen Zusatzmaterials weitere Brechungs- und Reflexionseffekte bewirkt werden können, siehe die beiden Teilstrahlen S5' und S5". Die Strahlen S6 und S7 zeigen weitere Effekte des Diffusors 10 auf, durch die sich eine gute Diffusionswirkung ergeben kann, siehe hierzu auch die beiden Teilstrahlen S7' und S7".
Die Erfindung zeigt damit insgesamt einen vorteilhaften Diffusor auf, der bei guten Eigenschaften bezüglich einer gleichmäßigen Lichtverteilung dennoch einfach zu fertigen ist. Da der erfindungsgemäße Diffusor eine Lichteinspeisung über seine kurze Seite erlaubt, kann eine Lichtbox mit einem solchen Diffusor besonders kompakt gebaut werden.

Claims

Patentansprüche
1. Optischer Diffusor (10) zum Streuen von Licht aus einer Lichtquelle (16), der Diffusor (10) mit einem Lichteintrittsbereich (20), der für den Eintritt von Licht aus der Lichtquelle (16) in den Diffusor (10) ausgebildet ist, und mit einem Lichtaustrittsbereich (22), der für den Austritt des Lichts aus dem Diffusor (10) ausgebildet ist, wobei der Lichtaustrittsbereich (22) eine Oberfläche (30) mit Störstellen (28) aufweist, die dafür ausgebildet sind, zumindest einen Teil des Lichts im Diffusor (10) aus dem Diffusor (10) auszukoppeln, und wobei die räumliche Konzentration (K) der Störstellen (28) mit zunehmendem Abstand (D) vom Lichteintrittsbereich (20) zunimmt.
2. Diffusor nach Anspruch 1, wobei die Störstellen (28) als Erhebungen auf der Oberfläche (30) ausgebildet sind.
3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Störstellen (28) eine Breite zwischen 1 μm und 100 μm und/oder eine Höhe zwischen 1 μm und 100 μm haben.
4. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Störstellen (28) eine im Wesentlichen runde Grundfläche haben, insbesondere eine ringförmige Grundfläche.
5. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Störstellen (28) in Gruppen (32) angeordnet sind, insbesondere in Form einer Matrix, und wobei zumindest ein Teil der Gruppen (32) bezogen auf die Oberfläche (30) voneinander beabstandet sind.
6. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diffusor (10) aus einem homogenen Material oder aus einer homogenen Materialmischung besteht.
7. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diffusor (10) aus Polymethylmethacrylat besteht oder Polymethylmethacrylat aufweist.
8. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diffusor (10) ein diffus wirkendes Zusatzmaterial aufweist, welches homogen im Diffusor (10) verteilt ist.
9. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an dem Diffusor (10) ein Reflektor (14) angeordnet ist, der dafür ausgebildet ist, Licht aus dem Diffusor (10) in Richtung des Lichtaustrittsbereichs (22) zu reflektieren.
10. Diffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei an dem Diffusor (10) ein Reflektor (14) angeordnet ist, der dafür ausgebildet ist, durch den Lichtaustrittsbereich (22) austretendes Licht zurück in den Diffusor (10) zu reflektieren, so dass das Licht an einer Seite (26), die dem Lichtausttittsbereich (22) gegenüber liegt, aus dem Reflektor (14) austritt.
11. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verlauf der Konzentration (K) der Störstellen (28) in Bezug auf eine Längserstreckung (A) des Diffusors (10) ähnlich einer halben Gauß'schen Glockenkurve ist.
12. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Störstellen (28) in Bezug auf eine Quererstreckung (B) des Diffusors (10) ungeordnet, insbesondere stochastisch, verteilt angeordnet sind.
13. Lichtbox (12) mit einer Lichtquelle (16), einem Reflektor (14) und einem optischen Diffusor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diffusor (10) auf dem Reflektor (14) angeordnet ist und die Lichtquelle (16) am Lichteintrittsbereich (20) des Diffusors (10) angeordnet ist.
14. Lichtbox nach Anspruch 13, wobei der Diffusor (10) mit seinem Lichtaustrittsbereich (22) dem Reflektor (14) zugewandt ist, so dass Licht, welches aus dem Lichtaustrittsbereich (22) austritt, zurück in den Diffusor (10) reflektiert wird und dann den Diffusor (10) an der Seite verlassen kann, die dem Lichtaustrittsbereich (22) gegenüber liegt.
15. Lichtbox nach Anspruch 14, wobei der Diffusor (10) eine Längserstreckung (A), eine Quererstreckung (B) und eine Stärke (C) aufweist, wobei die Längserstreckung (A) größer als die Quererstreckung (B) ist, die Quererstreckung (B) größer als die Stärke (C) ist, die Lichtquelle (16) an der Seite angeordnet ist, die von Quererstreckung (B) und Stärke (C) aufgespannt wird, und der Austritt von diffusem Licht an der Seite erfolgt, die von Längserstreckung (A) und Quererstreckung (B) aufgespannt wird.
16. Spritzgussform (38) zum Herstellen eines optischen Diffusors (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spritzgussform (38) einen ersten Negativabschnitt (40) für einen Lichteintrittsbereich (20) und einen zweiten Negativabschnitt (42) für einen Lichtaustrittsbereich (22) des Diffusors (10) aufweist und der zweite Negativabschnitt (42) eine Vielzahl von Vertiefungen (46) und/oder Erhebungen (54) aufweist, und wobei die räumliche Konzentration (K) der Vertiefungen (46) und/oder Erhebungen (54) mit zunehmendem Abstand (D) vom ersten Negativabschnitt (40) zunimmt.
17. Verwendung einer Spritzgussform (38) nach Anspruch 16 zum Fertigen eines optischen Diffusors (10).
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