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