DE69921796T2

DE69921796T2 - Beleuchtungsvorrichtung für nicht-emitierende anzeige

Info

Publication number: DE69921796T2
Application number: DE69921796T
Authority: DE
Inventors: G. David PELKA; M. John POPOVICH; W. Thomas DOWLAND
Original assignee: Teledyne Lighting and Display Products Inc
Current assignee: Chi Mei Optoelectronics Corp
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2019-04-08
Also published as: JP2002510846A; US6134092A; AU3743699A; EP1070220B1; CA2327247A1; CA2327247C; DE69921796D1; WO1999051914A1; EP1070220A1; JP4547695B2; ATE282176T1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegendem Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Beleuchten eines Displays und insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung, die Licht in einen optischen Resonator, wie etwa einen Wellenleiter, gleichmäßig einstrahlt.
Beleuchtungsvorrichtungen werden zum Beleuchten von nicht abstrahlenden Displays, wie etwa LCD-Displays für persönliche digitale Assistenten oder Mobiltelefone verwendet. Ein Typ von Beleuchtungsvorrichtung weist einen Wellenleiter auf, der eine Vielzahl von Lichtquellen hat, die entlang dem Umfang des Wellenleiters angeordnet sind. Die Lichtquellen werden aktiviert, und das abgestrahlte Licht beleuchtet den Wellenleiter.
Es ist äußerst erwünscht, daß die Beleuchtung über die Displayfläche hell und im wesentlichen gleichmäßig ist. Im Stand der Technik tendiert jedoch die Intensität des Lichts von den Lichtquellen dazu, mit zunehmender Distanz von der Lichtquelle abzunehmen, so daß unerwünschte helle Flecken entlang dem Umfang des Displays, wo die Lichtquellen angebracht sind, verursacht werden.
Gewöhnlich werden Miniatur-Leuchtstoffröhren als Lichtquellen verwendet. Solche Röhren erzeugen nicht viel Wärme und minimieren somit einen Wärmeaufbau. Sie sind jedoch nicht sehr hell. Festkörper-Punktlichtquellen, wie etwa LEDs, sind relativ hell, haben jedoch eine relativ kleine thermische Masse, was ein relativ hohes Maß an Wärmeaufbau bewirkt. Ein solcher Wärmeaufbau kann dazu führen, daß der Pegel der Lichtleistung der LEDs nach der Anfangsaktivierung der LED über die Zeit signifikant abnimmt. Infolgedessen wird die Helligkeit der Beleuchtung verschlechtert.
Das US-Patent Nr. 5 410 453 von Ruskouski beschreibt im Zusammenhang mit einer Beleuchtungsvorrichtung, wie etwa einem Ausgang-Zeichen, daß eine LED-Beleuchtungseinrichtung für den passenden Eingriff mit einer elektrischen Buchse der Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen ist. Die LED-Einrichtung hat eine Vielzahl von LEDs, die in Öffnungen eingelassen sind, um Licht in ein gewünschtes Beleuchtungsmuster zu lenken. Dieses Dokument bildet die Basis für den Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Das FR-Patent 1 450 283 von M. David Horace Young beschreibt eine Vorrichtung zum Bilden von Pfosten, die folgendes aufweisen: eine Oberfläche, die eine große Anzahl von Facetten hat, die in unterschiedlichen und vorbestimmten Orientierungen angeordnet sind, und eine Einrichtung zum Beleuchten der Facetten auf eine veränderbare und vorbestimmte Weise.
Die EP-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nummer 0 495 273 A1 von Lumitex Inc. beschreibt eine Dünnplatten-Beleuchtungsvorrichtung, die ein massives transparentes Plattenelement aufweist, das einen oder mehrere verformte Ausgangsbereiche hat, die bewirken, daß in die Platte entlang einem Eingangsrand davon eintretendes Licht entlang der Länge der Platte abgestrahlt wird. Licht kann zu einem oder mehreren Platteneingangsrändern von einer oder mehreren Lichtquellen unter Verwendung von Umwandlungseinrichtungen durchgelassen werden, die fokussiertes Licht ohne weiteres im allgemeinen auf die Gestalt der Platteneingangsoberflächen umwandeln.
Die US-A 5 618 096 beschreibt eine Beleuchtungsvorrichtung, die in einer Ausführungsform zwei Punktlichtquellen, obere und untere Licht abstrahlende Platten und ein dazwischen sandwichartig angeordnetes Lichtumwandlungselement aufweist. Dieses Dokument beschreibt ein Verfahren zum Beleuchten des Wellenleiters gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 13.
Im Hinblick auf das oben Gesagte besteht ein Bedarf für eine kompakte Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstrahlen von Licht in den Umfang eines Wellenleiters derart, daß der Wellenleiter eine helle, gleichmäßige Beleuchtung für das Display ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung weist eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 auf. Eine Reihe von Punktlichtquellen ist in beabstandeter Beziehung einem Umfangsbereich des Wellenleiters benachbart angebracht. Eine Reihe von Diffusions-Reflexions-Oberflächen ist dem Umfangsbereich des Wellenleiters benachbart zwischen Paaren der Punktlichtquellen vorgesehen.
Die Diffusions-Reflexions-Oberflächen sind relativ zu der Reihe von Punktlichtquellen und dem Wellenleiter so orientiert, daß sie Licht in Bereiche des Wellenleiters zwischen Paaren der Punktlichtquellen einleiten, so daß der Umfangsbereich des Wellenleiters im wesentlichen gleichmäßig beleuchtet wird. Bevorzugt weisen die Diffusions-Reflexions-Oberflächen eine Reihe von Pfosten auf, die in beabstandeter Beziehung dem Umfangsbereich des Wellenleiters benachbart angebracht sind.
Bei der bevorzugten Ausführungsform weisen die Punktlichtquellen LEDs auf, und eine Wärmesenke ist mit den Punktlichtquellen gekoppelt, um Wärme davon abzuziehen. Ein Winkelspektrumbegrenzer, wie etwa eine Helligkeitsverstärkungsschicht ist bevorzugt in Kombination mit einem Diffusor vorgesehen, um die Helligkeit des Ausgangslichts zu verstärken.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Reihe von optischen Diffusions-Reflexions-Resonatoren von Diffusions-Reflexions-Oberflächen gebildet. Jeder von den Resonatoren hat eine Eintrittsöffnung, die bemessen ist, um eine Punktlichtquelle aufzunehmen, und eine Austrittsöffnung. Eine Punktlichtquelle ist an jeder von den Eintrittsöffnungen angebracht. Ein Umfangsbereich eines Wellenleiters erstreckt sich entlang der Austrittsöffnung des optischen Diffusions-Reflexions-Resonators.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung weist eine Beleuchtungsvorrichtung auf, die von einem optischen Resonator Gebrauch macht, der eine Ausgangsöffnung und eine Reihe von optischen Diffusions-Reflexions-Resonatoren hat, von denen jeder erheblich kleiner als der vorstehend genannte optische Resonator ist. Die Reihe von optischen Resonatoren haben Austrittsöffnungen, die entlang einer Seite des vorstehend genannten optischen Resonators angeordnet sind. Eine Reihe von Punktlichtquellen ist angebracht, um jeweils Licht in die Reihe von optischen Resonatoren abzustrahlen, so daß Licht aus der Austrittsöffnung in einen Umfangsbereich des optischen Resonators eingestrahlt wird.
Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Beleuchten eines Wellenleiters gemäß Anspruch 13 auf. Von einer erste Punktlichtquelle abgestrahltes Licht wird unter Verwendung von Diffusions-Reflexions-Oberflächen begrenzt, um das Licht zu reflektieren. Dieses Begrenzen wird für zusätzliche Punktlichtquellen wiederholt. Das gesamte begrenzte Licht wird räumlich angeordnet, um einen Umfangsbereich des Wellenleiters im wesentlichen gleichmäßig zu beleuchten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Merkmale der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die dazu dienen sollen, die Erfindung zu erläutern, und nicht, um sie einzuschränken; die Figuren zeigen in:
1A eine Perspektivansicht eines persönlichen digitalen Assistenten, der eine Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung aufweist;
1B eine Querschnittsansicht des persönlichen digitalen Assistenten entlang der Linie 1B-1B von 1A;
2 eine Explosionsansicht der Beleuchtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
3 eine Ansicht von oben auf einen Lichtleiter der Beleuchtungsvorrichtung;
4 eine Seitenansicht des Lichtleiters von 3;
5 eine Ansicht von oben auf einen Wellenleiter der Beleuchtungsvorrichtung;
6A eine Seitenansicht des Wellenleiters in 5;
6B eine Endansicht des Wellenleiters in 5;
7 eine Ansicht von oben auf eine Abdeckung der Beleuchtungsvorrichtung;
8 eine Seitenansicht der Abdeckung in 7;
9 eine Ansicht von oben auf eine Wärmesenke der Beleuchtungsvorrichtung;
10 eine Seitenansicht der Wärmesenke in 9;
11 eine Ansicht von oben auf die Beleuchtungsvorrichtung;
12 eine Querschnittsansicht der Beleuchtungsvorrichtung entlang der Linie 12-12 in 11;
13 eine vergrößerte Ansicht von oben auf einen Bereich des Lichtleiters, der mit der Beleuchtungsvorrichtung verwendet wird;
13A eine fragmentarische Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform des Wellenleiters, in dem Diffusions-Reflexions-Resonatoren von dem Wellenleitermaterial gebildet sind; und
14 ein Diagramm, das den gesteigerten Wirkungsgrad der Beleuchtungsvorrichtung zeigt, welche die Wärmesenkekomponente aufweist.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Es wird nun auf die 1A und 1B Bezug genommen; eine Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung 40 (2) der vorliegenden Erfindung ist in einen persönlichen digitalen Assistenten 30 eingebaut, der aus einem äußeren Gehäuse 32 besteht, das ein Display 36, wie beispielsweise ein Flüssigkristalldisplay (LCD) trägt. Wie am besten in 1B gezeigt ist, hat das LCD-Display 36 eine vordere Fläche 37 und eine gegenüberliegende hintere Fläche 38.
Die Beleuchtungsvorrichtung 40 ist innerhalb des äußeren Gehäuses 32 in nebeneinanderliegender Beziehung zu dem Display 36 angeordnet und ausgebildet, um als Beleuchtung von hinten für das Display 36 wirksam zu sein. In der gezeigten Ausführungsform ist ein Satz von elektronischen Komponenten 33 hinter der Beleuchtungsvorrichtung 40 angeordnet, um der Beleuchtungsvorrichtung 40 und dem persönlichen digitalen Assistenten 30 auf wohlbekannte Weise Energie zu liefern.
Die Erfindung ist zwar im Zusammenhang mit der Rückbeleuchtung eines persönlichen digitalen Assistenten beschrieben, es versteht sich jedoch, daß sie als Beleuchtung von hinten für andere Einrichtungen, wie beispielsweise ein Mobiltelefon, einen Pager, einen Camcorder, eine Digitalkamera oder ein GPS-Display (GPS = global positioning system) verwendet werden kann.
Außerdem versteht es sich, daß die Beleuchtungsvorrichtung 40 hier zwar als eine Beleuchtung von hinten beschrieben ist, daß sie aber auch als eine Beleuchtungsvorrichtung bei jeder von einer großen Vielfalt von Anwendungen verwendet werden kann, einschließlich einer Beleuchtung von vorn.
Es wird nun auf die Explosionsansicht in 2 Bezug genommen; die Beleuchtungsvorrichtung 40 weist eine Vielzahl von Komponenten, einschließlich einer Wärmesenke 42, eines Lichtleiters 44, eines Wellenleiters 46, einer Abdeckung 48 und eines Schichtstapels 49 auf. Eine Vielzahl von Punktlichtquellen, wie etwa Leuchtdioden (LEDs) 50, ist den Umfangsrändern des Lichtleiters 44 benachbart positioniert und ausgebildet, um Licht in die Wellenleiter 46 einzustrahlen, wie noch im einzelnen erläutert wird.
Bei der gezeigten Ausführungsform haltert jeder von einem Paar von LED-Streifen 51, wie etwa gedruckte Leiterplatten oder elektrisch leitfähige Streifen, die LEDs 50 in einem linearen Array mit gleichen Abständen. Die LEDs 50 in einem Streifen 51 sind parallel miteinander verbunden, und die zwei Streifen 51 sind über einen elektrischen Leiter 54 in Reihe miteinander verbunden. Die verschiedenen Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung 50 sind mechanisch miteinander gekoppelt, wie nachstehend unter Bezugnahme auf die 11 und 12 im einzelnen erläutert wird.
Gemäß den 3 und 4 weist der Lichtleiter 44 der beschriebenen Ausführungsform ein planes Element 56 auf, das eine im wesentlichen flache obere Oberfläche 57 und eine gegenüberliegende, im wesentlichen flache untere Oberfläche 58 parallel dazu hat. Das plane Element 56 ist rechteckig, um ein Paar von im wesentlichen geraden, gegenüberliegenden Seitenrändern 62a und 62b (gemeinsam als "Seitenränder 62" bezeichnet) und ein Paar von gegenüberliegenden, im wesentlichen geraden Endrändern 63a und 63b (gemeinsam als "Endränder 63" bezeichnet) zu bilden. Beide Endränder 63 sind kürzer als jeder von den Seitenrändern 62.
Eine Vielzahl von Führungselementen 60 ist in einer beabstanden, nebeneinanderliegenden Beziehung entlang jedem von den Seitenrändern 62a und 62b des planen Elements 56 angeordnet. Bei der gezeigten Ausführungsform weist jedes von den Führungselementen 60 einen Pfosten mit Dreiecksquerschnitt auf, der sich von der oberen Oberfläche 57 des planen Elements 56 nach oben erstreckt.
Die pfostenartig geformten Führungselemente 60 an dem Rand 62a werden als Elemente 60a bezeichnet, und diejenigen an den Rändern 62b werden als Elemente 60b bezeichnet. Der Bereich der oberen Oberfläche 57 zwischen den pfostenartig geformten Führungselementen 60a und den pfostenartig geformten Führungselementen 60b bildet einen Wellenleiteraufnahmebereich.
Die Führungselemente 60 weisen jeweils ein Paar von flachen seitlichen Oberflächen 65 auf, die unter einem Winkel zueinander verlaufen und einander kreuzen, um eine Scheitellinie 66 zu bilden, die zu dem Wellenleiteraufnahmebereich weist. Der Klarheit halber wird auf die Scheitel 66 der Führungselemente 60a mit einem nachgestellten "a" und auf die Scheitel 66 der Führungselemente 60b mit einem nachgestellten "b" Bezug genommen.
Bevorzugt sind die Führungselemente 60a derart positioniert, daß die Scheitel 66a entlang einem ersten Rand oder einer ersten Begrenzung des Wellenleiteraufnahmebereichs ausgefluchtet sind. Gleichermaßen sind die Führungselemente 60b bevorzugt derart positioniert, daß die Scheitel 66b entlang einem zweiten Rand oder einer zweiten Begrenzung des Wellenleiteraufnahmebereichs ausgefluchtet sind.
Die vorstehend genannten seitlichen Oberflächen 65 jedes pfostenartig geformten Führungselements 60 sind unter einem Winkel von ungefähr 45° relativ zu der benachbarten Begrenzung des Wellenleiteraufnahmebereichs angeordnet. Die verbleibende Oberfläche des pfostenartig geformten Führungselements 60 ist zu den Seitenrändern 62 parallel.
Bei der gezeigten Ausführungsform sind die oberen Oberflächen der pfostenartig geformten Führungselemente 60 im wesentlichen flach und zu der oberen Oberfläche 57 parallel. Ferner versteht es sich, daß die seitlichen Oberflächen 65, die in der beschriebenen Ausführungsform zwar flach sind, auch gekrümmt sein können, um konvexe oder konkave Oberflächen zu bilden.
Gemäß den 3 und 4 sind die Führungselemente 60 entlang den Seitenrändern 62 voneinander beabstandet, um eine Vielzahl von Zwischenräumen 70 zwischen benachbarten Führungselementen 60 zu bilden. Jeder von den Zwischenräumen 70 ist im wesentlichen trichterförmig, um den Seitenrändern 62 benachbart eine relativ enge Eintrittsöffnung 71 zu bilden. Die Zwischenräume 70 werden von den Eintrittsöffnungen 71 zu den Scheiteln 66 der Führungselemente 60 hin allmählich breiter, so daß sie zwischen den Scheiteln 66 und der Begrenzung des Wellenleiteraufnahmeabschnitts benachbart eine Austrittsöffnung bilden.
Die Austrittsöffnungen sind breiter als die Eintrittsöffnungen 71. Ferner sind die Eintrittsöffnungen 71 der Zwischenräume 70 bevorzugt jeweils ausgebildet, um Licht von einer von den LEDs 50 zu empfangen, die diesen benachbart angebracht sind, wie noch im einzelnen erläutert wird.
Die obere Oberfläche 57 des planen Elements 56 und die seitlichen Oberflächen 65 der Führungselemente 60 bestehen aus einem Material, das darauf auftreffendes Licht diffus reflektiert. Bei einer Ausführungsform sind die obere Oberfläche 57 des planen Elements 56 und die seitlichen Oberflächen 65 der Führungselemente 60 mit einem Diffusions-Reflexions-Material beschichtet. Alternativ können das plane Element 56 und die Führungselemente 60 aus einem Diffusions-Reflexions-Material hergestellt sein.
In jedem Fall haben die obere Oberfläche 57 und die seitlichen Oberflächen 65 bevorzugt ein Reflexionsvermögen von mindestens 90 %. Stärker bevorzugt haben die obere Oberfläche 57 und die seitlichen Oberflächen 65 ein Reflexionsvermögen von mindestens 94 %, und am meisten bevorzugt ist das Reflexionsvermögen der Oberflächen 57 und 65 mindestens 99 %.
Das Diffusions-Reflexions-Material an der oberen Oberfläche 57 und den seitlichen Oberflächen 65 kann eine Beschichtung aus einer oder mehreren Schichten aus Diffusions-Reflexions-Band, wie etwa DRP^TM Backlight Reflector aufweisen, das von W.L. Gore & Associates hergestellt wird. DRP^TM Backlight Reflector hat in Abhängigkeit von der Dicke des Materials und der Wellenlänge des Lichts ein Reflexionsvermögen von ungefähr 97 % bis 99,5 %.
Alternativ könnte das Relexionsmaterial eine Farbe oder eine Beschichtung aufweisen, die auf die obere Oberfläche 57 und die seitlichen Oberflächen 65 aufgebracht ist, wie etwa weiße Hausfarbe oder ein exotischeres Material, wie etwa die Spectraflect-Farbe von Labsphere Corporation. Das Reflexionsvermögen von Spectraflect-Farbe ist erheblich höher als Hausfarbe, ungefähr 98 %, während das Reflexionsvermögen einer guten weißen Hausfarbe ungefähr 90 % ist.
Wie erwähnt, können das plane Element 56 und die Führungselemente 60 auch aus einem Diffusions-Reflexions-Material hergestellt sein, wie beispielsweise Cycolac, das von General Electric hergestellt wird. Cycolac hat ein Reflexionsvermögen von ungefähr 94 %.
Die 5, 6A und 6B sind eine Ansicht von oben, eine Seitenansicht bzw. eine Endansicht des Wellenleiters 46. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Wellenleiter 46 im wesentlichen rechteckig und weist eine obere Oberfläche 90 und eine gegenüberliegende untere Oberfläche 92 auf. Die untere Oberfläche 92 des Wellenleiters 46 ist gekrümmt, um in der Mitte des Wellenleiters eine Vertiefung oder Mulde in Längsrichtung zu bilden, die sich in einer Richtung parallel zu den ersten und zweiten Rändern des Wellenleiters erstreckt.
Wie am besten in 6B gezeigt, ist die Krümmung der unteren Oberfläche 92 gleichmäßig und kontinuierlich, um in dem Mittelbereich des Wellenleiters 46 einen Bereich verringerter Dicke zu bilden und um einen Luftraum zwischen der unteren Oberfläche 92 und der oberen Oberfläche 57 des Lichtleiters 44 zu bilden. Ein solcher Luftraum ergibt eine Substanz (d. h. Luft) mit niedrigem Index entlang der unteren Oberfläche 92, um die Wellenleitfunktion des Wellenleiters 46 zu verbessern.
Die untere Oberfläche 92 folgt einer geometrischen Kontur, die Licht, das sich in dem Wellenleiter fortpflanzt, zwischen die obere Oberfläche 90 und die untere Oberfläche 92 umleitet, so daß ein größerer Anteil des Lichts aus dem Mittelbereich des Wellenleiters austritt, so daß eine gleichmäßigere Beleuchtung ausgehend von der oberen Oberfläche 90 des Wellenleiters 46 erhalten wird.
Ein Paar von gegenüberliegenden seitlichen Oberflächen 94a und 94b (gemeinsam als "seitliche Oberflächen 94" bezeichnet) und ein Paar von gegenüberliegenden Endober flächen 95a und 95b (gemeinsam als "Endoberflächen 95" bezeichnet), verbinden die obere Oberfläche 90 mit der unteren Oberfläche 92 und definieren den Umfang oder Perimeter des Wellenleiters 46. Die Distanz zwischen den oberen und unteren Oberflächen 90 und 92 entlang den seitlichen Oberflächen 94 ist im wesentlichen gleich der Höhe der pfostenartig geformten Führungselemente 60, die bei der beschriebenen Ausführungsform ungefähr 0,067 an den seitlichen Oberflächen 94 ist.
Bevorzugt ist der Wellenleiter 46 bemessen, um an dem Lichtleiter 44 zwischen den Führungselementen 60 derart positioniert zu werden, daß die seitlichen Oberflächen 94a und 94b an den Scheiteln 66a bzw. 66b der Führungselemente 60 anliegen. Die Endoberflächen 95 sind bevorzugt mit einem Reflexionsmaterial beschichtet, wie es vorstehend in bezug auf den Lichtleiter 44 beschrieben wird.
Der Wellenleiter 46 besteht bevorzugt aus einem Material, das für Licht, welches von den LEDs 50 erzeugt wird, transparent ist, wie etwa einem transparenten polymeren Material, und kann durch verschiedene wohlbekannte Methoden, wie etwa maschinelles Bearbeiten oder Spritzgießen hergestellt werden. Bevorzugte Materialien für den Wellenleiter 46 sind Acryl, Polycarbonat und Silicon. Acryl, das eine Brechzahl von ungefähr 1,5 hat, ist kratzfest und gegenüber Polycarbonat kostengünstiger.
Polycarbonat, das eine Brechzahl von ungefähr 1,59 hat, besitzt eine höhere Temperaturtauglichkeit als Acryl. Polycarbonat hat ferner gegenüber Acryl verbesserte mechanische Eigenschaften. Silicon hat eine Brechzahl von ungefähr 1,43. Alternativ kann der Wellenleiter 46 aus einem Satz von Diffusions-Reflexions-Oberflächen gebildet sein, die einen optischen Resonator einschließen, der ein lichtdurchlässiges Medium, wie etwa Luft enthält.
Der Wellenleiter kann so spritzgeformt sein, daß er V-förmige Nuten aufweist, die dazu ausgebildet sind, um in den Zwischenräumen 70 zwischen den Führungselementen 60 positioniert zu werden. Dabei können die LEDs mit dem Wellenleiter durch ein geeignetes Verbindungsgel auf Stoß gekoppelt sein.
Gemäß den 7 und 8 weist die Abdeckung 48 der Beleuchtungsvorrichtung 40 ein Rahmenelement 80 auf, dessen Konfiguration im wesentlichen plan ist und das so bemessen ist, daß es über den Lichtleiter 44 paßt. Eine Öffnung 82 durchsetzt das Rahmenelement 80, um einen optischen Ausgangsbereich oder Beleuchtungsbereich zu bilden, durch den hindurch Licht von der Beleuchtungsvorrichtung 40 austritt, so daß das LCD-Display 36 beleuchtet wird, wie noch im einzelnen erläutert wird.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Öffnung 82 rechteckig, was der Rechteckform des Displays 36 des persönlichen digitalen Assistenten 30 entspricht. Es versteht sich jedoch, daß die Öffnung 82 in Abhängigkeit von der gewünschten Gestalt und Größe des Beleuchtungsbereichs jede von einer großen Vielzahl von Formen und Größen definieren kann.
Wie am besten in 8 gezeigt ist, weist die gezeigte Ausführungsform der Abdeckung 48 ein Paar von gegenüberliegenden Endwänden 84 und 86 auf, die sich von gegenüberliegenden Endrändern des Rahmenelements 80 nach unten erstrecken. Die Endwände 84 und 86 definieren bevorzugt eine Distanz zwischeneinander, die geringfügig größer als die Distanz zwischen den Endrändern 63 des Lichtleiters 44 ist. Der Lichtleiter 44 kann also bündig zwischen den Endwänden 84 und 86 der Abdeckung 48 positioniert sein.
Jede von den Wänden 84 und 86 erstreckt sich senkrecht von einer oberen Wand 85. Bevorzugt sind die inneren Oberflächen, die von den Wänden 84, 85 und 86 gebildet sind, mit dem gleichen Diffusions-Reflexions-Material beschichtet wie die Oberfläche 57 und die Oberflächen 65. Zusätzlich sind die Endwände 84 und 86 so bemessen, daß die obere Wand 85 an den Oberenden der pfostenartig geformten Führungselemente 60 anliegt.
Es wird nun auf die 9 und 10 Bezug genommen; eine bevorzugte Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung 40 weist ferner eine Wärmesenke 42 auf, die dazu ausgebildet ist, mit dem Lichtleiter 44 gekoppelt zu werden, wie noch im einzelnen erläutert wird. Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Wärmesenke 42 einen im wesentlichen flachen Basisbereich 96 und ein Paar von gegenüberliegenden Seitenwänden 98a und 98b (gemeinsam als "Seitenwände 98" bezeichnet) auf, die sich entlang gegenüberliegenden Endrändern des Basisbereichs 96 nach oben erstrecken. Wie am besten in 9 gezeigt, ist der Basisbereich 96 der Wärmesenke 42 im wesentlichen rechteckig und hat ungefähr die gleiche Größe wie das plane Element 56.
Wie in 10 gezeigt ist, sind die Seitenwände 98 so umgebogen, daß sie benachbart den Kreuzungspunkten der Seitenwände 98 mit dem Basisbereich 96 der Wärmesenke 42 ein Paar von gegenüberliegenden konkaven Bereichen 102 bilden. Ein Paar von gegenüberliegenden konvexen Bereichen 104 der Endwände 98 ist über den konkaven Bereichen 102 gebildet.
Die Seitenwände 98a und 98b definieren bevorzugt einen Raum zwischeneinander, der bemessen ist, um den Lichtleiter 44 bündig aufzunehmen. Die Wärmesenke 42 weist bevorzugt ein Material auf, das Wärme ohne weiteres absorbiert und das hoch wärmeleitfähig ist, wie etwa Kupfer.
Die 11 und 12 zeigen die Beleuchtungsvorrichtung 40 in einem zusammengebauten Zustand. Wie am besten in 12 gezeigt, ist der Lichtleiter 44 in der Wärmesenke 42 derart positioniert, daß das plane Element 56 des Lichtleiters 44 in einer beabstandeten parallelen Beziehung zu dem Basisbereich 96 der Wärmesenke 42 ist. Wie am besten in 4 gezeigt ist, erstreckt sich ein Satz von Schenkeln 72 von der unteren Oberfläche 58 des planen Elements 56 nach unten.
Bei der gezeigten Ausführungsform sind zwei Schenkel 72 nahe gegenüberliegenden Ecken des planen Elements 56 angeordnet. Die Größe, Position und die Anzahl von Schenkeln 72 sind jedoch variabel. Gemäß 12 erstrecken sich die Schenkel 72 des Lichtleiters 44 durch Öffnungen in dem Basisbereich 96 der Wärmesenke 42. Die vorspringenden Enden der Schenkel 72 dienen als Referenzpunkte, um die Ausfluchtung der Beleuchtungsvorrichtung 40 beim Zusammenbau zu erleichtern.
Es wird nun auf die 11 und 12 Bezug genommen; ein LED-Streifen 51 ist zwischen jedem von den Seitenrändern 62 des Lichtleiters 44 und jeder von den Seitenwänden 98 der Wärmesenke 44 positioniert. Die LED-Streifen 51 sind bevorzugt so orientiert, daß eine LED 50 an jeder von den Öffnungen 71 der Zwischenräume 70 zwischen den Führungselementen 60 angeordnet ist.
Die umgebogenen Seitenwände 98 der Wärmesenke 42 bewirken, daß die konvexen Bereiche 104 (10) der Seitenwände 98 auf die LED-Streifen 51 Druck aufbringen, so daß ein starker mechanischer Kontakt zwischen der Wärmesenke 42 und den LED-Streifen 51 aufrechterhalten wird. Dies erleichtert die Übertragung von Wärme von den LEDs 50 zu der Wärmesenke 42.
Der Druck, den die Seitenwände 98 auf die LED-Streifen 51 aufbringen, wird auch zu dem Lichtleiter 44 übertragen, so daß eine geringe Vorspannkraft der Führungselemente 60 auf den Wellenleiter 46 erhalten wird, um zu verhindern, daß die verschiedenen Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung 40 auseinanderfallen.
Gemäß den 11 und 12 ist der Wellenleiter 46 an dem Lichtleiter 44 derart angebracht, daß die untere Oberfläche 92 des Wellenleiters 46 neben der oberen Oberfläche 57 des Lichtleiters 44 liegt. Wie erwähnt, liegen die seitlichen Oberflächen 94a und 94b des Wellenleiters 46 bevorzugt an den Scheiteln 66a bzw. 66b der Führungselemente 60 an. Die Abdeckung 48 (die in Phantomlinien gezeigt ist) ist über dem Umfang des Wellenleiters 46 angebracht, wobei die Öffnung 82 bevorzugt in der Mitte zwischen den Scheiteln 66a und 66b ausgefluchtet ist.
Im Gebrauch werden die LEDs 50 aktiviert, um Licht in den Wellenleiter 46 einzuleiten. Bevorzugt strahlen die LEDs Licht ab, das eine Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis 700 nm hat. Der Bereich der oberen Diffusions-Reflexions-Oberfläche 57 zwischen den Diffusions-Reflexions-Oberflächen 65 gemeinsam mit der inneren Diffusions-Reflexions-Oberfläche der oberen Wand 85 des Rahmens 80 und den seitlichen Diffusions-Reflexions-Oberflächen 65 der Führungselemente 60 bilden eine Reihe von luftgefüllten Diffusions-Reflexions-Resonatoren, die das abgestrahlte Licht begrenzen und es in die seitlichen Oberflächen 94 des Wellenleiters 46 einstrahlen. Vorteilhafterweise erleichtern die Führungselemente 60 eine gleichmäßige Verteilung von Licht von den Punktlichtquellen in einen den Resonatoren benachbarten Umfangsbereich (13) des Wellenleiters 46.
13 ist eine vergrößerte Ansicht von oben auf ein Paar von Führungselementen 60, wobei eine LED 50 an der Öffnung 71 eines Resonators positioniert ist, der einen Zwischenraum 70 zwischen den Führungselementen 60 aufweist. Lichtstrahlen von der LED 50 sind durch Strichlinien dargestellt. Wie gezeigt, treffen die von der LED 50 seitlich abgestrahlten Lichtstrahlen auf die seitlichen Diffusions-Reflexions-Oberflächen 65 der Führungselemente 60 auf. Die abgewinkelten seitlichen Oberflächen 65 reflektieren die Lichtstrahlen in den Wellenleiter 46.
Dieses reflektierte Licht füllt die Bereiche zwischen benachbarten LEDs 50, so daß eine relativ gleichmäßige Verteilung von Lichteinstrahlung von der LED 50 in den Umfangsbereich 93 des Wellenleiters 46 erhalten wird. Die Vielzahl von LEDs 50 entlang der Länge der seitlichen Oberflächen 94 des Wellenleiters 46 ergibt also ein mehr oder weniger gleichmäßiges Beleuchtungsprofil entlang dem den Resonatoren 70 benachbarten Umfangsbereich 93 des Wellenleiters 46.
Wenn das Licht in den Wellenleiter 46 eingestrahlt ist, wird es zu der Mitte der Öffnung 82 hin geleitet. Die Diffusions-Reflexions-Oberflächen, einschließlich der oberen Diffusions-Reflexions-Oberfläche 57 des Lichtleiters 44 und der Diffusions-Reflexions-Endoberflächen 95 des Wellenleiters 46 mischen das Licht, um eine gleichmäßige Verteilung über die Öffnung 82 zu erleichtern.
Das Licht erreicht schließlich die richtigen Einfallswinkel, um aus dem Wellenleiter 46 durch die obere Oberfläche 90 und aus der Öffnung 82 in der Abdeckung 48 auszutreten. Wie in 1B gezeigt ist, liegt die Beleuchtungsvorrichtung 40 neben dem LCD-Display 36, so daß das aus der Beleuchtungsvorrichtung 40 austretende Licht das LCD-Display 36 von hinten beleuchtet.
Gemäß 13A kann bei einer anderen Ausführungsform der Wellenleiter 46 so ausgebildet sein, daß er V-förmige Nuten aufweist. Die Ränder des Wellenleiters 46 (zwischen seiner oberen und unteren Oberfläche) kann mit einem Diffusions-Reflexions-Material beschichtet sein, um Diffusions-Reflexions-Oberflächen 67 in den V-förmigen Nuten zu bilden.
Die LEDs 60 können in jeweilige Kerben in dem Wellenleiter an Abflachungen zwischen den V-förmigen Nuten eingelassen sein. Die Diffusions-Reflexions-Oberflächen 67 an dem Wellenleitermaterial erfüllen die gleiche Funktion wie die Diffusions-Reflexions-Oberflächen 65 der Führungselemente 60 (vorstehend erläutert), so daß es möglich ist, die Führungselemente 60 nach Wunsch wegzulassen.
Die Bereiche des Wellenleitermaterials zwischen den V-förmigen Nuten bilden also eine Reihe von Diffusions-Reflexions-Resonatoren 69, die den Umfangsbereich 93 des Wellenleiters, der den Resonatoren 69 benachbart ist, gleichmäßig beleuchten. Obwohl die Resonatoren 69 aus transparentem Festkörpermaterial bestehen, funktionieren sie im wesentlichen auf die gleiche Weise wie die in 13 gezeigten luftgefüllten Resonatoren 70.
Gemäß 12 kann die obere Oberfläche 90 des Wellenleiter 46 mit einem Winkelspektrumbegrenzer 108 bedeckt sein, der das Muster der Ausgangsstrahlung von der Öffnung 82 der Abdeckung 48 auf einen vorbestimmten Winkelbereich begrenzt (in diesem Zusammenhang wird der Begriff "Spektrum" im Sinne eines Winkelspektrums und nicht eines Wellenlängenspektrums verwendet).
Der Winkelspektrumbegrenzer 108 weist eine plane mikroreplizierte optische Struktur, wie etwa einen holografischen Diffusor, einen binären Beugungsdiffusor oder ein Array von Mikrolinsen oder Prismen auf. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist der Winkelspektrumbegrenzer 108 eine Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) auf, die zusätzlich zu der Begrenzung des Ausgangsspektrums die Intensität der Beleuchtung von der Beleuchtungsvorrichtung 40 verstärkt.
Die Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) 108 ist bevorzugt in physischem Kontakt mit einem Diffusor 110 angeordnet, um gemeinsam eine Lichtgüteverbesserungsvorrichtung (LQE) 112 zu bilden. In 12 sind die Dicke und der Abstand zwischen der Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) 108 und dem Diffusor 110 nur im Hinblick auf die Klarheit der Darstellung gezeigt. Bevorzugt ist der Diffusor 110 zwischen der Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) 108 und dem Wellenleiter 46 und in Kontakt mit dem Wellenleiter 46 angeordnet.
Der Diffusor beseitigt vorteilhafterweise die Wirkung von verbleibenden Ungleichmäßigkeiten, wie etwa kosmetischen Unregelmäßigkeiten in den Oberflächen des Wellenleiters 46. Der Diffusor 110 kann lichtdurchlässiges Material aufweisen, typischerweise eine dünne Kunststoffoberfläche oder einen Volumendiffusor, die beide durch sehr geringe Absorption und minimale Energieverluste gekennzeichnet sind.
Der Diffusor 110 kann durch ein Rillen- oder Kratzmuster an der oberen Oberfläche 90 ergänzt oder ersetzt sein, das durch Abschleifen der oberen Oberfläche 90 des Wellenleiters 46 mit einem Schleifmittel, wie etwa Sandpapier gebildet ist. Das Abschleifen ist bevorzugt ungleichmäßig, so daß die Dichte der Kratzer oder Rillen mit der Distanz von den Leuchtdioden 50 zunimmt.
Wie oben erwähnt, begrenzt die Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) 108 die Ausgangsbeleuchtung innerhalb definierter Begrenzungslinien und erhöht ferner die Helligkeit des aus der Öffnung 82 austretenden Lichts. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) 108 eine handelsübliche Dünnschicht, die eine lineare Pyramidenstrukturen hat, wie etwa die 90/50-Schicht des 3M-Modells. Die Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) läßt nur diejenigen Lichtstrahlen von dem Wellenleiter durch, die gewisse Einfallswinkelkriterien in bezug auf die obere Oberfläche 90 des Wellenleiter 46 erfüllen.
Alle anderen Lichtstrahlen werden in den Wellenleiter 46 zu den unteren, seitlichen oder Endoberflächen 92, 94 bzw. 95 hin zurück reflektiert, wo sie reflektiert werden. Effektiv werden die reflektierten Strahlen "im Kreislauf geführt", bis sie auf die Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) 108 unter einem Winkel einfallen, der zuläßt, daß sie durch die Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) 108 hindurchtreten.
Wie wohl bekannt ist, konzentriert eine Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF), wie etwa die Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) 108, die Beleuchtung innerhalb von Begrenzungen, die von einem Paar von zueinander geneigten Ebenen (die im Querschnitt ein "V" bilden) definiert sind, und ergibt keine Konzentration in der orthogonalen Richtung. Bei manchen Anwendungen der Erfindung wird bevorzugt, die Beleuchtung innerhalb von zwei orthogonalen Richtungen zu konzentrieren, und für solche Anwendungen kann eine zweite Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF), die zu der ersten Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) orthogonal orientiert ist, vorgesehen sein.
Mit zwei sich kreuzenden Helligkeitsverstärkungsschichten (BEFs) ist die Abstrahlung von dem Wellenleiter innerhalb von Begrenzungen, die einem umgekehrten Kegelstumpf gleichen. Wie in der Technik herkömmlich, sind die Begrenzungen durch die Halbwertsbreite (FWHM) der Lichtintensität definiert. Beispielsweise können die Begrenzungen des Kegels relativ zu einer Linie, die zu der oberen Oberfläche 90 normal ist, um einen Winkel von nicht mehr als ungefähr 35° geneigt sein; in diesem Fall ist die Beleuchtung nur innerhalb von Betrachtungswinkeln von 35° oder weniger sichtbar.
Wie erwähnt, verbessert die Wärmesenke 42 den Wirkungsgrad der Beleuchtungsvorrichtung 40 erheblich, und zwar dadurch, daß sie von den LEDs 50 erzeugte Wärme absorbiert und verteilt. Leuchtdioden erfahren typischerweise nach ihrer Anfangsaktivierung über die Zeit eine erhebliche Abnahme der Lichtleistung. Dies ist ein Ergebnis des relativ hohen Wärmeaufbaus in der LED, der durch die relativ kleine thermische Masse einer typischen LED verursacht ist.
14 ist ein Diagramm, welches das von der Beleuchtungsvorrichtung 40 abgestrahlte Licht als eine Funktion der Zeit zeigt. Die ausgezogene Linie repräsentiert die Lichtleistung der Beleuchtungsvorrichtung, die ohne die Wärmesenke 42 verwendet wird. Nach einer anfänglichen Beleuchtung I_o bei Aktivierung erfährt die LED typischerweise nach 60 Sekunden eine Abnahme der Lichtleistung um 25 %. Die Lichtleistung der LED nimmt dann über die Zeit allmählich ab, bis sie nach ungefähr 5 Minuten ohne Wärmesenke ein Gleichgewicht erreicht.
Die Strichlinie von 14 repräsentiert die Lichtleistung der Beleuchtungsvorrichtung 40, wenn sie mit der Wärmesenke 42 verwendet wird. Vorteilhafterweise absorbiert die Wärmesenke 42 Wärme von den LEDs, so daß die Abnahme der Lichtleistung über die Zeit erheblich geringer ist. Das thermische Gleichgewicht der Beleuchtungsvorrichtung 40 wird also verbessert, wenn die Wärmesenke 42 in der Beleuchtungsvorrichtung 40 vorgesehen ist. Typischerweise ergibt eine Vorrichtung, die von der Wärmesenke 42 Gebrauch macht, eine Zunahme der Lichtleistung (gemessen in Fuß-Lambert oder Candela pro m²) um 25 % bis 30 % gegenüber einer Beleuchtungsvorrichtung 40, welche die Wärmesenke 42 nicht verwendet.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung, die folgendes aufweist: – einen optischen Resonator, der eine Ausgangsöffnung (82) hat; – eine Reihe von optischen Diffusions-Reflexions-Resonatoren (69, 70), die jeweils erheblich kleiner als der optische Resonator sind und eine Eintrittsöffnung (71) haben, die entlang einer Seite (62) des optischen Resonators angeordnet ist; – eine Reihe von Punktlichtquellen (50, 51), die derart angebracht sind, daß sie jeweils Licht in die Reihen von optischen Diffusions-Reflexions-Resonatoren (69, 70) abstrahlen, so daß Licht aus den Eintrittsöffnungen (71) in einen Umfangsbereich des optischen Resonators eingestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator einen Wellenleiter (46) aufweist und daß die Vorrichtung zusätzlich eine Wärmesenke (42) aufweist, die mit der Reihe von Punktlichtquellen (50, 51) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reihe von optischen Diffusions-Reflexions-Resonatoren (69, 70) aus einer Reihe von Diffusions-Reflexions-Führungselementen (60) gebildet ist, die in einer nebeneinanderliegenden Beziehung entlang der Seite (62) des optischen Resonators angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jedes von den Diffusions-Reflexions-Führungselementen (60) pfostenartig geformt ist und Dreiecksquerschnitt hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Punktlichtquellen (50, 51) Leuchtdioden (50) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Leuchtdioden (50) an einem elektrisch leitfähigen Materialstreifen (51) angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Wellenleiter (46) eine obere Oberfläche (90) aufweist, die einen Lichtausgangsbereich hat, durch den hindurch Licht aus dem Wellenleiter (46) austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, die zusätzlich einen Winkelspektrumbegrenzer (108) nahe der oberen Oberfläche (90) des Wellenleiters (46) aufweist, um die Helligkeit des aus dem Wellenleiter (46) austretenden Lichts zu verstärken.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die zusätzlich einen Diffusor (110) zwischen dem Winkelspektrumbegrenzer (108) und der oberen Oberfläche (90) des Wellenleiters (46) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Diffusor (110) eine Reihe von Kratzern aufweist, die in einem nicht gleichförmigen Muster an der oberen Oberfläche (90) des Wellenleiters (46) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Reihe von optischen Diffusions-Reflexions-Resonatoren (69, 70) von einer Reihe von Diffusions-Reflexions-Oberflächen (65) gebildet ist, die an den Diffusions-Reflexions-Führungselementen (60) gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Diffusions-Reflexions-Oberflächen (65) ein Reflexionsvermögen von mindestens ungefähr 90 % haben.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Diffusions-Reflexions-Oberflächen (65) unter einem Winkel von ungefähr 45° relativ zu dem Umfangsbereich des optischen Resonators orientiert sind.
Verfahren zum Beleuchten eines Wellenleiters (46), das die folgenden Schritte aufweist: – Begrenzen von Licht, das von einer ersten Punktlichtquelle (50, 51) abgestrahlt wird, unter Verwendung von Diffusions-Reflexions-Oberflächen (65), um das Licht zu reflektieren; – Wiederholen des Begrenzens für zusätzliche Punktlichtquellen (50, 51); und – räumliches Anordnen des gesamten begrenzten Lichts, um einen Umfangsbereich des Wellenleiters (46) im wesentlichen gleichmäßig zu beleuchten, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch zusätzliches Koppeln einer Wärmesenke (42) mit den Punktlichtquellen (50, 51), um davon ausgehende Wärme zu absorbieren.
Verfahren nach Anspruch 13, das zusätzlich das Orientieren der Diffusions-Reflexions-Oberflächen (65) unter einem Winkel von ungefähr 45° relativ zu dem Rand des Wellenleiters (46) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, das zusätzlich das Anbringen der Punktlichtquellen (50) in einer nebeneinanderliegenden beabstandeten Beziehung entlang dem Umfangsbereich des Wellenleiters (46) aufweist.