DE3526511A1

DE3526511A1 - Beleuchtungseinrichtung fuer anzeigevorrichtungen

Info

Publication number: DE3526511A1
Application number: DE19853526511
Authority: DE
Inventors: Fumiaki Funada; Hiroshi Hamada; Naofumi Kimura
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1984-07-26
Filing date: 1985-07-24
Publication date: 1986-02-06
Also published as: GB2162300A; JPH0327908B2; JPS6134583A; US4914553A; DE3526511C2; GB2162300B; GB8518897D0

Description

TER MEER ■ MÜLLER . STEINMEISTER SHARP K.K. 26Ί 4/GER/PT/H.

BELEUCHTUNGSEINRICHTUNG FÜR ANZEIGEVORRICHTUNGEN

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Lichtquelle, wie sie zur Beleuchtung von nichtselbstleuchtenden Anzeigevorrichtungen, beispielsweise von Flüssigkristall-Anzeigen verwendet wird.

Bei Anzeigevorrichtungen unterscheidet man allgemein zwischen sogenannten aktiven (selbstleuchtenden) Anzeigevorrichtungen und sogenannten passiven (nicht-selbstleuchtenden) Anzeigevorrichtungen. Zu den aktiven Anzeigevorrichtungen gehören beispielsweise Leuchtdioden, Plasma-Anzeigen und Elektroluitiineszenz-Anzeigen, bei denen durch das angezeigte Symbol selbst Licht ausgesandt wird. Zu den passiven Anzeigevorrichtungen gehören Flüssigkristall-Anzeigen und Elektrochrom-Anzeigen ("electrochromitter"), die selbst kein Licht aussenden, sondern lediglich das Umgebungslicht oder das Licht anderer Lichtquellen in Transmission oder Reflexion modulieren, so daß sich die gewünschten Anzeigebilder oder Symbole ergeben. Bei geringer Umgebungshelligkeit ergeben die passiven Anzeigevorrichtungen daher nur eine undeutliche Anzeige, sofern keine besondere Beleuchtungseinrichtung vorgesehen ist.

Flüssigkristall-Anzeigen finden wegen ihres geringen Stromverbrauchs weite Anwendung in tragbaren elektronischen Einrichtungen wie etwa elektronischen Tischrechnern und Uhren. In den meisten Flüssigkristall-Anzeigen, bei denen zur Anzeige die optische Anisotropie des Flüssigkristalls ausgenutzt wird, bildet die Abdeckung oder überlagerung der Anzeigen durch Ablenkplatten ein wesentliches Konstruktionsmerkmal, und das zur Beleuchtung dienende Licht wird durch die Ablenkplatten zu etwa 50% abgeschirmt. Insbesondere, wenn in der Flüssigkristall-An-

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zeige ein Farbfilter vorgesehen ist, ergibt sich eine weitere Verringerung der Lichtmenge durch das Farbfilter. Für den normalen Betrieb der Anzeigevorrichtungen im Inneren von Gebäuden ist es daher unerläßlich, die Anzeigevorrichtung mit einer Beleuchtungseinrichtung auszurüsten. Da in tragbaren elektronischen Anzeigevorrichtungen elektrische Energie nur in begrenztem Umfang zur Verfügung steht, besteht großes Interesse an möglichst hellen Beleuchtungseinrichtungen mit möglichst geringem 0 Stromverbrauch.

Wenn andererseits die Anzeigevorrichtung in verhältnismäßig heller Umgebung, beispielsweise im Tageslicht im Freien verwendet wird und als einzige Lichtquelle die eingebaute Beleuchtungseinrichtung benutzt wird, so wird die Anzeige undeutlich und unlesbar. Eine Erhöhung der Helligkeit der Anzeige würde jedoch zu einem erhöhten Stromverbrauch für die Beleuchtungseinrichtung führen, so daß der in einem geringen Stromverbrauch bestehende Vorteil der Flüssigkristall-Anzeigen zunichte gemacht würde.

Die Erfindung ist auf die Schaffung einer Beleuchtungseinrichtung für Anzeigevorrichtungen gerichtet, die bei geringem Stromverbrauch eine gute Lesbarkeit der Anzeigevorrichtung sowohl in dunklen Räumen als auch in hellem Tageslicht gewährleistet.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildüngen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist eine Lichtquelle an einem Ende eines Lichtleiters angeordnet, der eine glatte lichtaussendende Fläche und eine stufenförmig, insgesamt spitzwinklig zu

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der lichtaussendenden Fläche verlaufende Fresnel-Reflexionsflache aufweist. Die Fresnel-Reflexionsflache besteht aus stetig aneinandergrenzenden reflektierenden Oberflächen, die abwechselnd annähernd parallel zu der lichtaussendenden Fläche verlaufen und unter einem bestimmten Winkel gegen die lichtaussendende Oberfläche geneigt sind. Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht wird durch die geneigten Oberflächenabschnitte der Fresnel-Ref lexionsf lache reflektiert und durch die lichtaussendende Oberfläche abgestrahlt. In den parallel zu der lichtaussendenden Fläche verlaufenden Oberflächenabschnitten der Fresnel-Reflexionsfläche kann das ümgebungslicht im wesentlichen ungehindert durch die parallelen Oberflächen der Reflexionsfläche und der lichtaussendenden Fläche hindurchtreten, so daß zur Ausleuchtung der Anzeigevorrichtung sowohl das Licht der Lichtquelle als auch das Ümgebungslicht ausgenutzt werden kann.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.Es zeigen:

Fig- 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung ei

nes linearen Fresnel-Reflektors;

Fig. 3 und 4 Skizzen zur Veranschaulichung der

Lichtreflexion in der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;

und

Fig. 5 eine Kennlinie, die die Lichtausbeute einer Leuchtstofflampe in Abhängigkeit von der Temperatur

angibt.

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Gemäß Fig. 1 und 2 weist ein Lichtleiter 5 einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung die folgenden Konstruktionsmerkmale auf:

(1) Der Lichtleiter ist mit einer glatten, ebenen lichtaussendenden Oberfläche A versehen, die im wesentlichen die gleiche Gestalt wie eine parallel zu der lichtaussendenden Fläche A angeordnete Lichteintrittsfläche einer zu beleuchtenden Anzeigetafel 3 beispielsweise einer Flüssigkristall-Anzeige aufweist.

(2) Der Lichtleiter ist mit einer linearen Fresnel-Reflexionsflache B versehen, die mit der lichtaussendenden Fläche A einen spitzen Winkel bildet.

(3) Wie in der vergrößerten Darstellung in Fig. 2 zu erkennen ist, besteht die Fresnel-Reflexionsflache B aus stufenförmig abwechselnden Oberflächen B. und B„, die jeweils untereinander parallel sind. Die Oberflächen B. verlaufen im wesentlichen parallel zu der lichtaussendenden Oberfläche A, und die Oberflächen B_ bilden mit den Oberflächen B. einen Winkel Q(, .

(4) Der Winkel OO ist durch die folgende Formel gegeben:

<X· = 1/2 arc sin (sin(©/n)) + 135° (1)

wobei θ der optimale Betrachtungswinkel für die Anzeigetafel 3 und η der Berechnungsindex des Lichtleitermaterials ist.

(5) Eine halbzylindrische Reflektorfläche C verbindet die in Abstand zueinander liegenden Enden der lichtaussendenden Oberfläche A und der Fresnel-Reflexionsfläche B.

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(6) Ein Hohlzylinder D umgibt die Mittelachse in der Nähe der Brennlinie der Reflektorfläche C.

(7) Der Hohlzylinder D nimmt eine ringförmige oder zylindrische Lichtquelle 6 auf (und zwar in der Weise, daß die Lichtquelle 6 nicht mit der inneren Oberfläche des Hohlzylinders D in Berührung kommt).

In der oben beschriebenen Beleuchtungseinrichtung wird das von der Lichtquelle 6 ausgesandte Licht in folgender Weise zu der Anzeigetafel 3 geleitet.

Lichtstrahlen, die parallel zu der lichtaussendenden Oberfläche A abgestrahlt werden, werden an einer der Oberflächen B₂ totalreflektiert und in der in Fig. 3 gezeigten Weise in Richtung auf die Anzeigetafel 3 abgestrahlt. Wenn der Lichtleiter 5 aus Acrylharz besteht (Brechungsindex n=1,49; Grenzwinkel für die Totalreflektion = 42°), so ergibt sich für den Winkel OO gemäß der Gleichung (1) unter der Annahme θ = 0 ein Wert von 135°, so daß die Bedingung für Totalreflexion erfüllt ist.

Lichtstrahlen, die unter einem Winkel zu der lichtaussendenden Oberfläche A ausgestrahlt werden, werden in der in Fig. 4 gezeigten Weise reflektiert.

Der Anteil des Lichts, der nur einmal durch die Oberfläche B₂ reflektiert wird, tritt in der Weise aus der lichtaussendenden Oberfläche A aus, als sei er durch einen an der Stelle der Oberfläche B₂ befindlichen Schlitz von dem durch die Oberfläche B₂ erzeugten Spiegelbild L^ der Lichtquelle 6 ausgesandt worden. Der Anteil des Lichts, der zunächst an der Oberfläche A und anschließend an der Oberfläche B₂ reflektiert wird, tritt derart aus der Oberfläche A aus, als sei er von dem durch die Oberfläche B₂ erzeug-

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ten Spiegelbild L-, des an der Oberfläche A erzeugten Spiegelbildes L₉ aus durch den an der Stelle der Oberfläche B„ £ 2

gedachten Schlitz ausgestrahlt worden. In ähnlicher Weise wird der Lichtanteil, der zunächst an der Oberfläche B₁ und anschließend an der Oberfläche B„ reflektiert wird, derart durch die lichtaussendende Oberfläche A abgestrahlt, als sei er durch den an der Position der Oberfläche B- gedachten Schlitz hindurch von dem an der Oberfläche B„ erzeugten Spiegelbild L₅ des an der Oberfläche B. erzeugten Spiegelbildes L. der Lichtquelle 6 ausgegangen. Im Falle einer Mehrfachreflexion zwischen den Oberflächen A und B, werden zusätzlich zu den Spiegelbildern L-. und L₁. weitere Spiegelbilder gebildet. Die Helligkeit dieser Spiegelbilder ist jedoch vernachlässigbar gering, da die Reflexions-Verluste mit zunehmender Anzahl der Reflexionen größer werden. Das von der lichtaussendenden Oberfläche A abgestrahlte Licht weist somit eine Lichtstärkeverteilung mit einem Maximum in Richtung des Winkels θ auf.

Die Reflektorfläche C reflektiert den Lichtanteil, der in der der Fresnel-Reflexionsflache B entgegengesetzten Richtung abgestrahlt wurde, so daß eine wirksame Ausnutzung des Lichts gewährleistet ist. Der annähernd rechtwinklig auf die Reflektorfläche C auftreffende Lichtanteil wird in die Lichtquelle zurückgeworfen. Der schräg auf die Reflektorfläche C auftreffende Lichtanteil wird jedoch mehrfach zwischen der Reflektorfläche C und der Innenwand des Hohlzylinders D reflektiert, bevor er auf die der Fresnel-Reflexionsflache B zugewandte Seite der Lichtquelle gelangt. Aus diesem Grund sind die Lücken zwischen den Spiegelbildern der Lichtquelle durch zusätzliche Spiegelbilder ausgefüllt, die an der Reflektorfläche C erzeugt werden. Die sich insgesamt ergebenden Beleuchtungsverhältnisse entsprechen daher denen an einer flächigen Lichtquelle, die durch einen in der Position der Oberflä-

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ehe B~ befindlichen Schlitz betrachtet wird.

Der die Lichtquelle 6 aufnehmende Hohlzylinder D hat eine weitere vorteilhafte Wirkung, die nachfolgend erläutert werden soll. Unter allen kleinen, weißen Lichtquellen,die gegenwärtig für praktische Anwendungszwecke zur Verfügung stehen, weisen Leuchtstoffröhren (Heißkathoden-Fluoreszenz-Entladungsröhren) die höchste Lichtausbeute (gesamter Lichtstrom/Leistungsverbrauch) auf. Diese Lichtquellen haben jedoch den Nachteil, daß ihre Leuchtwirkung zu einem hohen Grad von der Temperatur abhängig ist. Dies liegt daran, daß der Dampfdruck des in den Leuchtstoffröhren vorhandenen Quecksilbers von der Temperatur abhängig ist. Bei niedriger Temperatur geht daher die Lichtausbeute erheblich zurück. Eine mögliche Gegenmaßnahme besteht darin, den Temperaturabfall der Leuchtstofflampe zu verhindern. Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ist die Leuchtstofflampe derart in dem Hohlzylinder D angeordnet, daß sie nicht mit den inneren Wänden des Hohlzylinders D in Berührung kommt. Die Luft in dem auf diese Weise gebildeten Zwischenraum dient daher als Wärmeisolationsschicht, durch die die von der Leuchtstofflampe selbst erzeugte Wärme zurückgehalten wird. Dies hat zur Folge, daß selbst bei sinkender Umgebungstemperatur keine nennenswerte Abnahme der Lichtausbeute eintritt. Fig. 5 zeigt eine Graphik, die die Änderung der Lichtausbeute einer Leuchtstofflampe in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur angibt. Die durchgezogene Linie ist die Lichtausbeute-Kennlinie einer Leuchtstofflampe ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Lichtleiters. Die gestrichelte Linie entspricht der Kennlinie der Leuchtstofflampe in der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung.

Von der Seite der Anzeigetafel aus gesehen erscheint der Lichtleiter lediglich in den Bereichen der Oberflächen B₂ als hell. Sofern dies als nachteilig angesehen wird, kann

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zwischen der Oberfläche A des Lichtleiters und der Anzeigetafel eine lichtdurchlässige, das Licht streuende Platte oder Folie od. dgl. vorgesehen sein. Die lichtstreuende Platte kann beispielsweise aus Milchglas oder Opalglas oder aus einem lichtstreuenden Kunstharz bestehen. Materialien mit verhältnismäßig geringer lichtstreuender Wirkung führen zu einer besseren Anzeigequalität, da sie geringere Lichtverluste verursachen.

Anschließend soll die Wirkung des Umgebungslichts erläutert werden, das von der von der Anzeigetafel abgewandten Seite her in den Lichtleiter 5 eintritt. Ein in Fig. 3 gestrichelt dargestellter Anteil des auf die Unterseite des Lichtleiters 5 auftreffenden Lichtes 4, der auf die Oberfläche B^ auftrifft, wird an der Oberfläche B„ gebrochen. Der durch durchgezogene Linien in Fig. 3 dargestellte Anteil des Lichtes 4, der auf die Oberfläche B₁ auftrifft, bildet dagegen mit der Oberfläche A einen Ausfallswinkel, der mit dem Einfallswinkel auf die Oberfläche B₁ übereinstimmt, da die Oberflächen B₁ und A zueinander parallel sind. Die lineare Fresnel-Reflexionsflache ist allgemein derart ausgelegt, daß die Oberflächen B₁ größer als die Oberflächen B„ sind. Folglich wird der überwiegende Anteil des auf den Lichtleiter auftreffenden Umgebungslichts wirksam genutzt.

Für den erfindungsgemäßen Lichtleiter sind Materialien wie Acrylharz, Styrolplast oder Polycarbonat aufgrund ihrer hohen Transparenz und guten Bearbeitungseigenschaften besonders geeignet, obgleich auch andere Materialien verwendet werden können.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, gestattet die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung nicht nur eine wirksame Ausnutzung des Lichtes der eingebauten Beleuch-

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tungsquelle, sondern auch eine wirksame Ausnutzung des Umgebungslichtes. Darüber hinaus wird im Fall einer Leuchtstofflampe als eingebaute Lichtquelle eine verbesserte Temperaturcharakteristik erreicht.

Der Winkel zwischen der Oberfläche A und der Oberfläche B ist kleiner als etwa 20° und beträgt vorzugsweise etwa 10 bis 15°.

Claims

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PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister Dipl.-lng. F. E. Müller Artur-Ladebeck-Strasse 51

D-4800 BIELEFELD 1

2614/GER/PT/H 2 4. J_UIi «85

St/Wi/me

SHARP KABUSHIKI KAISHA 22-22, Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka, Japan

BELEUCHTUNGSEINRICHTUNG FÜR ANZEIGEVORRICHTUNGEN

PRIORITÄT: 26.07.1984, Japan, Nr. 59-156731 (P)

PATENTANSPRÜCHE

Beleuchtungseinrichtung mit einer Lichtquelle (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6) derart an einem Ende eines Lichtleiters (5) angeordnet ist, der eine lineare Fresnel-Reflexionsflache (B) aufweist,

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die aus kontinuierlichen, stufenförmig abwechselnden reflektierenden Oberflächen (B.. ,B„) mit zwei verschiedenen Reflexionswinkeln besteht, daß das von der Lichtquelle (6) ausgesandte Licht an der Fresnel-Reflexionsfläche (B) reflektiert wird, bevor es durch eine lichtaussendende Oberfläche (A) des Lichtleiters (5) austritt.
2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6) in einem zylindrischen Hohlraum (D) des Lichtleiters (5) angeordnet ist.
3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Lichtleiters (5) zwischen der lichtaussendenden Oberfläche (A) und der Fresnel-Reflexionsflache (B) eine halbzylindrische Reflektorfläche (C) bildet, deren Brennlinie annähernd mit der Achse des zylindrischen Hohlraums (D) zusammenfällt.
BAD ORfGINAL