DE3526511C2

DE3526511C2 -

Info

Publication number: DE3526511C2
Application number: DE3526511A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yamatokoriyama Nara Jp Hamada; Naofumi Nara Jp Kimura; Fumiaki Yamatokoriyama Nara Jp Funada
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1984-07-26
Filing date: 1985-07-24
Publication date: 1992-09-10
Also published as: JPH0327908B2; US4914553A; JPS6134583A; GB8518897D0; GB2162300B; DE3526511A1; GB2162300A

Description

Die Erfindung betrifft eine passive Anzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer solchen passiven, d. h. nicht selbstleuchtenden Anzeigevorrichtung ist hinter der Ebene der eigentlichen Anzeigevorrichtung eine Beleuchtungseinrichtung angeordnet.

Aus der US-PS 42 52 416 ist eine Anzeigevorrichtung mit Beleuchtungseinrichtung der obengenannten Gattung bekannt. Die Beleuchtungseinrichtung weist eine langgestreckte Lichtquelle und einen mit der Lichtquelle in einer gemeinsamen Ebenen liegenden flachen Lichtleiter auf, der eine zu der Anzeigevorrichtung parallele Austrittsfläche bildet. Das Licht von der Lichtquelle tritt an einer Stirnseite in den Lichtleiter ein und wird an einer stufenförmig ansteigenden Reflexionsfläche zur Austrittsfläche hin reflektiert und von der Austrittsfläche zur Anzeigevorrichtung abgestrahlt. Die Lichtquelle ist in einem Hohlraum eines von dem Lichtleiter getrennten durchsichtigen Körpers untergebracht, dessen von dem Lichtleiter abgewandte Oberfläche einen Reflektor bildet, so daß das von der Lichtquelle nach rückwärts abgestrahlte Licht zum Lichtleiter hin reflektiert wird. Der Reflektor wirkt als Hohlspiegel, durch den das Licht von der Lichtquelle auf eine parallel zur Achse der Lichtquelle verlaufenden Brennlinie fokussiert wird. Der Teil des durchsichtigen Körpers, der dem Lichtleiter zugewandt ist, bildet eine optische Sammellinse, durch die das von der Brennlinie divergierende Licht parallel in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Die stufenförmige Reflexionsfläche des Lichtleiters weist eine abwechselnde Folge von parallel zur Austrittsfläche verlaufenden Abschnitten und von schräg zur Austrittsfläche ansteigenden Abschnitten auf. Durch die letzteren Abschnitte der Reflexionsfläche wird das Licht, das sich parallel zur Austrittsfläche in dem Lichtleiter ausbreitet, derart abgelenkt, daß es annähernd rechtwinklig auf die Austrittsfläche trifft. Die Austrittsfläche ist aufgerauht, damit eine gewisse Lichtstreuung bewirkt wird und die Anzeigevorrichtung nicht dunkel erscheint, wenn sie unter einem schrägen Winkel betrachtet wird. Bei dieser Anzeigevorrichtung fällt jedoch die Helligkeit bei zunehmend schrägem Betrachtungswinkel relativ schnell ab. Um den Abfall der Helligkeit zu mildern, muß die Austrittsfläche verhältnismäßig stark aufgerauht sein, was jedoch zu hohen Verlusten durch Rückstreuung des Lichtes an der Austrittsfläche führt.

In der gleichen Druckschrift wird als weiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung betrachtet, bei der der durchsichtige Körper, der die Lichtquelle aufnimmt, in einem Stück mit dem Lichtleiter ausgebildet ist. Bei dieser Version wird auf die Wirkung des durchsichtigen Körpers als Sammellinse verzichtet, so daß das von der Brennlinie ausgehende Licht im Lichtleiter divergiert und an den Oberflächen des Lichtleiters reflektiert wird. Die der Austrittsfläche entgegengesetzte Reflexionsfläche verläuft bei dieser Variante paralleL zur Austrittsfläche. An dieser Reflexionsfläche findet Totalreflexion statt. Die Austrittsfläche ist aufgerauht, so daß das Licht aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird. Auch hier kommt es deshalb aufgrund der Aufrauhung der Austrittsfläche zu verhältnismäßig hohen Lichtverlusten.

Aus der US-PS 33 49 511 ist eine Beleuchtungseinrichtung bekannt, bei der eine langgestreckte Lichtquelle axial in einem zylindrischen oder halbzylindrischen Hohlkörper angeordnet ist, dessen Innenwände die Lichtquelle in Abstand umgeben. In einer Ausführungsform wird die Lichtaustrittsfläche durch die ebene Oberfläche des halbzylindrischen Hohlkörpers gebildet. In diesem Fall wird das Licht an der entgegengesetzten, gekrümmten Oberfläche des Hohlkörpers diffus gestreut. In einer anderen Ausführungsform ist der Hohlkörper in einem plattenförmigen Lichtleiter integriert, und das Licht wird an den gekrümmten, gegenüber den Oberflächen des plattenförmigen Lichtleiters vorgewölbten Oberflächen des Hohlkörpers gestreut und an den Stellen, an denen der Hohlkörper in den Lichtleiter übergeht, in den plattenförmigen Lichtleiter eingekoppelt. Auch bei dieser Beleuchtungseinrichtung wird eine gleichmäßige Ausleuchtung und annähernd gleichmäßige Abstrahlung des Lichtes in unterschiedliche Richtungen durch diffuse Lichtstreuung erreicht.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Anzeigevorrichtung mit Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bereits ohne diffuse Lichtstreuung eine weitgehend gleichmäßige Ausleuchtung der Anzeige erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung mit Beleuchtungseinrichtung ist der die Lichtquelle umgebende Körper in einem Stück mit dem Lichtleiter ausgebildet und so geformt, daß der auf der dem Lichtleiter in bezug auf die Lichtquelle entgegengesetzten Seite gebildete Reflektor ein auf die Längsachse der Lichtquelle zentrierter Halbzylinder ist, dessen halbzylindrische Oberfläche die an den Reflektor angrenzenden Enden der Austrittsfläche und der Reflexionsfläche des Lichtleiters miteinander verbindet. Der Hohlraum des durchsichtigen Körpers, in dem die Lichtquelle untergebracht ist, bildet mit der Oberfläche der Lichtquelle einen ringförmigen Luftspalt.

Durch diese Anordnung wird erreicht, daß der Reflektor zusammen mit der Oberfläche des Hohlraumes für die Lichtquelle einen weiteren Lichtleiter bildet, durch den das von der Oberfläche der Lichtquelle auf der dem Lichtleiter entgegengesetzten Seite abgestrahlte Licht um die Lichtquelle herum zu dem Lichtleiter geleitet wird. Hierdurch wird eine scheinbare Verbreiterung der flächigen Lichtquelle erreicht, so daß sich in Verbindung mit der stufenförmig ansteigenden Reflexionsfläche des Lichtleiters eine gleichmäßige Ausleuchtung der Austrittsfläche und der Anzeigevorrichtung auch dann ergibt, wenn die Austrittsfläche des Lichtleiters eine glatte Fläche ist. Aufgrund der Ausbildung der Austrittsfläche als glatte Fläche findet eine verlustfreie Totalreflexion des Lichts an der Austrittsfläche statt. Durch Mehrfachreflexionen der ausgedehnten Lichtquelle innerhalb des Lichtleiters werden an den schräg ansteigenden Abschnitten der Reflexionsfläche jeweils mehrere virtuelle Bilder der Lichtquelle erzeugt, so daß das Licht annähernd gleichmäßig in einen gewissen Winkelbereich abgestrahlt wird.

In den parallel zu der Austrittsfläche verlaufenden Abschnitten der Reflexionsfläche kann das Umgebungslicht im wesentlichen ungehindert durch die Austrittsfläche in den Lichtleiter eintreten und nach Reflexion wieder austreten, so daß zur Ausleuchtung der Anzeigevorrichtung sowohl das Licht der Lichtquelle als auch das Umgebungslicht ausgenutzt werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Beleuchtungseinrichtung wird somit beispielsweise in Verbindung mit bekannten Flüssigkristall-Anzeigen eine stromsparende Anzeigevorrichtung geschaffen, die sich sowohl in hellem Tageslicht als auch in dunklen Räumen durch eine gute Ablesbarkeit auszeichnet.

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

Fig. 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines linearen 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.

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 (Austrittsfläche) versehen, die im wesentlichen den gleichen Grundriß 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 Reflexionsfläche 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-Reflexionsfläche B aus stufenförmig abwechselnden Oberflächen B₁ und B₂, die jeweils untereinander parallel sind. Die Oberflächen B₁ verlaufen im wesentlichen parallel zu der lichtaussendenden Oberfläche A, und die Oberflächen B₂ bilden mit den Oberflächen B₁ einen Winkel α.
(4) Der Winkel α ist durch folgende Formel gegeben: α = 1/2 arc sin ((sin R)/n) + 135° (1)wobei R der Betrachtungswinkel für die Anzeigetafel 3 und n der Berechnungsindex des Lichtleitermaterials ist.
(5) Eine halbzylindrische Reflektorfläche C verbindet die in Abstand zueinander liegenden Enden der lichtaussendenden Oberfläche A und der Reflexionsfläche B.
(6) Der 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 α gemäß der Gleichung (1) unter der Annahme R=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 L₁ 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 erzeugten Spiegelbild L₃ des an der Oberfläche A erzeugten Spiegelbildes L₂ aus durch den an der Stelle der Oberfläche B₂ gedachten Schlitz ausgestrahlt worden. In ähnlicher Weise wird der Lichtanteil, der zunächst an der Oberfläche B₁ und anschließend an der Oberfläche B₂ reflektiert wird, derart durch die lichtaussendende Oberfläche A abgestrahlt, als sei er durch den an der Position der Oberfläche B₂ gedachten Schlitz hindurch von dem an der Oberfläche B₂ erzeugten Spiegelbild L₅ des an der Oberfläche B₁ erzeugten Spiegelbildes L₄ der Lichtquelle 6 ausgegangen. Im Falle einer Mehrfachreflexion zwischen den Oberflächen A und B, werden zusätzlich zu den Spiegelbildern L₃ und L₅ weitere Spiegelbilder gebildet. Die Helligkeit dieser Spiegelbilder ist jedoch vernachlässigbar gering, da die Reflexionsverluste 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 R auf.

Die Reflektorfläche C reflektiert den Lichtanteil, der in der der Reflexionsfläche 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 Reflexionsfläche 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 Oberfläche B₂ 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 zwischen der Oberfläche A des Lichtleiters und der Anzeigetafel eine lichtdurchlässige, das Licht streuende Platte oder Folie o. 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 B₂ auftrifft, wird an der Oberfläche B₂ 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 Ausfallwinkel, der mit dem Einfallswinkel auf die Oberfläche B₁ übereinstimmt, da die Oberflächen B₁ und A zueinander parallel sind. Die lineare Reflexionsfläche ist allgemein derart ausgelegt, daß die Oberflächen B₁ größer als die Oberflächen B₂ 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 Beleuchtungsquelle, 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

1. Passive Anzeigevorrichtung mit einer hinter der Ebene der Anzeigevorrichtung (3) angeordneten Beleuchtungseinrichtung, die

- eine langgestreckte Lichtquelle (6),
- einen mit der Lichtquelle (6) in einer gemeinsamen Ebene liegenden flachen Lichtleiter (5) mit einer zu der Anzeigevorrichtung (3) parallelen Austrittsfläche (A) und einer der Austrittsfläche (A) gegenüberliegenden Reflexionsfläche (B), die in Richtung auf das von der Lichtquelle (6) abgewandte Ende des Lichtleiters (5) stufenförmig zu der Austrittsfläche (A) hin ansteigt und parallel zur Austrittsfläche (A) verlaufende Abschnitte (B₁) sowie schräg zur Austrittsfläche (A) ansteigende, das Licht der Lichtquelle (6) zur Austrittsfläche (A) reflektierende Abschnitte (B₂) aufweist, und
- einem die Lichtquelle (6) umgebende durchsichtigen Körper, dessen von dem Lichtleiter (5) abgewandte Oberfläche einen Reflektor (C) bildet,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der die Lichtquelle (6) umgebende Körper in einem Stück mit dem Lichtleiter (5) ausgebildet ist,
- daß der Reflektor (C) ein auf die Längsachse der Lichtquelle (6) zentrierter Halbzylinder ist, dessen halbzylindrische Oberfläche die an den Reflektor (C) angrenzenden Enden der Austrittsfläche (A) und der Reflexionsfläche (B) des Lichtleiters (5) miteinander verbindet,
- daß die Innenfläche des die Lichtquelle (6) aufnehmenden Hohlraums (D) des durchsichtigen Körpers mit der Oberfläche der Lichtquelle (6) einen ringförmigen Luftspalt bildet und
- daß die Austrittsfläche (A) des Lichtleiters (5) eine glatte Fläche ist.

2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α), den der schräg zur Austrittsfläche (A) ansteigende Abschnitt (B₂) der Reflexionsfläche (B) mit dem parallel zur Austrittsfläche (A) verlaufenden Abschnitt (B₁) der Reflexionsfläche (B) bildet, in Abhängigkeit von dem Winkel (R) gewählt ist, unter dem das Licht der Lichtquelle (6) aus der Austrittsfläche (A) austritt.