CH627557A5

CH627557A5 - Optisches element zur sammlung, fuehrung und auskopplung von strahlung.

Info

Publication number: CH627557A5
Application number: CH1587277A
Authority: CH
Inventors: Hans Krueger; Werner Glaubitz
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1982-01-15
Also published as: ATA388478A; US4236791A; AT368297B; JPS54995A; GB1603757A; DE2724748A1

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Element zur Sammlung, II kann dann die Lichtaustrittsfenster (Kerben) enthalten. Die

Führung und Auskopplung von Strahlung, mit einem Körper, Schicht mit den Fluoreszenzstoffen lässt sich auch so ausführen,

im folgenden Fluoreszenzkörper genannt, der aus einem Mate- dass die Fluoreszenzpartikel in ihr einheitlich orientiert sind. In rial mit einem Brechungsindex grösser 1 besteht, fluoreszieren- 60 diesem Fall kann eine polarisierte Emission von Fluoreszenz-

de Partikel enthält und mindestens ein Lichtaustrittsfenster hat. licht stattfinden. Neben einer Zweischichtversion sind natürlich

Ein Element mit einem Fluoreszenzkörper wird in einem in der auch Mehrschichtanordnungen denkbar. Nimmt man dabei bei-

«Elektronik-Zeitung» vom 25.03.77 erschienenen Artikel mit spielsweise für die oberste Schicht Glas, erhält man eine gegen dem Titel «Hell und sparsam» beschrieben. Witterungseinflüsse besonders stabile Ausführungsform.

Ein Fluoreszenzkörper arbeitet folgendermassen: Ein gros- 65 Eine weitere Möglichkeit, die Selbstabsorption zu reduzie-

ser Teil des auf den Fluoreszenzkörper auftretenden Umge- ren, besteht darin, mindestens zwei fluoreszierende Teilkörper bungslichts wird durch Fluoreszenzstreuung und anschliessende mit jeweils unterschiedlichen Fluoreszenzstoffen hintereinander

(Total-)Reflexionen an den Körpergrenzflächen im Körperin- zu schalten bzw. ineinanderzusetzen. In diesem Fall sollte die

Selbstabsorption im Teilkörper II für Fluoreszenzlicht des Teilkörpers I sehr gering sein.

Will man dem Fluoreszenzkörper eine schräge Hauptauskoppelrichtung geben, so sollte er mindestens ein Austrittsfen-ster in Form einer abgewinkelten Reflektionsfläche, insbesondere einer Einkerbung in der Körperoberfläche, enthalten, die im Profil die Form eines ungleichschenkligen Dreiecks hat. Soll der Fluoreszenzkörper ein Parallelstrahlbündel abgeben, so enthält zweckmässigerweise das Lichtaustrittsfenster neben einer Auskoppelfläche, insb. einer Reflektions- oder Streufläche, eine Sammellinse, wobei die Auskoppelfläche im Brennpunkt der Sammellinse angeordnet ist.

Unabhängig von der dem Lichtaustrittsfenster zugedachten Funktion empfiehlt es sich, die Fensterabmessungen auf die Körperabmessungen abzustimmen, denn wegen der unvermeidlichen Selbstabsorption sollte jeder Auskoppelbereich von dem in das Körperinnere gelangenden Licht schon nach einer relativ kurzen Wegstrecke getroffen werden. So müssen beispielsweise bei einem relativ dicken Fluoreszenzkörper auch die Fenster vergleichsweise grossflächig sein, also etwa als Kerben eine grosse Eindringtiefe haben; das Licht tritt dann zwangsläufig auf breiter Front aus. Wie man aus einem Fluoreszenzkörper sowohl schmal als auch breit auskoppeln kann und auch mit einer dünnen Fluoreszenzplatte einen breiten Strahlaustritt erzielt, ist in den Ansprüchen 6 bzw. 7 angegeben.

Das vorgeschlagene optische Element kann übrigens nicht nur in verschiedenartigen Funktionen und mit unterschiedlichen Fensterausführungen zum Einsatz kommen, sondern lässt sich auch mit verschiedenen Trägermaterialien realisieren, wenn diese nur ein Brechungsindex grösser 1 haben und geeignete Fluoreszenzstoffe lösen können. So kommen beispielsweise neben festen Werkstoffen mit oder ohne Vorzugsrichtung der eingebetteten Fluoreszenzpartikel auch flüssige Träger infrage. Wählt man hierzu beispielsweise eine Flüssigkeit mit einem sehr hohen Brechungsindex, dann verbleibt wegen des kleinen Grenzwinkels ein sehr grosser Anteil des fluoreszenzgestreuten Lichts im Körper. Über eine grosse optische Dichte verfügen Flüssigkristalle, die zudem, wenn man ihre Moleküle und damit auch die zugemischten Fluoreszenzteilchen in geeigneter Weise vororientiert, polarisiertes Fluoreszenzlicht liefern.

Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In den einzelnen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Seitenschnitt und

Fig. 2,3,4 und 5 von weiteren Ausführungsbeispielen jeweils den Fluoreszenzkörper, in einem teilweise weggebrochenen Seitenschnitt.

Die Flüssigkristallanzeige der Fig. 1 besteht aus der.eigentlichen Zelle 1 und einem in Betrachtungsrichtung hinter der Zelle befindlichen Fluoreszenzkörper 2. Die Zelle enthält, in Betrachtungsrichtung hintereinander liegend, einen vorderen Li-nearpolarisator 3, eine vordere Trägerplatte 4, eine hintere Trägerplatte 6 und einen hinteren, zum vorderen parallelen Linear-

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polarisator 7. Die beiden Trägerplatten sind durch einen Di-stanzierungsrahmen 8 in einem gegenseitigen Abstand zueinander gehalten, sie tragen auf ihren einander zugewandten Innenflächen jeweils einen leitfähigen Belag (durchgehende Rück-elektrode 9, aus einzelnen Segmenten 11 bestehende Vorderelektrode). Die vom Rahmen und den beiden Trägerplatten begrenzte Kammer ist mit einer Flüssigkristallsubstanz 12 gefüllt. Die Zelle arbeitet nach dem Prinzip der sog. «Drehzelle», weitere Herstellungs- und Betriebseinzelheiten sind der DE-OS 21 58 563 zu entnehmen.

Der Fluoreszenzkörper hat im vorliegenden Fall eine einem hohlen Rotationsellipsoid angenäherte Form, deren von der Zelle abgedeckter Bereich flach und mit Lichtaustrittsfenstern in Form von Einkerbungen 13 und Streuflächen 15 versehen ist. Die Streuflächen sind erhaben und kontaktieren die Zelle, so dass beide Teile nur an kleinen Flächen in einem optischen Kontakt stehen. Die Einkerbungen liegen jeweils hinter einem der Elektrodensegmente 11. Die Mantefläche des Ellipsoïdes ist an keiner Stelle verspiegelt. Die optimale Körperform lässt sich bei vorgegebenen Randbedingungen empirisch oder rechnerisch ermitteln.

Die Figuren 2 bis 5 zeigen jeweils Fluoreszenzkörper mit speziell gestalteten Austrittsfenstern.

In Fig. 2 ist das Profil der Einkerbung asymmetrisch: Es bildet ein ungleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck mit einer Hauptabstrahlrichtung nach rechts oben. Die Einkerbung selbst trägt eine Spiegelschicht 18.

In der Ausführung der Fig. 3 sorgen eine Sammellinse 17 auf der Körpervorderseite und eine in die Körperrückseite eingebrachte Einkerbung im Brennpunkt dieser Linse dafür, dass das ausgekoppelte Licht ein senkrecht austretendes Parallelstrahlbündel ist. Mit einer solchen Strahlung erreicht man bei einem matrixadressierten Display ein besonders hohes Multi-plexverhältnis.

Der Fluoreszenzkörper in der Fig. 4 enthält auf seiner Rückseite eine kleine Einkerbung und auf seiner Vorderseite, der Einkerbung vorgelagert, einen Vorsatz 22, der an seiner Vorderfläche mit einer lichtstreuenden Fläche 19 versehen ist. Das Teil 22 ist dem Körper entweder angeformt oder ihm fest angesetzt und kann aus dem gleichen Material wie der Fluoreszenzkörper bestehen. Die in der Figur dargestellte Variante eignet sich vor allem für grossflächige Anzeigegeräte, da sie bei geringem Materialverbrauch breite Auskoppelflächen mit hohem Kontrast liefert.

Bei der Modifikation der Fig. 5 besteht der Fluoreszenzkörper 2 aus zwei übereinanderliegenden Schichten, einer dünnen Schicht 20 und einer dicken Schicht 21. Beide Schichten sind auf ihren Rückseiten jeweils mit Einkerbungen versehen, und zwar die in Blickrichtung vordere Schicht 20 mit kleinen und die hintere Schicht 21 mit tiefen, breiten Einkerbungen. Auf diese Weise können schmale und breite Zeichen mit hohem Kontrast dargestellt werden, da die in den Fluoreszenzkörper 2 eindringende Strahlung die Einkerbungen bereits nach kurzer Wegstrecke trifft.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE neren festgehalten, weitergeleitet und schliesslich an den Licht-

1. Optisches Element zur Sammlung, Führung und Aus- austrittsfenstern wieder ausgekoppelt. Er wirkt somit wie ein kopplung von Strahlung, mit einem Körper, im folgenden Fluo- Kollektor, der natürliche oder künstlich erzeugte Strahlung reszenzkörper genannt, der aus einem Material mit einem Bre- grossflächig einfängt, bündelt und mit relativ hoher Intensität chungsindex grösser 1 besteht, fluoreszierende Partikel enthält 5 auf einen kleinflächigen, relativ schwachen Empfänger führt. In und mindestens ein Lichtaustrittsfenster hat, dadurch gekenn- dem zitierten Zeitungsartikel ist der Empfänger eine Flüssigkri-zeichnet, dass der Fluoreszenzkörper (2) die Form eines hohlen, stallzelle ; der Fluoreszenzkörper hat dabei die Form einer an im Bereich des Lichtaustrittsfensters (13,15,18) flachen Rota- ihren vier Schmalseiten verspiegelten Platte, die hinter der Zelle tionsellipsoides hat. plaziert ist und seitlich über sie hinausragt. Eine solche Körper-
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Umgestaltung ist insofern noch nicht optimal, als die Fertigung mit der Fluoreszenzkörper (2) aus mindestens zwei Schichten be- einem Verspiegelungsprozess belastet wird und die Anordnung steht, wobei die eine Schicht fluoreszierende Partikel enthält ein relativ grosses Querformat hat, das nicht immer zur Verfü-und die andere Schicht, in die vorzugsweise die Austrittsfenster gung steht.

eingebracht sind, an die eine Schicht optisch angepasst ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fluores-
3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 15 zenzkörper zu entwickeln, der auch ohne Reflektionsschichten die in der einen Schicht enthaltenen fluoreszierenden Partikel auskommen kann und auch bei kleineren Querabmessungen eine einheitliche Vorzugsrichtung haben. über eine grosse Kollektorfläche verfügt. Zur Lösung dieser
4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass bei einem opti-gekennzeichnet, dass der Fluoreszenzkörper (2) mindestens ein sehen Element der eingangs genannten Art der Fluoreszenzkör-Austrittsfenster in Form einer abgewinkelten Reflexionsfläche, 20 per die Form eines hohlen, im Bereich des Lichtaustrittsfensters insbesondere einer Einkerbung (13) in der Körperoberfläche, flachen Rotationsellipsoides hat.

enthält, die im Profil die Form eines ungleichschenkligen Drei- Ein solcher Fluoreszenzkörper bringt nicht nur im Zusam-

ecks hat. menhang mit der optischen Darstellung von Information Vor-
5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch teile, sondern findet ganz allgemein stets Verwendung, wenn gekennzeichnet, dass das Austrittsfenster neben einer Auskop- 25 optische Strahlung gesammelt, geleitet und an bestimmten Stel-pelfläche, insbesondere einer Reflexions- oder Streufläche (15), len konzentriert wieder ausgekoppelt werden soll. Dabei ist es eine Sammellinse (17) enthält, wobei die Auskoppelfläche im nicht erforderlich, dass die Anregungs- bzw. Emissionsstrahlung Brennpunkt der Sammellinse (17) angeordnet ist. im sichtbaren Frequenzbereich liegt ; genausogut kann der Fluo-
6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch reszenzkörper beispielsweise auch im Ultravioletten oder in nagekennzeichnet, dass der Fluoreszenzkörper eine Anzahl von 30 hen oder fernen Infrarot arbeiten. Die Vorteile des vorgeschla-Austrittsfenster mit abgewinkelten Reflexionsflächen verschie- genen Fluoreszenzkörpers kommen vor allem dann zum Tragen, dener Grösse, insbesondere mit verschieden grossen Einker- wenn er eine künstliche Lichtquelle enthält.

bungen, hat und aus mindestens zwei in Auskoppelrichtung ver- Die genaue Ausbildung des Fluoreszenzkörpers hängt im schieden dicken Teilkörpern (20,21) zusammengesetzt ist und wesentlichen von seiner Selbstabsorption, von der Beschaffen-

dass zumindest der in Auskoppelrichtung dünnste Teilkörper 35 heit und Lage der Austrittsfenster, vom Ort der Lichtquelle und

(20) die kleinsten Reflexionsflächen und der dickste Teilkörper ggf. auch von der Abschattung durch ein vorgesetztes Display

(21) die grössten Reflexionsflächen enthält. ab und ist jeweils für den Einzelfall zu optimieren. Eine nahezu
7. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch rotationssymmetrische, kantenfreie Körperform bringt im übri-gekennzeichnet, dass der Fluoreszenzkörper (2) in Auskoppel- gen nicht nur Fertigungserleichterungen mit sich, sondern hat richtung vor seinem Austrittsfenster ein sich vorzugsweise in 40 zweifellos auch ihren ästhetischen Reiz.

Auskoppelrichtung konisch erweiterndes Vorsatzteil (22) enthält, das auf seiner dem Fluoreszenzkörper (2) abgewandten Die erwähnte Selbstabsorption kommt dadurch zustande, Fläche lichtstreuend wirkt. dass die Frequenzbereiche, in denen die fluoreszierenden Parti-
8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch kel absorbieren und emittieren, sich teilweise überlappen. Das gekennzeichnet, dass der Fluoreszenzkörper (2) aus mindestens 45 bedeutet, dass das fluoreszenzgestreute und dann durch (To-zwei, mit jeweils unterschiedlich fluoreszierenden Partikeln ver- tal—) Reflexionen im Körperinneren eingefangene Licht nach sehenen Teilkörpern (20,21) zusammengesetzt ist, wobei der einer gewissen Wegstrecke ein weiteres Mal von den fluoreszie-erste der beiden Teilkörper die von dem anderen Teilkörper renden Partikeln absorbiert und dann möglicherweise aus dem emittierte Fluoreszenzstrahlung nur wenig absorbiert. Körper herausgestreut wird. Der Ëinfluss dieser störenden Selbst-
9. Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass so absorption lässt sich dadurch wesentlich vermindern, dass man der erste Teilkörper die Austrittsfenster enthält. dem Fluoreszenzkörper folgenden Aufbau gibt: Der Körper ist
10. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch aus zwei Schichten I und II zusammengesetzt, wobei die Schicht gekennzeichnet, dass das Trägermaterial der fluoreszierenden I fluoreszierende Partikel in der richtigen Konzentration enthält Partikel flüssig ist. und Schicht II aus einem Material mit gleich sm oder angenähert

55 gleichem Brechungsindex und sehr geringer Dämpfung für die Emissionswellenlänge des Fluoreszenzkörpers besteht. Schicht