DE10060364A1 - Diffusor und Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Lichtquelle und einem Diffusor - Google Patents

Abstract

Um bei einem Diffusor bzw. einer einen solchen Diffusor aufweisenden Beleuchtungseinheit eine möglichst gleichmäßige Lichtverteilung bei geringstmöglichen Lichtverlusten zu erreichen und eine möglichst hohe Lichtausbeute zu erzielen bzw. die Lichtfarben einstellen zu können, besteht der Diffusor aus einem lichtführenden Körper (21), der Volumenelemente (22) mit unterschiedlichen Brechungsindizes zur Lichtstreuung sowie Leuchtstoffpartikel (24) zur Umsetzung insbesondere von ultraviolettem Licht in sichtbares Licht enthält.

Description

Flache Beleuchtungseinheiten, die ihr Licht gleichmäßig über eine größere Lichtabstrahlfläche abgeben, werden insbesondere als Hintergrundbeleuchtung (backlight) für Anzeigeeinheiten mit nicht selbstleuchtenden Anzeigeelementen, z. B. Flüssig­ kristalldisplays benötigt.

Bei den sogenannten back-lit backlights sind Lichtquellen, insbesondere Leuchtstofflampen, hinter einem als Streuscheibe oder -folie ausgebildeten Diffusor angeordnet, während bei den sogenannten edge-lit backlights die Lichtquellen im Bereich mindestens einer Schmalseite des Diffusors angeordnet sind, der über eine seiner Hauptseiten das Licht gleichmäßig verteilt abstrahlt. Der Diffusor eines aus der US-A-5 542 017 bekannten edge-lit backlights besteht hierzu aus einer licht­ führenden Platte, die Volumenelemente mit unterschiedlichen Brechungsindizes enthält, wodurch die gleichmäßige Verteilung des seitlich in die Platte eingestrahlten Lichts erreicht wird.

Bei den Leuchtstofflampen handelt es sich üblicherweise um Gasentladungslampen mit Quecksilberdampffüllung, deren unmit­ telbar erzeugtes ultraviolettes Licht durch eine Leuchtstoff­ schicht an der Lampeninnenwand in sichtbares weißes Licht um­ gesetzt wird. Aus der US-A-5 579 134 ist eine Beleuchtungs­ einrichtung bekannt, bei der Gasentladungslampen ohne Leucht­ stoffschicht zum Einsatz kommen und die Umsetzung des von den Gasentladungslampen erzeugten ultravioletten Lichts in weißes Licht an Leuchtstoff-Flächen außerhalb der Gasentladungslam­ pen erfolgt.

Eine aus der US-A-5 813 753 bekannte Beleuchtungseinheit weist eine ultraviolettes oder blaues Licht abstrahlende Leuchtdiode auf, die zur Lichtverteilung in einem homogen transparenten Material mit einer darin ausgebildeten Licht­ abstrahlfläche eingebettet ist. Um ultraviolette Lichtanteile in sichtbares Licht umzusetzen bzw. die Farbe des über die Lichtabstrahlfläche abgestrahlten Lichts einstellen zu kön­ nen, sind in dem transparenten Material Leuchtstoffpartikel räumlich verteilt, die das ultraviolette bzw. blaue Licht der Leuchtdiode in sichtbares Licht mit bestimmter Farbe umset­ zen. Außerdem wird durch die Leuchtstoffpartikel in dem transparenten Material eine Lichtstreuung erzielt, so dass der durch Totalreflexion an der Lichtabstrahlfläche in dem transparenten Material gefangene Lichtanteil verringert und der über die Lichtabstrahlfläche abgestrahlte Lichtanteil vergrößert wird.

Aus der US-A-5 418 062 ist es schließlich bekannt, Leucht­ stoffpartikel durch Beschichtung mit einem Metalloxid vor Umgebungseinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit zu schützen. Damit die Metalloxidschicht lichtdurchlässig ist, muss sie sehr dünn sein (verzugsweise 0,1 µm bis 3 µm).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Diffusor bzw. einer einen solchen Diffusor enthaltenden Beleuchtungs­ einheit eine möglichst gleichmäßige Lichtverteilung bei ge­ ringstmöglichen Lichtverlusten und höchstmöglicher Lichtaus­ beute zu erreichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch den in Anspruch 1 angegebenen Diffusor bzw. die in Anspruch 5 angegebene Be­ leuchtungseinheit gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Diffusors und der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit sind den Unter­ ansprüchen zu entnehmen.

Der lichtführende Körper des Diffusors enthält Volumenelemen­ te mit unterschiedlichen Brechungsindizes zur gleichmäßigen Lichtverteilung. Die Volumenelemente mit ihren jeweiligen Granzflächen sind statistisch gleichmäßig in dem lichtfüh­ renden Körper verteilt, so dass in den Körper eingekoppeltes und von diesem geführtes Licht durch optische Brechung gleichmäßig verteilt wird. Die Lichtstreuung wird also nicht durch Absorption erzielt, so dass auch keine Absorptions­ verluste auftreten. Bei Leuchtstofflampen oder bei Gasentla­ dungslampen mit außerhalb der Lampen angeordneten Leucht­ stoff-Flächen wird immer nur ein Teil des unmittelbar erzeug­ ten ultravioletten Lichts in sichtbares, vorzugsweise weißes, Licht umgesetzt. Andere Lichtquellen geben ihr Licht in einer Farbe ab, die möglicherweise nicht mit der gewünschten Licht­ farbe übereinstimmt. Durch die in dem lichtführenden Körper enthaltenen Leuchtstoffpartikel werden Lichtanteile mit kür­ zerer Wellenlänge, insbesondere ultraviolette Lichtanteile, zumindest teilweise in sichtbares Licht vorgegebener Farbe umgesetzt, wobei jedoch aufgrund der räumlichen Verteilung der Leuchtstoffpartikel in dem lichtführenden Körper eine wesentliche effektivere Lichtumsetzung und -verteilung er­ reicht wird, als dies bei einer Anordnung derselben Leucht­ stoffpartikel innerhalb einer Leuchtstoff-Fläche oder in einem homogen transparenten Material der Fall wäre. Der Grund hierfür ist, dass die Lichtumsetzung an statistisch gleich­ mäßig in dem lichtführenden Körper verteilten Stellen, näm­ lich an den Stellen der Leuchtstoffpartikel, erfolgt, wobei sowohl das umzusetzende, z. B. ultraviolette, Licht als auch das an den Leuchtstoffpartikeln umgesetzte Licht durch Brechung an den Grenzflächen der Volumenelemente besonders gleichmäßig und verlustarm in dem lichtführenden Körper verteilt wird. Die Konzentration der Leuchtstoffpartikel in dem lichtführenden Körper ist von dem Anteil des umzusetzen­ den Lichts abhängig. So ist z. B. bei der Verwendung von Leuchtstofflampen dieser Anteil vergleichsweise gering, wes­ wegen auch die Konzentration der Leuchtstoffpartikel in dem lichtführenden Körper entsprechend gering gehalten werden kann, so dass einerseits möglichst viel von dem ultraviolet­ ten Restlicht in sichtbares Licht umgesetzt wird, anderer­ seits aber die durch die Leuchtstoffpartikel verursachte Absorption in dem ansonsten absorptionsfreien lichtführenden Körper möglichst gering ist. Bei Gasentladungslampen ohne Leuchtstoffschicht wird die Konzentration der Leuchtstoff­ partikel in dem lichtführenden Körper wesentlich größer sein, wobei dann insbesondere auf eine Leuchtstoff-Fläche zwischen den Gasentladungslampen und dem lichtführenden Körper ver­ zichtet werden kann bzw. diese Leuchtstoff-Fläche zur Mini­ mierung von Absorptionsverlusten so dünn wie möglich ausge­ bildet werden kann.

Die Leuchtstoffpartikel können zusammen mit den Volumenele­ menten in den lichtführenden Körper eingebracht werden. Vor­ zugsweise sind jedoch die Leuchtstoffpartikel in zumindest einem Teil der Volumenelemente eingekapselt, wodurch zum einen die Herstellung des lichtführenden Körpers vereinfacht wird und zum anderen dessen lichtführenden Eigenschaften verbessert werden. Aufrund der Einkapselung der Leuchtstoff­ partikel in die transparenten Volumenelemente ergibt sich nämlich eine gleichmäßige Abstrahlung des von dem betreffen­ den Leuchtstoffpartikel erzeugten Lichts über die äußere Grenzfläche des Volumenelements.

Die Volumenelemente können beispielsweise in der Weise aus­ gebildet werden, dass unterschiedliche transparente Mate­ rialien durch Mischen oder Kneten zu dem lichtführenden Körper zusammengefügt werden. Vorzugsweise sind jedoch die Volumenelemente statistisch verteilt in einem transparenten Trägermaterial des lichtführenden Körpers angeordnet, wobei die Brechungsindizes der Volumenelemente von dem Brechungs­ index des Trägermaterials verschieden sind.

Der Brechungsindex der die Leuchtstoffpartikel enthaltenden Volumenelemente ist vorzugsweise größer als der der anderen Volumenelemente oder des Trägermaterials, so dass das umzu­ setzende Licht bevorzugt zu dem Leuchtstoffpartikeln gelangt und nicht an der Grenzfläche der die Leuchtstoffpartikel ent­ haltenden Volumenelemente totalreflektiert wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Beleuchtungseinheit als edge-lit backlight mit Leuchtstofflampen,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Beleuchtungseinheit als back-lit backlight mit Leuchtstofflampen,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Beleuchtungseinheit mit Gastentladungslampen ohne Leuchtstoffschicht und

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Beleuchtungs­ einheit mit Leuchtdioden.

Die in Fig. 1 gezeigte Beleuchtungseinheit weist als Diffu­ sor einen plattenförmigen lichtführenden Körper 1 auf, der eine Vielzahl von Volumenelementen 2 mit unterschiedlichen Brechungsindizes zur Lichtstreuung enthält. Darüber hinaus enthält der lichtführende Körper 1 statistisch gleichmäßig verteilte Leuchtstoffpartikel 3 zur Umsetzung von ultravio­ letter Strahlung in weißes Licht. Zur Bildung des lichtfüh­ renden Körpers 1 können die Volumenelemente 2 zusammen mit den Leuchtstoffpartikeln 3 gemischt und verknetet werden. Die Leuchtstoffpartikel 3 können dabei zuvor in zumindest einen Teil der Volumenelemente 2 eingekapselt werden. Die Beleuch­ tungseinheit ist als edge-lit backlight ausgebildet, bei dem an einer Schmalseite 4 des plattenförmigen lichtführenden Körpers 1 eine Leuchtstofflampe 5 mit einem Reflektor 6 ange­ ordnet ist, so dass das von der Leuchtstofflampe 5 gestrahlte Licht möglichst vollständig über die Schmalseite 4 in den lichtführenden Körper 1 eingestrahlt wird. Wie gestrichelt angedeutet ist, kann auch an der gegenüberliegenden Schmal­ seite 7 eine Leuchtstofflampe 8 mit Reflektor 9 angeordnet sein. Das seitlich in den lichtführenden Körper 1 einge­ strahlte Licht wird aufgrund der Volumenelemente 2 mit den unterschiedlichen Brechungsindizes gleichmäßig in dem Körper 1 verteilt, wobei die Lichtstreuung durch unterschiedliche Brechung an den Grenzflächen der Volumenelemente 2 erfolgt, ohne dass es dabei zu einer Absorption des Lichtes kommt. Zur Auskopplung des in dem lichtführenden Körper 1 gleichmäßig gestreuten Lichts ist eine als Lichtabstrahlfläche 10 die­ nende Hauptseite des plattenförmigen Körpers 1 mit einer Gitterstruktur 11 versehen, an der die Totalreflexion des Lichts innerhalb des Körpers 1 gestört wird, so dass das Licht an der Lichtabstrahlfläche 10 aus den lichtführenden Körper 1 in gleichmäßiger Verteilung austreten kann. Anstelle der Gitterstruktur 11 können auch vergleichbare Strukturen, wie z. B. Mikroprismen, vorgesehen werden. Alle anderen, nicht zur Lichteinkopplung bzw. Lichtauskopplung dienenden Seiten, z. B. 12, des lichtführenden Körpers 1 sind verspiegelt, um das Austreten von Licht aus dem lichtführenden Körper 1 zu verhindern.

In den Leuchtstofflampen 5 und 8 wird durch elektrische Gasentladung in einer Quecksilberdampfatmosphäre ultravio­ lettes Licht erzeugt, welches an Leuchtstoffschichten auf den Lampeninnenwänden in weißes Licht umgesetzt wird. Diese Um­ setzung ist jedoch unvollständig, so dass ein verbleibender Anteil des ultravioletten Lichts die Leuchtstofflampen 5 und 8 verlässt. Dieser nicht genutzte ultraviolette Lichtanteil könnte durch Aufbringung von Leuchtstoffen auf den Reflekto­ ren 6 und 9 oder auf den verspiegelten Seiten, z. B. 12, des lichtführenden Körpers 1 zumindest teilweise in sichtbares Licht umgesetzt werden. Eine solche Beschichtung der Reflek­ toren bzw. verspiegelten Seiten des lichtführenden Körpers ist jedoch mit einer unerwünschten Absorption des von diesen zu reflektierenden Lichts verbunden. Im Unterschied dazu ist die Absorptionswirkung durch die in dem lichtführenden Körper 1 statistisch gleichmäßig verteilten Leuchtstoffpartikel 3 relativ gering. Außerdem erfolgt die Umsetzung des ultravio­ letten Lichts an statistisch gleichmäßig verteilten Stellen, nämlich den Stellen der Leuchtstoffpartikel 3, innerhalb des lichtführenden Körpers 1, was insgesamt zu einer gleich­ mäßigen Lichtverteilung innerhalb des Körpers 1 und damit zur gleichmäßigen Lichtabstrahlung über die Lichtabstrahlfläche 10 beiträgt.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Beleuchtungseinheit ist als back-lit backlight ausge­ bildet und weist ebenfalls Leuchtstofflampen 20 und als Dif­ fusor für das von diesen abgestrahlte Licht einen platten­ förmigen lichtführenden Körper 21 auf, bei dem Volumenele­ mente 22 mit einem bestimmten Brechungsindex in einem Träger­ material 23 mit einem davon verschiedenen Brechungsindex statistisch gleichmäßig verteilt angeordnet sind. In einem Teil der Volumenelemente 22 sind Leuchtstoffpartikel 24 zur Umsetzung von ultravioletten Lichtanteilen in sichtbares Licht eingekapselt. Eine der beiden Hauptseiten des platten­ förmigen Körpers 21 dient als Lichtabstrahlfläche 25 für das Licht, welches von den Leuchtstofflampen 20 auf der davon abgewandten Hauptseite 26 in den lichtführenden Körper 21 eingekoppelt und von diesem durch Brechung an den Grenz­ flächen zwischen den Volumenelementen 22 und dem transpa­ renten Trägermaterial 23 gleichmäßig gestreut wird. Zur besseren Lichteinkopplung sind die Leuchtstofflampen 20 in Vertiefungen 27 des lichtführenden Körpers 21 angeordnet. Den Öffnungen der Vertiefungen 27 liegt eine diffus reflektie­ rende Fläche 28 gegenüber, die auf dem Boden eines den licht­ führenden Körper 21 mit den Leuchtstofflampen 22 aufnehmenden Lichtkastens 29 ausgebildet ist. Die den Schmalseiten des lichtführenden Körpers 21 gegenüber liegenden Innenseiten 30 des Lichtkastens 29 sind ebenfalls diffus reflektierend aus­ gebildet.

Ultraviolette Lichtanteile, die innerhalb der Leuchtstoff­ lampen 20 nicht in sichtbares Licht umgesetzt werden, werden zumindest teilweise von den in den Volumenelementen 22 einge­ kapselten Leuchtstoffpartikeln 24 in sichtbares Licht umge­ setzt. Darüber hinaus können auch die Innenflächen des Licht­ kastens 29, hier z. B. die diffus reflektierende Fläche 28, als Leuchtstoff-Fläche 31 ausgebildet sein, indem auf der lichtreflektierenden Fläche 28 transparente Kapseln 32 mit darin eingebetteten Leuchtstoffpartikeln 33 aufgebracht sind. Die Kapselung dient dabei zum Schutz der Leuchtstoffpartikel 33 gegenüber Umgebungseinflüssen. Über den Lichtkasten 29 wird die von den Leuchtstofflampen 20 erzeugte Wärme abge­ führt, so dass die Leuchtstofflampen 20 innerhalb eines für sie optimalen Temperaturarbeitsbereichs betrieben werden kön­ nen. Außerdem wird durch die Wärmeabfuhr auch eine Überhit­ zung der Leuchtstoffpartikel 33 vermieden, was insbesondere bei temperaturempfindlichen organischen Leuchtstoffen von Bedeutung ist. Die Wärmeabfuhr kann, wie hier gestrichelt angedeutet ist, durch einen Kühlkörper 34 an dem Lichtkasten 29 verbessert werden.

Bei der Fig. 3 gezeigten Beleuchtungseinheit sind Gasentla­ dungslampen 35 ohne Leuchtstoffschicht vorgesehen, die ultra­ violette Strahlung erzeugen und abgeben. Diese wird außerhalb der Gasentladungslampen 35 in sichtbares Licht umgesetzt. Da­ zu enthält ein als Diffusor dienender lichtführender Körper 36 Volumenelemente 37 mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wobei in den Volumenelementen 37 Leuchtstoffpartikel 38 ein­ gekapselt sind. Dabei ist die in dem lichtführenden Körper 36 enthaltene Konzentration von Leuchtstoffpartikeln 38 höher, als bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2, weil dort nur vergleichsweise geringe ultraviolette Lichtan­ teile in sichtbares Licht umzusetzen sind. Der lichtführende Körper 36 ist zusammen mit den Gasentladungslampen 35 in ei­ nem Gehäuse 39 angeordnet, dessen Innenwände als Leuchtstoff- Flächen 40 ausgebildet sind und das auf die treffende ultra­ violette Licht der Gasentladungslampen 35 in sichtbares Licht umsetzen. Außerdem kann zwischen den Gasentladungslampen 35 und dem lichtführenden Körper 36, hier auf der den Gasentla­ dungslampen 35 zugewandten Seite des lichtführenden Körpers 36, eine weitere Leuchtstoff-Fläche 41 ausgebildet sind, die dann im Hinblick auf die in dem lichtführenden Körper 36 bereits vorhandenen Leuchtstoffpartikel 38 so dünn wie mög­ lich ausgebildet ist und vorzugsweise aus einer einzigen Lage von transparenten Kapseln 42 mit darin eingebetteten Leuchtstoffpartikeln 43 besteht.

Fig. 4 zeigt schließlich eine Beleuchtungseinheit mit Leuchtdioden 44, die in einem als Diffusor ausgebildeten lichtführenden Körper 45 eingebettet sind. Der lichtführende Körper 45 kann in gleicher Weise wie einer der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten lichtleitenden Körper 1, 21 oder 36 aufge­ baut sein und besteht hier aus einem transparenten Trägerma­ terial 46 mit darin verteilten Volumenelementen 47 mit je­ weils höherem Brechungsindex als der des Trägermaterials 46. In einem Teil der Volumenelemente 47 sind Leuchtstoffpartikel 48 eingebettet, die je nach Erfordernis unterschiedlich far­ big leuchten und zur Farbeinstellung des von den Leuchtdioden 44 erzeugten und über die Lichtabstrahlfläche 49 abgestrahlten Lichts dienen.

Claims (12)

1. Diffusor bestehend aus einem lichtführenden Körper (1, 21, 36, 45), der Volumenelemente (2, 22, 37, 47) mit unterschied­ lichen Brechungsindizes zur Lichtstreuung enthält, wobei der lichtführende Körper (1, 21, 36, 45) weiterhin räumlich ver­ teilte, durch Licht zum Leuchten anregbare Leuchtstoffpar­ tikel (3, 24, 38 und 48) enthält.

2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Leuchtstoffpartikel (24, 38, 48) in zumindest einem Teil der Volumenelemente (22, 37, 47) einge­ kapselt sind.

3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Volumenelemente (22, 47) statistisch verteilt in einem transparenten Trägermaterial (23, 46) des lichtführenden Körpers (21, 45) angeordnet sind und dass die Brechungsindizes der Volumenelemente (22, 47) von dem Brechungsindex des Trägermaterials (23, 46) verschie­ den sind.

4. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Brechungsindex der die Leuchtstoffpartikel (24, 38, 48) enthaltenden Volumenelemente (22, 37, 47) größer als der anderer Volumenelemente oder des Trägermaterials (23, 46) ist.

5. Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Lichtquelle (5, 8, 20, 35, 44) und einem Diffusor bestehend aus einem licht­ führenden Körper (1, 21, 36, 45), der Volumenelemente (2, 22, 37, 47) mit unterschiedlichen Brechungsindizes zur Licht­ streuung enthält, wobei der lichtführende Körper (1, 21, 36, 45) weiterhin räumlich verteilte, durch Licht zum Leuchten anregbare Leuchtstoffpartikel (3, 24, 38, 48) enthält.

6. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Leuchtstoffpartikel (24, 38, 48) in zumindest einem Teil der Volumenelemente (22, 37, 47) eingekapselt sind.

7. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenelemente (22, 47) statistisch verteilt in einem transparenten Trägermaterial (23, 46) des lichtführenden Körpers (21, 45) angeordnet sind und dass die Brechungsindizes der Volumenelemente (22, 47) von dem Brechungsindex des Trägermaterials (23, 46) verschie­ den sind.

8. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der die Leuchtstoffpartikel (24, 38, 48) enthaltenden Volumenelemente (22, 37, 47) größer als der anderer Volumenelemente oder des Trägermaterials (23, 46) ist.

9. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht­ quelle eine Gasentladungslampe (5, 8, 20, 35) ist und die Leuchtstoffpartikel (3, 24, 38) durch ultraviolettes Licht zum Leuchten anregbar sind.

10. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentladungslampe eine Leuchtstofflampe (5, 8, 20) ist.

11. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Lichtquelle (20, 35) mindestens eine Leuchtstoff-Fläche (31, 40, 41) angeordnet ist, deren emittiertes Licht in den lichtführenden Körper (21, 36) eingestrahlt wird.

12. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoff-Fläche (31) als lichtreflektierende Fläche (28) ausgebildet ist, auf der transparente Kapseln (32) mit darin eingebetteten Leucht­ stoffpartikeln (33) aufgebracht sind.