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Hintergrund
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a. Fachgebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf Beleuchtung eines Instruments zur Anzeige von Informationen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Beleuchtung für ein zur Verwendung in einem Fahrzeug geeignetes Instrument.
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Solche Instrumente sind Uhren, tragbare Computerspiele, Mobiltelefone, also praktisch jedes Instrument, das Informationen elektronisch anzeigen kann. Instrumente zur Anzeige von Informationen auf einer Fahrzeuganzeigeeinrichtung sind üblicherweise in der Instrumententafel eines Kraftfahrzeugs angeordnet und erfordern irgendeine Beleuchtung, die dem Fahrer das Lesen der Informationen bei Dunkelheit ermöglicht. Ein Instrument umfasst normalerweise eine Informationsträgerfläche in einem Gehäuse mit einer transparenten Abdeckung zum Schutz des Instruments. Die Informationsträgerfläche besitzt gewöhnlich Symbole, mit denen eine Skala dargestellt wird, wie z. B. grafische Darstellungen, Zahlen oder eine Skalenscheibe, und einen auf einen Punkt innerhalb der Skala weisenden Zeiger, oder sie kann eine zur Wiedergabe von numerischen Informationen geeignete Flüssigkristallanzeige (LCD) umfassen. Die Informationsträgerfläche kann außerdem Elemente wie z. B. Ringe einschließen, die die Umfangslinie eines bestimmten Instruments oder Anzeigegeräts angeben. Das Instrument ist allgemein auf einer Leiterplatte montiert, die (direkt oder indirekt über ein Netzwerk) mit Sensoren verbunden ist, die bestimmte Motorbedingungen überwachen, wie z. B. Drehzahl, Temperatur und Kraftstofffüllstand, um nur einige zu nennen. Konventionelle Instrumente sind gemeinsam angeordnet, sodass sie eine Instrumentenkombination bilden. Da Kunden in ihren Bedürfnissen anspruchsvoller werden, gewinnt es an Bedeutung, dass eine Beleuchtung für Fahrzeuginstrumente bereitgestellt wird, die sowohl markant ist als auch kostengünstig hergestellt werden kann.
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Im Allgemeinen wird eine von zwei Beleuchtungsarten verwendet, nämlich Frontbeleuchtung oder Hintergrundbeleuchtung. Frontbeleuchtung bedeutet eine Beleuchtung von der Betrachtungsseite der Informationsträgerfläche aus, die von der Informationsträgerfläche reflektiert wird. Das Licht muss nicht senkrecht zur Informationsträgerfläche einfallen, sodass der Begriff Frontbeleuchtung eine Seitenbeleuchtung einschließt, bei der das Licht von der Informationsträgerfläche reflektiert wird. Die Informationen sind derart aufgedruckt, dass das von den Symbolen reflektierte Licht zu dem vom Hintergrund reflektierten Licht in Kontrast steht, sodass beispielsweise die Symbole schwarz und der Hintergrund weiß oder die Symbole weiß und der Hintergrund schwarz sein können. Sind die Symbole heller als der Hintergrund, wird die Beleuchtung als Negativmodus bezeichnet; sind die Symbole dunkler als der Hintergrund, wird die Beleuchtung als Positivmodus bezeichnet.
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Hintergrundbeleuchtung bedeutet Beleuchtung der Informationsträgerfläche von der der Betrachtungsseite des Instruments gegenüberliegenden Seite aus. In diesem Fall weist die Informationsträgerfläche lichtundurchlässige oder halb-lichtdurchlässige Bereiche auf, sodass das durch die Informationsträgerfläche hindurchtretende Licht die Symbole sichtbar macht.
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Hintergrundbeleuchtung von Fahrzeuginstrumententafeln ist üblicher geworden, denn es besteht derzeit die Auffassung, dass sie der Fahrzeuginstrumententafel ein besseres Gesamterscheinungsbild verleiht, weil sie keine Anbringung von Beleuchtungskomponenten vor dem Instrument erfordert. Allerdings bietet Frontbeleuchtung ein gefälligeres Erscheinungsbild des Instruments im beleuchteten Zustand.
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Front- oder Hintergrundbeleuchtung kann durch Bereitstellung der Beleuchtung entweder direkt von einer Lichtquelle aus (was die Verwendung von Reflexionsflächen einschließen kann) oder indirekt von einer Lichtquelle erreicht werden, die mit einem das Licht von der Lichtquelle zu dem geforderten Beleuchtungspunkt lenkenden Lichtleiter gekoppelt ist.
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Ein Problem bei bekannten Instrumenten mit einer zugehörigen Lichtquelle besteht darin, dass die Frontbeleuchtung zwar für die Informationsträgerfläche und alle zugehörigen Zeiger eine einfachere Konstruktion ermöglicht, jedoch die durch diese vereinfachten Konstruktionen bewirkten Kosteneinsparungen durch die für flexible Anschlüsse von der Leiterplatte zur Lichtquelle oder komplexe Lichtleiter und für kompliziertere Montage erforderlichen Zusatzkosten zunichte gemacht werden. Frontbeleuchtung von einer Punktquelle aus erzeugt außerdem häufig Schatten. Andererseits ist Hintergrundbeleuchtung mit der Verwendung einer Vielzahl von Lichtquellen verbunden, und zur Beleuchtung des Zeigers ist eine kompliziertere Anordnung erforderlich. Außerdem ist das Aufbringen von Symbolen auf die Informationsträgerfläche im Fall von Hintergrundbeleuchtung komplizierter, weil eine schlechte Aufteilung der Beleuchtung dazu führen kann, dass einzelne Bereiche des Instruments eine bessere Beleuchtung haben als andere. Das wird zwar kompensiert, indem in einigen Teilflächen eine andere Dicke der lichtundurchlässigen oder halb-lichtdurchlässigen Bereiche als in anderen Teilflächen realisiert wird; jedoch tritt bei Verwendung eines Kompensationsverfahrens ein als „Farbverschiebung” bezeichneter unerwünschter Effekt ein, und dieser ist besonders bei Weißbeleuchtung erkennbar. Die Farbverschiebung wird durch die Differenz des Lichtdurchlässigkeitskoeffizienten in verschiedenen Teilbereichen der Informationsträgerfläche hervorgerufen.
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Ein weiteres Problem bei Hintergrundbeleuchtung besteht darin, dass mit Entwicklung der Lichtquellen, insbesondere Leuchtdioden (LEDs), und der Ermöglichung stärkerer Lichtemission die Verteilung dieses Lichts in einer effektiven Weise schwieriger wird.
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b. Stand der Technik
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Es ist bekannt, einen Lichtleiter zur Beleuchtung von Instrumententafeln zu verwenden, wobei beispielsweise die
DE 199 40 849 A1 einen Lichtleiter zur Beleuchtung von Instrumententafeln offenbart, der einen Abschnitt zur radialen Emission von Licht aufweist.
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Es ist bekannt, zwecks Beleuchtung eines Instruments ein rings um die Umrandung einer Skalenscheibe gelegtes lichtleitendes Element zu verwenden. Beispielsweise offenbart die
JP 2006194613 A bogenförmige Lichtleitplatten; die
US 2006066250 A1 offenbart einen aus beleuchtungsempfindlichem Material hergestellten Glaselement- und Kurvenrohrlichtleiter. Die
GB 482 595 A offenbart ein starres stabähnliches lichtleitendes Element rings um die Umrandung einer Skalenscheibe. Das Element kann an der der Skalenscheibe gegenüberliegenden Seite mit Ausnahme von zwei Schlitzen mit lichtundurchlässigem Material beschichtet und hinter der Abdeckung platziert sein.
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Es ist bekannt, Einschnitte oder Unstetigkeiten bereitzustellen, um Licht aus dem Lichtleiter austreten zu lassen. Beispielsweise offenbart die
WO 84/00800 A1 einen flexiblen Übertragungsleiter, der in Abständen auf seiner Oberfläche Einschnitte haben kann; die
JP 57063469 A beschreibt eine Einrichtung zur Beleuchtung einer Uhr, die Lichtleiter mit einer Vielzahl von Einschnitten zur Emission von Licht aufweist; offenbart ein Beleuchtungssystem mit einem Lichtleitelement mit Schlitzen.
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Schließlich ist bekannt, eine Abdeckung (oder Abdeckscheibe) als einen Lichtleiter zu verwenden. Beispielsweise offenbart die französische Patentanmeldung
FR 2 760 414 A1 ein Instrument mit einem externen Schutzglas, das durch mindestens eine zugehörige Lichtquelle beleuchtet wird und als ein Lichtleiter wirkt.
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Die
US 2003/0112619 A1 offenbart ein zur Beleuchtung eines Instruments geeignetes Beleuchtungssystem, das eine Informationsträgerfläche, eine im Wesentlichen transparente Schutzabdeckung und eine erste Lichtquelle umfasst, die an die Schutzabdeckung derart angekoppelt ist, dass die Schutzabdeckung als ein Lichtleiter wirkt; wobei die Schutzabdeckung so angeordnet ist, dass Licht an einer ausgewählten Stelle zwecks Beleuchtung eines Bereichs der Informationsträgerfläche austreten kann.
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Allerdings ermöglicht, wenn die gesamte Sichtfläche der Schutzabdeckung als Lichtleiter verwendet wird, das Vorhandensein eines Kratzers oder einer Verunreinigung, wie z. B. Staub oder Fingerabdrücke, auf der Sichtfläche ein Austreten von Licht, das damit für den Fahrer sichtbar wird.
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Zur Lösung des Problems der Lichtleckage, die auftritt, wenn sich Licht durch die Sichtfläche der Schutzabdeckung hindurch ausbreitet, wird eine neue Konstruktion der Schutzabdeckung vorgeschlagen, bei der sich Licht nur entlang ihrer versteckten Peripherie ausbreiten kann, wobei durch den Nutzer kein Licht wahrgenommen werden kann, wenn die Sichtfläche kontaminiert ist oder Kratzer aufweist.
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Die
US 2003/0112619 A1 offenbart eine Anordnung aus einer bedruckten Informationsfläche und einer darüberliegenden Schutzabdeckung, die durch Ankopplung eines Lichtleiters selbst zum Lichtleiter wird.
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Die Gefahr einer Lichtleckage, die zu störenden, die Information verfälschenden Sichtwahrnehmungen führt, ist nicht erwähnt und offensichtlich nicht erkannt worden.
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Die
US 6,481,882 B1 offenbart einen Lichtleiter, der mit einer reflektierenden inneren Seite und mit einer Licht ausleitenden prismatischen Erhebungen äußeren Seite ausgestattet ist und so in das Innere eines Instruments indirektes Licht abgeben kann. Bezüglich der Anordnung der übrigen teile des zu beleuchtenden Instruments sind keinerlei Angaben gemacht, so dass durch sie verursachte Lichtleckagen folgerichtig keine Beachtung finden.
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Die
DE 10 2005 011 793 A1 beschreibt eine das Zifferblatt umschließende Ringstruktur, die teilweise als Lichtleiter ausgebildet ist. Eine Erwähnung möglicher Lichtleckagen erfolgt nicht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein zur Beleuchtung eines Instruments geeignetes Beleuchtungssystem bereitgestellt, das eine Informationsträgerfläche; eine im Wesentlichen transparente Schutzabdeckung; und eine an die Schutzabdeckung gekoppelte erste Lichtquelle umfasst; wobei eine Fläche der Schutzabdeckung an einem peripheren Bereich so behandelt ist, dass Licht größtenteils aus dem peripheren Bereich austritt und einen Bereich der Informationsträgerfläche beleuchtet. Der Querschnitt des peripheren Bereichs ist im Wesentlichen kreisförmig, wobei der Durchmesser D des Querschnitts größer als die Dicke T der Schutzabdeckung ist.
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Vorzugsweise ist das Verhältnis D/T größer als 1,5. Stärker bevorzugt ist D im Wesentlichen gleich 5 mm und T im Wesentlichen gleich 2 mm.
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In einer Ausgestaltung ist die Schutzabdeckung an einem peripheren Bereich durch Bereitstellung einer Vielzahl von radialen Einschnitten in einer Fläche des peripheren Bereichs behandelt. In dieser Ausgestaltung können die Einschnitte die gleiche Tiefe haben und der Abstand zwischen zwei benachbarten Einschnitten nahe der Lichtquelle ist größer als der Abstand zwischen zwei von der Lichtquelle weiter entfernten Einschnitten. Alternativ sind die Einschnitte der Vielzahl von Einschnitten zueinander gleich beabstandet und die Tiefe eines Einschnitts nahe der Lichtquelle ist geringer als die Tiefe eines von der Lichtquelle weiter entfernten Einschnitts.
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In einer anderen Ausgestaltung ist die Schutzabdeckung an einem peripheren Bereich durch eine Schicht aufgedruckten Streumaterials auf einer Fläche des peripheren Bereichs behandelt. In dieser Ausgestaltung ist die Schicht aufgedruckten Streumaterials von sich vergrößernder Flächenbreite und die Flächenbreite nahe der Lichtquelle ist geringer als die von der Lichtquelle weiter entfernte Flächenbreite.
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In einer dritten Ausgestaltung ist die Schutzabdeckung an einem peripheren Bereich durch eine Schicht von Streustrukturen auf einer Fläche des peripheren Bereichs behandelt, die durch chemisches Ätzen oder Laserablation hergestellt wird.
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In der dritten Ausgestaltung haben die Streustrukturen eine sich vergrößernde Flächenbreite und die Flächenbreite nahe der Lichtquelle ist geringer als die von der Lichtquelle weiter entfernte Flächenbreite.
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In einer Vorzugsausgestaltung befindet sich ein ringförmiger Einschnitt in der Fläche der Schutzabdeckung nahe am peripheren Bereich, und es können drei ringförmige Einschnitte vorhanden sein, wobei jeder Einschnitt eine Tiefe im Wesentlichen gleich 1 mm hat.
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Vorzugsweise ist die Lichtquelle durch einen aus einem gekrümmten, zylindrischen Hohllichtleiter bestehenden Strang an die Schutzabdeckung angekoppelt. Alternativ sind zwei Lichtquellen durch zwei aus je einem gekrümmten zylindrischen Hohllichtleiter bestehende Stränge an die Schutzabdeckung angekoppelt. Die Lichtquelle kann eine auf der Leiterplatte angebrachte LED sein. Der periphere Bereich kann durch eine lichtundurchlässige Abdeckung sichtgeschützt sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung lediglich anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen sind:
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1 eine perspektivische Ansicht der Vorzugsausgestaltung der Erfindung;
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2 eine Draufsicht der Schutzabdeckung;
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die 3a, 3b und 3c Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen des Querschnitts der Schutzabdeckung;
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4 die Unteransicht und die Darstellung des Querschnitts der Schutzabdeckung, wobei ringförmige Einschnitte eingearbeitet sind;
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5 die Darstellung einer mit der Schutzabdeckung erhaltenen Strahlengangsimulation;
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6 die Darstellung des berechneten Beleuchtungskennfelds;
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7 eine Draufsicht der Streustrukturen umfassenden Schutzabdeckung;
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8 die Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und
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9 die Darstellung einer dritten Ausgestaltung, bei der die LED-Lichtquellen nahe der Schutzabdeckung angeordnet sind.
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Ausführliche Beschreibung
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Beleuchtungssystems entsprechend einer der Ausgestaltungen der Erfindung. Das System umfasst eine Schutzabdeckung 1, ein eine Informationsträgerfläche bildendes Grafikgebiet 2 und eine an die Schutzabdeckung gekoppelte Lichtquelle 3.
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Die Schutzabdeckung 1 ist gewöhnlich aus einem transparenten Material geformt, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Polycarbonat oder PMMA. In Betrieb ist die Lichtquelle 3, die beispielsweise eine LED sein kann, durch die als ein Lichtleiter wirkenden Stränge 6 der Schutzabdeckung 1 an die Schutzabdeckung 1 gekoppelt. Die LED-Lichtquelle 3 ist normalerweise auf der Leiterplatte 7 angebracht. Die LED 3 ist mithilfe der Stränge 6 an die Schutzabdeckung 1 angekoppelt, wobei das emittierte Licht von der LED 3 durch vollständige innere Reflexionen innerhalb der Peripherie der Schutzabdeckung 1 transportiert wird. Wenn die LED 3 aus einer auf drei Farben basierenden LED besteht, die den kompletten Farbbereich abdeckt, erleichtern die Stränge 6 der Abdeckung die Farbmischung. Vorzugsweise bestehen die Stränge 6 aus einem gekrümmten zylindrischen Hohllichtleiter. Einschnitte 8 sind auf einem peripheren Bereich 9 der Schutzabdeckung 1 eingearbeitet, wie in 1 dargestellt, sodass Licht aus der Schutzabdeckung 1 austritt und nur in Richtung Grafikgebiet 2 gelenkt wird. Um eine gleichmäßige Beleuchtung auf dem Grafikgebiet 2 zu erreichen, sind die Einschnitte 8 regelmäßig verteilt, jedoch ist die Tiefe der Einschnitte 8 näher zur LED 3 geringer und nimmt mit weiterem Abstand zur LED 3 zu.
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In 2 ist der periphere Bereich 9 der Schutzabdeckung 1 hinter einer aus absorbierendem Material hergestellten lichtundurchlässigen Abdeckung 10 platziert, sodass nur die Fläche 5 sichtbar ist, wie in 2 dargestellt. Das meiste Licht ist innerhalb des peripheren Bereichs 9 eingegrenzt und nur ein geringer Anteil des Lichts entweicht in das sichtbare Gebiet 5.
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Bezugnehmend auf die 3a bis 3c betragen typischerweise die Dicke des sichtbaren Bereichs 5 T = 2 mm und der Durchmesser des peripheren Bereichs 9 D = 5 mm. Für Anwendungen, die ein parallel gerichtetes Licht zur Beleuchtung eines engeren Informationsgebiets erfordern, ist der periphere Bereich 9 vorzugsweise so positioniert, wie in 3a dargestellt. Andere Positionen sind möglich, wie in den 3b und 3c dargestellt.
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Der Krümmungsradius der Stränge 6 beträgt 38 mm, jedoch könnten andere Werte gewählt werden, durch die ein Lichtverlustminimum eingehalten wird. Um eine Eingrenzung des größten Anteils des verteilten Lichts innerhalb des peripheren Bereichs 9 abzusichern, ist das Verhältnis D/T vorzugsweise größer als 1,5.
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Entsprechend 4 sind in einer der Ausgestaltungen der Erfindung ringförmige Einschnitte 4 eingearbeitet, sodass Lichtleckage in das sichtbare Gebiet 5 hinein durch innere Reflexionen verhindert wird. Vorzugsweise würden drei ringförmige Einschnitte von 1 mm Tiefe sicherstellen, das weniger als 2% des Lichts in das sichtbare Gebiet 5 hinein entweicht.
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Es sind Strahlengangsimulationen, wie in 5 dargestellt, durchgeführt worden, um die Leistungsfähigkeit der Erfindung zu bewerten, wobei ein auf das gesamte Grafikgebiet 2 zugeschnittenes und über dieses Gebiet gleichmäßiges Beleuchtungsmuster erzielt wird, wie durch das Beleuchtungskennfeld in 6 dargestellt. Das mithilfe der offenbarten Schutzabdeckung 1 erzielte Beleuchtungsmuster ähnelt einem Kreisringabschnitt, und die Größe des ringförmigen Gebiets ist proportional zur Größe des Durchmessers D des peripheren Bereichs 9. In einer der Ausgestaltungen der Erfindung ist die Tiefe der Einschnitte 8 konstant, jedoch wären die Einschnitte näher zur Lichtquelle weniger eng verteilt, sodass die Menge des aus dem peripheren Bereich 9 austretenden Lichts ein gleichmäßiges Beleuchtungsmuster am Umfang des Grafikgebiets 2 erzeugen würde.
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Die Schutzabdeckung 1 kann mithilfe von Spritzgieß- oder Heißprägeverfahren leicht hergestellt werden. In einer anderen Ausgestaltung können, wie in 7 dargestellt, die Einschnitte 8 durch eine streuende lackierte Fläche oder durch in das die Schutzabdeckung bildende Material eingearbeitete streuende Partikel oder auch durch Streustrukturen 8a ersetzt werden, die, jedoch nicht darauf beschränkt, durch chemisches Ätzen oder Laserablation hergestellt werden. Bei Verwendung von Streustrukturen 8a würde das Gebiet nahe den Strängen 6 eine geringere Streuleistung aufweisen als das weiter entfernt vom Element 6 liegende Gebiet. In einer weiteren Ausgestaltung wird eine einzige LED-Lichtquelle 3 zur Beleuchtung des Grafikgebiets 2 verwendet, wie in 8 dargestellt.
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Bei einigen Anwendungen ist es erforderlich, die LED-Lichtquelle 3 nahe der Schutzabdeckung 1 zu platzieren, wie in 9 dargestellt, obwohl daraus Zusatzkosten entstehen. Die optische Leistungsfähigkeit dieser letztgenannten Ausgestaltung ist jedoch mit denen der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen vergleichbar, da Licht innerhalb der Peripherie der Schutzabdeckung 1 eingegrenzt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schutzabdeckung
- 2
- Grafikgebiet
- 3
- Lichtquelle bzw. LED
- 4
- ringförmige Einschnitte
- 5
- Fläche bzw. sichtbares Gebiet
- 6
- Stränge
- 7
- Leiterplatte
- 8
- Einschnitte
- 8a
- Streustrukturen
- 9
- peripherer Bereich
- 10
- lichtundurchlässige Abdeckung
