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Verwandte Anmeldungen
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Diese
Anmeldung beansprucht die Nutzung der provisorischen US-Anmeldung
Nr. 60/865944, eingereicht am 15. November 2006, deren Offenbarung
in ihrer Gesamtheit durch Verweis aufgenommen ist.
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Diese
Anmeldung ist mit den folgenden US-Patentanmeldungen verwandt, die
durch Verweis aufgenommen sind: US-Patentanmeldung Nr. 11/560234,
eingereicht am 15. November 2006; US-Patentanmeldung Nr. 11/560271,
eingereicht am 15. November 2006; US-Patentanmeldung Nr. 11/560260;
und US-Patentanmeldung Nr. 11/560250 eingereicht am 15. November
2006.
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft optische Anzeigen und insbesondere Flüssigkristallanzeigen
(LCDs), die von hinten durch Lichtquellen direkt beleuchtet werden,
wie sie in LCD-Monitoren und LCD-Fernsehgeräten verwendet
werden können.
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Hintergrund
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Einige
Anzeigesysteme, zum Beispiel Flüssigkristallanzeigen (LCDs),
werden von hinten beleuchtet. Solche Anzeigen finden in vielen Vorrichtungen,
wie tragbaren Computern, Taschenrechnern, Digitaluhren, Fernsehgeräten
und dergleichen verbreitet Anwendung. Einige hintergrundbeleuchtete
Anzeigen weisen eine Lichtquelle, die sich auf der Seite der Anzeige
befindet, mit einem Lichtleiter auf, der angeordnet ist, um das Licht
aus der Lichtquelle zur Rückseite der Anzeigetafel zu leiten.
Andere hintergrundbeleuchtete Anzeigen, zum Beispiel einige LCD-Monitore
und LCD-Fernsehgeräte (LCD-TVs), werden unter Verwendung
einer Anzahl von Lichtquellen, die hinter der Anzeigetafel an geordnet
sind, von hinten direkt beleuchtet. Diese letztgenannte Anordnung
ist bei größeren Anzeigen zunehmend gebräuchlich,
da die Lichtleistungsanforderungen, die benötigt werden,
um einen bestimmten Pegel der Anzeigehelligkeit zu erzielen, mit
dem Quadrat der Anzeigegröße zunehmen, wohingegen
das verfügbare Grundstück, um Lichtquellen längs
der Seite der Anzeige anzuordnen, nur linear mit der Anzeigegröße
zunimmt. Zusätzlich erfordern es einige Anzeigeanwendungen, wie
LCD-TVs, daß die Anzeige hell ist, um aus einem größeren
Abstand als andere Anwendungen betrachtet zu wenden. Zusätzlich
unterscheiden sich die Betrachtungswinkelanforderungen für
LCD-TVs im allgemeinen von jenen für LCD-Monitore und in
der Hand gehaltene Vorrichtungen.
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Viele
LCD-Monitore und LCD-TVs werden durch eine Anzahl von Kaltkathodenfluoreszenzlampen (CCFLs)
von hinten beleuchtet. Diese Lichtquellen sind linear und erstrecken
sich über die volle Breite der Anzeige, mit dem Ergebnis,
daß die Rückseite der Anzeige durch eine Reihe
heller Streifen beleuchtet wird, die durch dunklere Bereiche getrennt
sind. Ein solches Ausleuchtungsprofil ist nicht wünschenswert,
und daher wird typischerweise eine Diffusorplatte verwendet, um
das Ausleuchtungsprofil auf der Rückseite der LCD Vorrichtung
zu glätten.
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Es
wird ein diffuser Reflektor hinter den Lampen verwendet, um Licht
auf den Betrachter richten, wobei die Lampen zwischen dem Reflektor
und dem Diffusor angeordnet sind. Die Trennung zwischen dem diffusen Reflektor
und dem Diffusor wird durch die erwünschte Helligkeitsgleichmäßigkeit
des Lichts beschränkt, das aus dem Diffusor emittiert wird.
Wenn die Trennung zu klein ist, dann wird die Beleuchtungsstärke
weniger gleichmäßig, wodurch das Bild verdorben
wird, das durch den Betrachter betrachtet wird. Dies geschieht,
da es nicht genügend Platz für das Licht gibt,
um sich gleichmäßig zwischen den Lampen zu verteilen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Ausführungsform der Erfindung ist auf eine direkt beleuchtete
Anzeigeeinheit gerichtet, die eine Anzeigetafel und eine oder mehrere
Lichtquellen aufweist, die hinter der Anzeigetafel angeordnet sind.
Die Lichtquellen sind imstande, Ausleuchtungslicht zu erzeugen.
Eine streuende Lichtablenkschicht ist zwischen der einen oder den
mehreren Lichtquellen und der Anzeigetafel angeordnet. Die Lichtablenkschicht
weist erste Lichtablenkelemente, die auf einer ersten Seite der
Lichtablenkschicht angeordnet sind, die zur Anzeigetafel weist,
und zweite Lichtablenkelemente auf, die auf einer zweiten Seite
der Lichtablenkschicht angeordnet sind, die von der Anzeigetafel
weg weist. Die streuende Lichtablenkschicht weist ferner streuende
Teilchen auf, die in einer Polymermatrix angeordnet sind.
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Die
obige Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung ist nicht dazu
bestimmt, jede dargestellte Ausführungsform oder jede Implementierung
der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Die Figuren und die folgende
detaillierte Beschreibung erläutern diese Ausführungsformen
genauer.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung kann unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten
Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung
in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vollständiger
verstanden werden. Es zeigen:
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1 schematisch
eine hintergrundbeleuchtete Flüssigkristallanzeigevorrichtung,
die eine Helligkeitsgleichmäßigkeitsschicht gemäß Prinzipien
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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2 schematisch
eine Ausführungsform eines Films mit verbesserter Gleichmäßigkeit
(enhanced uniformity film – EUF) gemäß Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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3A, 3B, 4A–4D, 5, 6A und 6B schematisch
zusätzliche Ausführungsformen eines EUF gemäß Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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7A–7C schematisch
unterschiedliche Ausführungsformen von Lichtführungseinheiten,
die einen EUF gemäß Prinzipien der vorliegenden
Erfindung aufweisen;
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8 schematisch
eine Ausführungsform einer Ausleuchtungseinheit, die Lichtquellen
und Lichtführungsfilme aufweist, gemäß Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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9A und 9B verschiedene
Parameter, die in einer Modellierung eines EUF gemäß Prinzipien der
vorliegenden Erfindung verwendet werden;
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10 eine
graphische Streudarstellung der berechneten Helligkeitsgleichmäßigkeit,
die für verschiedene Modellbeispiele gegen die Leuchtdichte
aufgetragen ist;
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11A–D und 11F verschiedene
polare konoskopische graphische Darstellungen, die verwendet werden,
um die Arbeitsweise eines EUF zu beschreiben;
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11E schematisch einen exemplarischen Modell-EUF;
und
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12 die
Helligkeitsgleichmäßigkeit als Funktion der Trennung
zwischen Diffusor und Reflektor für verschiedene Modellbeispiele.
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Während
die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative
Formen offen ist, sind Besonderheiten davon beispielhaft in den
Zeichnungen gezeigt worden und werden im Detail beschrieben. Es
sollte sich jedoch verstehen, daß es nicht die Absicht
ist, die Erfindung auf die beschriebenen besonderen Ausführungsformen
zu beschränken. Es ist im Gegenteil die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente
und Alternativen abzudecken, die in den Geist und Rahmen der Erfindung
fallen, die durch die beigefügten Ansprüche definiert
wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Anzeigetafeln, wie Flüssigkristallanzeigen
(LCDs oder LC-Anzeigen) anwendbar, und ist insbesondere auf LCDs
anwendbar, die von hinten direkt beleuchtet werden, zum Beispiel wie
sie in LCD-Monitoren und LCD-Fernsehgeräten (LCD-TVs) verwendet
werden. Insbesondere ist die Erfindung auf die Führung
von Licht gerichtet, das durch eine direkt beleuchtete Hintergrundbeleuchtung
zum Beleuchten einer LC-Anzeige erzeugt wird. Es ist typischerweise
eine Anordnung von Lichtführungs- bzw. -managementfilmen
zwischen der Hinter grundbeleuchtung und der Anzeigetafel selbst
angeordnet. Die Anordnung der Lichtführungsfilme, die miteinander
laminiert sein können oder freistehend sein können,
weist typischerweise eine Diffusorschicht und mindestens einen Helligkeitssteigerungsfilm
auf, der eine prismatisch strukturierte Oberfläche aufweist.
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Eine
schematische Ansicht mit aufgelösten Einzelteilen einer
exemplarischen Ausführungsform einer direkt beleuchteten
Anzeigevorrichtung 100 wird in 1 dargestellt.
Eine solche Anzeigevorrichtung 100 kann zum Beispiel in
einem LCD-Monitor oder LCD-TV verwendet werden. Die Anzeigevorrichtung 100 kann auf
der Verwendung einer LC-Tafel 102 beruhen, die typischerweise
eine LC-Schicht 104 aufweist, die zwischen Tafelplatten 106 angeordnet
ist. Die Platten 106 sind häufig aus Glas ausgebildet
und können Elektrodenstrukturen und Ausrichtungsschichten
an ihren Innenseiten zum Steuern der Orientierung der Flüssigkristalle
in der LC-Schicht 104 aufweisen. Die Elektrodenstrukturen
sind häufig eingerichtet, LC-Tafelpixel zu definieren,
Bereiche der LC-Schicht, wo die Orientierung der Flüssigkristalle
unabhängig von benachbarten Bereichen gesteuert werden
kann. Es kann auch ein Farbfilter bei einer oder mehreren der Platten 106 enthalten sein,
um dem angezeigten Bild eine Farbe aufzuerlegen.
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Ein
oberer Absorptionspolarisator 108 ist über der
LC-Schicht 104 angeordnet, und ein unterer Absorptionspolarisator 110 ist
unter der LC-Schicht 104 angeordnet. In der dargestellten
Ausführungsform befinden sich die oberen und unteren Absorptionspolarisatoren
außerhalb der LC-Tafel 102. Die Absorptionspolarisatoren 108, 110 und
die LC-Tafel 102 steuern in Kombination die Durchlassung
von Licht von der Hintergrundbeleuchtung 112 durch die
Anzeige 100 zum Betrachter. Zum Beispiel können
die Absorptionspolarisatoren 108, 110 mit ihren
Durchlaßachsen senkrecht angeordnet sein. In einem unaktivierten
Zustand kann ein Pixel der LC-Schicht 104 die Polarisation
von Licht nicht ändern, das dort hindurch geht. Folglich
wird Licht, das durch den unteren Absorptionspolarisator 110 geht,
durch den oberen Absorptionspolarisator 108 absorbiert.
Wenn das Pixel aktiviert wird, wird andererseits die Polarisation
des Lichts, das dort hindurch geht, gedreht, so daß mindestens
etwas des Lichts, das durch den unteren Absorptionspolarisator 110 durchgelassen wird,
auch durch den oberen Absorptionspolarisator 108 durchgelassen
wird. Die selektive Aktivierung der unterschiedlichen Pixel der
LC-Schicht 104, zum Beispiel durch eine Steuereinrichtung 114,
führt dazu, daß das Licht der Anzeige an bestimmten
erwünschten Stellen austritt, wodurch ein Bild gebildet
wird, das durch den Betrachter gesehen wird. Die Steuereinrichtung
kann zum Beispiel einen Computer oder eine Fernsehsteuereinrichtung
aufweisen, die Fernsehbilder empfängt und anzeigt. Es können
eine oder mehrere optionale Schichten 109 über
dem oberen Absorptionspolarisator 108 vorgesehen sein,
um zum Beispiel einen mechanischen und/oder umgebungsmäßigen
Schutz für die Anzeigenoberfläche bereitzustellen.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Schicht 109 eine
Hartbeschichtung über dem Absorptionspolarisator 108 aufweisen.
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Es
wird erkannt werden, daß ein gewisser Typ von LC-Anzeigen
in einer Weise arbeiten kann, die sich von der oben beschriebenen
unterscheidet. Zum Beispiel können die Absorptionspolarisatoren
parallel ausgerichtet sein, und die LC-Tafel kann die Polarisation
des Lichts drehen, wenn sie sich in einem unaktivierten Zustand
befindet. Trotzdem bleibt die Grundstruktur solcher Anzeigen ähnlich
zu der oben beschriebenen.
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Die
Hintergrundbeleuchtung 112 weist eine Anzahl von Lichtquellen 116 auf,
die das Licht erzeugen, das die LC-Tafel 102 beleuchtet.
Die in einem LCD-TV oder LCD-Monitor verwendeten Lichtquellen 116 sind häufig
lineare Kaltkathodenfluoreszenzröhren, die sich längs
der Höhe der Anzeigevorrichtung 100 erstrecken. Es
können jedoch andere Typen von Lichtquellen verwendet werden,
wie Glüh- oder Bogenlampen, lichtemittierende Dioden (LEDs),
ebene Fluoreszenztafeln oder äußere Fluoreszenzlampen.
Diese Liste von Lichtquellen ist nicht dazu bestimmt, einschränkend
oder erschöpfend, sondern nur exemplarisch zu sein.
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Die
Hintergrundbeleuchtung 112 kann auch einen Reflektor 118 aufweisen,
um Licht, das sich von den Lichtquellen 116 ausbreitet,
in eine Richtung weg von der LC-Tafel 102 zu reflektieren.
Der Reflektor 118 kann auch zur Wiederverwertung von Licht
innerhalb der Anzeigevorrichtung 100 nützlich
sein, wie unten erläutert wird. Der Reflektor 118 kann
ein spiegelnder Reflektor sein oder kann ein diffuser Reflektor
sein. Ein Beispiel eines spiegelnden Reflektors, der als der Reflektor 118 verwendet
werden kann, ist der VikuitiTM Enhanced Specular
Reflection (ESR) Film, der von 3M Company, St. Paul, Minnesota erhältlich
ist. Beispiele geeigneter diffuser Reflektoren weisen Polymere wie
PET, PC, PP, PS auf, die mit diffus reflektierenden Teilchen wie
Titandioxid, Bariumsulfat, Kalziumkarbonat oder dergleichen beladen
sind. Andere Beispiele diffuser Reflektoren, die mikroporöse
Materialien und faserhaltige Materialien umfassen, werden in der
gemeinsam gehaltenen US-Patentanmeldungsoffenlegung 2003/0118805
A1 erläutert.
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Eine
Anordnung 120 von Lichtführungsfilmen, die auch
als eine Lichtführungseinheit bezeichnet werden kann, ist
zwischen der Hintergrundbeleuchtung 112 und der LC-Tafel 102 angeordnet.
Die Lichtführungsfilme beeinflussen das Licht, das sich
von der Hintergrundbeleuchtung 112 ausbreitet, um die Arbeitsweise
der Anzeigevorrichtung 100 zu verbessern. Zum Beispiel
kann die Anordnung 120 von Lichtführungsfilmen
eine optionale Diffusorplatte 122 aufweisen. Die Diffusorplatte 122 kann
verwendet werden, um das Licht zu streuen, das von den Lichtquellen
empfangen wird, was zu einer Zunahme der Gleichmäßigkeit
des Ausleuchtungslichts führt, das auf die LC-Tafel 102 einfällt.
Folglich führt dies zu einem durch den Betrachter wahrgenommenen
Bild, das gleichmäßiger hell ist. In einigen Ausführungsformen
kann die Diffusorplatte 122 als eine Schicht ausgebildet
sein, die lose streuende Teilchen enthält. In einigen Ausführungsformen
kann die Diffusorplatte an einer anderen Schicht in der Anordnung
der Lichtführungsfilme 120 befestigt sein oder
kann weggelassen werden.
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Die
Lichtführungseinheit 120 kann auch einen Reflexionspolarisator 124 aufweisen.
Die Lichtquellen 116 erzeugen typischerweise unpolarisiertes
Licht, jedoch läßt der untere Absorptionspolarisator 110 nur
einen einzigen Polarisationszustand durch, und daher wird etwa die
Hälfte des durch die Lichtquellen 116 erzeugten Lichts
nicht zur LC-Schicht 104 durchgelassen. Der Reflexionspolarisator 124 kann
jedoch verwendet werden, um das Licht zu reflektieren, das andernfalls
im unteren Absorptionspolarisator absorbiert werden würde,
und daher kann dieses Licht durch Reflexion zwischen dem Reflexionspolarisator 124 und
dem Reflektor 118 wiederverwertet werden. Mindestens etwas
des durch den Reflexionspolarisator 124 reflektierten Lichts
kann entpolarisiert werden und anschließend zum Reflexionspolarisator 124 in
einem Polarisationszustand zurückgeschickt werden, der
durch den Reflexionspolarisator 124 und den unteren Absorptionspolarisator 110 zur LC-Schicht 104 durchgelassen
wird. Auf diese Weise kann der Reflexionspolarisator 124 verwendet
werden, um den Anteil des durch die Lichtquellen 116 emittierten
Lichts zu erhöhen, das die LC-Schicht 104 erreicht, und
daher ist das durch die Anzeigevorrichtung 100 erzeugte
Bild heller.
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Jeder
geeignete Typ eines Reflexionspolarisators kann verwendet werden,
zum Beispiel optische Mehrschichtfilm-(MOF)Reflexionspolarisatoren;
ein diffus reflektierender Polarisationsfilm (DRPF), wie Polarisatoren
mit kontinuierlicher/disperser Phase, Drahtgitter-Reflexionspolarisatoren
oder cholesterische Reflexionspolarisatoren.
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Sowohl
die MOF- als auch die Reflexionspolarisatoren mit kontinuierlicher/disperser
Phase beruhen auf dem Unterschied des Brechungsindex zwischen mindestens
zwei Materialien, üblicherweise Polymermaterialien, um
selektiv Licht eines Polarisationszustands zu reflektieren, während
sie Licht in einem orthogonalen Polarisationszustand durchlassen.
Einige Beispiele von MOF-Reflexionspolarisatoren werden im gemeinsam
gehaltenen
US-Patent Nr. 5,882,774 beschrieben.
Kommerziell erhältliche Beispiele von MOF-Reflexionspolarisatoren
umfassen Vikuiti
TM DBEF-D200 und DBEF-D440
Mehrschichtreflexionspolarisatoren, die streuende Oberflächen
aufweisen, die von 3M Company, St. Paul, Minnesota erhältlich
sind.
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Beispiele
eines DRPF, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung nützlich
sind, weisen Reflexionspolarisatoren mit kontinuierlicher/disperser
Phase, wie sich im gemeinsam gehaltenen
US-Patent Nr. 5,825,543 beschrieben
werden, und diffus reflektierende Mehrschichtpolarisatoren auf,
wie sie z. B. im gemeinsam gehaltenen
US-Patent
Nr. 5,867,316 beschrieben werden. Andere geeignete Typen
eines DRPF werden im
US-Patent
Nr. 5,751,388 beschrieben.
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Einige
Beispiele von Drahtgitter-Polarisatoren, die in Verbindung mit der
vorliegenden Erfindung nützlich sind, umfassen jene, die
im
US-Patent Nr. 6,122,103 beschrieben
werden. Drahtgitter-Polarisatoren sind unter anderem von Moxtek
Inc., Orem, Utah kommerziell erhältlich.
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Einige
Beispiele eines cholesterischen Polarisators, der in Verbindung
mit der vorliegenden Erfindung nützlich ist, umfassen jene,
die zum Beispiel im
US-Patent
Nr. 5,793,456 und der
US-Patentoffenlegung
Nr. 2002/0159019 beschrieben werden. Cholesterische Polarisatoren
sind häufig zusammen mit einer Viertelwellenverzögerungsschicht
auf der Ausgangsseite vorgesehen, so daß das durch den
cholesterischen Polarisator durchgelassene Licht in eine lineare
Polarisation umgewandelt wird.
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In
einigen Ausführungsformen kann der Reflexionspolarisator 126 eine
Streuung bereitstellen, zum Beispiel mit einer streuenden Oberfläche,
die zur Hintergrundbeleuchtung 112 weist. In anderen Ausführungsformen
kann der Reflexionspolarisator 126 mit einer Helligkeitssteigerungsfläche
versehen sein, die die Verstärkung des Lichts erhöht,
das durch den Reflexionspolarisator 126 geht. Zum Beispiel
kann die Oberseite des Reflexionspolarisators 126 mit einer
prismatischen Helligkeitssteige rungsfläche oder mit einer
Verstärkungsstreufläche versehen sein. Helligkeitssteigerungsflächen
werden unten in näheren Einzelheiten erläutert.
In anderen Ausführungsformen kann der Reflexionspolarisator
mit einem streuenden Merkmal, wie einer streuenden Oberfläche
oder Volumen auf der Seite, die zur Hintergrundbeleuchtung 112 weist,
und mit einem Helligkeitssteigerungsmerkmal, wie einer prismatischen
Oberfläche oder Verstärkungsstreufläche,
auf der Seite versehen sein, die zur LC-Tafel 102 weist.
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Es
kann eine Polarisationssteuerschicht 126 in einigen exemplarischen
Ausführungsformen zum Beispiel zwischen der Diffusorplatte 122 und
dem Reflexionspolarisator 124 vorgesehen sein. Beispiele
einer Polarisationssteuerschicht 126 umfassen eine Viertelwellenverzögerungsschicht
und eine Polarisationsrotationsschicht, wie eine Flüssigkristall-Polarisationsrotationsschicht.
Eine Polarisationssteuerschicht 126 kann verwendet werden,
um die Polarisation von Licht zu ändern, das vom Reflexionspolarisator 124 reflektiert
wird, so daß ein erhöhter Anteil des wiederverwerteten
Lichts durch den Reflexionspolarisator 124 durchgelassen
wird.
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Die
Anordnung 120 der Lichtführungsschichten kann
auch eine oder mehrere Helligkeitssteigerungsschichten aufweisen.
Eine Helligkeitssteigerungsschicht ist eine, die eine Oberflächenstruktur
aufweist, die achsenfernes Licht in eine Richtung näher
zur Achse 132 der Anzeige umleitet. Dies erhöht
die Lichtmenge, die sich axial durch die LC-Schicht 104 ausbreitet,
wodurch die Helligkeit des Bilds erhöht wird, das durch
den Betrachter gesehen wird. Ein Beispiel ist eine prismatische
Helligkeitssteigerungsschicht, die eine Anzahl prismatischer Grate
aufweist, die das Ausleuchtungslicht durch Brechung und Reflexion
umleiten. Beispiele prismatischer Helligkeitssteigerungsschichten,
die in der Anzeigevorrichtung verwendet werden können,
umfassen die VikuitiTM BEFII- und BEFIII-Familie
prismatischer Filme, die von 3M Company, St. Paul, Minnesota erhältlich sind,
die BEFII 90/24, BEFII 90/50, BEFIIIM 90/50 und BEFIIIT umfassen.
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Eine
prismatische Helligkeitssteigerungsschicht stellt typischerweise
eine optische Verstärkung in einer Dimension bereit. Es
kann auch eine zweite Helligkeitssteigerungsschicht 128b in
der Anordnung 120 von Lichtführungsschichten enthalten
sein, in der eine prismatische Helligkeitssteigerungsschicht mit
ihrer prismatischen Struktur angeordnet ist, die orthogonal zur
prismatischen Struktur der ersten Helligkeitssteigerungsschicht 128a orientiert
ist. Eine solche Konfiguration stellt eine Zunahme der optischen
Verstärkung der Anzeigeeinheit in zwei Dimensionen bereit.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Helligkeitssteigerungsschichten 128a, 128b zwischen
der Hintergrundbeleuchtung 112 und dem Reflexionspolarisator 124 angeordnet.
In anderen Ausführungsformen können die Helligkeitssteigerungsschichten 128a und 128b zwischen
dem Reflexionspolarisator 124 und der LC-Tafel 102 angeordnet
sein.
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Ein
anderer Typ Helligkeitssteigerungsschicht 128a, die verwendet
werden kann, um die axiale Helligkeit des Lichts zu erhöhen,
das durch die Anzeige geht, ist eine Verstärkungsdiffuser-
bzw. streuschicht. Ein Beispiel einer Verstärkungsdiffusorschicht
ist eine Schicht, die mit einer Anordnung von Elementen, die als
Linsen dienen, auf ihrer Oberseite versehen ist. Mindestens etwas
des Lichts, das aus der Verstärkungsdiffusorschicht 128a austritt,
das sich andernfalls mit einem relativ großen Winkel zur
Achse 132 der Anzeige ausbreiten würde, wird durch
die Elemente auf der Schichtoberfläche umgeleitet, um sich
in eine Richtung ausbreiten, die paralleler zur Achse 132 ist.
Es kann mehr als eine Verstärkungsstreuhelligkeitssteigerungsschicht 128a verwendet
werden. Zum Beispiel können zwei oder drei Verstärkungsstreuschichten 128a, 128b verwendet werden.
Zusätzlich können eine oder mehrere Verstärkungsstreuschichten 128a zusammen
mit einem oder mehreren prismatischen Helligkeitssteigerungsfilmen 128b verwendet
werden. In einem solchen Fall können die Verstärkungsstreufilme 128a und
prisma tischen Helligkeitssteigerungsschichten 128b in jeder
erwünschten Reihenfolge innerhalb der Anordnung der Lichtführungsfilme 120 angeordnet
werden. Ein Beispiel einer Verstärkungsdiffusorschicht,
die in einer Anzeige verwendet werden kann, ist ein Film Typ BS-42,
der von Keiwa Inc., Osaka, Japan erhältlich ist.
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Die
unterschiedlichen Schichten in der Lichtführungseinheit
können freistehend sein. In anderen Ausführungsformen
können zwei oder mehrere der Schichten in der Lichtführungseinheit
miteinander laminiert sein, wie zum Beispiel in der gemeinsam gehaltenen
US-Patentanmeldung Seriennr. 10/966,610 erläutert. In anderen
exemplarischen Ausführungsformen kann die Lichtführungseinheit
zwei durch einen Spalt getrennte Baugruppen aufweisen, wie zum Beispiel
in der gemeinsam gehaltenen US-US-Patentanmeldung Seriennr 10/965,937
beschrieben.
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Herkömmlich
sind der Abstand zwischen den Lichtquellen 116 und der
Diffusorschicht 122, der Abstand zwischen benachbarten
Lichtquellen 116 und der Diffusordurchlassung wichtige
Faktoren, die bei der Auslegung der Anzeige für einen gegebenen
Wert der Helligkeit und Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung
berücksichtigt werden. Im allgemeinen wird ein starker
Diffusor, d. h. ein Diffusor, der einen höheren Anteil
des einfallenden Lichts streut, die Gleichmäßigkeit
verbessern, wird jedoch auch zu einer reduzierten Helligkeit führen,
da der hohe Streupegel mit einer starker Rückstreuung und
einer gleichzeitigen Zunahme der Verluste verbunden ist.
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Unter
normalen Streubedingungen sind die Variationen der Helligkeit, die über
einen Bildschirm zu erkennen sind, durch Helligkeitsmaxima, die
sich über den Lichtquellen befinden, und Helligkeitsminima
gekennzeichnet, die sich zwischen den Lichtquellen befinden. Ein
Film mit verbesserter Gleichmäßigkeit (EUF) 130 kann
zwischen den Lichtquellen 116 und der Diffusorschicht 122 angeordnet
werden, um die Ungleichmäßigkeit der Ausleuchtung
der Anzeigetafel 102 zu reduzieren. Jede Fläche
des EUF 130, nämlich die Seite, die zu den Lichtquellen 116 weist
und die Seite, die zur Anzeigetafel 102 weist, kann eine
Lichtablenkfläche sein. Die Lichtablenkflächen
werden durch eine Anzahl von Lichtablenkelementen gebildet, die
Licht, das von einer Seite des EUF 130 zur anderen geht,
in einer Weise brechend ablenken, die die Ausleuchtungsungleichmäßigkeit
reduziert. Die Lichtablenkelemente weisen einen Abschnitt der EUF-Oberfläche
auf, der nicht parallel zur Ebene des EUF 130 ist. Der
EUF 130 selbst kann streuend sein, zum Beispiel durch den
Einschluß von streuenden Teilchen in den EUF 130.
Die streuenden Teilchen können Teilchen aus einem Material
sein, das einen Brechungsindex aufweist, der sich von dem der Polymermatrix
des EUF 130 unterscheidet. Zum Beispiel können
die streuenden Teilchen aus einem Polymer ausgebildet sein, das
sich von der Matrix des EUF unterscheidet, oder aus einer anorganischen
Substanz, wie Glas oder dergleichen ausgebildet sein. Die Größe
der streuenden Teilchen und die Beladung der Polymermatrix können
so ausgewählt werden, daß sie die erwünschten
Streueigenschaften bereitstellen.
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Eine
besondere exemplarische Ausführungsform des EUF 200 wird
in 2 schematisch dargestellt. Der EUF 200 weist
eine erste Lichtablenkfläche 202 auf, die erste
Lichtablenkelemente 204 aufweist. In dieser besonderen
Ausführungsform sind die Lichtablenkelemente 204 als
Rippen über der Oberfläche des EUF 200 ausgebildet
und weisen einen dreieckigen Querschnitt auf. Die zweite Lichtablenkfläche 206 weist
ebenfalls gerippte Lichtablenkelemente 208 auf, die einen
dreieckigen Querschnitt aufweisen.
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In
dieser Konfiguration der EUF 200 sind die Lichtablenkelemente 204 und 208 relativ
so orientiert, daß Licht 210, das auf den EUF 200 in
eine Richtung parallel zur z-Achse von unten einfällt,
in der x-z-Ebene durch die zweite Lichtablenkfläche 206 abgelenkt
wird. Beim Austritt aus dem EUF 200 wird Licht, das sich innerhalb
des EUF 200 parallel zur z-Achse ausbreitet, in der y-z-Ebene
durch die erste Lichtablenkfläche 202 abgelenkt.
Da folglich Licht, das auf den Film 200 normal einfällt, in
einer Ebene parallel zur x-z-Ebene abgelenkt wird, kann behauptet
werden, daß die Elemente 204 eine Lichtablenkebene
bilden, die zur x-z-Richtung parallel ist. Da desgleichen Licht,
das sich innerhalb des Films parallel zur z-Achse ausbreitet, in
der y-z-Ebene abgelenkt wird, kann behauptet werden, daß die
Elemente 208 eine Lichtablenkebene bilden, die parallel
zur y-z-Richtung ist. In dieser Konfiguration sind die Lichtablenkebenen,
die aus den Lichtablenkelementen 204 und 208 hervorgehen,
senkrecht zueinander. In anderen Konfigurationen können
die Lichtablenkebenen nicht-parallel sein, ohne senkrecht zu sein.
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In
einigen Konfigurationen können die Lichtablenkelemente
der oberen oder unteren Seite Licht in mehr als eine Richtung ablenken.
In einem solchen Fall wird angenommen, daß die Lichtablenkebene
jene Ebene bedeutet, die die Richtung bildet, wo die Ablenkung am
größten ist.
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In
einigen Ausführungsformen kann der EUF selbst aus streuendem
Material ausgebildet sein, zum Beispiel einer Polymermatrix, die
lose streuende Teilchen enthält. Die streuenden Teilchen
können sich durch den gesamten EUF erstrecken, oder können
in Teilen des EUF, wie den Lichtablenkelementen fehlen. Wo der EUF
streuend ist, braucht die Anordnung der Lichtführungsfilme
keine zusätzliche Diffusorschicht zwischen der EUF und
der Anzeigetafel aufweisen, obwohl eine zusätzliche Diffusorschicht
vorhanden sein kann.
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Die
Lichtablenkflächen können Lichtablenkelemente
unterschiedlicher Formen aufweisen und können auch verschiedene
Abschnitte aufweisen, die parallel zum EUF verlaufen. Einige zusätzliche
exemplarische Ausführungsformen des EUF werden in den 3A und 3B schematisch
dargestellt. In 3A weist der EUF 300 eine
erste Lichtablenkfläche 302 auf, die Lichtablenkelemente 304 mit
einer dreieckigen Querschnittsform aufweist.
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Diese
Figur zeigt außerdem α, den Spitzenwinkel eines
Lichtablenkelements 304. In dieser besonderen Ausführungsform
gibt es einen ebenen Bereich 306 zwischen benachbarten
Lichtablenkele menten 304, wo die Filmoberfläche
parallel zur Ebene des EUF 300 ist. Die Breite des ebenen
Bereichs 306 wird als „w” gezeigt. Die
untere Lichtablenkfläche 308 kann dieselbe Form
wie die erste Lichtablenkfläche 302 aufweisen, oder
kann eine andere Form aufweisen.
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In 3B weist
der EUF 320 eine Lichtablenkfläche 322 auf,
die Lichtablenkelemente 324 umfaßt, die eine abgeschnittene
dreieckige Querschnittsform mit einem oberen ebenen Abschnitt 326 aufweisen.
In dieser besonderen Ausführungsform gibt es außerdem
einen ebenen Bereich 328 zwischen benachbarten Lichtablenkelementen 324.
Die untere Lichtablenkfläche 330 kann dieselbe
Form wie die erste Lichtablenkfläche 322 aufweisen
oder kann eine andere Form aufweisen.
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Einige
andere exemplarische Ausführungsformen des EUF werden in
den 4A–4C schematisch
dargestellt. In 4A weist der EUF 400 eine
erste Lichtablenkfläche 402 auf, die Lichtablenkelemente 404 mit
gekrümmten Flächen 406 aufweist. Die
zweite Lichtablenkfläche 408 kann Lichtablenkelemente
aufweisen, die gekrümmte Flächen aufweisen, obwohl
dies nicht notwendig ist. Desgleichen braucht die erste Lichtablenkfläche
keine gekrümmten Oberflächen aufweisen, während
die zweite Lichtablenkfläche gekrümmte Oberflächen
aufweist. In 4B weist der exemplarische EUF 420 eine
Lichtablenkfläche 422 mit Lichtablenkelementen 424 auf,
die gekrümmte Flächen 426 und ebene Abschnitte 428 aufweisen.
In der dargestellten Ausführungsform sind die ebenen Abschnitte 428 parallel
zur Ebene des EUF-Films 420. In einigen Ausführungsformen
kann die Lichtablenkfläche 422 ebene Abschnitte 430 zwischen
den Lichtablenkelementen 424 enthalten. In der dargestellten
Ausführungsform sind die ebenen Abschnitte 430 parallel
zur Ebene des EUF 420.
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In
den exemplarischen Ausführungsformen, die in den 4A und 4B dargestellt
werden, weisen die gekrümmten Oberflächen der
Lichtablenkelemente 404, 424 eine verhältnismäßig
abrupte Änderung des Oberflächengradienten auf,
die als ähnlich zu einer mathematischen Unstetigkeit betrachtet
werden kann. Zum Beispiel tritt eine abrupte Änderung des
Gradienten am Punkt 408 in 4A, an
der Spitze des Lichtablenkelements 404, und am Punkt 432 des
Lichtablenkelements 424 in 4B auf.
Diese verhältnismäßig abrupten Änderungen
des Gradienten verhindern, daß ein einzelnes Lichtablenkelement
als eine Linse arbeitet, da eine Linse weiche Änderungen
des Gradienten über ihre Oberfläche erfordert.
Folglich erzeugen die Lichtablenkelemente 404, 424 keinen
einzelnen Brennpunkt für paralleles Licht, das dort hindurch
geht, weder einen reellen Brennpunkt noch einen virtuellen Brennpunkt.
Es wird erkannt werden, daß jede der hierin erläuterten
Lichtablenkflächen auf einem einseitigen EUF, mit anderen
Worten einem, der nur auf einer Seite des Films eine Lichtablenkfläche
aufweist, oder einem zweiseitigen EUF, einem, der auf beiden Seiten
Lichtablenkflächen aufweist, enthalten sein kann.
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In
den exemplarischen Ausführungsformen, die in den 4A und 4B dargestellt
werden, können die Lichtablenkelemente 402, 422 so
betrachtet werden, daß sie aus der Oberfläche
des EUF 400, 420 vorstehen. In anderen Ausführungsformen
können die Lichtablenkelemente als Vertiefungen in der
Oberfläche des EUF ausgebildet sein. Eine exemplarische
Ausführungsform eines solchen EUF 440 wird in 4C schematisch
dargestellt. In diesem Fall ist die Lichtablenkfläche 442 mit
Lichtablenkelementen 444 ausgebildet, die Oberflächen 446 aufweisen.
In einigen Ausführungsformen können ebene Bereiche 448 in
der Vertiefung vorgesehen sein, und ebene Bereiche 450 können
zwischen Lichtablenkelementen 444 vorgesehen sein. Es ist für
die Erfindung unwichtig, ob eine Lichtablenkfläche Lichtablenkelemente
enthält, die aus dem EUF heraus oder in den EUF vorstehen,
und tatsächlich können die beiden Konfigurationen
unter gewissen Umständen als äquivalent verstanden
werden, wobei der Abschnitt 452 zwischen zwei vertieften
Lichtablenkelementen als ein Lichtablenkelement betrachtet wird,
das aus dem EUF heraus vorsteht.
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Die
Lichtablenkelemente brauchen nicht alle dieselbe Höhe aufweisen.
Wie zum Beispiel in 4D schematisch dargestellt wird,
können die Lichtablenkelemente 464 unterschiedliche
Höhen aufweisen. Außerdem kann ein einzelnes Lichtablenkelement
eine Höhe aufweisen, die längs seiner Länge
variiert. Zum Beispiel weist das Lichtablenkelement 470 auf
der zweiten Lichtablenkfläche 468 eine Höhe
h auf, die abhängig von der Position längs des
Films 460 variiert.
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Eine
andere Ausführungsform eines EUF, dessen Lichtablenkelemente
in der Höhe variieren, wird in 5 schematisch
dargestellt. Der EUF 500 weist eine erste Lichtablenkfläche 502 auf,
deren Lichtablenkelemente 504 als Prismen 506 ausgebildet
sind, die wellenförmige Grate 508 aufweisen. Die
Höhe der Grate 508 variiert längs der
Prismen 506 und auch die Breite w variiert längs
der Prismen 506. Diese Art von Oberfläche wird
in näheren Einzelheiten in der US-Patentanmeldung Serienur.
11/467230 beschrieben. Die zweite Lichtablenkfläche 510 kann
Lichtablenkelemente jeder erwünschten Form enthalten. Zum
Beispiel kann die zweite Lichtablenkfläche 510 Lichtablenkelemente
aufweisen, die als Prismen mit wellenförmigen Graten ausgebildet
sind.
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Die
Lichtablenkelemente brauchen nicht relativ zu einer Normalen zum
EUF symmetrisch sein. Ein Beispiel eines EUF 600 mit einem
asymmetrischen Lichtablenkelement 602 wird in 6A schematisch
dargestellt. In dieser besonderen Ausführungsform sind
die Lichtablenkelemente 602 als Prismen mit geraden Seiten
ausgebildet. Mindestens einige der Lichtablenkelemente, zum Beispiel
die Lichtablenkelemente 602a und 602b sind relativ
zur Achse 604 asymmetrisch, die normal zum EUF 600 gezogen
ist. Die untere Lichtablenkfläche 606 kann asymmetrische
Lichtablenkelemente aufweisen oder nicht.
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Eine
andere Ausführungsform eines EUF 620 mit asymmetrischen
Lichtablenkelemente 622 wird in 6B schematisch
dargestellt. Mindestens einige der Lichtablenkelemente 622 weisen
gekrümmte Seiten auf und sind relativ zur Achse 624 asymmetrisch,
die normal zum EUF 620 ist, zum Beispiel die Elemente 622a und 622b.
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7A stellt
schematisch die Verwendung eines streuenden EUF 710 mit
anderen Lichtführungsschichten 704 dar. In der
dargestellten Ausführungsform weist die Lichtführungsschicht 704 eine
prismatische Helligkeitssteigerungsschicht auf. In anderen Ausführungsformen
können andere Schichttypen oder zusätzliche Lichtführungsschichten,
wie eine Reflexionspolarisatorschicht über der Diffusorschicht 702 angeordnet sein.
Der EUF 710 ist auf der Eingangsseite der Diffusorschicht 702 angeordnet.
Der EUF 710 weist eine erste Lichtablenkfläche 712,
die zur Diffusorschicht 702 weist, und eine zweite Lichtablenkfläche 714 auf,
die von der Diffusorschicht 702 weg weist. Licht 708 aus
einer oder mehreren (nicht gezeigten) Lichtquellen geht durch den
EUF 710 zur Diffusorschicht 702 und weiter zur
anderen Lichtführungsschicht oder -Schichten 704.
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In
einigen Ausführungsformen kann die erste Lichtablenkfläche
712 an
der Diffusorschicht
702 befestigt sein, zum Beispiel durch
die Verwendung eines Klebemittels. Eine exemplarische Ausführungsform
einer solchen Anordnung wird in
7B schematisch
dargestellt, in der Teile der ersten Lichtablenkfläche
712 in eine
Klebemittelschicht
722 auf der Unterseite
703 der
Diffusorschicht
702 eindringen. In einigen Ausführungsformen
bleibt zwischen der Klebemittelschicht
722 und Teilen der
Oberfläche
712 ein Spalt
724. Die Befestigung
strukturierter Filmoberflächen an anderen Schichten unter
Verwendung von Klebemitteln wird in näheren Einzelheiten
im
US-Patent Nr. 6,846,089 beschrieben.
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Eine
andere exemplarische Ausführungsform wird in 7C schematisch
dargestellt, in der die Lichtablenkfläche 712 Lichtablenkelemente
mit Abschnitten 730 enthält, die parallel zur
Unterseite 702a der Diffusorschicht 702 sind.
Die Oberfläche der Lichtablenkfläche 712 kann
gegen die Unterseite 702a der Diffusorschicht 702 gepreßt
werden, oder kann an die Unterseite 702a zum Beispiel unter
Verwendung eines Klebemittels geklebt sein.
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Modellbeispiele
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Ein
optisches Strahlverfolgungsmodell einer Ausleuchtungseinheit einer
Anzeige, die eine Hintergrundbeleuchtung und eine Lichtführungseinheit
aufwies, wurde aufgebaut, um die optische Leistung der Ausleuchtungseinheit
als Funktion verschiedener Parameter eines EUF zu untersuchen. Die
Modellausleuchtungseinheit 800, die in 8 schematisch
dargestellt wird, wies einen reflektierenden Rahmen 802,
der die Kantengrenzen des Lichtquellenanordnungshohlraums 804 definiert,
einen hinteren Reflektor bzw. Rückreflektor 806 unter
der Lampenanordnung 808 und einen EUF 812 auf.
Wenn nicht anders angegeben, setzte das Modell voraus, daß der
Reflektor 806 ein spiegelnder Reflektor war. Das Modell
setzte voraus, daß die Lampen 808 jeweils eine
längliche Quelle mit 38000 Nit aufwiesen, die ähnlich
zu einer Kaltkathodenfluoreszenzlampe war. Die Lampen 808 waren
regelmäßig durch einen Mittenabstand S beabstandet,
die Trennung zwischen dem Reflektor 806 und dem EUF 812 war
durch D gegeben, und der Trennungsabstand zwischen den Lampen 808 und
dem Reflektor 806 war H. Es wurde vorausgesetzt, daß der
Abstand zwischen den Lampen 808, S, 30 mm betrug, es wurde
vorausgesetzt, daß der Durchmesser, 2R, der Lampen
3 mm betrug, und es wurde vorausgesetzt, daß der Wert von
D 7 mm betrug. Die streuende EUF-Schicht 812 war 2 mm dick.
Es gab drei Lampen 808 im Hohlraum. Eine Helligkeitssteigerungsschicht 814 und
eine Reflexionspolarisatorschicht 815 waren über
der streuenden EUF-Schicht angeordnet. Die Helligkeitssteigerungsschicht 814 war
aus prismatischen Rippen ausgebildet, die parallel zur Ausdehnungsrichtung
der Lampen 808 orientiert waren.
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Es
wurde vorausgesetzt, daß der Brechungsindex des für
den EUF verwendeten Materials 1,586 betrug, was dem Wert des Brechungsindex
für ein Epoxidacrylatmaterial entspricht, das für
den EUF verwendet werden könnte. Es können andere
geeignete Arten von Materialien für einen EUF verwendet
werden. Beispielpolymermaterialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt
auf, Poly(Karbonat) (PC); syndiotaktisches und isotaktisches Poly (Styrol)
(PS); C1-C8-Alkylstyrole; Alkyl, aromatische und aliphatische ringhaltige (Meth)acrylate,
die Poly(methylmethacrylat) (PMMA) und PMMA-Copolymere umfassen;
ethoxylierte und propoxylierte (Meth)acrylate; multifunktionale
(Meth)acrylate; acrylisierte Epoxide; Epoxide; und andere ethylenisch
ungesättigte Materialien; cyclische Olefine und cyclische
Olefincopolymere; Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS); Styrol-Acrylnitril-Copolymere
(SAN); Epoxide; Poly(vinylcyclohexan); PMMA/Poly(vinylfluorid)-Mischungen;
Poly(Phenylenoxid)-Legierungen; Styrol-Blockcopolymere; Polyamid;
Polysulfon; Poly(vinylchlorid); Poly(dimethylsiloxan) (PDMS); Polyurethane;
ungesättigte Polyester; Poly(ethylen), die Polyethylen
mit niedriger Doppelbrechung umfassen; Poly(propylen) (PP); Poly(alkanterephthalat),
wie Poly(ethylenterephthalat) (PET); Poly(alkannapthalate), wie
Poly(ethylennaphthalat) (PEN); Polyamid; Ionomere; Vinylazetat/Polyethylen-Copolymere;
Zelluloseazetat; Zelluloseazetat-Butyrat; Fluorpolymere; Poly(styrol)-Poly(ethylen)-Copolymere;
PET- und PEN-Copolymere, die Polyolefin-PET und PEN umfassen; und
Polykarbonat)/aliphatische PET-Mischungen. Der Ausdruck (Meth)acrylat
ist so definiert, daß es sich entweder um die entsprechenden Methacrylat-
oder Acrylat-Verbindungen handelt.
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Die
Gleichmäßigkeit des Lichts, das aus der Ausleuchtungseinheit 800 emittiert
wird, wurde für verschiedene Formen von Lichtablenkflächen
auf dem EUF modelliert. Die Oberflächen des EUF 900 wurden
modelliert, wie in den 9A und 9B gezeigt.
Die obere Lichtablenkfläche 902, die zur Helligkeitssteigerungsschicht
weist, wies Lichtablenkelemente 904 mit gekrümmten
Flächen 906 mit einem Krümmungsradius R
auf. Es wurde vorausgesetzt, daß die Lichtablenkelemente 904 mit
einem Zwischenraum P angeordnet waren. R war eine dimensionslose
Zahl, die auf den Zwischenraum P normiert war. Wenn folglich der
Krümmungsradius das 50-fache des Zwischenraums beträgt,
dann weist R einen Wert von 50 auf. Der Spitzenwinkel der Lichtablenkelemente θ war
durch das virtuelle Dreieck definiert, das die Spitze des Lichtablenkelements 904 mit
den Basisecken des Lichtablenkelements 904 verbindet. In
einigen Fällen wurden die Lichtablenkelemente mit einer
ebenen Spitze modelliert. Das Ausmaß F des ebenen Abschnitts 908 wurde
zwischen null und 0,2P variiert. Es wurde angenommen, daß der
Spitzenwinkel des Lichtablenkelements 904, das einen ebenen Abschnitt
aufweist, jener war, der andernfalls der Spitzenwinkel ohne den
ebenen Abschnitt gewesen wäre, der das Element 904 abschneidet.
Die untere Lichtablenkfläche 912 wird in 9B mit
Lichtablenkelementen 914 gezeigt, die aus dem EUF 900 heraus
vorstehen.
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In
allen unten erläuterten Fällen wiesen die Lichtablenkelemente 904, 914 für
jede Lichtablenkfläche 902, 912 dieselbe
Größe auf und hatten eine einheitliche Höhe.
Das Verhalten der Ausleuchtungseinheit wurde für verschiedene
Werte unterschiedlicher Parameter unter Verwendung eines Monte-Carlo-Verfahrens
modelliert.
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Beispiele
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Beispiele 1–6 Modellierte Ausleuchtungseinheit
mit streuendem EUF
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Die
optischen Eigenschaften von Ausleuchtungseinheiten mit mehreren
Kombinationen verschiedener EUF-Parameter wurden modelliert. Die
unterschiedlichen Bereiche der verschiedenen EUF-Parameter sind
in Tabelle I aufgelistet. Der Ausdruck „Spitze” bezeichnet
den Spitzenwinkel des Lichtablenkelements, der Ausdruck „eben” bezeichnet
das Ausmaß des ebenen Bereichs F, und der Ausdruck „R” bezeichnet
den Krümmungsradius der Lichtablenkelemente. Der Ausdruck „unten” bezeichnet
die Unterseite des EUF, die zu den Lichtquellen weist, und der Ausdruck „oben” bezeichnet
die Oberseite des EUF, die von den Lichtquellen weg weist.
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Der
Ausdruck „Diffusor-g” bezeichnet den Henyey-Greenstein-Streuparameter:
ein Wert von g = 1 führt zu vollständiger Vorwärtsstreuung,
und g = –1 ist mit vollständiger Rückstreuung
verbunden. Ein Wert von g = 0 entspricht einer gleichmäßigen
Streuung in alle Richtungen. Werte von g, die in der Modellierung
verwendet wurden, lagen im Bereich von 0,92–0,955, was annähernd
einer Durchlassung in einem einzigen Durchgang durch den 2 mm dicken
streuenden EUF im Bereich von 61%–79% entspricht. Die Winkelverteilung gestreuter
Strahlen f(θ) ist durch f = (1 – g2)/[2(1
+ g2 – 2gcosθ)1,5] gegeben, wobei θ der Winkel
relativ zur Eingangsrichtung des Lichtstrahls ist. Für
diese Werte von g ist die Streuung stark in die Vorwärtsrichtung
verzerrt. Der Henyey-Greenstein-u-Faktor, der das Inverse der mittleren
freien Weglänge für Licht innerhalb des Diffusors
beschreibt, wurde auf 14 mm–1 festgelegt.
Folglich ist der Streukoeffizient C ein Exponentialfaktor, der durch
C = e–ud gegeben ist, wobei d die
Position innerhalb des streuenden EUF ist.
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Die
Lampenhöhe H bezeichnet die Trennung zwischen den Lampen
und dem Reflektor, wie in
8 gezeigt.
Optische Verluste wurden in das Modell eingeschlossen: es wurde
vorausgesetzt, daß der Reflektor 98,5% des einfallenden
Lichts reflektiert, wobei die restlichen 1,5% absorbiert werden,
und es wurde vorausgesetzt, daß die Materialien der optischen
Filme eine Absorptionslänge von 6 × 10
–5 mm
–1 aufweisen.
Der Reflektor wurde als ein spiegelnder Reflektor modelliert, wenn
nicht anders angegeben. Die Parameter A, T und R entsprechen den
Prozentsätzen des einfallenden Lichts, die im streuenden
EUF absorbiert, durch den streuenden EUF durchgelassen bzw. durch
den streuenden EUF reflektiert werden. Tabelle I: Parameterbereiche
| Parameter | Minimum | Maximum |
| Untere
Spitze (Grad) | 58 | 80 |
| Untere
Ebene | 0 | 0,2 |
| Unterer
Radius | 0,8 | 100 |
| Obere
Spitze (Grad) | 70 | 110 |
| Obere
Ebene | 0 | 0,2 |
| Oberer
Radius | 0,8 | 100 |
| Diffusor-g | 0,92 | 0,955 |
| Lampenhöhe,
H (mm) | 0,02 | 2 |
| A
(%) | 5,1 | 2,3 |
| T
(%) | 60,6 | 79,5 |
| R
(%) | 34,7 | 18,2 |
-
Die
tatsächlichen Werte der verschiedenen Parameter, die für
die Beispiele 1A–6A verwendet wurden, werden in Tabelle
II dargestellt. Die Beispiele 1A–6A werden aus den vielen
unterschiedlichen betrachteten Kombinationen ausgewählt,
und sind für eine Leistung hinsichtlich der Gesamthelligkeit
und Gleichmäßigkeit exemplarisch. Tabelle II Parameterwerte für
die Beispiele 1–6
| Parameter | Bsp.
1 | Bsp.
2 | Bsp.
3 | Bsp.
4 | Bsp.
5 | Bsp.
6 |
| Untere
Spitze (°) | 62,0 | 63,9 | 63,7 | 62,2 | 62,2 | 66 |
| Untere
Ebene | 0,16 | 0,16 | 0,12 | 0,15 | 0,13 | 0,001 |
| Unterer
Radius | 3,9 | 4,3 | 5,4 | 4,1 | 5,6 | 100 |
| Obere
Spitze (°) | 89,1 | 90,2 | 79,5 | 89,9 | 77,3 | 100 |
| Obere
Ebene | 0,11 | 0,10 | 0,17 | 0,12 | 0,14 | 0,001 |
| Oberer
Radius | 0,92 | 1,14 | 0,93 | 1,02 | 0,87 | 100 |
| Diffusor-g | 0,98 | 0,98 | 0,97 | 0,97 | 0,97 | 0,97 |
| Lampenhöhe,
H (mm) | 0,89 | 0,61 | 0,47 | 0,68 | 0,42 | 0,5 |
| Hohlraumtiefe
D (mm) | 7 | 7 | 7 | 7 | 7 | 7 |
-
Die
Ausleuchtungseinheiten der Beispiele 1–6 wiesen in Reihenfolge
von der Lichtquelle auf: einen streuenden EUF, eine prismatische
Helligkeitssteigerungsschicht und eine Reflexionspolarisatorschicht.
-
Vergleichsbeispiele 7–12: Ausleuchtungseinheit
ohne EUF
-
Um
die Leistung einer Ausleuchtungseinheit, die einen EUF aufweist,
mit der Leistung herkömmlicher Ausleuchtungseinheiten zu
vergleichen, wurden mehrere Sätze von Vergleichsdaten für
eine Ausleuchtungseinheit erhalten, wie jene, die in
8 gezeigt
wird, außer daß der EUF
812 durch eine
streuende Schicht ersetzt wurde. Die Werte des Diffusor-g und der
Lampenhöhe, die in diesen Vergleichsbeispielen verwendet
wurden, werden in Tabelle III dargestellt. Tabelle III Parameterwerte der Vergleichsbeispiele
| Parameter | Bsp.
7 | Bsp.
8 | Bsp.
9 | Bsp.
10 | Bsp.
11 | Bsp.
12 |
| Diffusor-g | 0,963 | 0,965 | 0,967 | 0,97 | 0,973 | 0,976 |
| H
(mm) | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
-
Die
Beispiele 7–12 wurden unter zwei unterschiedlichen Bedingungen
analysiert, nämlich i) wobei der Reflektor 806 ein
diffuser Reflektor war und ii) wobei der Reflektor 806 ein
spiegelnder Reflektor war. Diese beiden unterschiedlichen Bedingungen
werden im Beispielnamen mit einem Buchstaben symbolisiert, der der Beispielzahl
folgt, wobei der Buchstaben „D” ein Beispiel repräsentiert,
das den diffusen Reflektor verwendet, und der Buchstaben „S” ein
Beispiel repräsentiert, das den spiegelnden Reflektor verwendet.
Folglich gibt es zum Beispiel zwei Sätze von Daten zum
Beispiel 7. Ein Satz, der mit „7D” bezeichnet
ist, repräsentiert das Beispiel 7, wo ein diffuser Reflektor
verwendet wurde, und „7S” repräsentiert
das Beispiel 7, wo ein spiegelnder Reflektor verwendet wurde. Alle
anderen Parameterwerte sind sowohl für die „S”-
als auch die „D”-Beispiele dieselben.
-
Modellierungsergebnisse
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Das
Modell wurde verwendet, um verschiedene Betriebsparameter einer
Ausleuchtungseinheit zu berechnen, einschließlich der Helligkeit
des Lichts über der Ausleuchtungseinheit und der Gleichmäßigkeit
der Helligkeit des Lichts, das sich in eine Richtung senkrecht zu
den Filmen der Ausleuchtungseinheit ausbreitet. 10 stellt
eine graphische Streudarstellung dar, die die relative Helligkeitsgleichmäßigkeit
(in %) zeigt, die gegen die Helligkeit (in Nit) aufgetragen ist.
Die Helligkeitsgleichmäßigkeit für ein
Beispiel wird als Prozentsatz der durchschnittlichen Helligkeit
für jenes Beispiel dargestellt.
-
Die
Vergleichsbeispiele 7S–12S wiesen eine geringfügig
höhere durchschnittliche Helligkeit als die EUF-Beispiele
(1–6) auf, wobei die Beispiele mit höherer Durchlassung
eine höhere Helligkeit aufweisen. Folglich wird die Helligkeit
der EUF-Beispiele 1–6 relativ zu den spiegelnd reflektierenden
Vergleichsbeispielen 7S–12S nicht erheblich beeinträchtigt.
Die streuenden Vergleichsbeispiele 7D–12D zeigen einen
Helligkeitspegel, der niedriger als die EUF-Beispiele 1–6
ist.
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Die
Helligkeitsgleichmäßigkeit wurde als Verhältnis
der Standardabweichung der Gleichmäßigkeit über
die Ausleuchtungseinheit dividiert durch die durchschnittliche Helligkeit
des Lichts berechnet, das durch die Ausleuchtungseinheit erzeugt
wird. Die resultierenden Werte sind daher relative Gleichmäßigkeitswerte. Die
Gleichmäßigkeit der EUF-Beispiele 1–6
ist erheblich besser als jeder Satz der Vergleichsbeispiele, die
in den Bereich von annähernd 1,8%–2,6% fallen.
Die Gleichmäßigkeit der spiegelnd reflektierenden
Vergleichsbeispiele 7S–12S liegt im Bereich von annähernd
3,6%–4%, während die Gleichmäßigkeit
der diffus reflektierenden Beispiele 7D–12D in den Bereich
von annähernd 6,6%–7,1% fällt. Folglich
zeigt die Modellierung, daß das Vorhandensein einer streuenden
EUF-Schicht eine erhebliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit
des Lichts ergeben kann, das durch die Ausleuchtungseinheit emittiert
wird, während im wesentlichen derselbe Helligkeitspegel
aufrechterhalten wird.
-
Es
wird erkannt werden, daß viele unterschiedliche EUF-Parameter
geändert werden können, um eine erhöhte
EUF-Leistung zu erzielen. Die EUF-Leistung kann durch die Fähigkeit
des EUF gemessen werden, die Lichtintensitätsspitze über
der Lichtquelle zu unterdrücken. Die Parameter, die variiert
werden können, umfassen den Spitzenwinkel, den Krümmungsradius
und den Betrag des ebenen Raums für sowohl die oberen als auch
die unteren Ablenkflächen, und außerdem den Brechungsindex
des EUF-Materials.
-
Es
wird angenommen, daß der zweiseitige EUF in der folgenden
Weise arbeitet. Zuerst ist es nützlich, auf 8 Bezug
zu nehmen, die den EUF 812 zeigt, der Lichtablenkelemente 812a aufweist,
die sich in eine Richtung parallel zu den Achsen der Lichtquellen 816 (in
die Ebene der Figur) ausdehnen. In einigen exemplarischen Ausführungsformen
bedeutet dies, daß die Lichtablenkelemente 812a gerippte
Elemente sind, die sich in dieselbe Richtung wie die Längsachse
einer Fluoreszenzlampe ausdehnen. Mit S = 30 mm, D = 7 mm und H
= 0,5 mm beträgt dann der Einfallswinkel an der unteren
Lichtablenkfläche des EUF 812 direkt über
der Lichtquelle 816 0° und am Mittelpunkt P zwischen
den Lampen 72°.
-
Das
obere Lichtablenkelement 812b kann so betrachtet werden,
daß es ein abgestufter Durchlaßfilter ist, dessen
Durchlassung vom Neigungswinkel des einfallenden Lichts abhängt.
Die unteren Lichtablenkelemente 812a wählen einen
Durchlaßwinkel beruhend auf dem Einfallswinkel θi
= atan((D – d)/x) aus, wobei d die Höhe der Mitte
der Lichtquelle 816 über dem Reflektor 806 ist,
und x die Trennung zwischen dem Einfallspunkt auf der Unterseite
des EUF und einem Punkt direkt über der Lichtquelle auf
dem EUF repräsentiert. Folglich ist der Durchlaßwinkel
durch die unteren Lichtablenkelemente 812a eine Funktion
des Abstands x von der Lampe der Lichtquelle 816, der wiederum
den Durchlaßgrad durch die oberen Lichtablenkelemente 812b bestimmt.
Der EUF 812 stellt ein nützliches Werkzeug zum
Steuern der Durchlassung von Licht als Funktion des Abstands von
der Lichtquelle 812 bereit, wodurch die Helligkeitsgleichmäßigkeit
beeinflußt wird.
-
Um
die kombinierten Effekte eines doppelseitigen EUF zu verstehen,
ist es nützlich, die Eigenschaften jeder Seite getrennt
zu betrachten. Der Effekt der oberen Lichtablenkfläche,
die von der Lichtquelle weg weist, wird zuerst betrachtet. Ein solcher
Film ist wie ein Helligkeitssteigerungsfilm, wo die Durchlassung
von Licht für normal einfallendes Licht infolge einer Totalreflexion
innerhalb der Prismen des Helligkeitssteigerungsfilms niedrig ist,
und für Licht erheblich höher ist, das unter Winkeln
einfällt, die höher als jene sind, die eine Totalreflexion
ermöglichen. 11A zeigt
eine polare/azimutale Abbildung des durchgelassenen Lichts, das
auf der Planseite eines Plan-/Prismenfilms wie einem prismatischen
Helligkeitssteigerungsfilm einfällt. Es wurde vorausgesetzt,
daß die Prismen einen Spitzenwinkel von 90° aufweisen
(F = 0, R unendlich). In dieser Abbildung entspricht eine dunklere
Abschattung mehr Licht, das durchgelassen wird, und weiß entspricht
null Licht, das durchgelassen wird. Die weiße stundenglasförmige
Zone längs und um die Prismenachse fällt mit der
Zone der Totalreflexion (TIR) zusammen.
-
Der
Effekt der Lichtablenkfläche, die zu den Lichtquellen weist,
wird unter Bezugnahme auf die 11B–11D beschrieben. Diese Figuren präsentieren
Polar/Azimut-Abbildungen des Lichts, das durch die strukturierte
Seite eines Prismen/Planfilms durchgelassen wird, wo die Prismen
einen Spitzenwinkel von 70° aufweisen. Diese Figuren werden
unter Bezugnahme auf 11E besser verstanden, die einen
Film 1100 mit Prismen 1102 zeigt, die zu einer
(nicht gezeigten) Lichtquelle weisen. Die Prismen 1102 weisen
Lichtablenkelemente auf. Die Prismen dehnen sich längs
einer Richtung parallel zur y-Richtung aus, und die z-Achse ist
senkrecht zum Film 1100. In 11B beträgt
die Einfallsebene des Lichts 0°, was bedeutet, daß die
Lichtstrahlen auf eine Ebene normal zur Prismenstruktur beschränkt
und koplanar mit der Prismenachse sind, d. h. auf die y-z-Ebene
in 11E beschränkt sind. In 11C ist die Einfallsebene 70°, daher
sind Lichtstrahlen auf eine Ebene beschränkt, die mit 70° zur
Normalen des Films geneigt und koplanar mit der Prismenachse, Ebene 1304 ist.
In 11D sind die Lichtstrahlen auf eine Ebene beschränkt,
die 80° zur Normalen geneigt und koplanar mit der Prismenachse
ist.
-
Eine
zusammengesetzte Polar-/Azimutabbildung der Durchlassung der obere
Prismen und der drei Fälle der unteren Prismeneinfallsebene,
nämlich 0°, 70° und 80° wird
in 11F gezeigt. Die Muster entsprechen Lichtablenkstrukturen
auf den beiden Seiten des EUF, die senkrecht zueinander orientiert
sind. Im Fall von 0° wird Licht vom Mittenmeridian weg
abgelenkt, wo die TIR die Wechselwirkung mit dem oberen Prisma be herrscht,
folglich wird Licht, das aus der Lampe direkt nach oben emittiert
wird, zum größten Teil durch den EUF reflektiert.
In den Fällen mit einem Einfall von 70° und 80° wird
Licht zum Mittenmeridian abgelenkt, wo die TIR-Zone der oberen Prismen
schmal ist (schwache Reflexion), folglich wird Licht, das aus der
Lampe unter steilen Winkeln emittiert wird und das auf die strukturierte
Oberfläche des unteren Prismas nahe des Mittelpunkts zwischen
den Lampen einfällt, stark durchgelassen. Die Kombination
niedriger Durchlassung für Licht über der Lampe
und hoher Durchlassung für Licht, das auf den EUF an einem
Punkt zwischen den Lampen einfällt, führt zu einer
Ebnung des gesamten Beleuchtungsstärkeprofils, und daher
kann die Beleuchtungsstärke gleichmäßiger
werden. In 11F gibt es eine abgestufte
Skala der Durchlassung für Strahlen, die unter Winkeln
zwischen 0° und 70° einfallen, was die Lichtdurchlassung
nahe des Mittelpunkts zwischen den Lampen stark auswählt.
Die abgestufte Durchlassungsskala kann durch Einstellen der Parameter
der unteren und oberen Lichtablenkelemente, zum Beispiel des Spitzenwinkels,
der Facettenkrümmung (Radius), eines abgeflachten oder
Spitzenradius oder Prismenspitzen-Wetout, der Prismenachsenorientierung,
des Brechungsindex, gekippten oder Prismen mit variablem Spitzenwinkel
und der Prismenoberflächentextur abgestimmt werden. Die
Orientierung der oberen und unteren Prismenachsen, d. h. die Richtung
der Prismengrate kann relativ zueinander und/oder relativ zu den
Lampen variiert werden.
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12 zeigt
die berechnete Helligkeitsgleichmäßigkeit als
Funktion des Werts D, der die Dicke der Ausleuchtungseinheit beeinflußt.
In jedem Fall wurde der Wert von D über den Bereich von
5 mm – 11 mm variiert. Die Quadrate und Kreise zeigen die
Ergebnisse für eine Gestaltung wie jene der Beispiele 1
und 2. Die „X” zeigen die Ergebnisse für
eine Gestaltung wie jene des Beispiels 7S, während die
Sterne die Ergebnisse für das Beispiel 7D zeigt. Die Werte
der Gleichmäßigkeit für D = 7 mm sind
dieselben wie jene, die in 10 bereitgestellt
werden.
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Ein
wichtiger Parameter zur Optimierung der Leistung einer Ausleuchtungseinheit
ist das Verhältnis S/D, das Verhältnis des Zwischenlampenabstands
zur Dicke. Um die Dicke von Anzeigen zu reduzieren, ist es erwünscht,
daß der Wert von S/D höher ist, jedoch sollte
die Helligkeitsgleichmäßigkeit nicht beeinträchtigt werden.
Typischerweise verwenden herkömmliche Anzeigen, die Fluoreszenzlampen
mit einem diffusen hinteren Reflektor 806 verwenden, einen
S/D-Wert, der kleiner als 2 ist. Dies wird durch den Verlauf der
Kurve 1407D in 12 bestätigt:
die Helligkeitsgleichmäßigkeit kommt für
Werte von D, die erheblich höher als 11 mm sind, an 1%
heran. Jüngste Entwicklungen, die einen spiegelnden hinteren
Reflektor 806 verwenden, haben gezeigt, daß S/D-Werte
bis zu etwa 3 möglich sind, während eine Helligkeitsgleichmäßigkeit
von annähernd 1% aufrechterhalten wird, wodurch es ermöglicht
wird, daß Ausleuchtungseinheiten in ihrer Dicke reduziert
werden. Dies wird in näheren Einzelheiten in der anhängigen
US-Anmeldung Seriennr. 11/133,504 beschrieben.
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Die
durch 12 dargestellten Verläufe
zeigen, daß die Einführung des streuenden EUF
zum Erreichen einer reduzierten Helligkeit mit wesentlich dünneren
Ausleuchtungseinheiten führt. In allen Gestaltungen, die
für die in 12 gezeigten Ergebnisse verwendet
werden, betrug der Zwischenlampenabstand S 30 mm. Folglich wurde
bei Beispiel 2 für Werte von S/D von etwa 3,75 eine Gleichmäßigkeit
von ein wenig über 1% erreicht. Die Untersuchung unterschiedlicher
EUF-Gestaltungen kann zu einem System führen, das eine
kleinere Gleichmäßigkeit als das gezeigte aufweist,
wo der Wert von D kleiner als 6 mm ist.
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Es
sollte verstanden werden, daß Lichtablenkflächen
viele unterschiedliche Arten von Formen annehmen können,
die hier nicht im Detail erläutert werden, die Oberflächen
mit Lichtablenkelementen umfassen, die zufällig in Position,
Form und/oder Größe sind. Während die
oben erläuterten exemplarischen Ausführungsformen
auf Lichtablenkflächen gerichtet sind, die das Ausleuchtungslicht
brechend ablenken, können zusätzlich andere Ausführungsformen
das Ausleuchtungslicht beugen, oder können das Ausleuchtungslicht durch
eine Kombination von Brechung und Beugung ablenken. Die hier beschriebenen
Berechnungsergebnisse zeigen, daß andere Typen und Formen
der Lichtablenkschicht das Potential bereitstellen, verglichen mit
einem einfachen Diffusor alleine die Beleuchtungsstärke
zu erhöhen und die Variation der Beleuchtungsstärke zu
reduzieren.
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Die
vorliegende Erfindung sollte nicht als auf die oben beschriebenen
besonderen Beispiele beschränkt betrachtet werden, sondern
sollte vielmehr so verstanden werden, daß sie alle Aspekte
der Erfindung abdeckt, wie sie in den beigefügten Ansprüchen
deutlich dargelegt werden. Verschiedene Modifikationen, äquivalente
Prozesse sowie zahlreiche Strukturen, auf die die vorliegende Erfindung
anwendbar sein kann, werden Fachleuten, auf die die vorliegende
Erfindung gerichtet ist, bei der Durchsicht der vorliegenden Beschreibung
leicht deutlich werden. Die Ansprüche sind dazu bestimmt,
solche Modifikationen und Vorrichtungen abzudecken.
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Zusammenfassung
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Eine
direkt beleuchtete Anzeigeeinheit weist eine Anzeigetafel und eine
oder mehrere Lichtquellen auf, die hinter der Anzeigetafel angeordnet
sind. Die Lichtquellen sind imstande, Ausleuchtungslicht zu erzeugen.
Eine streuende Lichtablenkschicht ist zwischen der einen oder den
mehreren Lichtquellen und der Anzeigetafel angeordnet. Die Lichtablenkschicht
weist erste Lichtablenkelemente, die auf einer ersten Seite der Lichtablenkschicht
angeordnet sind, die zur Anzeigetafel weist, und zweite Lichtablenkelemente
auf, die auf einer zweiten Seite der Lichtablenkschicht angeordnet
sind, die von der Anzeigetafel weg weist. Die streuende Lichtablenkschicht
weist ferner streuende Teilchen auf, die in einer Polymermatrix
angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5882774 [0030]
- - US 5825543 [0031]
- - US 5867316 [0031]
- - US 5751388 [0031]
- - US 6122103 [0032]
- - US 5793456 [0033]
- - US 2002/0159019 [0033]
- - US 6846089 [0057]