DE602005004314T2

DE602005004314T2 - Flache Lichtquelle

Info

Publication number: DE602005004314T2
Application number: DE602005004314T
Authority: DE
Inventors: Daisaku Okuwaki
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2025-02-17
Also published as: US7762706B2; EP1564581A1; DE602005004314D1; CN100533225C; TWI372909B; CN1670593A; US20080025048A1; TW200537203A; KR101099831B1; EP1564581B1; US20050180145A1; KR20060042016A; JP4386749B2; JP2005228717A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine planare Lichtquelle für eine Bildschirmhintergrundbeleuchtung, die beispielsweise zum Beleuchten eines Flüssigkristallanzeige-(LCD – liquid crystal display)Bildschirmes von hinten bereitgestellt wird, und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Lichtquelle, die mit einer Lichtleitplatte, einer Lichtemissionsquelle, wie beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED – light emitting diode), die an einer Seite der Lichtleitplatte angeordnet ist und vorzugsweise mit einer Lichtrichtungs-Begrenzungseinrichtung, wie beispielsweise eine Diffusionsplatte, die über der Lichtleitplatte angeordnet ist, bereitgestellt ist. In solch einer Lichtquelle wird die Richtung des von der Lichtemissionsquelle emittierten Lichtes so geändert, dass ein Lichtstrom die Lichtleitplatte von der oberen Fläche davon verlässt, und vorzugsweise wird die Richtung weiter durch die Lichtrichtungs-Begrenzungseinrichtung angepasst.
Es ist eine Bildschirmhintergrundbeleuchtungs-Einheit bekannt, die eine planare Lichtquelle zum Beleuchten solch einer Anzeige, wie beispielsweise einer Flüssigkristallanzeige, die in einer mobilen Endgerätevorrichtung und einem Laptopcomputer bereitgestellt ist, umfasst. Die Japanische Patentanmeldung Nr. 2002-146589 ( Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2003-337333 ) offenbart solch eine Bildschirmhintergrundbeleuchtungs-Einheit in 17, die hierin in den 12a und 12b dargestellt ist. 12a ist eine perspektivische Darstellung, die die Bildschirmhintergrundbeleuchtungs-Einheit illustriert, und 12b ist eine Schnittdarstellung der Bildschirmhintergrundbeleuchtungs-Einheit.
Eine Bildschirmhintergrundbeleuchtungs-Einheit 120 umfasst ein Paar LED (lichtemittierende Dioden) 102, eine Lichtleitplatte 101, eine Diffusionsplatte 103, eine Py-Prismenscheibe 104, eine Px-Prismenscheibe 105, eine Reflektionsplatte 106 und eine durchlässige oder halbdurchlässige LCD (Flüssigkristallanzeige) 107. Die Platten 101, 103, die Scheiben 104 und 105 sind übereinander gestapelt angeordnet.
Die Lichtleitplatte 101 ist aus einem transparenten Kunststoff hergestellt und weist eine obere Fläche 101a, eine untere Fläche 101b und eine Vorderseite 101c auf. Die LED 102 sind auf einem LED-Substrat 102 montiert und der Vorderseite 101c gegenüberliegend angeordnet. Die Diffusionsplatte 103 ist über der oberen Fläche 101a der Lichtleitplatte 101 angeordnet, und die Reflektionsplatte 106 ist unter der unteren Fläche 101b angeordnet.
Das von den LED 102 emittierte Licht dringt von der Vorderseite 101c aus in die Lichtleitplatte 101 ein. Das eingedrungene Licht wird wiederholt durch die obere und untere Fläche 101a und 101b reflektiert und breitet sich über die Lichtleitplatte 101 aus. Die untere Fläche 101b besitzt eine feine Prismaoberfläche, so dass, in Übereinstimmung mit den Prinzipien der Reflektion und Brechung von Licht, ein Teil des Lichtes in Richtung der oberen Fläche 101a reflektiert wird, während der Rest des Lichtes gebrochen wird und in die Reflektionsplatte 106 eindringt. An der Fläche der Reflektionsplatte 106 wird das Licht so gebrochen, dass es zu der Lichtleitplatte 101 zurückkehrt. Auf diese Weise dient die Reflektionsplatte 106 dazu, die Lichtnutzeffizienz zu erhöhen.
Die Richtung des abgegebenen Lichtes wird durch die Diffusionsplatte 103 in einem kleinen Bereich angeordnet und wird des Weiteren durch die Prismenscheibe 104 und die Prismenscheibe 105 in Y-Richtung und X-Richtung ausgerichtet, und wird schließlich in Z-Richtung ausgerichtet. Das Licht, das in Z-Richtung ausgerichtet wird, beleuchtet die Flüssigkristallanzeige (LCD) 107. Dementsprechend wird das Licht bei einer optimalen Bedingung durch das Flüssigkristall gesendet und ermöglicht auf diese Weise eine klare Anzeige mit einem hohen Signal/Rausch-Abstand.
In der herkömmlichen planaren Lichtquelle besteht jedoch das folgende Problem. Da nämlich das Licht an der unteren Fläche 101b in verschiedene Richtungen reflektiert wird, dringt eine nicht gerade geringe Anzahl von Lichtstrahlen bei einem Winkel, der dem kritischen Winkel annähernd gleich ist, in die obere Fläche 101a ein, wie dies in 12c dargestellt ist. Solch ein Lichtstrahl wird bei einem Winkel von ungefähr 90 Grad zu dem normalen Wert, das heißt, nahezu horizontal gebrochen. In solch einem Fall dringt der Lichtstrahl nicht in die Diffusionsplatte 103 ein, und selbst, wenn das Licht darin eindringt, ist der Einfallwinkel so groß, dass es sich als schwierig erweist, die Richtung des Lichtstrahls auf effiziente Weise zu ändern, und ihn dazu zu bringen, die Diffusionsplatte 103 zu verlassen und in die Py-Prismenscheibe 104 einzudringen. Demzufolge ist es schwierig, das Licht, das von der lichtemittierenden Diode LED 102 in die Lichtleitplatte 101 eindringt, in ein ausreichend helles Beleuchtungslicht umzuwandeln.
Um das Problem zu lösen, wird eine in den 13a bis 13c dargestellte Lichtquelle vorgeschlagen, bei der die Lichtleitplatte 101 eine anisotrope Diffusionsfläche 101h aufweist, die eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Haarlinien oder Hologramme aufweisen, die vorhanden sind, um anisotrope Diffusion zu bewirken. In dem illustrierten Beispiel ist eine Vielzahl von Haarlinien-Prismen an der unteren Fläche 101b ausgebildet. Andere Konstruktionen der Lichtquelle sind dieselben wie die der Bildschirmhintergrundbeleuchtungs-Einheit 120, die in 12 dargestellt ist.
Die Funktionsweise der Vorrichtung basiert auf dem gut bekannten Prinzip, das beispielsweise auf Seite 5 des US-Patentes 6.347.873 beschrieben ist. Da insbesondere die anisotrope Diffusionsfläche 101h an der oberen Fläche 101a der Lichtleitplatte 101a ausgebildet ist, wird der Einfallswinkel des Lichtstrahls, der darauf angewendet wird, ein gewünschter Winkel, der größer ist als 90 Grad, also weit entfernt von der horizontalen Richtung. Dementsprechend wird ein konisch zulaufender, gebeugter Lichtstrahl Φ01 selbst in dem Fall erzeugt, in dem der Einfallswinkel des einfallenden Lichtstrahls annähernd des kritischen Winkels ist. Auf diese Weise wird der Einfallswinkel der Lichtstrahlen, die in die Diffusionsplatte 103 eindringen, so vergrößert, dass die Lichtnutzeffizienz verbessert und die Helligkeit des beleuchtenden Lichtes erhöht wird.
Unterdessen ist der diffundierte Lichtstrahl Φ01 ein anisotrop diffundierter Lichtstrahl, der in Längsrichtung der anisotropen Diffusionsplatte 101h eine längere Achse aufweist als in seitlicher Richtung, wie dies durch den Querschnitt davon in 13c dargestellt ist. Die Diffusionsfläche 101h ist auf diese Weise so eingerichtet, dass sie eine große Diffusionscharakteristik in Längsrichtung davon aufweist. Der Grund dafür, dass die anisotrope Diffusionsfläche auf diese Weise eingerichtet ist, besteht darin, dass, obgleich sich die Diffusion, die durch eine jede der zahlreichen Vertiefungen bewirkt wird, in seitlicher Richtung der Fläche 101h einander so überlappt, dass das Licht in seitlicher Rich tung ausreichend diffundiert wird, ist es aber in Längsrichtung erforderlich, die Diffusion an jeder der Vertiefungen so zu gestalten, dass sie in Längsrichtung breiter als in seitlicher Richtung ist.
Doch selbst in der auf diese Weise verbesserten planaren Lichtquelle besteht, von der Nähe aus betrachtet, ein weiteres Problem. In Bezug auf die 13b und 13d, die vergrößerte Diagramme sind, die den Teil, der an die Vorderseite 101c der Lichtleitplatte 101 angrenzt, zeigen, werden ein Lichtstrahl s01, der an der unteren Fläche 101b reflektiert wird und ein Lichtstrahl s02, der an der oberen Fläche 101a reflektiert wird, untersucht. Der Lichtstrahl s01 wird an dem Prisma der unteren Fläche 101b reflektiert und des Weiteren durch die Reflektionsplatte 106 so reflektiert, dass er erneut die untere Fläche 101 erreicht. Der Lichtstrahl wird gebrochen und dringt in die Diffusionsfläche 101h der oberen Fläche 101a bei einem Einfallswinkel, der annähernd dem kritischen Winkel jedoch kleiner ist, ein. Dementsprechend verlässt der Strahl die Diffusionsfläche 101h als ein diffundierter Lichtstrahl Φ01 bei einem Winkel innerhalb eines vorgegebenen Bereiches, ohne reflektiert zu werden. Da die obere Fläche 101a nicht glatt ist, verläuft der Austritt des Strahls nicht horizontal.
Im Gegensatz dazu dringt, basierend auf der Annahme, dass der anfängliche Einfallswinkel des Lichtstrahls s02 größer als der kritische Winkel ist, der Strahl in die Diffusionsfläche 101h ein. Im Gegensatz zu dem Fall, in dem die obere Fläche glatt ist, so dass das einfallende Licht zu 100 Prozent vollständig reflektiert wird, tritt aufgrund der Diffusion ein ziemlich großer Teil des Lichtes als ein sekundärer diffundierter Lichtstrahl Φs aus, wie dies durch die gepunktete Linie in 13b dargestellt ist. Der Rest des Lichtstrahls wird reflektiert und durch die untere Fläche 101b hindurchgelassen, er wird an der Reflektionsplatte 106 reflektiert, an der unteren Fläche 101b gebrochen und erreicht die obere Diffusionsfläche 101h. Aufgrund der Operation des Prismas an der unteren Fläche 101b wird der Einfallswinkel an der Diffusionsfläche 101h allmählich jedes Mal, wenn der Strahl reflektiert wird, verringert. In dem Beispiel, das in der Figur dargestellt ist, wird in dem Lichtstrahl s02, nachdem dieser zwei Mal Reflektion durchlaufen hat, der Einfallswinkel an der Diffusionsfläche 101h kleiner als der kritische Winkel, so dass lediglich ein diffundierter Lichtstrahl Φ02 emittiert wird. Da die Intensität des diffundierten Lichtstrahls Φ02 um die des sekundären Lichtstrahls Φs jedes Mal dann, wenn der Strahl reflektiert wird, abnimmt, wird die Intensität des diffundierten Lichtstrahls Φ02 kleiner als die Intensität des diffundierten Lichtstrahls Φ01.
Zusätzlich dazu sind, wie dies in 13d dargestellt ist, die diffundierten Lichtstrahlen Φ01 und Φ02 in der Lage, in die Diffusionsplatte 103 in Bereichen einzudringen, die jeweils eine Breite W01 und W02 aufweisen. Da der Abstand zwischen der Lichtleitplatte 101 und der Diffusionsplatte 103 nicht erhöht werden kann, ist es nicht möglich, die Breiten W01 und W02 zu vergrößern.
Insbesondere sind, wie dies in Bezug auf die Lichtstrahlen Φ01 und Φ02 erläutert worden ist, in Bezug auf einen einzelnen internen Lichtstrahl, obgleich dieser an der Diffusionsfläche 101h diffundiert wird, die Breiten W01 oder W02 des Bereiches, durch die der Strahl die Diffusionsplatte 103 erreicht, klein. Um den Bereich zu vergrößern, ist es erforderlich, den Lichtstrahl bei verschiedenen Einfallswinkeln in die Diffusionsfläche 101h eindringen zu lassen, so dass die Position des Austritts der Strahlen Φ01 und Φ02 variiert. Wenn die Position in der Zeichnung in Richtung nach rechts bewegt wird, erhöht sich die Anzahl der Reflektionen an der Diffusionsfläche 101h, was in einer Reduzierung der Intensität des Lichtstrahls resultiert. Dementsprechend verringert sich die Helligkeit des ausgegebenen Lichtes, wenn der Abstand von der Vorderseite 101c in Richtung nach rechts der in 13b dargestellten Lichtleitplatte vergrößert wird. Demzufolge nimmt auch die Intensität des einfallenden Lichtes, das in die Diffusionsplatte 103 eindringt, auf der rechten Seite ab, so dass die Ausbreitung der Helligkeit ungleichmäßig wird. Das Licht, das durch die Diffusionsplatte 103 hindurchgeleitet wird, wird durch die Py-Prismenscheibe 104 und die Px-Prismenscheibe 105 in X-, Y- und Z-Richtung ausgerichtet und wird das beleuchtende Licht. Dennoch wird auch das beleuchtende Licht hinsichtlich der Helligkeit ungleichmäßig.
In der planaren Lichtquelle, die mit der anisotropen Diffusionsfläche an der unteren Fläche der Lichtleitplatte bereitgestellt wird, nimmt nämlich die Intensität der Lichtes, das die Diffusionsfläche verlässt, in Richtung nach rechts ab, das heißt, wenn sich der Abstand von der lichtemittierenden Diode LED vergrößert. Im Ergebnis wird die Helligkeit des Lichtes, das die Lichtleitplatte verlässt und in eine Anpassungseinheit für einen optischen Pfad wie beispielsweise in eine Diffusionsplatte eindringt, in Abhängigkeit von der Position ungleichmäßig. Solch eine Tendenz wird selbst dann für das Licht beibehalten, wenn es in die Flüssigkristallanzeige LCD 107 eindringt, nachdem es die An passungseinheit für einen optischen Pfad passiert hat, so dass die Qualität der Beleuchtung gemindert wird.
Das Dokument JP 2003 203 514 offenbart ein weiterleitendes Beleuchtungssystem, das eine Lichtquelle, einen Lichtleitungskörper, der mit einer Prismenanordnung an seiner Fläche bereitgestellt ist, und einen anisotropen Lichtstreuungsfilm unter der Lichtleiteinrichtung, umfasst. Eine ähnliche Struktur mit einer nicht anisotropen Lichtstreuungsschicht unter der Lichtleiteinrichtung ist aus dem Dokument WO 01/90637 und darüber hinaus aus dem Dokument JP 2001 004845 und dem Dokument JP 2000 352623 bekannt.
Bekannte anisotrope Lichtstreuungsfilme umfassen Haarlinien, Vertiefungen, Blasen, Linsen und andere Strukturen einer anisotropen Form.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine planare Lichtquelle bereitzustellen, bei der die Helligkeit des beleuchtenden Lichtes groß und gleichmäßig ist.
Diese Aufgabe wird mit der planaren Lichtquelle gemäß Anspruch 1 oder 2 erfüllt.
Das Reflektionselement wird zum Reflektieren der von der ersten anisotropen Diffusionsfläche emittierten Lichtstrahlen bereitgestellt, um die Lichtstrahlen zu der ersten anisotropen Diffusionsfläche zurückzuwerfen, um anisotrop diffundierte Lichtstrahlen zu bilden, die durch zwei Diffusionen in der Querschnittsfläche vergrößert werden.
Bei der ersten anisotropen Diffusionsfläche handelt es sich um eine Hologramm-Diffusionsfläche oder eine Haarlinien-Diffusionsfläche.
An der unteren Fläche der Lichtleitplatte ist eine Vielzahl von Prismen ausgebildet.
Der Winkel zwischen der unteren Fläche und der Vorderseite der Lichtleitplatte beträgt 90 Grad, und die Dicke der Lichtleitplatte nimmt zur hinteren Seite allmählich ab, und die erste anisotrope Diffusionsfläche ist an der unteren Fläche ausgebildet.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine zweite anisotrope Diffusionsfläche an einem Teil der unteren Fläche der Lichtleitplatte ausgebildet, und die erste anisotrope Diffusionsfläche umfasst zwei Arten anisotroper Diffusionsflächen, die sich bezüglich der Diffusionscharakteristik voneinander unterscheiden, und sie umfasst des Weiteren eine Diffusionsplatte und eine Lichtrichtungs-Korrigiereinrichtung, die an der Lichtleitplatte vorhanden sind.
Die Lichtrichtungs-Korrigiereinrichtung umfasst eine Px-Prismenscheibe mit X-Richtungs-Prismen und eine Py-Prismenscheibe mit Y-Richtungs-Prismen.
Diese sowie weitere Aufgaben und Leistungsmerkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a ist eine perspektivische Darstellung, die eine planare Lichtquelle in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert;
1b ist eine Illustration, die eine Lichtleitplatte, die in der Lichtquelle vorhanden ist, welche in 1a dargestellt ist, zeigt;
1c und 1d zeigen Querschnitte von diffundierten Lichtstrahlen, die jeweils entlang der Linien I-I und II-II in 1b erstellt wurden;
2 ist eine perspektivische Darstellung einer Lichtleitplatte, die in der in 1a dargestellten planaren Lichtquelle vorhanden ist;
3 ist eine Querschnittsdarstellung der planaren Lichtquelle, die die Funktionsweise derselben erläutert;
4 ist eine Illustration, die einen Teil der Lichtquelle in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist eine Illustration, die einen Teil der Lichtquelle in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist eine Illustration, die einen Teil der Lichtquelle in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der vorliegenden Erfindung darstellt;
7a ist ein Diagramm, das auf schematische Weise eine anisotrope Diffusion in der vorliegenden Erfindung erläutert;
7b zeigt einen Querschnitt eines diffundierten Lichtstrahls, der in 7a dargestellt ist;
7c zeigt orthogonale Koordinaten von X-, Y- und Z-Richtungen;
Die 8a bis 8e sind Diagramme, die das Prinzip der anisotropen Diffusion, die durch ein Hologramm bewirkt wird, erläutern;
Die 9a bis 9d sind Diagramme, die die Funktionsweise der anisotropen Diffusion, die durch ein Hologramm, das an einer Fläche der Lichtleitplatte der vorliegenden Erfindung vorhanden ist, bewirkt wird, erläutern;
Die 10a bis 10d sind Diagramme, die die Funktionsweise der anisotropen Diffusion, die durch kleine Prismen, die an einer Fläche einer Lichtleitplatte der vorliegenden Erfindung vorhanden sind, bewirkt wird, erläutern;
Die 11a bis 11d sind Diagramme, die die Funktionsweise der anisotropen Diffusion, die durch kleine Prismen, die an einer Fläche einer Lichtleitplatte der vorliegenden Erfindung vorhanden sind, bewirkt wird, erläutern;
12a ist eine perspektivische Darstellung, die eine herkömmliche Lichtquelle darstellt;
Die 12b und 12c sind Illustrationen, die die Funktionsweise der Lichtquelle, die in 12a dargestellt ist, erläutern;
13a ist eine perspektivische Darstellung einer Lichtleitplatte, die in einer weiteren herkömmlichen Lichtquelle vorhanden ist;
13b ist eine Illustration, die die Funktionsweise der Lichtleitplatte, die in 13a dargestellt ist, erläutert;
13c zeigt einen Querschnitt eines diffundierten Lichtstrahls, der entlang einer Linie XIII-XIII von 13b erstellt wurde; und
13d ist eine Illustration, die die Funktionsweise der Lichtleitplatte erläutert;
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Im Folgenden wird ein Prinzip der anisotropen Diffusion, die durch Hologramme und Haarlinien bewirkt wird, beschrieben.
Die 7a bis 7c sind Diagramme, die auf konzeptuelle Weise die anisotrope Diffusion erläutern. Wenn in Bezug auf 7b ein kohärenter Lichtstrahl s von einer laserlichtemittierenden Quelle L in eine anisotrope Diffusionsfläche H in einer Richtung senkrecht in Bezug auf die X-Y-Ebene, die in 7c dargestellt ist, eindringt, wird ein diffundierter Lichtstrahl Φ erzeugt. Wie dies in 7a, die einen Querschnitt des Lichtstrahls, der entlang einer Linie VII-VII von 7b erstellt wurde, darstellt, gezeigt wird, weist der Lichtstrahl eine anisotrope Form dahingehend auf, dass der Strahl eine lange Achse in X-Richtung und eine kurze Achse in Y-Richtung besitzt. Und zwar handelt es sich bei dem diffundierten Licht Φ um ein anisotropes diffundiertes Licht, das in X-Richtung mehr diffundiert wird als in Y-Richtung.
Im Folgenden wird ein Beispiel eines Hologramms zum Erzeugen eines anisotrop diffundierten Lichtstrahls beschrieben. Ein Hologramm zeichnet Phaseninformationen von laufenden Wellen auf, die erzeugt werden, wenn ein Objektstrahl und ein Referenzstrahl miteinander interferieren. Dementsprechend gibt, bei Eindringen eines Referenzstrahls, das Hologramm einen gebrochenen Lichtstrahl als einen Objektstrahl wieder.
Es gibt einen Typ von Hologramm, der „Flächenrelief-Hologramm" genannt wird, bei dem die Phaseninformationen des kohärenten Lichtstrahls nicht in Tönen aufgezeichnet werden, sondern durch Hügel und Vertiefungen aufgezeichnet werden, die durch Verwendung eines Fotoresists an einer Fläche des Hologramms ausgebildet sind. 8a zeigt einen Abschnitt des Flächenrelief-Hologramms zum Erzeugen eines anisotrop diffundierten Lichtstrahls als einen Objektstrahl.
In Figur auf 8a weist ein Hologramm H eine Vielzahl von Vertiefungen Hd auf, die an einer Fläche davon ausgebildet sind, wodurch ein im Wesentlichen flacher Abschnitt Hk zwischen den Vertiefungen ausgebildet wird. Jede der Vertiefungen Hd ist in Y-Richtung langgestreckt und in X-Richtung parallel ausgerichtet. In der Zeichnung ist b1 der Abstand zwischen den angrenzenden Vertiefungen Hd in Y-Richtung, und d1 ist ein Abstand zwischen den Mittellinien der angrenzenden Vertiefungen Hd in X-Richtung.
Wie dies in 8b dargestellt ist, erreichen in der X-Z-Ebene, wenn kohärente einfallende Lichtstrahlen s senkrecht in die Fläche des Hologramms H, das in der X-Y-Ebene liegt, das heißt, in Z-Richtung, bei einem Winkel von 0 Grad eindringen, einige der Strahlen die Vertiefungen Hd, während die anderen den flachen Abschnitt Hk erreichen. Die Lichtstrahlen, die die Vertiefungen Hd erreichen, werden diffus reflektiert, so dass kaum einer der Lichtstrahlen durch das Hologramm G hindurchgeleitet wird. Im Gegensatz dazu wird ein jeder der Lichtstrahlen, die den flachen Abschnitt Hk erreichen, eine Punktquelle, um eine elementare Welle zu erzeugen. Dementsprechend wird ein gebrochener Lichtstrahl in einer Richtung erzeugt, die die Elementarwellen verstärkt. Ein gebrochener Lichtstrahl der nullten Ordnung sd0 des gebrochenen Lichtstrahls wird in dieselbe Richtung wie das einfallende Licht s gesendet, so dass der Ausgabewinkel des einfallenden Lichtes s Null Grad beträgt. Im Gegensatz dazu besteht, wie dies in 8b dargestellt ist, eine Beziehung zwischen dem Ausgabewinkel θ1 eines gebrochenen Lichtstrahls der ersten Ordnung sd1 und dem Abstand d, wie dies untenstehend beschrieben ist. sinθ1 = ±λ/d1 (1)wobei λ eine Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls s ist. Anhand der Gleichung (1) kann gesehen werden, dass der Ausgabewinkel θ1 zwischen Null Grad und ±90 Grad eingestellt werden kann, indem der Abstand d1 zwischen den Vertiefungen bestimmt wird. Wie dies in 8c dargestellt ist, wird dort, wo die in 8b dargestellte Diffusion vergrößert wird, ein einzelner einfallender Lichtstrahl s durch das Hologramm H als eine Diffusionsfläche in der X-Z-Ebene diffundiert, um zu einem sektorgeformten diffundierten Lichtstrahl Φx zu werden, der eine zu einem Winkel gehörende Breite von 2θ1 aufweist. In dem Fall, in dem die zu einem Winkel gehörende Breite kleiner als 2θ1 wird, kann das Licht ausreichend diffundiert werden, indem der Abstand d1 zwischen den Vertiefungen so wie angemessen variiert wird.
Wenn in Bezug auf 8d in der Y-Z-Ebene die einfallenden Lichtstrahlen s senkrecht in die Fläche des Hologramms H eindringen, verlaufen die Lichtstrahlen, die durch den flachen Abschnitt Hk in der Mitte in Bezug auf die Richtung Y zwischen angrenzenden Vertiefungen hindurchgeleitet werden, gerade, wohingegen die Strahlen an den Endabschnitten in Y-Richtung lediglich bei einem Brechungswinkel von θy gebrochen werden. Der Wert des Brechungswinkels θy hängt von der Wellenlänge λ und dem Abstand b1 wie folgt ab. sinθy = ±λ/d1 (2)
Durch Vergleichen der Gleichung (1) mit der Gleichung (2) kann festgestellt werden, dass, wenn der Abstand b1 zwischen den Vertiefungen ausreichend größer ist als der Abstand d1, der Brechungswinkel θy ausreichend kleiner sein kann als der Ausgabewinkel θ1. Wie dies in 8e dargestellt ist, wird dort, wo die Diffusion, die in 8d dargestellt wird, vergrößert wird, ein einzelner einfallender Lichtstrahl s so durch das Hologramm H diffundiert, dass ein sektorgeformter diffundierter Lichtstrahl Φy, der eine zu einem Winkel gehörende Breite von 2θy aufweist, in der X-Z-Ebene erzeugt wird.
Die zu einem Winkel gehörende Breite 2θ1 des diffundierten Lichtstrahls in der X-Z-Ebene, die in 8c dargestellt ist, ist viel größer als eine zu einem Winkel gehörende Breite 2θy in der Y-Z-Ebene, die in 8e dargestellt ist. Dementsprechend stellt das Hologramm H diffundierte Lichtstrahlen bereit, deren zu einem Winkel gehörende Breiten sich in Abhängigkeit von der Richtung der Querschnittebene voneinander unterscheiden. Demzufolge kann davon ausgegangen werden, dass das Hologramm H eine anisotrope Diffusionsfläche aufweist. Im Folgenden wird das Hologramm H als eine anisotrope Diffusionsfläche H bezeichnet.
Im Folgenden wird in Bezug auf die 9a bis 9d ein Beispiel der anisotropen Diffusion, bei der in der tatsächlichen Praxis die anisotrope Diffusionsfläche H an einer Lichtleitplatte ausgebildet ist, beschrieben.
In Bezug auf 9a ist die anisotrope Diffusionsfläche H, die ein Phasenhologramm eines Flächenrelieftyps, der in 8a dargestellt ist, an einer Lichtleitplatte D ausgebildet. Die Vertiefungen und flachen Abschnitte der anisotropen Diffusionsfläche H sind durch einen Fotoresist gebildet, um Ton des kohärenten Lichtstrahls darzustellen, der Phaseninformationen entspricht. Um die Vertiefungen und flachen Abschnitte auszubilden, wird eine metallene Gussform, auf der die Form der Diffusionsfläche übertragen wird, durch Beschichten erzeugt, und die metallene Gussform wird in ein Spritzgießwerkzeug zum Herstellen der Lichtleitplatte durch Spritzgießen eingesetzt.
In Bezug auf 9b wird in der Ebene X-Z, wenn der einfallende Lichtstrahl s in die anisotrope Diffusionsfläche H bei einem Einfallswinkel θ eindringt, der Strahl an jedem flachen Abschnitt Hk eine Punktquelle und erzeugt auf diese Weise eine Elementarwelle, wodurch gebrochenes Licht in einer Richtung erzeugt wird, die Elementarwellen verstärkt. Hinsichtlich eines gebrochenen Lichtstrahls der nullten Ordnung sd0 gilt: sinθ0 = nsinθ (3)wobei θ0 ein Ausgabewinkel des gebrochenen Lichtstrahls der nullten Ordnung sd0 ist, und n der Brechungsindex der Lichtleitplatte D ist. Hinsichtlich des gebrochenen Lichtstrahls der ersten Ordnung sd1 gilt: sinθ1 = nsinθ ± (λ/d1) = sinθ0 ± (λ/d1) (4)
Wie dies durch die Gleichung (3) dargestellt ist, wird in dem Fall des gebrochenen Lichtstrahls der nullten Ordnung Snells Gesetz angewendet. Wie dies durch die Gleichung (4) dargestellt ist, variiert der Einfallswinkel θ1 des gebrochenen Lichtstrahls der ersten Ordnung innerhalb eines Bereiches um den Einfallswinkel θ0 des gebrochenen Lichtstrahls der nullten Ordnung herum, so dass, wie dies in 9b dargestellt ist, die gebrochenen Lichtstrahlen sd1⁺ und sd1^– erzeugt werden. In dem Fall, in dem der Abstand d1 so klein ist, dass λ/d1 > 2 ist, gilt |sinθ0 ± (λ/d1)| > 1
Demzufolge kann die Gleichung (4) nicht erfüllt werden. Dementsprechend ist der gebrochene Lichtstrahl der nullten Ordnung sd0 vorhanden, jedoch nicht der gebrochene Lichtstrahl der ersten Ordnung sd1. Das heißt, wenn der Abstand zwischen den Punktquellen klein ist, wird das Licht nur in Übereinstimmung mit Snells Gesetz gebrochen, wie dies der Fall bei einer glatten Oberfläche ist, und Diffusion tritt nicht auf. Demzufolge wird ein Abstand, der um ein Vielfaches der Abstand der Wellenlänge λ ist, im Allgemeinen als der Abstand d1 zwischen den Vertiefungen Hd ausgewählt.
Wie dies in 9c dargestellt ist, wird dort, wo die in 9b dargestellte Diffusion vergrößert wird, ein einzelner einfallender Lichtstrahl s durch die anisotrope Diffusionsfläche H so in der X-Z-Ebene diffundiert, dass er zu einem sektorgeformten diffundierten Lichtstrahl Φx wird, der zwischen dem gebrochenen Lichtstrahl der ersten Ordnung sd1⁺ und dem gebrochenen Lichtstrahl der zweiten Ordnung sd1^– ausgebreitet ist und die gebrochenen Lichtstrahlen der nullten Ordnung sd0 in der Mitte angeordnet sind. Die Lichtbrechung in der Z-Y-Ebene ist die gleiche wie die, die in 8e dargestellt ist. Auf diese Weise kann in dem vorliegenden Beispiel eine anisotrope Diffusion erzielt werden, indem die anisotrope Diffusionsfläche H mit einem Hologramm an der Fläche durch flache Abschnitte und Vertiefungen ausgebildet wird, die den Phaseninformationen des kohärenten Lichtes entspricht.
Wenn der Einfallswinkel θ des einfallenden Lichtstrahls, der in die anisotrope Diffusionsfläche H eindringt, den kritischen Winkel überschreitet, wie dies in 9d dargestellt ist, wird der gebrochene Lichtstrahl der ersten Ordnung sd0 bei einem Ausgabewinkel gebrochen, der dem Reflektionswinkel θ0 bei totaler Reflektion entspricht. Darüber hinaus wird ein gebrochener Lichtstrahl der ersten Ordnung als sd1⁺ und sd1^– in Übereinstimmung mit Snells Gesetz erzeugt, und ein gebrochener Lichtstrahl der zweiten Ordnung sd1^– wird trotz der Gleichung dazu hier nicht dargestellt. Die Lichtstrahlen sd1^– und sd1⁺ werden durch die anisotrope Diffusionsfläche H hindurchgeleitet und treten als diffundierter Lichtstrahl Φx aus. Auf diese Weise werden einfallende Lichtstrahlen nicht zu 100 Prozent vollständig reflektiert, selbst wenn der Einfallswinkel θ den kritischen Winkel überschreitet, sondern es wird ein Teil des einfallenden Lichtes reflektiert, während der übrige Teil als der sekundäre diffundierte Lichtstrahl Φs, der in 13b dargestellt ist, aus der Lichtleitplatte heraus diffundiert wird.
Die 10a bis 10d zeigen ein weiteres Beispiel der anisotropen Diffusion, bei der die Lichtleitplatte D eine anisotrope Diffusionsfläche Hp aufweist, an der eine Vielzahl von kleinen Prismen ph als Haarlinien in X-Richtung ausgebildet ist. Ein Abstand d2 zwischen den angrenzenden Prismen ph und eine Länge b2 eines jeden Prismas sind ungefähr die gleichen, wie jeweils der Abstand d1 und der Abstand d1 zwischen den Vertiefungen an der anisotropen Diffusionsfläche H in 9a. Wenn einfallende Lichtstrahlen s in die Haarlinien-Diffusionsfläche Hp bei einem Einfallswinkel θ eindringen, wird jeder Strahl, der die geneigte Fläche des Prismas ph erreicht, eine Punktquelle, so dass eine Elementarwelle erzeugt wird, wodurch gebrochenes Licht in einer Richtung erzeugt wird, die die Elementarwelle verstärkt. Hinsichtlich des Einfallswinkels des gebrochenen Lichtstrahls der nullten Ordnung sd0 wird die voranstehend angeführte Gleichung (3) erfüllt, und hinsichtlich des Einfallswinkels des gebrochenen Lichtstrahls der ersten Ordnung sd1 wird die Gleichung (4) erfüllt. Wenn nämlich der Abstand zwischen den kleinen Prismen um ein Vielfaches größer als die Ordnung der Wellenlänge λ ist, wird die anisotrope Diffusion auf die gleiche Weise auftreten, wie dies der Fall mit der anisotropen Diffusionsfläche H ist, die ungeachtet der Neigung der Prismen ein Beugungsgitter aufweist, das in 9a dargestellt ist. Auf diese Weise werden die diffundierten Lichtstrahlen Φx erzeugt, wie dies in 10c dargestellt ist.
Wenn in Bezug auf 10d der einfallende Lichtstrahl s aus der Umgebungsatmosphäre bei einem Einfallswinkel θ in die anisotrope Diffusionsfläche Hp eindringt, die an der Lichtleitplatte D ausgebildet ist, werden der gebrochene Lichtstrahl der nullten Ordnung sd0 und der gebrochene Lichtstrahl der ersten Ordnung sd1 innerhalb der Lichtleitplatte D diffundiert. In Übereinstimmung mit Snells Gesetz besteht die folgende Beziehung zwischen dem Einfallswinkel θ und dem Ausgabewinkel θ0. sinθ0 = (sinθ)/n (5)
Die Beziehung zwischen dem gebrochenen Lichtstrahl der ersten Ordnung sd1 und dem Ausgabewinkel θ1 ist sinθ1 = [sinθ ± (λ/d2)]/n = sinθ0 ± (λ/nd2) (6)
Wenn nämlich, wie dies in 10d dargestellt ist, der Lichtstrahl s in die gegenüberliegende Seite der Lichtleitplatte D aus der Umgebungsatmosphäre eindringt, wird ein sektorgeformter Lichtstrahl Φx in der X-Z-Ebene erzeugt, in der das gebrochene Licht der ersten Ordnung zwischen sd1⁺ und sd1^– ausgebreitet ist. Auf diese Weise wird das anisotrop diffundierte Licht so erzeugt wie in dem Fall, der in 10c dargestellt ist.
Die 11a bis 11d zeigen ein weiteres Beispiel der Lichtleitplatte D, die die anisotrope Diffusionsfläche Hp aufweist, welche Haarlinien-Prismen ph besitzt. In dem Beispiel ist der Abstand d2 zwischen den Prismen ph um ein beachtliches Maß größer als die Wellenlänge λ der Lichtstrahlen. In Übereinstimmung mit Gleichung (4) entspricht der Ausgabewinkel θ1 des gebrochenen Lichtstrahls der ersten Ordnung, der durch die Interferenz von Lichtstrahlen, die die angrenzenden Prismen ph verlassen, bewirkt wird, im Wesentlichen dem Ausgabewinkel θ0 des gebrochenen Lichtstrahls der ersten Ordnung, so dass der gebrochene Lichtstrahl der ersten Ordnung sd1 als nicht vorhanden erachtet wird. Hinsichtlich des Ausgabewinkels θ0 des gebrochenen Lichtstrahls der ersten Ordnung sd0 wird Snells Gesetz nicht in Bezug auf die anisotrope Haarlinien-Diffusionsfläche Hp sondern in Bezug auf eine geneigte Fläche ps des Prismas ph angewendet. Dieselbe Aussage kann für gewöhnliche große Prismen formuliert werden. In dem Fall von Prismen einer mittleren Größe, die zwischen den großen und den kleinen Prismen liegt, tritt jedoch Diffusion bei einem Brechungswinkel θr an den Endabschnitten der geneigten Fläche ps auf, wie dies in den 11a und 11c dargestellt ist. Der Brechungswinkel θr weist dieselben Charakteristiken wie der Brechungswinkel θy in Gleichung (2) auf und wird kleiner, wenn die Länge der geneigten Fläche ps vergrößert wird. Wie dies in 11a dargestellt ist, entspricht ein Neigungswinkel β der geneigten Fläche ps dem Einfallswinkel θ, und der einfallende Lichtstrahl s dringt senkrecht in die geneigte Fläche ps ein. Auf diese Weise entspricht der Einfallswinkel θ dem Ausgabewinkel θ0 des gebrochenen Lichtstrahls der ersten Ordnung sd0. Dementsprechend werden gebrochene Lichtstrahlen sdr, die jeweils bei dem Brechungswinkel θr gebrochen werden, um dem gebrochenen Lichtstrahl sd0 erzeugt. Auf diese Weise bilden die gebrochenen Lichtstrahlen sd0 und sdr einen diffundierten Lichtstrahl Φx, der, wenn er vergrößert wird, eine Sektorform aufweist, wie dies in 11b dargestellt ist.
Wenn der Neigungswinkel β des Prismas vergrößert wird, wie dies in 11c dargestellt ist, wird die Richtung des gebrochenen Lichtstrahls der nullten Ordnung sd0 durch die Lichtbrechung nach links gekrümmt, so dass sie ungefähr senkrecht zu der anisotropen Haarlinien-Diffusionsfläche Hp ausgerichtet ist, und die gebrochenen Lichtstrahlen sdr, die lediglich bei dem Brechungswinkel θr gebrochen werden, werden um den gebrochenen Lichtstrahl der ersten Ordnung sd0 herum diffundiert, wodurch ein sektorgeformtes diffundiertes Licht Φx gebildet wird, wenn dies in 11d vergrößert wird. Auf diese Weise wird der Diffusionsbereich zur linken Seite hin vergrößert und weicht von der Ausbreitung des einfallenden Lichtstrahls s ab.
Obgleich bereits in der voranstehenden Beschreibung in Bezug auf die 11a bis 11d erläutert worden ist, dass das Ausmaß der Diffusion von dem Brechungswinkel θr abhängt, kann durch Einstellen des Winkels β der geneigten Fläche ps des Prismas ph bei verschiedenen Winkeln der Ausgabewinkel θ0 des gebrochenen Lichtstrahls der nullten Ordnung sd0 variiert werden. Dementsprechend kann die zu einem Winkel gehörende Breite des emittierten Lichtes vergrößert werden, obgleich der Brechungswinkel θr klein sein mag.
Die anisotrope Diffusionsfläche, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, muss nicht auf Flächen beschränkt sein, die Hologramme und Haarlinien aufweisen, sondern sie kann auch andere Flächen umfassen, die in der Lage sind, anisotrope Diffusion zu bewirken, wie beispielsweise solche Flächen, die Blenden oder unebene Flächen in einer Form einer Vielzahl von Ellipsen, einer Parabel sowie Krümmungen, wie beispielsweise eine Hyperbel aufweisen.
Im Folgenden wird die erste Ausführungsform einer planaren Lichtquelle der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die 1a bis 1d, auf 2 und 3 beschrieben. 1a ist eine perspektivische Darstellung, die die gesamte Lichtquelle illustriert, 1b ist eine Illustration, die die Funktionsweise einer in der Lichtquelle vorhandenen Lichtleitplatte darstellt, die 1c und 1d sind Diagramme, die die Funktionsweise der planaren Lichtquelle beschreiben, 2 ist eine perspektivische Darstellung einer in der Lichtquelle vorhandenen Lichtleitplatte, und 3 ist eine Querschnittsdarstellung der planaren Lichtquelle, die die Funktionsweise zur Beleuchtung davon erläutert.
In Bezug auf 1a umfasst eine planare Lichtquelle 20 ein Paar lichtemittierende Dioden LED 2, eine Lichtleitplatte 1, eine Diffusionsplatte 3, eine Py-Prismenscheibe 4, eine Px-Prismenscheibe 5 sowie eine Reflektionsplatte 6. Die Reflektionsplatte 6, die Lichtleitplatte 1, die Diffusionsplatte 3, sowie die Prismenscheibe 4 und die Prismenscheibe 5 sind übereinander gestapelt angeordnet.
Die Lichtleitplatte 1 ist aus einem transparenten Kunststoff hergestellt und besitzt eine obere Fläche 1a, eine untere Fläche 1b und eine Vorderseite 1c. Die LED 2 sind auf einem LED-Substrat 2b montiert und der Vorderseite 1c gegenüberliegend angeordnet. Eine Vielzahl von Prismen 1p ist an der oberen Fläche 1a ausgebildet. Jedes Prisma 1p weist eine polierte Spiegeloberfläche auf. Wie dies in 2 dargestellt ist, die die Lichtleitplatte zeigt, wie diese von der Unterseite davon gesehen wird, besitzt die Lichtleitplatte 1 an ihrer Unterseite eine Hologramm-Diffusionsfläche oder eine Vielzahl von feinen Haarlinienvertiefungen, so wie jene, die in 10a dargestellt sind, um eine anisotrope Diffusionsfläche 1h an der unteren Seite 1b auszubilden.
Die Diffusionsplatte 3 ist über der oberen Fläche 1a der Lichtleitplatte 1 angeordnet, und die Reflektionsplatte 6 ist so angeordnet, dass sie der unteren Fläche 1b der Lichtleitplatte, an der die anisotrope Diffusionsfläche 1h ausgebildet ist, zugewandt ist.
Das von den LED 2 emittierte Licht dringt von der Vorderseite 1c in die in die Lichtleitplatte 1 ein. Das eingedrungene Licht wird wiederholt von den Prismen 1p an der oberen Fläche 1a und der anisotropen Diffusionsfläche 1h an der unteren Fläche 1b reflektiert, und, wie das in 1a dargestellt ist, verlässt es die Lichtleitplatte 1 über verschiedene Pfade.
In Bezug auf 1b, die die planare Lichtquelle 20 auf ausführliche Weise zeigt, werden optische Pfade einiger Lichtstrahlen, die aus verschiedenen von der LED emittierten einfallenden Lichtstrahlen ausgewählt werden, als repräsentative Beispiele beschrieben. Von den einfallenden Lichtstrahlen, die auf die Lichtleitplatte 1 angewendet werden, werden ein Lichtstrahl s1, der auf die anisotrope Diffusionsfläche 1h, welche an der unteren Fläche 1b ausgebildet ist, angewendet wird, sowie ein Lichtstrahl s2, der auf die Prismenfläche 1p, die an der oberen Fläche 1a ausgebildet ist, untersucht. Der Lichtstrahl s1 wird bei einem Diffusionswinkel diffundiert, der durch die kleine Struktur der anisotropen Diffusionsfläche 1h bestimmt wird, so dass ein diffundierter Lichtstrahl Φ11 emittiert wird. Der diffundierte Lichtstrahl Φ11 wird an der Reflektionsplatte 6 reflektiert und dringt erneut in die anistrope Diffusionsfläche 1h ein. Der diffundierte Lichtstrahl Φ11 wird weiter diffundiert, so dass ein diffundierter Lichtstrahl Φ12 emittiert wird und in die Lichtleitplatte 1 eindringt. 1c zeigt einen Querschnitt des diffundierten Lichtstrahls Φ11, der entlang einer Linie I-I von 1b erstellt wurde, und 1d zeigt einen Querschnitt des diffundierten Lichtstrahls Φ12, der entlang einer Linie II-II von 1b erstellt wurde. Anhand der 1c und 1d kann gesehen werden, dass die anisotrope Eigenschaft mehr in dem erneut diffundierten Lichtstrahl Φ12 als in dem erstmalig diffundierten Lichtstrahl Φ11 verstärkt wird.
Durch zweimaliges Wiederholen der Diffusion wird die anisotrope Eigenschaft, das heißt, die Tendenz in Richtung der Haarlinien zu diffundieren, verstärkt. Wenn die Breite in der X-Z-Ebene betrachtet wird, ist ersichtlich, dass die Breite des abschließend diffundierten Lichtstrahls Φ12 in dem Verlauf der optischen Pfadlänge von der unteren Fläche 1b bis zu dem Prisma 1p vergrößert wird. Der Lichtstrahl Φ12 wird durch das Prisma 1p gebrochen und durch diesen hindurchgeleitet, so dass er bei einer Breite W12 in die Diffusionsplatte 3 eindringt, wie dies in 1b dargestellt ist. Die Breite beim Einfallen W12 ist viel größer als die Breite W01 des diffundierten Lichtstrahls Φ01, der in die Diffusionsplatte der herkömmlichen planaren Lichtquellenvorrichtung 101, die in 13c dargestellt ist, eindringt. In 1b werden ein Lichtstrahl Φ01 und die Breite W01 der herkömmlichen Vorrichtung lediglich als ein Vergleich und nicht als Funktionsweise der vorliegenden Ausführungsform dargestellt.
Im Gegensatz dazu dringt der Lichtstrahl s2 in das Prisma 1p an der oberen Fläche 1a ein und wird total reflektiert. Das reflektierte Licht dringt in die anisotrope Diffusionsfläche 1h an der unteren Fläche 1b ein, ohne an Lichtintensität zu verlieren, und wird anschließend zu einem diffundierten Lichtstrahl Φ21. Der diffundierte Lichtstrahl Φ21 wird an der Reflektionsplatte 6 reflektiert und dringt erneut in die Diffusionsfläche 1h ein. Der diffundierte Lichtstrahl Φ21 wird weiter diffundiert, um zu einem diffundierten Lichtstrahl Φ22 zu werden, der in das Innere der Lichtleitplatte 1 gelenkt wird. Der diffundierte Lichtstrahl Φ22 wird an dem Prisma 1p an der oberen Fläche gebrochen, verlässt die Fläche und dringt in die Diffusionsplatte 3 ein. Der diffundierte Lichtstrahl wird im Verlauf der optischen Pfadlänge so in seiner Breite vergrößert, dass der Strahl Φ22 in die Diffusionsplatte in einem Bereich einer ausreichend großen Breite W22 eindringt. Im Gegensatz zu dem Lichtstrahl s02, der in die obere Fläche in der in 134b dargestellten herkömmlichen Vorrichtung eindringt, wird, da die flache Fläche des Prismas 1p die totale Reflektion zulässt, die Intensität des an der unteren Fläche 1a reflektierten Lichtstrahls s2 nicht gemindert. Dementsprechend durchdringt der diffundierte Lichtstrahl Φ22 mit einer ausreichenden Helligkeit die obere Fläche 1a und dringt in die Diffusionsplatte 3. Obgleich dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, wird in dem Fall eines Strahls, der mehrere Male an der oberen Fläche 1a reflektiert wird und der die obere Fläche 1a nahe des rechten Endes der Lichtleitplatte 1 erreicht, die Helligkeit nicht durch die Reflektionen gemindert, so dass ein Lichtstrom mit einer ausreichenden Helligkeit durch die Prismenfläche gebrochen wird, durch die Fläche hindurchgeleitet und in Richtung der Diffusionsplatte 3 gerichtet wird.
Dementsprechend kann in der vorliegenden Ausführungsform das Licht in einem breiten Bereich bei Einfallswinkeln emittiert werden, die größer als in der herkömmlichen Vorrichtung sind, ohne dabei ein Verringern der Intensität zu verursachen. Die Lichtstrahlen, die eine einheitliche Helligkeit aufweisen, dringen bei einer vorgegebenen Winkelbreite in die Diffusionsplatte 3 ein und werden anschließend der Reihe nach durch die Diffusionsplatte 3, die Px-Prismenscheibe 4 und die Py-Prismenscheibe 5 hindurchgeleitet, so dass die Strahlen auf effiziente Weise die Richtungen ändern, um zu einem beleuchtenden Licht in Z- oder in vertikaler Richtung zu werden, ohne dabei seine Intensität zu verlieren. Dementsprechend kann das Licht die durchlässige oder halbdurchlässige Flüssigkristallanzeige LCD 7, die in 3 dargestellt ist, mit einer hohen und gleichmäßigen Helligkeit beleuchten.
Im Folgenden wird die zweite Ausführungsform der planaren Lichtquelle der vorliegenden Erfindung in Bezug auf 4, die die Lichtleitplatte auf ausführliche Weise darstellt, beschrieben. An der unteren Fläche 1b der Lichtleitplatte 1 ist zusätzlich zu der anisotropen Diffusionsfläche 1h eine zweite anisotrope Diffusionsfläche 1h2 angrenzend an die Vorderseite 1c ausgebildet. Die Charakteristik der anisotropen Diffusionsfläche 1h2 unterscheidet sich von der der anisotropen Diffusionsfläche 1h dahingehend, dass sich die Richtungen, in welche die diffundierten Strahlen emittiert werden, voneinander unterscheiden. Und zwar besitzt die zweite anisotrope Diffusionsfläche 1h2 beispielsweise eine kleine Struktur, die in 11c dargestellt ist. Ein Lichtstrahl s3, der in die Vorderseite 1c eindringt und die Lichtleitplatte 1 von der zweiten anisotropen Diffusionsfläche 1h2 verlässt, wird zu beiden Seiten des Normalbereichs der anisotropen Diffusionsfläche 1h2 diffundiert und wird zu einem diffundierten Lichtstrahl Φ31. Der diffundierte Lichtstrahl Φ31 wird auf die Reflektionsplatte 6 angewendet, wird reflektiert, durchdringt erneut die zweite anisotrope Diffusionsfläche 1h2 und erreicht die Lichtleitplatte 1 als ein diffundierter Lichtstrahl Φ32. Der Lichtstrahl Φ32 wird an der oberen Fläche 1a der Lichtleitplatte 1 gebrochen und dringt in die Diffusionsplatte 3 ein. Da der diffundierte Lichtstrahl Φ32 in die Lichtleitplatte 1 an einer Position in der Nähe der Vorderseite 1c auf der linken Seite der Lichtleitplatte eindringt, bedeckt der gebrochene Lichtstrahl den linken Kantenbereich der Diffusionsplatte 3 in ausreichendem Maß. Die anderen Konstruktionen und die Funktionsweise sind dieselben wie in der ersten Ausführungsform, die in den 1a bis 1d dargestellt ist.
In Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform dringen die Lichtstrahlen, von denen die Ausgabewinkel innerhalb eines gewünschten Bereiches begrenzt sind, in den gesamten Bereich der Diffusionsplatte 3 ein, so dass die Helligkeit des von der planaren Lichtquelle emittierten Lichtes verbessert wird, während das Helligkeitsniveau beibehalten wird.
In Bezug auf 5, die die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, besitzt eine Lichtleitplatte 11 eine flache horizontale obere Fläche 11a und eine untere Fläche 11b, die sich mit zunehmend größerem Abstand von einer Vorderseite 11c in Richtung nach oben neigt. Die untere Fläche 11b besitzt eine erste anisotrope Diffusionsfläche 11h und eine zweite anisotrope Diffusionsfläche 11h2 angrenzend an die Vorderseite 11c, die dieselben Charakteristiken wie die zweite anisotrope Diffusionsfläche 1h2 der zweiten Ausführungsform aufweisen. Eine dritte anisotrope Diffusionsfläche 11h3 ist an der oberen Fläche 11a an einer geeigneten Position angrenzend an die Vorderseite 1c ausgebildet. Die dritte anisotrope Diffusionsfläche 11h3 weist dieselben Charakteristiken wie die anisotrope Diffusionsfläche 11h auf.
Während des Betriebes wird von den Lichtstrahlen, die von den LED 2 emittiert werden, einer der Lichtstrahlen, ein Lichtstrahl s31, direkt auf die dritte anisotrope Diffusionsfläche 11h3 so angewendet, dass ein diffundierter Lichtstrahl Φ41 innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereiches die obere Fläche 11a der Lichtleitplatte 11 verlässt. Im Gegensatz dazu wird ein weiterer Lichtstrahl s32, der die obere Fläche 11a auf dem Abschnitt der rechten Seite der dritten anisotropen Diffusionsfläche 11h3 trifft, total so reflektiert, dass er sich in Richtung nach unten ausbreitet und in die erste anisotrope Diffusionsfläche 11h eindringt. Der Lichtstrahl wird diffundiert und dringt in die Reflektionsplatte 6 ein, wird reflektiert und tritt erneut in die anisotrope Diffusionsfläche 11h ein. Als Ergebnis wird ein diffundierter Lichtstrahl Φ42 emittiert und von der oberen Fläche 1a gebrochen, und er dringt bei einer großen Breite in die Diffusionsplatte 3 ein.
Ein weiterer Lichtstrahl s33 erreicht die anisotrope Diffusionsfläche 11h an der unteren Fläche 1b, wird diffundiert und an der Reflektionsplatte 6 reflektiert, so dass ein diffundierter Lichtstrahl Φ43 erzeugt wird. Der diffundierte Lichtstrahl Φ43 wird an der oberen Fläche 1a gebrochen, wodurch er bei einer großen Breite in die Diffusionsplatte 3 eindringt.
Obgleich der Lichtstrahl s32 an der oberen Fläche 1a einer totalen Reflektion unterzogen wird, ehe er zum diffundierten Lichtstrahl Φ42 wird, wird, da die Intensität des Lichtes nicht durch die totale Reflektion reduziert wird, dieselbe Intensität wie die des diffundierten Lichtstrahls Φ43, der keine totale Reflektion durchlaufen hat, beibehalten.
In dem Fall eines weiteren Lichtstrahls s34, der direkt auf die zweite anisotrope Diffusionsfläche 11h2 an der unteren Fläche 11b angewendet wird, wird ein diffundierter Lichtstrahl Φ44 an einem Abschnitt, der an die Vorderseite 11c angrenzt, in Übereinstimmung mit den für die zweite Ausführungsform in Bezug auf die zweite anisotrope Diffusionsfläche 1h2 beschriebenen Prinzipien diffundiert. Der diffundierte Lichtstrahl Φ44 wird an der oberen Fläche 11a so gebrochen, dass er den Abschnitt der linken Seite der Diffusionsplatte 3 ausreichend bedeckt. Auf diese Weise dringt das diffundierte Licht in einen breiten Bereich der Diffusionsplatte 3 ein. Dementsprechend emittiert auch die Lichtquelle der vorliegenden Ausführungsform einheitliches und helles Beleuchtungslicht.
Die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 6 dargestellt ist, ähnelt der dritten Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, mit der Ausnahme, dass die dritte anisotrope Diffusionsfläche 11h3 in der vierten Ausführungsform weggelassen wird. Wenn der einfallende Lichtstrahl s31 bei einem dem kritischen Winkel angenäherten jedoch kleineren Winkel in die obere Fläche 11a eindringt, wird der Lichtstrahl s31 gebrochen und als ein Ausgabelichtstrahl s311 bei einem Ausgabewinkel von ungefähr 90 Grad emittiert. Demzufolge wird die Lichtnutzeffizienz an der Diffusionsplatte 3 reduziert. Die dritte Ausführungsform umgeht ein solches Problem. Da jedoch nur eine geringe Anzahl von internen Lichtstrahlen unter einer solchen Bedingung vorhanden sind, wird ein ähnlicher Effekt wie der der dritten Ausführungsform selbst in der in 6 dargestellten Lichtquelle erzielt, obgleich die dritte anisotrope Diffusionsfläche weggelassen wird. Auf diese Weise stellt auch die vierte Ausführungsform eine planare Lichtquelle bereit, die ein helles und gleichmäßiges Beleuchtungslicht emittiert.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist die anisotrope Diffusionsfläche wie jene, die durch Haarlinien und Hologramme ausgebildet sind, nicht an der oberen Fläche sondern an der unteren Fläche der Lichtleitplatte vorhanden, und die Reflektionseinheit, wie beispielsweise die Reflektionsplatte ist gegenüberliegend der anisotropen Diffusionsfläche vorhanden. Dementsprechend werden die folgenden Effekte erzielt.

(1) Der Lichtstrahl, der von der lichtemittierenden Quelle, wie beispielsweise einer LED emittiert wird und in die Lichtleitplatte und zu der unteren Fläche davon geleitet wird, wird durch die anisotrope Diffusionsfläche bei einem vorgegebenen Winkel diffundiert, durch die Reflektionsvorrichtung reflektiert und erneut an der anisotropen Diffusionsfläche diffundiert. Da die Diffusion zwei Mal zwischen der Reflektion an der Reflektionseinheit auftritt, wird die anisotrope Eigenschaft des Strahls verbessert. Aufgrund der zwei Diffusionen und dem Vergrößern der optischen Pfadlänge wird der Bereich des Strahls, der die obere Fläche der Lichtleitplatte erreicht, vergrößert.
(2) Die meisten der Lichtstrahlen, die direkt in die obere Fläche der Lichtleitplatte oder durch die Reflektion an der unteren Fläche eindringen, werden aufgrund der totalen Reflektion auf die anisotrope Diffusionsfläche an der unteren Fläche angewendet und durchlaufen Diffusion, Reflektion und erneute Diffusion, so wie die voranstehend beschriebenen Lichtstrahlen. Diese Lichtstrahlen erreichen einen weiteren großen Bereich der oberen Fläche, der von dem voranstehend beschrieben Bereich abweicht, während eine ausreichende Intensität des Lichtes beibehalten wird.
(3) Auf diese Weise dringen durch die Verwendung der anisotropen Diffusionsfläche die Lichtstrahlen im Wesentlichen bei einem gewünschten Einfallswinkel in den gesamten Bereich der oberen Fläche der Lichtleitplatte ein. Anschließend werden die Lichtstrahlen gebrochen und in Richtung nach oben emittiert.

Als Ergebnis wird, wenn die von der Lichtleitplatte ausgegebenen Lichtstrahlen so gesteuert werden, dass sie sich unter Verwendung einer Diffusionsplatte und anderer Anpassungseinheiten für einen optischen Pfad in vertikaler Richtung ausbreiten, die Lichtnutzeffizienz erhöht. Dementsprechend wird eine Lichtquelle, die in der Lage ist, beleuchtendes Licht, das hell und hinsichtlich der Helligkeit gleichmäßig ist, bereitgestellt.
Obgleich die Erfindung im Zusammenhang mit bevorzugten spezifischen Ausführungsformen davon beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass mit dieser Beschreibung die Absicht verfolgt wird, den Umfang der Erfindung, der durch die folgenden Ansprüche definiert wird, zu illustrieren und nicht einzuschränken.

Claims

Planare Lichtquelle, die umfasst: eine Lichtemissionsquelle (2); eine Lichtleitplatte (1), die von der Lichtemissionsquelle emittierte Lichtstrahlen an einer Vorderseite derselben empfängt, die Richtung der Lichtstrahlen ändert und die Lichtstrahlen von einer oberen Fläche derselben abgibt; eine Vielzahl von Prismen (1p), die an der oberen Fläche der Lichtleitplatte ausgebildet sind; eine erste anisotrope Diffusionsfläche (1h), die an einer unteren Fläche der Lichtleitplatte ausgebildet ist und zwei zueinander senkrechte Richtungen in ihrer Ebene einschließt, d. h. eine erste, die X-Richtung und eine zweite, die Y-Richtung, ein Reflektionselement (6), das so vorhanden ist, dass es der unteren Fläche der Lichtleitplatte zugewandt ist, an der die erste anisotrope Diffusionsfläche ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die erste anisotrope Diffusionsfläche parallele Vertiefungen umfasst, von denen sich jede in der Y-Richtung über eine vorgegebene Länge b1 erstreckt, wobei aneinandergrenzende Vertiefungen in parallelen Linien ausgerichtet sind, die entlang der X-Richtung mit einem vorgegebenen Abstand d1 zwischen diesen Linien verlaufen.
Planare Lichtquelle, die umfasst: eine Lichtemissionsquelle (2); eine Lichtleitplatte (1), die von der Lichtemissionsquelle emittierte Lichtstrahlen an einer Vorderseite derselben empfängt, die Richtung der Lichtstrahlen ändert und die Lichtstrahlen von einer oberen Fläche derselben abgibt; eine Vielzahl von Prismen (1p), die an der oberen Fläche der Lichtleitplatte ausgebildet sind; eine erste anisotrope Diffusionsfläche (1h), die an einer unteren Fläche der Lichtleitplatte ausgebildet ist und zwei senkrechte Richtungen in ihrer Ebene einschließt, eine erste, die X-Richtung und eine zweite, die Y-Richtung; ein Reflektionselement (6), das so vorhanden ist, dass es der unteren Fläche der Lichtleitplatte zugewandt ist und an dem die erste anisotrope Diffusionsfläche ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die erste anisotrope Diffusionsfläche parallele kleine Prismen der vorgegebenen Länge b2 umfasst, die entlang der Y-Richtung verläuft, und die in parallelen Haarlinien, die entlang der X-Richtung verlaufen, mit dem Abstand d2 zwischen den Haarlinien angeordnet sind.
Planare Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei der Winkel zwischen der oberen Fläche und der Vorderseite der Lichtleitplatte 90° beträgt und die Dicke der Lichtleitplatte zu einer hinteren Seite hin allmählich abnimmt.
Planare Lichtquelle nach Anspruch 3, die des Weiteren eine zweite anisotrope Diffusionsfläche umfasst, die an einem Teil der oberen Fläche der Lichtleitplatte ausgebildet ist.
Planare Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste anisotrope Diffusionsfläche zwei Arten anisotroper Diffusionsflächen umfasst, die sich voneinander bezüglich der Diffusionscharakteristik unterscheiden.
Planare Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die des Weiteren eine Diffusionsplatte und eine Lichtrichtungs-Korrektureinrichtung umfasst, die an der Lichtleitplatte vorhanden sind.
Planare Lichtquelle nach Anspruch 6, wobei die Lichtrichtungs-Korrektureinrichtung eine Px-Prismenscheibe mit X-Richtungs-Prismen und eine Py-Prismenscheibe mit Y-Richtungs-Prismen umfasst.