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Die
Erfindung betrifft einen Kollimator aus Mikroprismen, wobei die
Mikroprismen eine dreidimensionale Form haben und einen oberen Teil
und einen unteren Teil mit je einer Lichteintrittsfläche, auf Abstand
zur Lichteintrittsfläche
eine Lichtaustrittsfläche
und mindestens eine Seitenfläche
zwischen der Lichteintrittsfläche
und der Lichtaustrittsfläche
umfassen. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung eine Leuchte und einen Flüssigkristallbildschirm.
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Flüssigkristallbildschirme
sind passive Anzeigesysteme, dass heißt sie leuchten nicht selber. Diese
Bildschirme beruhen auf dem Prinzip, dass Licht die Schicht aus
Flüssigkristallen
passiert oder auch nicht. Dies bedeutet, dass eine externe Lichtquelle
benötigt
wird, um ein Bild zu erzeugen. In reflektiven Flüssigkristallbildschirmen wird
das Umgebungslicht als externe Lichtquelle benutzt. Bei transmissiven
Flüssigkristallbildschirmen
wird in einem Hintergrundbeleuchtungssystem künstliches Licht erzeugt.
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Ein
Flüssigkristallbildschirm
weist einen besonders hohen Kontrast auf, wenn der Winkel des beleuchtenden
Lichtes ±60° horizontal
zur Bildschirmnormalen sowie ±15° vertikal
zur Bildschirmnormalen nicht über-
bzw. unterschreitet. Es ist daher vorteilhaft, möglichst viel des vom Hintergrundbeleuchtungssystem
emittierten Lichtes in diesem günstigen
Winkelbereich zu kollimieren.
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In
US 5.839.823 wird beispielsweise
ein Kollimator für
einen Flüssigkristallbildschirm
beschrieben, welcher aus einem Array von Mikroprismen besteht. Die
Mikroprismen weisen eine sich zuspitzende Form auf, dass heißt die Lichteintrittsfläche eines Mikroprismas
ist kleiner als die Lichtaustrittsfläche. In den Räumen zwischen
den einzelnen Mikroprismen befinden sich lichtreflektierende Elemente,
wie beispielsweise ein hochreflektierendes Pulver, um dort auftreffende
Lichtstrahlen in Richtung Lichtquelle zurückzureflektieren. Der Lichtstrahl
kann dann von der Lichtquelle oder einem Reflektor erneut in Richtung Kollimator
reflektiert werden („Recycling
der Lichtstrahlen").
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Nachteilig
ist, dass ein Lichtstrahl, welcher in der Nähe der Kanten der Lichteintrittsfläche eines
Mikroprismas auf das hochreflektierende Pulver trifft, mittels Streuung über die
Seitenfläche
in das Mikroprisma eintreten kann und die Kollimationswir kung beeinträchtigt.
Weiterhin können über die
Kanten, welche nicht perfekt, sondern etwas abgerundet sind, Lichtstrahlen
in das Mikroprisma gelangen. Diese Lichtstrahlen können Winkel
zur Bildschirmnormalen aufweisen, die außerhalb des optimalen Winkelbereichs
liegen.
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US 5.598.281 beschreibt
einen Kollimator für einen
Flüssigkristallbildschirm,
der aus einem Array von Mikroprismen besteht, umfassend einen Mikrokonzentrator
mit verspiegelten Seitenwänden,
der eine ebene Lichteintrittsfläche
und eine kleinere ebene Lichtaustrittsfläche sowie ein ebenes Substrat
und eine Mikrolinse aufweist. Unkollimierte Lichtstrahlen durchlaufen
die Mikrokonzentratoren über
eine oder mehrere Reflexionen an den verspiegelten Seitenwänden. Der
Ausgang jedes Mikrokonzentrators wird zu einer Lichtquelle, die
qua Fläche
wesentlich kleiner ist als die Lichteintrittsfläche. Die Lichtstrahlen durchlaufen
außerdem
ein Substrat, das als Abstandsstück
zwischen Mikrokonzentratoren und Mikrolinsen dient, und weiterhin
eine Mikrolinse, um die Lichtstrahlen zu kollimieren.
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Nachteilig
ist, dass ein Mikrokonzentrator Lichtstrahlen nicht kollimiert.
Er verringert die Fläche der
Lichtquelle (kleinere Lichtaustrittsfläche) durch Verbreitern der
Winkelverteilung an der Lichtaustrittsfläche. Die Kollimierwirkung wird
nur von der Mikrolinse ausgeführt,
die Lichtstrahlen unter Winkeln zur Normalen des Bildschirms, die
außerhalb
des optimalen Winkelbereichs liegen, nicht verhindert. Zusätzliche
Substrate mit Brechzahlen, die nicht perfekt an die Brechzahlen
der Mikrokonzentratoren und der Mikrolinsen angepasst sind, verursachen
Reflexionen von Lichtstrahlen an den Substratflächen.
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Deshalb
ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der
Technik zu umgehen und einen Kollimator mit verbesserter Kollimatorwirkung
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Kollimator gelöst, der aus einem Array aus
Mikroprismen besteht, wobei jedes Mikroprisma eine dreidimensionale
Form mit einem unteren und einem oberen Teil aufweist, wobei der
untere Teil eine Lichteintrittsfläche und eine verengte Lichtaustrittsfläche aufweist
und der obere Teil die verengte Lichtaustrittsfläche des unteren Teils als Lichteintrittsfläche und
eine verbreiterte Lichtaustrittsfläche aufweist und der obere
Teil und der untere Teil mindestens eine Seitenfläche zwischen
Lichteintrittsfläche
und Lichtaustrittsfläche
aufweisen. Wegen der sanduhr-artigen Form der Mikroprismen kann
das Licht effektiv in einen gewünschten Winkelbereich
kollimiert werden.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Lichtaustrittsfläche des oberen Teils eine konvexe
Form aufweist. Die konvexe Form wirkt als Kollimationslinse und wird
die Kollimierwirkung weiter verbessern.
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Es
ist besonders bevorzugt, dass die Lichteintrittsfläche des
unteren Teils eben ist und die Lichteintrittsfläche des unteren Teils sowie
eine Projektion der Lichtaustrittsfläche des oberen Teils auf die
Lichteintrittsfläche
des unteren Teils gleich groß sind.
Mit dieser vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zwischenräume zwischen
den einzelnen Lichteintrittsflächen
der unteren Teile sehr gering. Dadurch verringert sich die Anzahl
der Reflexionen.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Lichteintrittsflächen des unteren Teils eine
rechteckige Form aufweisen. In dieser Ausführungsform gibt es zwischen
den einzelnen Lichteintrittsflächen
der unteren Teile der Mikroprismen keinen Zwischenraum, welcher
gegen Lichteintritt abgedeckt werden muss. Somit wird jeder Lichtstrahl,
der sich in Richtung des Kollimators ausbreitet, von diesem kollimiert.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass die Lichteintrittsflächen der unteren Teile eine
gemeinsame, geschlossene Oberfläche
haben. In dieser Ausführungsform
wird vermieden, dass Lichtstrahlen über nicht perfekte Kanten in
den unteren Teil eintreten.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Leuchte, welche mindestens eine
Lichtquelle, ein Gehäuse und
einen Kollimator umfasst, der aus einem Array aus Mikroprismen besteht,
welche Mikroprismen eine dreidimensionale Form mit einem unteren
und einem oberen Teil aufweisen, wobei der untere Teil eine Lichteintrittsfläche und
eine verengte Lichtaustrittsfläche
aufweist und der obere Teil die Lichtaustrittsfläche des unteren Teils als Lichteintrittsfläche und eine
verbreiterte Lichtaustrittsfläche
aufweist und der obere Teil und der untere Teil je mindestens eine
Seitenfläche
zwischen Lichteintrittsfläche
und Lichtaustrittsfläche
aufweisen. Die Erfindung betrifft auch einen Flüssigkristallbildschirm mit
einem Hintergrundsbeleuchtungssystem mit mindestens einer Lichtquelle
und einem Kollimator, der aus einem Array aus Mikroprismen besteht,
welche Mikroprismen eine dreidimensionale Form mit einem unteren
und einem oberen Teil aufweisen, wobei der untere Teil eine Lichteintrittsfläche und
eine verengte Lichtaustrittsfläche
aufweist und der obere Teil die Lichtaustrittsfläche des unteren Teils als Lichteintrittsfläche und eine
verbreiterte Lichtaustrittsfläche
aufweist und der obere Teil und der untere Teil je mindestens eine
Seitenfläche
zwischen Lichteintrittsfläche
und Lichtaustrittsfläche
aufweisen.
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Im
Folgenden soll anhand von vier Figuren die Erfindung näher erläutert werden.
Dabei zeigen
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1 im
Querschnitt ein Hintergrundbeleuchtungssystem,
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2 im
Querschnitt einen Kollimator,
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3 im
Querschnitt ein Mikroprisma eines Kollimators und
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4 ein
Array aus Unterteilen der Mikroprismen.
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Ein
Flüssigkristallbildschirm
weist üblicherweise
eine Flüssigkristalleinheit
und ein Hintergrundsbeleuchtungssystem auf. Die Flüssigkristalleinheit
umfasst zwei Polarisatoren und eine Flüssigkristallzelle, welche zwei
transparente Platten aufweist, die jeweils eine Matrix aus lichtdurchlässigen Elektroden
tragen. Zwischen den beiden transparenten Platten ist ein Flüssigkristallmaterial
angeordnet. Das Flüssigkristallmaterial
enthält
vorzugsweise TN(twisted nematic)-Flüssigkristalle, STN(super twisted
nematic)-Flüssigkristalle,
DSTN (double super twisted nematic)-Flüssigkristalle, FSTN(foil super twisted
nematic)-Flüssigkristalle,
VAN(vertically alligned)-Flüssigkristalle
oder OCB(optically compensated bend)-Flüssigkristalle. Die Flüssigkristallzelle
ist sandwichartig von den zwei Polarisatoren umschlossen.
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Zur
Erzeugung und Darstellung von farbigen Bildern kann die Flüssigkristalleinheit
mit einem Farbfilter versehen werden
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Gemäß 1 weist
ein Hintergrundsbeleuchtungssystem mindestens eine Lichtquelle 1 auf, welche
beispielsweise eine Glühlampe,
eine lichtemittierende Diode (LED), eine Metall- oder Halogen-HID-Lampe
(HID:High Intensity Discharge) oder eine Fluoreszenzlampe, wie beispielsweise
eine Xenon-Entladungslampe, ist. Die Lichtquelle 1 befindet sich üblicherweise
in einem Gehäuse 2,
welches beispielsweise eine rechteckige oder parabolische Form haben
kann. Die von der Lichtquelle 1 emittierten Lichtstrahlen
gelangen durch eine Öffnung
im Gehäuse 2 zum
Kollimator 4. Die Innenseite des Gehäuses 2 weist vorzugsweise
einen Reflektor auf. Dieser Reflektor kann durch ein diffus oder
ein spekular reflektierendes Material gebildet werden, wie beispielsweise
poliertes Aluminium oder weiße
Pigmente. Die Aufgabe des Reflektors ist es, Lichtstrahlen, welche sich
nicht in Richtung Kollimator 4 ausbreiten, in diese Richtung
zurückzureflektieren.
Zwischen der Lichtquelle 1 und dem Kollimator 4 kann
sich ein Diffusor 3 befinden.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßer Kollimator 4 gezeigt.
Der Kollimator 4 enthält
eine Vielzahl an Mikroprismen 5, welche in Form eines Arrays
angeordnet sind.
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Wie
in 3 gezeigt, weist jedes Mikroprisma 5 eine
Doppelstruktur mit einem Unterteil, einem Oberteil, einer Lichteintrittsfläche 6 und
beabstandet zu dieser Lichteintrittsfläche 6 einer Lichtaustrittsfläche 7 auf.
Es ist besonders vorteilhaft, dass das Unterteil und das Oberteil
optischen Kontakt haben. Zwischen der Lichteintrittsfläche 6 und
der Lichtaustrittsfläche 7 befindet
sich mindestens eine Seitenfläche 8.
Weiterhin weist jedes Mikroprisma 5 eine Verengung 9 auf.
Eine bevorzugte Form des Mikroprismas 5 ist, dass sie eine
Verengung 9 aufweist und sich ausgehend von der Lichteintrittsfläche 6 bis
zu der Verengung 9 verjüngt
und von der Verengung 9 in Richtung Lichtaustrittsfläche 7 wieder
verbreitert.
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Die
Größe der Lichteintrittsfläche 6 ist
vorzugsweise gleich der Größe der Lichtaustrittsfläche 7.
Die Lichteintrittsfläche 6 und
die Lichtaustrittsfläche 7 können eine
beliebige Form haben, vorzugsweise haben sie eine rechteckige Form.
Weisen die Lichteintrittsflächen 6 und
die Lichtaustrittsflächen 7 keine
rechteckige Form auf, müssen
die auftretenden Zwischenräume
mit einem reflektierenden Element, beispielsweise einem hochreflektierenden
Pulver oder einer reflektierenden Maske, verdeckt werden. Die Lichteintrittsfläche 6 und
die Lichtaustrittsfläche 7 eines
Mikroprismas 5 können
eben, konkav gewölbt oder
konvex gewölbt
sein.
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Je
nach Form des Mikroprismas 5 kann das Mikroprisma 5 beispielsweise
vier Seitenflächen 8 oder
eine Seitenfläche 8 aufweisen.
Es ist auch möglich,
dass das Mikroprisma 5 im Bereich von der Lichteintrittsfläche 6 bis
zur Verengung 9 vier Seitenflächen 8 und im Bereich
der Verengung 9 bis zur Lichtaustrittsfläche 7 eine
Seitenfläche 8 aufweist.
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Eine
Seitenfläche 8 kann
eben, konkav gewölbt
oder konvex gewölbt
sein.
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Weist
ein Mikroprisma von der Lichteintrittsfläche 6 bis zur Lichtaustrittsfläche 7 vier
Seitenflächen 8 auf,
kann die Verengung 9 von zwei einander gegenüber liegenden
Seitenflächen 8 oder
von allen vier Seitenflächen 8 gebildet
werden. Wird die Verengung 9 von zwei einander gegenüber liegenden
Seitenflächen 8 gebildet,
werden die Lichtstrahlen in einer Ebene kollimiert. Bei dieser Ausführungsform laufen
zwei einander gegenüber
liegende Seitenflächen 8 ausgehend
von der Lichteintrittsfläche 6 zunächst entlang
einer Strecke H aufeinander zu. Am Ende der Strecke weisen die beiden
einander gegenüber
liegenden Seitenflächen 8 einen
minimalen Abstand EA zueinander auf. Der minimale Abstand EA ist
die Breite der Verengung 9. Nach der Verengung 9 laufen
die beiden einander gegenüber
liegenden Seitenflächen 8 wieder
voneinander weg.
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Wird
die Verengung 9 von vier Seitenflächen 8 gebildet, werden
die Lichtstrahlen in zwei Ebenen kollimiert. Bei dieser Ausführungsform
laufen jeweils zwei einander gegenüber liegende Seitenflächen 8 ausgehend
von der Lichteintrittsfläche 6 zunächst entlang
einer Strecke H aufeinander zu. Am Ende der Strecke weisen die jeweils
einander gegenüber
liegenden Seitenflächen 8 einen
minimalen Abstand EA zueinander auf, der in beiden Fällen bevorzugt
gleich groß ist.
Der jeweilige minimale Abstand EA zwischen zwei einander gegenüber liegenden
Seitenflächen 8,
ist die dortige Breite der Verengung 9. Nach der Verengung 9 laufen
die zwei jeweils einander gegenüber
liegenden Seitenflächen 8 wieder
voneinander weg. In einer anderen Ausführungsform können alle
vier Seitenflächen 8 aufeinander
zulaufen.
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Alternativ
kann in beiden Ausführungsformen
die Verengung 9 durch einen Bereich gebildet werden, wo
die jeweils einander gegenüber
liegenden Seitenflächen 8 einen
minimalen Abstand zueinander aufweisen. In diesem Fall verlaufen
die einander gegenüber
liegenden Seitenflächen 8 eine
gewisse Strecke parallel zueinander und erst dann wieder voneinander
weg.
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Alternativ
kann das Mikroprisma 5 kann auch eine zylindersymmetrische
Form mit einer Seitenfläche 8 aufweisen.
In dieser Ausführungsform
werden die Lichtstrahlen in jeder Ebene, die durch die Symmetrieachse
des Zylinders verläuft,
kollimiert.
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Die
Lichteintrittsflächen 6 und/oder
die Lichtaustrittsflächen 7 der
einzelnen Mikroprismen 5 können gemeinsam eine geschlossene
Oberfläche haben.
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Die
Mikroprismen 5 enthalten transparente Materialien mit einer
Brechzahl n größer 1,0,
wie beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polycarbonat oder Glas.
Ein Mikroprisma 5 kann auch verschiedene transparente Materialien
mit unterschiedlichen Brechzahlen enthalten. So kann sich beispielsweise die
Brechzahl der transparenten Materialien ausgehend von der Lichteintrittsfläche 6 graduell
vergrößern oder
verkleinern. Die Seitenflächen 8 im
Bereich der Lichteintrittsfläche 6 bis
zur Verengung 9 können mit
einer reflektierenden Beschichtung, welche ein Material mit einem
hohen Reflexionsgrad enthält, versehen
werden.
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Die
Herstellung eines erfindungsgemäßen Kollimators 4 kann
durch Spritzgussverfahren oder mittels anderer geeigneter Verfahren,
wie beispielsweise Photopolymerisation, erfolgen. Vorzugsweise erfolgt
die Herstellung des Kollimators 4 durch die Herstellung
mehrerer Formteile, welche anschließend zusammengeklebt werden.
Dazu wird ein erstes Formteil, wie in 4 gezeigt,
hergestellt, welches ein Array aus Unterteilen der Mikroprismen 5 ist. Ein
Unterteil ist der Bereich von der Lichteintrittsfläche 6 bis
zur Verengung 9 eines Mikroprismas 5. Ein zweites
Formteil bildet ein Array aus Oberteilen der Mikroprismen. Ein Oberteil
ist der Bereich von der Verengung 9 bis zur Lichtaustrittsfläche 7 eines
Mikroprismas 5.
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Zur
Herstellung des ersten bzw. zweiten Formteils wird in Aluminium
die negative Form des ersten bzw. zweiten Formteils gefräst. In die
Form wird beispielsweise ein selbsthärtendes oder ein UV-härtendes
Polymer gegeben.
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Zur
Beschichtung der Seitenflächen 8 der Unterteile
wird zunächst
das gesamte erste Formteil mittels Spincoating mit einem Photoresist
beschichtet. Anschließend
werden durch eine Maske hindurch die Verengungen 9 belichtet,
so dass dort der Photoresist aushärtet. Im nächsten Schritt werden die nicht belichteten
und somit nicht ausgehärteten
Teile des Photoresist mit Wasser abgewaschen. Das erste Formteil
wird anschließend
mit Silber oder Aluminium bedampft. Die Schichtdicke der Metallschicht
beträgt dabei
vorzugsweise größer 200
nm. Mit Hilfe von HNO3 wird der verbliebene, mit einer Metallschicht bedeckte,
Photoresist zum Quellen gebracht. Mit einem Wasserstrahl kann der
Photoresist samt darauf befindlicher Metallschicht entfernt werden.
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Alternativ
kann eine Aluminium oder Silberschicht strukturiert werden, indem
zunächst
das gesamte erste Formteil mit der Metallschicht bedampft wird.
Anschließend
wird ein Photolack aufgebracht, der durch eine Maske belichtet wird,
die dort geschlossen ist, wo die Verengungen 9 sind. Beim
Entwickeln wird der nicht belichtete Photolack auf den Verengungen 9 entfernt.
In einem Ätzschritt
mit Natronlauge wird dann die Metallschicht auf den Verengungen 9 entfernt.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform
können
die Verengungen 9 während
des Bedampfens mit einer Kontaktmaske bedeckt sein.
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Das
erste und das zweite Formteil können mit
Hilfe eines Klebstoffes, beispielsweise eines Acrylat-Klebstoffes
miteinander verbunden werden. Die Formteile werden vorzugsweise
derart zusammengeklebt, dass sie anschließend optischen Kontakt haben.
Der Klebstoff weist bevorzugt dieselbe Brechzahl wie das Material
der Formteile auf.
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Soll
die Lichteintrittsfläche 6 oder
die Lichtaustrittsfläche 7 eines
Mikroprismas 5 konkav gewölbt sein, kann ein drittes
Formteil mit der entsprechenden Form hergestellt und mit dem zweitem Formteil
verbunden werden.
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Alternativ
kann der Kollimator 4 Mikroprismen 5 enthalten,
die Hohlkörper
sind. Bei dieser Ausführungsform
werden ein drittes und viertes Formteil hergestellt, wel che anschließend zusammengeklebt werden.
Das dritte Formteil weist die negative Form des ersten Formteils
auf und bildet ein Array aus Unterteilen der hohlen Mikroprismen 5.
Das vierte Formteil weist die negative Form des zweiten Formteils
auf und bildet ein Array aus Oberteilen der hohlen Mikroprismen 5.
Die beiden Formteile enthalten vorzugsweise transparente Materialien
wie Polymethylmethacrylat, Polycarbonat oder Glas. Die innenliegenden
Seitenflächen 8 der
Ober- und Unterteile der hohlen Mikroprismen 5 werden mit
Silber oder Aluminium bedampft und die beiden Formteile werden mit Hilfe
eines Klebstoffes verbunden. Zur Herstellung des dritten bzw. vierten
Formteils kann in Aluminium die Form des ersten bzw. zweiten Formteils
gefräst werden.
In die Form wird beispielsweise ein selbsthärtendes oder ein UV-härtendes
Polymer gegeben.
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Ein
derartiger Kollimator 4 kann auch in einer Leuchte, welche
sich beispielsweise in Büro-
oder Wohnräumen
befindet, verwendet werden. Eine derartige Leuchte weist eine Lichtquelle
auf, welche sich einem Gehäuse
befindet. Vorzugsweise befindet sich die Lichtquelle in einem reflektierenden
Gehäuse. Die
von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen gelangen durch eine Öffnung im
Gehäuse
zum Kollimator und werden dort kollimiert.