DE69615841T2

DE69615841T2 - Einrichtung zur gezielten beleuchtung

Info

Publication number: DE69615841T2
Application number: DE69615841T
Authority: DE
Inventors: Lynn Wiese
Original assignee: Siemens Microelectronics Inc
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2016-03-15
Also published as: DE69615841D1; EP0835407B1; WO1997001727A1; US5785404A; EP0835407A1; CA2225745A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Beleuchtungsvorrichtung ist in der US-A- 4,767,172 beschrieben. Dieses Dokument beschreibt einen Lichtkollektor für eine Leuchtdiodenanordnung, bei welcher der Lichtstrahl mittels eines konvexen Linsenabschnittes und eines parabolischen reflektierenden Oberflächenabschnittes des Kollektors so geformt wird, dass das von der Leuchtdiode emittierte Licht auf effiziente Weise gesammelt und in zwei konzentrische gebündelte Strahlen gebündelt wird. Die gebündelten Lichtstrahlen werden von einer Reflektoroberfläche in einen Lichtleiter (ligth pipe) reflektiert und werden dann dazu verwendet, Randabschnitte oder hervorstehende Abschnitte auf einer Fotorezeptor-Oberfläche während eines elektrofotografischen Prozesses zu entladen.
Eine andere Beleuchtungsvorrichtung ist in der US-A-5,173,810 beschrieben.
Eine parallele Anmeldung mit dem Titel "LOCALIZED ILLUMINATI- ON USING TIR TECHNOLOGY" desselben Erfinders wird am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht und auf diese Anmeldung wird hiermit Bezug genommen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine lokale Beleuchtung wird bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, bei welchen Nummern, Formen, Designs, Piktogramme (Icons) oder andere Figuren gegenüber einem relativ dunkleren Hintergrund beleuchtet werden sollen. Beispiele von Anwendungen für eine lokale Beleuchtung sind unter anderem das Beleuchten von Piktogrammen auf Computerbildschirmen, Kameras, Videokameras, Stereoanlagen, Haushaltsgeräten und verschiedene industrielle Anwendungen.
Eine spezielle Anwendung für eine lokale Beleuchtung findet sich bei der Beleuchtung von Armaturenbrettern in Fahrzeugen. Ein typisches Fahrzeugarmaturenbrett umfasst eine Vielzahl von einzelnen Elementen, die zur Beobachtung durch eine Person in dem Fahrzeug beleuchtet werden können. Elemente, die beleuchtet werden können, sind z. B. Piktogramme von Kraftstoffpumpen, Ölkanistern, angegurtete Personen oder Hinweise wie "Überprüfe Motor", "Überprüfe Öl" und "Gurt anlegen". Einzelne Elemente von Ziffern bei einer digitalen Anzeige der Geschwindigkeit, der Umdrehungen pro Minute, der Meilen pro Gallone oder der Gallonen im Treibstofftank erfordern ebenfalls eine lokale Beleuchtung.
Eine Alternative zu einer herkömmlichen Beleuchtung eines Fahrzeugarmaturenbrettes ist eine "Kopfnach-oben"-Anzeige (heads-up display), bei welcher ein Piktogramm auf die Innenseite einer Windschutzscheibe unter Verwendung von vakuumfluoreszierenden (vacuum fluorescent) Anzeigen reflektiert wird. Derartige Anzeigen verwenden ebenfalls eine lokale Beleuchtung, benötigen allerdings eine extrem hohe Leistung.
Die lokale Beleuchtung beim Beleuchten eines Fahrzeugarmaturenbrettes wird üblicherweise unter Verwendung herkömmlicher Lampen erreicht, die in Wannen angeordnet sind, die in der Bodenstruktur des Armaturenbrettes ausgebildet sind. Obwohl Lampen ausgewählt werden können, die Licht in einer Vorwärtsrichtung emittieren (d. h. von der Lichtquelle zu der Ebene des zu beleuchtenden Objekts), wird immer auch etwas Licht in lateraler Richtung emittiert. Das in lateraler Richtung emittierte Licht einer Lampe kann sich dem in lateraler Richtung emittierten Licht benachbarter Lampen überlagern, um so Bereiche mit erhöhter Beleuchtung oder Licht-"Hot Spots", innerhalb der Armaturenbrettumrahmung zu erzeugen. Derartige Hot Spots sind wegen der ungleichmäßigen Beleuchtung, die daraus resultiert, und im allgemeinen auch deshalb, weil sie die Beleuchtungseffizienz reduzieren, unerwünscht. Die Qualität des durch solche Armaturenbrettlampen erzeugten Lichts ist vermindert, da ein großer Teil des erzeugten Lichts dadurch verschwendet wird, dass es in einer lateralen Richtung emittiert wird. Das in Vorwärtsrichtung emittierte Licht wird nicht effizient erzeugt.
Leuchtdioden-Chips werden ebenfalls als Lichtquelle bei Anwendungen zur Armaturenbrettbeleuchtung verwendet. Da jedoch die von Leuchtdioden emittierte Energie eher gering ist, und weil das von Leuchtdioden-Chips emittierte Licht üblicherweise in vier Richtungen emittiert wird, ist das Problem einer uneffizienten Lichterzeugung bei Leuchtdioden sogar von noch größerer Bedeutung als bei herkömmlichen Lampen. Es ist insbesondere schwierig, ausreichend Licht von den Leuchtdioden zu erhalten, so dass sie durch schwarze Armaturenbrettabdeckungen, die derzeit in der Automobilindustrie beliebt sind, klar sichtbar sind. Einzelne Leuchtdioden-Chips sind nicht hell genug, um einen gewünschten Bereich durch derartige Armaturenbrettabdeckungen zu beleuchten, speziell wenn "Kopfnach-oben"-Anzeigen verwendet werden.
Anstrengungen, das Problem mit in lateraler Richtung emittiertem Licht zu lösen, sehen das Anordnen von Kunststofftrichtern über jeder der herkömmlichen Lampen oder den Leuchtdioden vor. Diese Lösung ist allerdings nicht zufriedenstellend. Bei derartigen Systemen befindet sich üblicherweise nicht das gesamte Licht in dem Trichter, woraus Ineffizienzen bei der Erzeugung von Licht in der Ebene des beleuchteten Objekts resultieren. Zusätzlich sind derartige Trichter üblicherweise weiß, was Licht in alle Richtungen streut und somit zusätzliche Ineffizienzen bewirkt.
Keine bekannte Vorrichtung bietet in zufriedenstellender Weise die effiziente Erzeugung von ausreichend hellem Licht für die Verwendung bei der lokalen Beleuchtung bei Anwendungen wie beispielsweise dem Beleuchten eines Fahrzeugarmaturenbretts.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung zur Verfügung, die aufweist:
(a) eine Lichtquelle, die wenigstens teilweise in einer ersten Ebene angeordnet ist,
(b) ein optisches Element, das über der Lichtquelle angeordnet ist, zum Erfassen und Leiten des von der Lichtquelle emittierten Lichts in nur eine Richtung, (c) eine Einrichtung zum Durchleiten des Lichts zu einer zweiten Ebene, die von der ersten Ebene verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
(d) die erste Ebene mit einem reflektierenden Material beschichtet ist, um eine maximale Reflexion der Lichtquelle zu erreichen,
(e) das optische Element ein optisches Element mit innerer Totalreflexion (total internal reclection (TIR-) optical element) ist, das angeordnet ist, um das von der Lichtquelle emittierte Licht vollständig, einschließlich des in lateraler Richtung von der Lichtquelle emittierten Lichts, zu erfassen und zu leiten,
(f) die Einrichtung ein Lichtleiter ist, der getrennt von dem optischen Element mit der inneren Totalreflexion ist und in welchem das optische Element mit der inneren Totalreflexion angeordnet ist.
Vorteilhafterweise maximiert das Beleuchtungsverfahren die Helligkeit eines Objekts, beispielsweise eines Piktogramms, einer Ziffer oder einer anderen Figur, die eine lokale Beleuchtung erfordert, durch Sammeln, Weiterleiten/Umleiten und Leiten des gesamten oder eines Großteils des Lichts von einer Lichtquelle zu nur einer Ebene bei oder nahe dem Piktogramm, der Ziffer oder der Figur.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende Beschreibung eines Beispiels einer Ausführungsform und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, bei denen:
Fig. 1a eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Leiterplatte ist, die bei einer Beleuchtungsvorrichtung verwendet wird, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Fig. 1b eine Draufsicht auf ein Beispiel einer Leuchtdiodenanordnung ist, die auf der Leiterplatte gemäß Fig. 1a aufgebracht ist;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels eines Anzeigegehäuses ist, das über der Leuchtdiodenanordnung von Fig. 1b angeordnet ist;
Fig. 3a eine Seitenansicht eines Beispiels einer Linse mit totaler innerer Reflexion ist, die bei einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 3b eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Lichtleiters ist, der bei einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 4a eine Querschnittsdarstellung in Frontansicht des in Fig. 3b dargestellten Lichtleiters mit der darin angeordneten Linse mit totaler innerer Reflexion ist;
Fig. 4b eine Querschnittsdarstellung in Seitenansicht des in Fig. 3b dargestellten Lichtleiters mit der darin angeordneten Linse mit totaler innerer Reflexion ist;
Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung in Frontansicht des in Fig. 3b dargestellten Lichtleiters mit der darin angeordneten Linse mit totaler innerer Reflexion, die über einer Leuchtdiode angeordnet ist, ist;
Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung in Seitenansicht des in Fig. 5 dargestellten Lichtleiters ist;
Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung in Seitenansicht eines Beispiels einer Alternative eines Lichtleiters ist;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer weiteren Alternative eines Lichtleiters ist;
Fig. 9 eine Draufsicht auf ein Beispiel einer Abdeckung für einen Lichtleiter ist;
Fig. 10 eine Querschnittsdarstellung in Frontansicht eines Beispiels einer Alternative für eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 11 eine perspektivische Darstellung mit Teilausschnitt eines Beispiels einer weiteren Alternative einer Beleuchtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 12 eine Seitenansicht eines Beispiels einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Fahrzeugarmaturenbrett ist;
Fig. 13 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels einer weiteren Alternative einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 14 eine Frontansicht eines weiteren Beispiels einer Alternative einer Beleuchtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 15 eine Seitenansicht der Beleuchtungsvorrichtung gemäß Fig. 14 ist;
Fig. 16 eine perspektivische Darstellung der Beleuchtungsvorrichtung gemäß Fig. 14 ist; und
Fig. 17 eine Frontansicht eines Fahrzeugarmaturenbrettes mit Verwendung lokaler Beleuchtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Leiterplatte 10 mit darauf angeordneten elektrischen Verbindungsleitungen 11, die bei einer Beleuchtungsvorrichtung, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, verwendet wird. Die elektrischen Verbindungsleitungen sind in einer beliebigen gewünschten Form und in herkömmlicher Weise auf der Leiterplatte 10 ausgebildet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Verbindungsleitungen 11 derart angeordnet, dass sie die Leistung für eine digitale Anzeige zuführen. Die Lichtquelle für die Anzeige sind Leuchtdioden, obwohl auch herkömmliche Lampen verwendet werden können. Die Oberfläche 12 der Leiterplatte ist mit der maximal möglichen Menge von Metall oder einem anderen reflektierenden Material beschichtet, um eine maximale Reflexion des Leuchtdiodenlichts weg von der Leiterplatte 10 zur Verfügung zu stellen. Dies wird gemacht, damit das von der Oberfläche 12 reflektierte Licht gesammelt und in Vorwärtsrichtung umgeleitet/weitergeleitet (redirected) werden kann. Die Oberfläche 12 wirkt in dieser Beziehung wie ein Spiegel.
Fig. 1b zeigt ein Beispiel einer Leuchtdiodenanordnung 15. Die Leuchtdiodenanordnung 15 ist dazu ausgebildet, auf einer Leiterplatte 10 in dem gewünschten Muster angeordnet zu werden. Eine Vielzahl von Leuchtdioden 16 sind auf einer herkömmlichen durch Pressen befestigten (die attached) Unterlage befestigt und mittels Drähten 18 an eine gemeinsame Drahtkontaktierunterlage (wire bond pad) 19 angeschlossen. Die Leuchtdioden 16 können auch auf einzelnen Unterlagen 17 auf der Leiterplatte angeordnet und ebenso durch Drähte 18 an einzelne Drahtkontaktierunterlagen 19 angeschlossen sein.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Gehäuses 20 für eine digitales Anzeige, das dazu ausgebildet ist, über einer Leuchtdiodenanordnung 15 auf der Leiterplatte 10 angeordnet zu werden. Das Gehäuse 20 für die digitale Anzeige weist darin angeordnete Platzierungsöffnungen 21 auf. Das Gehäuse für die digitale Anzeige 20, die Leuchtdiodenanordnung 15 und die Leiterplatte 10 werden derart zusammengebaut, dass die Platzierungsöffnungen 21 direkt über den Leuchtdioden 16 auf der Leiterplatte 10 angeordnet sind. Eine oder mehrere Leuchtdioden 16 können durch eine einzelne Platzierungsöffnung 21 zugänglich sein.
Die Probleme von Hot Spots und unzureichende Beleuchtung durch die Leuchtdioden 16 durch die Platzierungsöffnungen 21 werden durch die Anordnung eines optischen Elements, beispielsweise einer Linse mit totaler innerer Reflexion (TIR lens, TIR = total internal reflexion) überwunden, welche in dem Ausführungsbeispiel in einem Lichtleiter über wenigstens einer Leuchtdiode 16 angeordnet ist. Fig. 3a ist eine Seitenansicht eines Beispiels einer TIR-Linse 25. Lichtstrahlen 26, die in lateraler Richtung von der Leuchtdiode 16, über welcher die Linse 25 angeordnet ist, emittiert werden, werden in vertikaler Richtung durch die Linse 25 gemäß dem bekannten Prinzip von TIR-Linsen weitergeleitet. Das US-Patent Nr. 5,404,869 von Parkyn, JR. et al. enthält eine Erörterung über Grundlagen im Zusammenhang mit TIR-Linsen und beschreibt eine Vorrichtung, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Das 869-Patent ist in der vorliegenden Anmeldung im Hinblick auf dessen Lehren bezüglich TIR-Linsen und auf dessen Beschreibung von Beispielen von Vorrichtungen durch Bezugnahme enthalten.
Um die TIR-Linse 25 über der Leuchtdiode 16 zu befestigen, wird die TIR-Linse 25 zuerst innerhalb eines Lichtleiters angeordnet und der Lichtleiter wird dann über der Leuchtdiode 16 befestigt. Fig. 3b zeigt ein Beispiel eines Lichtleiters 30, der einen konischen unteren Abschnitt 31 aufweist, der in ein unteres Ende 32 und eine Oberseite 33 mündet. Der Lichtleiter 30 ist dazu ausgebildet, in die Platzierungsöffnung 21 und über wenigstens eine Leuchtdiode 16 zu passen.
Die Linse 25 ist innerhalb des Lichtleiters 30 wie in den Fig. 4a und 4b gezeigt, angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Lichtleiter 30 hohl und an dem unteren Ende 32 und der Oberseite 33 offen. Der Lichtleiter 30 ist aus transparentem Material, wie beispielsweise Polycarbonat oder Acryl, gebildet. Bei Lichtleitern 30 für Anwendungen, bei welchen extreme Temperaturen erwartet werden, sollten temperaturtolerante Materialien verwendet werden.
Die Abmessungen des Lichtleiters 30 und der darin angeordneten TIR-Linse 25 sind durch den Ort der Leuchtdioden 16 auf der Leiterplatte 10 unter dem Gehäuse 20 für das digitale Display und durch bestimmte mechanische Beschränkungen bestimmt. Die mechanischen Beschränkungen beinhalten beispielsweise die Höhe von der Oberfläche der Leiterplatte 10 zu der Oberseite der Platzierungsöffnung 21, die gewünschte Form des beleuchteten Bereichs und die zulässige Breite der Platzierungsöffnung 21. Dies und andere Daten, wie beispielsweise Brechungsindizes, werden verwendet, um (z. B. durch computerunterstützte Berechnung und Analyse), das gewünschte Gesamt- TIR-Design durch in der Technik bekannte Verfahren zu erhalten, die in dem US-Patent Nr. 5,404,861, welches hierin durch Bezugnahme enthalten ist, beschrieben ist.
Fig. 5 ist eine Querschnittsdarstellung in Frontansicht eines Lichtleiters 30, in dem eine TIR-Linse 25 angeordnet ist und der über der Leuchtdiode 16 in Position gebracht ist. Fig. 6 ist eine Querschnittsdarstellung in Seitenansicht eines Lichtleiters 30 und einer TIR-Linse 25 über der Leuchtdiode 16.
Wie in Fig. 5 gezeigt, werden Lichtstrahlen 26, die in lateraler Richtung von der Leuchtdiode 16 emittiert werden, in vertikaler Richtung durch die TIR-Linse 25 umgeleitet/weitergeleitet. Lichtstrahlen, wie z. B. der Strahl 27, der in vertikaler Richtung von der Leuchtdiode 16 emittiert wird, passieren die TIR-Linse 25 ohne Richtungsänderung. Strahlen, wie beispielsweise der Strahl 28, die von der Leuchtdiode 16 nach unten emittiert werden, werden von der Oberfläche 12 der Leiterplatte 10, die metallisiert ist, um als Spiegel zu wirken, reflektiert. Der reflektierte Strahl 28 trifft im Endeffekt dann auf die Linse 25 wie ein in lateraler Richtung emittierter Strahl von der Leuchtdiode 16. Der Strahl 28 wird dann in vertikaler Richtung mit den anderen Strahlen 26, 27 weitergeleitet. Auf diese Weise wird Licht von der Leuchtdiode 16 in einer Ebene, die durch die Oberseite 33 des Lichtleiters definiert ist, maximiert. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung werden bei der dargestellten Ausführungsform die einzelnen Balken oder Elemente der Ziffern in dem Anzeigengehäuse 20, die durch die Platzierungsöffnungen 21 dargestellt sind, hell genug für Anwendungen bei Fahrzeugarmaturenbrettbeleuchtungen beleuchtet. Jede Leuchtdiode 16 in jeder Platzierungsöffnung 21 kann nach Wunsch individuell an- und abgeschaltet werden.
Die Verwendung der vorliegenden Erfindung für eine digitale Anzeige ist nur eine einer Vielzahl von Anwendungen der vorliegenden Erfindung. Bei anderen Anwendungen können alternative Ausführungsformen der einzelnen Elemente, wie des Lichtleiters 30, verwendet werden. Zum Beispiel kann, wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt, der Lichtleiter 30 so ausgebildet sein, dass er eine sich verengende oder konische Form aufweist. In Fig. 7 ist der Lichtleiter 30 konisch, wobei das untere Ende 32 den größten Durchmesser aufweist. Die TIR- Linse 25 ist am unteren Ende des Lichtleiters 30 angeordnet, wo sie das von der Leuchtdiode 16 ausgesendete Licht sammelt und nach oben durch den Lichtleiter 30 weiterleitet. Wegen des Konus in dem Lichtleiter 30 wird das gesamte Licht dann zu einer Ebene mit einem kleineren Durchmesser an der Oberseite 33 geleitet. Da die Lichtmenge in dem Lichtleiter 30 im wesentlichen erhalten bleibt und auf einen kleineren Durchmesser gebracht wird, ist die Helligkeit des Lichts in der Ebene an der Oberseite 33 höher als wenn der Lichtleiter 30 nicht konisch wäre und die Oberseite 33 denselben Durchmesser wie das untere Ende 32 hätte. Bei einem derartigen Design wird mehr Licht pro Flächeneinheit emittiert.
In ähnlicher Weise zeigt die Fig. 8 eine konische Struktur eines Lichtleiters mit einem kuchenförmigen Design. Die Leuchtdiode 16 und die TIR-Linse 25 sind in dem unteren Abschnitt 31 des Lichtleiters 30 enthalten. Der Lichtleiter 30 besitzt die größte Querschnittsfläche in horizontaler Richtung an dem unteren Ende 32 und verjüngt sich zu dem engsten Querschnitt an der Oberseite 33. Wie in Fig. 7 wird das Leuchtdioden-Licht gesammelt und durch die TIR-Linse 25 weitergeleitet und dann zu einer Ebene mit kleinerem Durchmesser an der Oberseite 33 geleitet, wo das Licht effektiv heller ist.
Ein anderes Anwendungsbeispiel für die vorliegende Erfindung ist die Beleuchtung von Piktogrammen (Icons). Dies kann auf mehrere Weisen erfolgen. Fig. 9 veranschaulicht ein Beispiel einer Abdeckung 40 die dazu ausgebildet ist, über der Oberseite 33 des Lichtleiters angeordnet zu werden. Die Abdeckung 40 kann so geformt sein, dass sie an die Form der Oberseite 33 angepasst ist und kann einstückig an die Oberseite 33 angeformt sein. Die Abdeckung 40 kann auch ein über der Oberseite 33 angeordneter Film sein. Weiterhin kann die Abdeckung 40 einstückig als Teil des Lichtleiters 30 ausgebildet sein, so dass der Lichtleiter 30 hohl aber an der Oberseite 33 geschlossen ist.
Die Abdeckung 40 weist ein darin angeordnete Piktogramm 41 auf. Das Piktogramm 41 wird beleuchtet, um Information zu einem Betrachter zu übertragen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Piktogramm 41 eine Kraftstoffpumpe zur Verwendung in einer Anzeige eines Fahrzeugarmaturenbretts. Damit wird, in diesem Fall, der Fahrer eines Fahrzeuges wegen eines leeren Kraftstofftanks gewarnt, wenn das Piktogramm 41 beleuchtet ist.
Die Abdeckung 40 kann aus demselben Material wie der Lichtleiter 30 bestehen, wobei das Piktogramm 41 aus der Abdeckung 40 ausgeschnitten oder ausgestanzt sein kann. Als Alternative kann die Abdeckung 40 zusammen mit dem Piktogramm geformt sein. Die Abdeckung 40 kann auch konisch zu einer erhabenen Ebene zulaufen, in welcher das Piktogramm 41 ausgebildet ist. Bei Beleuchtung wird das von der Leuchtdiode 16 emittierte Licht durch die TIR-Linse 25 gesammelt und durch den Lichtleiter 30, der das Licht zu der Ebene an der Abdeckung 40 über der Oberseite 33 leitet, weitergeleitet. Das gesamte Licht wird durch das Piktogramm 41 geleitet, um einen hellen, sichtbaren Gegenstand zu erzeugen.
Bei allen hierin erörterten, und wie oben beschriebenen, Ausführungsformen kann eine Vielzahl von Leuchtdioden 16 in einer einzigen Lichtleitung 30 angeordnet werden. Wie in Fig. 10 gezeigt, sind sechs Leuchtdioden 16 unter TIR-Linsen 25 innerhalb des Lichtleiters 30 angeordnet. Die Leuchtdioden 16 können alle dieselbe Farbe aufweisen, wobei zusätzlich Helligkeit durch eine höhere Anzahl von Lichtquellen erzeugt werden kann. Als Alternative können alle oder einige der Leuchtdioden 16 unterschiedliche Farben aufweisen, um separat oder zusammen beleuchtet zu werden und unterschiedliche Farben für die Beleuchtung zu erzeugen.
Z. B, kann, wie in Fig. 11 gezeigt ist, das Piktogramm 41 eines Kraftstofftanks in der Abdeckung 40 oberhalb des Lichtleiters 30 mit einem grünen Licht von den Leuchtdioden beleuchtet werden, wenn der Kraftstofftank voll ist. Die Leiterplatte 10 kann dazu programmiert oder angesteuert sein, nur die grünen Leuchtdioden 16a und 16b zu beleuchten. Wenn sich der Tank leert, können die Leuchtdioden 16c und 16d beleuchtet werden, so dass der Fahrer einen Wechsel der Farbe des Piktogramms 41 von grün nach gelb sieht. Wenn der Kraftstofffüllstand des Tanks sehr gering ist können die roten Leuchtdioden 16e und 16f beleuchtet werden, so dass das Piktogramm zu rot wechselt. Als Alternative können nur rote und grüne Leuchtdioden 16a, 16b, 16e und 16f verwendet werden, von denen alle aktiviert werden können, um zusammen leuchtend eine gelbe Farbe für das Piktogramm 41 zur gewünschten Zeit zu erzeugen. Diese kombinierte Verwendung von farbigem Licht von den Leuchtdioden vermeidet die Verwendung von überflüssigem Material und überflüssiger Energie, und eliminiert den Bedarf nach einzelnen farbigen Leuchtdioden, wie beispielsweise den gelben Leuchtdioden 16c und 16d.
Wie bereits oben erwähnt, können die mehrfarbigen Leuchtdioden 16 auch bei dem oben erörterten Gehäuse für die digitale Anzeige verwendet werden. So können z. B. bei einer Anwendung bei einem Fahrzeugarmaturenbrett die mehrfarbigen Leuchtdioden 16 verwendet werden, um ein digitales Display für die Fahrzeuggeschwindigkeit zu beleuchten, z. B. grün bei weniger als 55 Meilen/Stunde (mph), gelb zwischen. 55 und 65 mph und rot über 65 mph.
Eine andere Verwendung der vorliegenden Erfindung bei Anwendungen bei Fahrzeugarmaturenbrettern kann sein, verschiedene Lichtleitungen 30 mit darunter angeordneten Leuchtdioden 16 zu haben, die in einem Bogen hinter den Zahlen bei einem analogen Tachometer zur Beleuchtung angeordnet sind. Fig. 12 zeigt ein Beispiel einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtleiter 30, die in einem Fahrzeugarmaturenbrett (61) angeordnet ist. Das Piktogramm 41 wird sichtbar, wenn die Leuchtdioden 16 (nicht dargestellt), unterhalb des Lichtleiters 30 beleuchtet werden.
Fig. 13 veranschaulicht eine weitere Möglichkeit zum Beleuchten des Piktogramms 41 unter Verwendung der vorliegenden Erfindung. Die Figur zeigt, dass ein vollständig separates Teil 45 mit darin angeordnetem Piktogramm 41 anstelle der Abdeckung 40 in Kombination mit dem Lichtleiter 30 verwendet werden kann. In diesem Fall funktioniert der Lichtleiter 30 wie ein Hintergrundlicht, das das Licht in der Ebene an der Oberseite 33 zur Beleuchtung des Piktogramms 41 maximiert. Das separate Teil 45 ist von der Lichtleitung 30 entfernt und kann in der Anzeigenstruktur, beispielsweise einem Fahrzeugarmaturenbrett, selbst angeordnetes Teil sein, wobei der Lichtleiter 30 dieses von hinten beleuchtet.
Die Fig. 14 und 15 zeigen eine Alternative einer Beleuchtungsvorrichtung, bei der eine Linse 50 über der Oberseite 33 des Lichtleiters 30 angeordnet ist. Die Linse 50 kann die Ebene, in welcher Licht von den Leuchtdioden 16 konzentriert wird, weiter einengen, um so die Helligkeit des Lichts in dieser Ebene zu erhöhen. Die Linse 50 kann eine einfache zylindrische Linse oder eine flache holografische Linse sein. In dem zuletzt genannten Fall wird die holografische Linse dazu verwendet, den Sichtbereich anders als bei einem Diffuser, der den Sichtbereich ausweitet, einzuengen.
Die Verwendung der Linse 50 in Kombination mit dem Lichtleiter 30 ist insbesondere anwendbar bei Situationen, bei welchen der Sichtbereich genau definiert ist. Z. B. in einem Fahrzeug, weil die Augen des Fahrers unterhalb des Dachs des Fahrzeugs und oberhalb des Lenkrads sein müssen, gibt es einen vordefinierten Bereich, in welchem das Abbild gebündelt sein muss. Durch Einengen der Ebene der Fokussierung auf diesen definierten Bereich ist es möglich, ein beleuchtetes Piktogramm 41 noch heller zu machen.
Fig. 16 veranschaulicht die Verwendung einer Linse 50 auf einem Lichtleiter 30, um das Licht in der Ebene zu bündeln, in welcher ein separates Piktogramm angeordnet ist. Als Alternative kann das Piktogramm 41 natürlich auf einer Abdeckung 40 des Lichtleiters 30 unterhalb der Linse 50 angeordnet sein, so dass das Abbild des Piktogramms 41 in der gewünschten Ebene gebündelt wird.
Der Gesamteffekt der Verwendung der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 17 veranschaulicht, welche ein Fahrzeugarmaturenbrett, das eine lokale Beleuchtung verwendet, zeigt. Die Piktogramme 41 sind wegen der zusätzlichen Helligkeit, die durch die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beigesteuert wird, durch eine schwarze Armaturenbrettabdeckung/-tafel sichtbar.
Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nicht dazu verwendet, die Leuchtdiode 16 abzubilden. Entsprechend wird das Licht von der Leuchtdiode 16 nicht projiziert. Vielmehr wird das Licht von der Leuchtdiode 16 gesammelt und auf eine einzige Ebene gerichtet, um das von der Leuchtdiode 16 ausgesendete Licht bei der Beleuchtung von Fahrzeugarmaturenbrettern und bei anderen Anwendungen zu maximieren.
Obwohl die hier erörterten Ausführungsformen sich auf die Verwendung bei einem Fahrzeugarmaturenbrett beziehen, können Ausführungsformen der Erfindung, die bei anderen Anwendungen, beispielsweise bei Ampeln, Computern, Kameras, Videokameras, Stereoanlagen und Haushaltsgeräten sinnvoll sind, als innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegend angesehen werden.
Weiterhin können, wie oben erwähnt, alternative Ausführungsformen der einzelnen Elemente verwendet werden. Z. B. kann der Lichtleiter 30 hohl mit einer geschlossenen Oberseite 33 ausgeführt und in Kombination mit der Linse 50, der Abdeckung 40 und/oder separaten Teilen 45 verwendet werden.
Weiterhin kann das von der Lichtquelle emittierte Licht eine Strahlung mit einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Lichtspektrums, wie beispielsweise infrarotes oder ultraviolettes Licht, beinhalten. In diesem Fall kann die gesteigerte Sichtbarkeit eines zu betrachtenden Objekts über verschiedenen physikalische Reaktionen, z. B. Weißglut, Fluoreszenz, usw. erreicht werden.

Claims

1. Beleuchtungsvorrichtung, die aufweist:

(a) eine Lichtquelle (16), die wenigstens teilweise in einer ersten Ebene (12) angeordnet ist,

(b) ein optisches Element (25), das über der Lichtquelle (16) angeordnet ist, zum Erfassen und Leiten des von der Lichtquelle (16) emittierten Lichts in nur eine Richtung,

(c) eine Einrichtung zum Durchleiten des Lichts zu einer zweiten Ebene, die von der ersten Ebene (12) verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, dass

(d) die erste Ebene (12) mit einem reflektierenden Material beschichtet ist, um eine maximale Reflexion der Lichtquelle (16) zu erreichen,

(e) das optische Element (25) ein optisches Element mit innerer Totalreflexion (TIR) ist, das angeordnet ist, um das von der Lichtquelle (16) emittierte Licht vollständig, einschließlich des in lateraler Richtung von der Lichtquelle (16) emittierten Lichts, zu erfassen und zu leiten,

(f) die Einrichtung ein Lichtleiter (30) ist, der getrennt von dem optischen Element mit der inneren Totalreflexion ist und in welchem das optische Element (25) mit der inneren Totalreflexion angeordnet ist.

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lichtquelle (16) eine Leuchtdiode ist.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lichtquelle (16) eine Vielzahl von Leuchtdioden aufweist.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher wenigstens einige der Leuchtdioden untereinander unterschiedliche Farben aufweisen.

5. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Lichtleiter (30) konisch ausgebildet ist.

6. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Lichtleiter (30) derart ausgebildet ist, das er den Bereich mit dem größten Querschnitt an dem Ende des Lichtleiters (30) aufweist, der in der ersten Ebene (18) angeordnet ist, und...

den Bereich mit dem engsten Querschnitt an dem Ende des Lichtleiters (30) aufweist, der in der zweiten Ebene angeordnet ist.

7. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Abdeckung (40) aufweist, die wenigstens teilweise lichtdurchlässig in der zweiten Ebene über der Lichtleitung (30) angeordnet ist.

8. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Abdeckung (40) ein Piktogramm (41) aufweist, das derart darin angeordnet ist, dass das Piktogramm (41) durch das von der Lichtquelle (16) emittierte Licht beleuchtet wird.

9. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Abdeckung (40) einstückig an den Lichtleiter (30) angeformt ist.

10. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Abdeckung (40) aufweist, die wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist und die ein darin angeordnetes Piktogramm (41) aufweist, wobei die Abdeckung (40) in einer dritten Ebene über dem Lichtleiter (30) und beabstandet zu dem Lichtleiter (30) derart angeordnet ist, dass das Piktogramm (41)- durch das von der Lichtquelle (16) zu der zweiten Ebene emittierte Licht beleuchtet wird.

11. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Lichtleiter (30) ein geschlossenes Ende an der zweiten Ebene aufweist, wobei das geschlossene Ende wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist.

12. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 11, bei der das geschlossene Ende (33) des Lichtleiters (30) ein Piktogramm (41) aufweist, das derart darin angeordnet ist, dass das Piktogramm (41) durch das von der Lichtquelle (16) emittierte Licht beleuchtet wird.

13. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 11, die weiterhin eine Abdeckung (40) aufweist, die wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist und ein darin angeordnetes Piktogramm (41) aufweist, wobei die Abdeckung in einer dritten Ebene über dem Lichtleiter (30) und beabstandet zu dem Lichtleiter (30) derart angeordnet ist, dass das Piktogramm (41) durch das von der Lichtquelle (16) zu der zweiten Ebene emittierte Licht beleuchtet wird.

14. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Linse (50) aufweist, die in der zweiten Ebene über dem Lichtleiter (30) angeordnet ist.

15. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Linse (50) eine einfache zylindrische Linse ist.

16. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Linse (50) eine holographische Linse ist.

17. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 14, die weiterhin aufweist:

(a) eine Linse (50), die in der zweiten Ebene über dem Licht-. leiter (30) angeordnet ist, um das von der Lichtquelle (16) emittierte Licht in einer dritten Ebene beabstandet zu dem Lichtleiter (30) zu bündeln, und

(b) eine Abdeckung (40), die wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist und die ein darin angeordnetes Piktogramm (41) aufweist, wobei die Abdeckung (40) derart in der dritten Ebene angeordnet ist, dass das Piktogram (41) durch das von der, Lichtquelle (16) emittierte und durch die Linse (50) gebündelte Licht beleuchtet wird.

18. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin aufweist:

(a) eine Linse (50), die in der zweiten Ebene über dem Lichtleiter (30) angeordnet ist, und

(b) eine Abdeckung (40), die wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist und die ein darin angeordnetes Piktogramm (41) aufweist, wobei die Abdeckung (40) zwischen der Linse (50) und dem Lichtleiter (30) derart angeordnet ist, dass das Piktogramm (40) durch das von der Lichtquelle (16) emittierte Licht beleuchtet wird und das Abbild des Piktogramm (41) durch die Linse (50) in einer dritten Ebene beabstandet zu der Lichtleitung (30) gebündelt wird.

19. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 11, die weiterhin aufweist:

(a) eine Linse (50), die in der zweiten Ebene über dem geschlossenen Ende (33) des Lichtleiters (30) angeordnet ist, uni das von der Lichtquelle (16) emittierte Licht in einer dritten Ebene beabstandet zu dem Lichtleiter (30) zu bündeln, und

(b) eine Abdeckung (40), die wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist und ein darin angeordnetes Piktogramm (41) aufweist, wobei die Abdeckung (40) derart in der dritten Ebene angeordnet ist, dass das Piktogramm (41) durch das von der Lichtquelle (16) emittierte und durch die Linse (50) gebündelte Licht beleuchtet wird.

20. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 12, die weiterhin eine Linse (50) aufweist, die in der zweiten Ebene über dem geschlossenen Ende (33) des Lichtleiters (30) derart angeordnet ist, dass das Piktogramm (41) durch das von der Lichtquelle (16) emittierte Licht beleuchtet wird und dass das Abbild des Piktogramms (41) durch die Linse (50) in einer dritten Ebene beabstandet zu dem Lichtleiter (30) gebündelt wird.

21. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lichtquelle (16) auf einem reflektierenden Substrat derart aufgebracht ist, dass das Substrat das Licht von der Lichtquelle (16) zu dem optischen Element (25) mit innerer Totalreflexion (TIR) reflektiert.