DE69433819T2 - Konische mehrlagenbeleuchtungsvorrichtung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Beleuchtungseinrichtung für das Bereitstellen von ausgewählter Beleuchtung. Insbesondere betrifft die Erfindung konische Beleuchtungsvorrichtungen, wie etwa mit einer Keil- oder Scheibenform, für die Hintergrundbeleuchtung und die Steuerung des Winkelbereichs der Beleuchtung und der Lichtkonzentration im Allgemeinen.
  • Für Beleuchtungseinrichtungen wie Flüssigkristalldisplays gibt es eine Vielzahl von Anwendungen. Bei Flüssigkristall-Flachbildschirmen ist es wichtig, für eine angemessene Hintergrundbeleuchtung zu sorgen und dabei eine kompakte Lichtquelle beizubehalten. Es ist bekannt, keilförmige optische Einrichtungen für allgemeine Beleuchtungszwecke zu verwenden (siehe zum Beispiel US-PS 5 050 946 ). Die Lichteingabe in solche Einrichtungen erfolgt am größeren Ende, und das Licht wird dann intern von den Keiloberflächen reflektiert, bis der Grenzwinkel der reflektierenden Grenzfläche erreicht ist, wonach von der Keileinrichtung Licht ausgegeben wird. Solche Einrichtungen sind jedoch nur benutzt worden, um allgemein eine unkollimierte Beleuchtungsausgabe zu liefern, und sie besitzen häufig eine unerwünschte Raum- und Winkelausgabeverteilung. Einige dieser Einrichtungen sind beispielsweise weiß gestrichene Schichten, die als diffuse Reflektoren unkollimiertes Ausgabelicht erzeugen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, wie sie in dem beigefügten Anspruch 1 dargelegt ist.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Beleuchtungsvorrichtung bereitzustellen, die eine gesteuert und fokussiert ausgegebene Beleuchtung oder eine Eingabe mit gesteuertem Winkel für die Konzentration ermöglicht.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Beleuchtungssystem bereitzustellen, bei dem eine Lichtquelle wie ein parabolischer Verbund-Konzentrator, eine fluoreszierende, röhrenförmige Lichtquelle oder eine Quelle mit variablen Parameterfunktionen für das Erzeugen einer Ausgabe an eine optische Mehrschichteneinrichtung gekoppelt ist.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine neuartige optische Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, die über die Raumparameter einer Beleuchtungsvorrichtung einen variablen Brechungsindex aufweist.
  • Es ist noch eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Beleuchtungskeileinrichtung bereitzustellen, die eine nichtlineare Dickenabweichung und einen variablen Keilwinkel ϕ an ausgewählten Raumparametern entlang aufweist, wodurch eine Kompensation von Unregelmäßigkeiten bei der Lichtausgabe möglich ist.
  • Weitere Aspekte sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den nachfolgend beschriebenen Zeichnungen ohne weiteres deutlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine keilförmige Einrichtung des Standes der Technik,
  • 2A stellt eine erfindungsgemäß konstruierte konische Beleuchtungseinrichtung dar, 2B ist eine vergrößerte Teilansicht der Zusammenfügung der Keilschicht, der ersten Schicht und der zweiten, mit Facetten versehenen Schicht, 2C ist eine übertriebene Form von 2A, die eine stark vergrößerte zweite, mit Facetten versehene Schicht zeigt, 2D ist eine Teilansicht der Zusammenfügung der drei Schichten, die die Geometrie für Helligkeitsbestimmungen darstellt, 2E ist eine mehrschichtige Keileinrichtung mit einer lichtumlenkenden, intern durchlässigen Schicht an der Unterseite, 2F zeigt eine Keileinrichtung mit einer lichtdurchlässigen Schicht an der unteren Oberfläche, 2G zeigt eine Keilschicht mit einer mit Facetten versehenen, brechenden Schicht an der unteren Oberfläche, 2H zeigt eine Keilschicht mit einer brechenden Schicht an der unteren Oberfläche und gekrümmten Facetten daran, 2I zeigt eine Keilschicht mit einer brechenden Schicht aus Facetten mit variablen Facettenwinkeln, 2J zeigt ein einzelnes Brechungsprisma, das an eine Keilschicht gekoppelt ist, 2K zeigt ein einzelnes Brechungsprisma mit integrierter Linse, das an eine Keilschicht gekoppelt ist, 2L zeigt eine mit Facetten versehene, reflektierende Schicht, die an eine Keileinrichtung gekoppelt ist, 2M zeigt eine mit Facetten versehene, reflektierende Schicht mit gekrümmten Facettenwinkeln, die an eine Keileinrichtung gekoppelt ist, 2N zeigt eine flache reflektierende Facette an einer Keilschicht und 2O zeigt eine gekrümmte reflektierende Facette an einer Keilschicht,
  • 3A stellt eine mehrschichtige Keileinrichtung mit gekrümmten Facetten auf der Umgebungsseite der zweiten Schicht dar und 3B zeigt eine vergrößerte Teilansicht der Zusammenfügung der verschiedenen Schichten der Einrichtung,
  • 4A zeigt die berechnete Helligkeitsleistung im Verhältnis zum Winkel für einen asymmetrischen Beleuchtungswinkelbereich, 4B zeigt die berechnete Helligkeitsverteilungsleistung im Verhältnis zum Winkel für einen symmetrischeren Winkelbereich, 4C stellt die berechnete Helligkeitsleistung im Verhältnis zum Winkel für die Symmetrie aus 4B dar und fügt ein externes Diffusorelement hinzu, 4D stellt eine Ausgabe dar, die bei Verwendung flacher reflektierender Facetten ohne Paralleldiffusor entsteht (FWHM = full width at half maximum brightness (Halbwertsbreite der Helligkeit) = 7 Grad), 4E stellt ein Beispiel für eine fast symmetrische Ausgabeverteilung dar, gemessen unter Verwendung von flachen Facetten mit linsenartigem Paralleldiffusor (FWHM = 34 Grad), 4F stellt ein Beispiel für asymmetrische Ausgabeverteilung dar, gemessen unter Verwendung gekrümmter Facetten (FWHM = 32 Grad), 4G stellt ein Beispiel für asymmetrische Ausgabeverteilung dar, gemessen unter Verwendung von gekrümmten Facetten (FWHM = 26 Grad), 4H stellt ein Beispiel für eine bimodale Ausgabeverteilung dar, gemessen unter Verwendung einer mit Facetten versehenen reflektierenden Schicht und einer mit Facetten versehenen brechenden Schicht, und 4I stellt ein Beispiel für eine Ausgabeverteilung mit großen Nebenmaxima dar, gemessen unter Verwendung einer unteren, diffus reflektierenden umlenkenden Schicht und einer oberen, brechenden/intern reflektierenden umlenkenden Schicht,
  • 5A zeigt eine Draufsicht auf einen scheibenförmigen Lichtwellenleiter und 5B stellt einen Querschnitt entlang 5B-5B in 5A dar,
  • 6A zeigt eine Querschnittsansicht einer mehrschichtigen konischen Beleuchtungseinrichtung einschließlich einer Luftspaltschicht, 6B zeigt eine weitere konische Beleuchtungsvorrichtung mit einer parabolischen Verbund-Lichtquelle/einem parabolischen Verbund-Konzentrator im Querschnitt, 6C stellt eine weitere konische Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle mit variablem Parameterprofil und einem linsenartigen Diffusor im Querschnitt dar und 6D zeigt eine weitere konische Beleuchtungsvorrichtung mit einer ungleichförmigen Keilschichtdicke im Querschnitt,
  • 7 stellt ein konzentrisch um eine Lichtquelle herum angeordnetes reflektierendes Element dar,
  • 8 stellt ein reflektierendes Element dar, das mit maximaler Verschiebung zwischen dem Krümmungsmittelpunkt des Reflektors und dem Mittelpunkt einer Lichtquelle um die Lichtquelle herum angeordnet ist,
  • 9A stellt die Verwendung einer umlenkenden Schicht dar, durch die die von allen Teilen der Einrichtung ausgestrahlte Winkelverteilung im Wesentlichen ähnlich ist, und 9B stellt die Verwendung einer umlenkenden Schicht dar, durch die die von verschiedenen Teilen der Einrichtung ausgestrahlte Winkelverteilung variiert wird und insbesondere die verschiedenen Winkelverteilungen fokussiert werden, um ihre Überlappung bei einer gewählten Zielentfernung zu vergrößern,
  • 10 stellt eine Form des Paars linsenartiger Arrays einer Beleuchtungsvorrichtung dar und
  • 11 stellt ein Array linsenartiger Diffusoren und eine Schicht gekrümmter Facetten einer Beleuchtungsvorrichtung dar,
  • 12A stellt eine keilförmige Beleuchtungsvorrichtung mit einem Paar Beugungsgitter oder Hologrammschichten dar, 12B zeigt eine keilförmige Beleuchtungsvorrichtung mit einem Paar brechender Facettenschichten und Diffusoren, 12C stellt eine keilförmige Beleuchtungsvorrichtung mit einem Paar mit Facetten versehener Schichten dar, 12D zeigt eine keilförmige Beleuchtungsvorrichtung mit zwei brechenden Einzelfacettenschichten, 12E stellt eine keilförmige Beleuchtungsvorrichtung mit einer brechenden Einzelfacettenschicht und einer umlenkenden Schicht an der unteren Oberfläche dar, 12F zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer umlenkenden Schicht einer mit Facetten versehenen brechenden Schicht an der oberen Oberfläche und einer brechenden und intern reflektierenden Schicht an der unteren Oberfläche, 12G stellt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer mit Facetten versehenen brechenden/intern reflektierenden Schicht an der oberen Oberfläche und einer mit Facetten versehenen brechenden/intern reflektierenden Schicht an der unteren Oberfläche dar, 12H zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer mit Facetten versehenen brechenden Schicht an der oberen Oberfläche und einer mit Facetten versehenen brechenden/intern reflektierenden Schicht an der unteren Oberfläche, 12I stellt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Spiegelreflektor an der unteren Oberfläche und einem Transmissionsbeugungsgitter oder Transmissionshologramm an der oberen Oberfläche dar, 12J zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Spiegelreflektor an der unteren Oberfläche und einer mit Facetten versehenen brechenden Schicht und einem Diffusor an der oberen Oberfläche, 12K stellt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Spiegelreflektor an der unteren Schicht und einer mit Facetten versehenen brechenden/intern reflektierenden Schicht an der oberen Schicht dar, 12L zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem unteren Spiegelreflektor und einer mit Facetten versehenen brechenden/intern reflektierenden Schicht an der oberen Schicht, 12M stellt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Anfangsreflektorabschnitt einschließlich eines integralen linsenartigen Diffusors dar, 12N zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem angerauhten Anfangsreflektorabschnitt einer Schicht, 12O stellt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem exzentrischen Lichtkoppler dar, die zum keilförmigen Abschnitt konvergiert, 12P zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem exzentrischen Lichtkoppler und einem Diffusor sowie einem angerauhten oder linsenartigen Reflektor, 12Q stellt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer spiegelnd oder diffus reflektierenden unteren Schicht und einer brechenden oberen Schicht dar und 12R zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung für das Erzeugen einer breitstrahlenden Lichtausgabe,
  • 13 stellt eine Kombination aus zwei integral ausgebildeten, keilförmigen Abschnitten dar, die zwei Lichtquellen benutzen,
  • 14 zeigt eine konische Scheiben-Beleuchtungsvorrichtung einschließlich einer mit Facetten versehenen umlenkenden Schicht,
  • 15 stellt eine Beleuchtungsvorrichtung dar, die eine kollimierte Lichtausgabeverteilung bereitstellt,
  • 16A zeigt ein LCD des Standes der Technik im Umgebungsmodus und 16B stellt eine transflektive LCD-Einheit des Standes der Technik dar,
  • 17 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung, die im Umgebungsmodus und im aktiven Modus betrieben wird, mit einer mit Facetten versehenen umlenkenden Schicht und einem linsenartigen Diffusor und
  • 18 stellt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Array aus Mikroprismen für eine mit Facetten versehene Oberfläche dar, die über einer diffusen Hintergrundbeleuchtung angeordnet ist.
  • Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Eine gemäß einer Form der Erfindung konstruierte mehrschichtige Beleuchtungseinrichtung ist in 2A dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Ein Keil 11 des Standes der Technik ist in 1 allgemein gezeigt. Bei diesem Keil 11 werden die Lichtstrahlen innerhalb des Keils 11 von den Oberflächen reflektiert, bis der Einfallswinkel kleiner ist als der Grenzwinkel (sin–11/n), wobei n der Brechungsindex des Keils 11 ist. Das Licht kann gleichermaßen aus der oberen und der unteren Oberfläche des Keils 11 sowie in Glanzwinkeln austreten.
  • Die in 2A gezeigte mehrschichtige Beleuchtungseinrichtung 10 (nachfolgend "Einrichtung 10") weist eine Keilschicht 12 mit einem charakteristischen optischen Brechungsindex n1 auf. Der Begriff "Keilschicht" wird hier für alle Geometrien verwendet, deren obere und untere Oberfläche konvergieren und die im Querschnitt keilförmige Bereiche aufweisen. Die Achsen x, y und z sind in den 2A und 2C angegeben, wobei die y-Achse senkrecht zum Papier verläuft. Zu typischen für die Keilschicht 12 brauchbaren Materialien zählen fast alle transparenten Materialien wie Glas, Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, Methylmethacrylat/Styrol-Copolymer (NAS) und Styrol/Acrylnitril. Die Keilschicht 12 in 2A weist weiterhin eine obere Oberfläche 14, eine untere Oberfläche 16, Seitenflächen 18, eine Kante 26 und eine Rückfläche 20 mit einer Dicke to auf, die die obere und die untere Oberfläche sowie die Seitenflächen überbrückt. Eine Lichtquelle, wie z. B. eine röhrenförmige Fluoreszenzlampe 22, koppelt durch die Rückfläche 20 Licht 24 in die Keilschicht 12 ein. Das Licht 24 wird intern von den verschiedenen Oberflächen der Keilschicht reflektiert und an der Keilschicht 12 entlang zur Kante 26 gelenkt. Es können andere mögliche Lichtquellen benutzt werden, die nachfolgend beschrieben werden. Im Allgemeinen stellen konventionelle Lichtquellen im Wesentlichen inkohärentes, unkollimiertes Licht bereit, jedoch kann von den hier vorliegenden Erfindungen auch kohärentes, kollimiertes Licht verarbeitet werden.
  • In dem Fall, dass die Oberflächen 14 und 16 flach sind, wird ein einziger Neigungswinkel ϕ für einen linearen Keil durch die obere Oberfläche 14 und die untere Oberfläche 16 definiert. Bei nichtlinearen Keilen können Winkel ϕ kontinuierlich definiert werden und der nichtlineare Keil kann so konstruiert sein, dass er die gewünschte Steuerung der Lichtausgabe oder Lichtkonzentration bereitstellt. Ein solcher nichtlinearer Keil wird nachfolgend noch ausführlicher beschrieben.
  • Bei der Ausführungsform der 2A ist eine erste Schicht 28 ohne dazwischenliegenden Luftspalt an die Keilschicht 12 gekoppelt und besitzt einen optischen Brechungsindex n2 und ist optisch an die untere Oberfläche 16 gekoppelt. Die Dicke der ersten Schicht 28, die die gewünschte Funktionalität erreicht, kann von ein paar Lichtwellenlängen bis zu viel größeren Dicken reichen. Die sich ergebende dielektrische Grenzfläche zwischen der Keilschicht 12 und der ersten Schicht 28 weist einen größeren Grenzwinkel auf als an der Grenzfläche zwischen der Keilschicht 12 und der Umgebung. Wie nachfolgend deutlich wird, kann dieses Merkmal eine bevorzugte Winkelausgabe und die Kollimation des Lichts 24 aus der Einrichtung 10 ermöglichen.
  • An die erste Schicht 28 ist eine zweite Schicht 30 (am besten in 2B zu sehen) mit einem optischen Brechungsindex n3 gekoppelt, der größer als n2 und bei manchen Ausführungsformen bevorzugt größer als n1 ist. Diese Konfiguration ermöglicht es dann dem Licht 24, die erste Schicht 28 zu verlassen und in die zweite Schicht 30 einzutreten. Bei der Ausführungsform der 2A gibt es im Wesentlichen keine zwischen der ersten Schicht 28 und der zweiten Schicht 30 liegenden Luftspalte. Bei der in 2A dargestellten bevorzugten Form der Erfindung ist n1 etwa 1,5, n2 < 1,5 und n3 ≥ n1. Besonders bevorzugt ist n1 = 1,5, n2 < 1,5 (wie z. B. etwa Eins) und n3 ≥ n1.
  • Bei einer solchen in 2A gezeigten mehrschichtigen Konfiguration für die Einrichtung 10 verursacht die Keilschicht 12 eine Verringerung des Einfallswinkels für jede zyklische Reflexionszeit von der oberen Oberfläche 14 um den Neigungswinkel 2ϕ (in Bezug auf die Senkrechte zur Ebene der unteren Oberfläche 16). Wenn der Einfallswinkel bei der unteren Oberfläche 16 kleiner ist als der für die Grenzfläche zwischen der Keilschicht 12 und der ersten Schicht 28 charakteristische Grenzwinkel, wird das Licht 24 in die erste Schicht 28 eingekoppelt. Daher bilden die erste Schicht 28 und die damit verbundenen Eigenschaften der optischen Grenzfläche einen Winkelfilter, wodurch das Licht 24 durchgelassen wird, wenn die Bedingung θ < θc = sin–1(n2/n1) erfüllt ist. Das heißt, der beschriebene Grenzwinkel liegt höher als für die Grenzfläche zwischen der Luft und der Keilschicht 12. Daher geht, wenn sich die beiden Grenzwinkel um mehr als 6ϕ unterscheiden, fast das gesamte Licht 24 in die Grenzfläche zwischen der Keilschicht 12 und der ersten Schicht 28 über, bevor es die Keilschicht 12 durch die obere Oberfläche 14 verlassen kann. Infolgedessen kann ein wesentlicher Anteil, jedoch weniger als die Hälfte des Lichts die obere Oberfläche 14 verlassen, wenn sich die beiden Grenzwinkel um weniger als ϕ unterscheiden. Wenn sich die beiden Winkel um mehr als ϕ und weniger als 6ϕ unterscheiden, dann geht wesentlich mehr als die Hälfte, jedoch nicht das ganze Licht in die Keilschicht 12 und die erste Schicht 28 über, bevor es die Keilschicht 12 durch die obere Oberfläche 14 verlassen kann. Die Einrichtung 10 kann deshalb so konstruiert sein, dass die Bedingung θ < θc zunächst für die untere Oberfläche 16 erfüllt ist. Das austretende Licht 24 (Licht, das in die Schicht 28 eingetreten ist) tritt dann in die zweite Schicht 30 ein, solange beispielsweise n3 > n2. Aus dem Licht 24 wird dann in der zweiten Schicht 30 kollimiertes Licht 25, was aufgrund der Tatsache geschieht, dass die erste Schicht 28 an die Keilschicht 12 gekoppelt ist und das richtige Verhältnis zwischen den Brechungsindizes aufweist.
  • Um eine Ausgabe des Lichts 24 aus der Einrichtung 10 zu erzeugen, weist die zweite Schicht 30 Mittel für das Streuen von Licht auf, wie z. B. eine in 2E gezeigte Farbschicht 33 oder erfindungsgemäß eine mit Facetten versehene Oberfläche 34, die sowohl in 2B als auch in 2C gezeigt ist. Die Farbschicht 33 kann vorzugsweise dazu benutzt werden, ein Bild oder andere visuelle Informationen zu projizieren. Die Farbschicht 33 kann beispielsweise eine steuerbare Verteilung von Partikeln mit charakteristischen Brechungsindizes umfassen.
  • Durch geeignete Auswahl kann Licht auch durch die Keilschicht 12 zurück und in die Umgebung umgelenkt (siehe Licht 29 in den 2A und 2C) oder aus der zweiten Schicht 30 direkt in die Umgebung ausgegeben werden (siehe Licht 29' in 2F).
  • Bei anderen Formen der Erfindung kann es weitere Schichten mit den damit verbundenen n-Werten geben. Bei einer bevorzugten Form der Erfindung kann der Index der Schicht mit dem niedrigsten Index n2 in Gleichungen für die numerische Apertur und den Ausgabewinkel (weiter unten angegeben) ersetzen. Solche weiteren Schichten können beispielsweise zwischen der Keilschicht 12 und der ersten Schicht 28 oder zwischen der ersten Schicht 28 und der zweiten Schicht 30 liegen oder Deckschichten der Keilschicht 12 oder der zweiten Schicht 30 sein.
  • Einige Geometrien führen zu einer Ausgabe von Licht in die Umgebung, das nicht durch die Keilschicht 12 zurückreflektiert wird. Die Einrichtung 10 in 2F kann beispielsweise eine lichtdurchlässige Schicht 37 enthalten. Bei einer in 2G gezeigten Ausführungsform ist eine brechende Schicht 38 gezeigt. Die brechende Schicht 38 kann flache Facetten 39 für das Bereitstellen einer kollimierten Ausgabe enthalten. In 2G ist schemenhaft auch ein linsenartiger Querdiffusor 83 gezeigt, der nachfolgend noch ausführlicher beschrieben wird. Die Diffusorschicht 83 kann mit allen Geometrien der Erfindung verwendet werden, einschließlich oberhalb der Keilschicht 12 (wie in 6A).
  • Bei einem weiteren, in 2H gezeigten Beispiel kann die brechende Schicht 38 gekrümmte Facetten 41 aufweisen, die über eine Sollwinkelverteilung hinweg eine stufenlos verbreiterte Ausgabe bereitstellen. Bei einem in 2I gezeigten Beispiel weist die brechende Schicht 38 Facetten 42 mit variablen Winkeln auf. Diese Facetten 42 besitzen Facettenwinkel und/oder eine Facettenkrümmung, die je nach Position über das Facettenarray hinweg unterschiedlich sind, um Ausgabelicht auf gewünschte Weise zu fokussieren. Gekrümmte Facetten würden das Erzeugen eines weich fokussierten Bereichs ermöglichen, in dem der gesamte Betrachtungsbildschirm beleuchtet zu sein scheint. Beispiele für die Anwendung bei der Computerbildschirmbeleuchtung werden nachfolgend beschrieben. In den 2J und 2K wird ein einzelnes brechendes Prismenelement 43 bzw. das Prismenelement 43 mit einer integralen Linse 44 für das Fokussieren des Ausgabelichts gezeigt. Die 2L und M zeigen die mit Facetten versehene Oberfläche 34, wobei die Facetten für das Steuern der Ausgabelichtverteilung in einem Winkel angeordnet sind. In den 2K und 2L wird das Licht zu einem Brennpunkt "F" ausgegeben, während die Ausgabe in 2M über einen ungefähren Betrachtungsbereich 45 erfolgt. Die 2N und 2O stellen die flachen reflektierenden Facetten 48 und die gekrümmte reflektierende Facette 49 für das Bereitstellen einer kollimierten bzw. fokussierten Lichtausgabe dar.
  • Wie in den 2A und C gezeigt reflektiert die mit Facetten versehene Oberfläche 34 Licht 29 optisch und lenkt es durch die zweite Schicht 30, die erste Schicht 28 und dann durch die Keilschicht 12 in die Umgebung um. Es wird nur ein Bruchteil jeder Facette beleuchtet, wodurch die Ausgabe abwechselnd hell und dunkel erscheint, wenn sie in einem ausreichend kleinen Maßstab betrachtet wird. Da dieses Muster in der Regel nicht erwünscht ist, ist die Periode des Abstands zwischen den einzelnen mit Facetten versehenen Oberflächen 34 bei der in 2B gezeigten bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise so groß, dass Beugungseffekte vermieden werden, aber so klein, dass die einzelnen Facetten durch das vorgesehene Betrachtungsmittel nicht erfasst werden. Der Abstand wird auch so gewählt, dass die Bildung von Moiré-Interferenzbildern mit Merkmalen der zu beleuchtenden Einrichtung, wie z. B. eines Flüssigkristalldisplays oder CCD-Arrays (CCD = Charge-Coupled Device = ladungsgekoppelter Baustein), vermieden wird. Eine gewisse Unregelmäßigkeit des Abstands kann unerwünschte Moiré-Beugungseffekte abmildern. Bei typischen Hintergrundbeleuchtungsdisplays kann eine Abstandsperiode von ungefähr 0,001–0,003 Inch den gewünschten Zweck erfüllen.
  • Die mit Facetten versehene Oberfläche 34 in den 2B und 2C kann beispielsweise allgemein so hergestellt werden, dass sie den Winkelbereich, über den umgelenktes Licht 29 von der Einrichtung 10 ausgegeben wird, steuert. Die Mindestverteilung des Ausgabewinkels in der Schicht 30 hat eine Breite, die ungefähr Δθ = 2ϕ[(n1 2 – n2 2)/(n3 2 – n2 2)]1/2 entspricht.
  • Da ϕ sehr klein sein kann, kann es sich bei der Einrichtung 10 deshalb um einen ziemlich effektiven Kollimator handeln. Daher weist bei der mit Facetten versehenen linearen Oberfläche 34 das austretende umgelenkte Licht 29 in Luft eine Mindestwinkelbreite von ungefähr ΔθLuft = n3Δθ = 2ϕ(n1 2 – n2 2)/[1 – (n2/n3)2]1/2 auf. Wie weiter oben beschrieben und in den 2H, 2I, 2K, 2L, 2M und 3 gezeigt, kann die Facettengeometrie dazu verwendet werden, die über den Mindestwinkel hinausgehende Winkelausgabe zu steuern sowie die Richtung des Ausgabelichts zu fokussieren und zu steuern.
  • Fresnel-Reflexionen von den verschiedenen Grenzflächen können den Ausgabewinkel auch über die oben angegebenen Werte hinaus verbreitern, dieser Effekt kann jedoch durch Auftragen einer Antireflexschicht 31 auf einer oder mehreren internen Grenzflächen, wie in 2B gezeigt, verringert werden.
  • Das Helligkeitsverhältnis (HV) für die dargestellte Ausführungsform kann sowohl durch Bezugnahme auf 2D als auch durch Anpassung des Lichtleitwerts bestimmt werden, und HV lässt sich folgendermaßen ausdrücken:
    Figure 00140001
    oder HV = beleuchtete Fläche/Gesamtfläche
    HV = [1 – (n2/n3)2]1/2 = 0,4–0,65 (für die meisten transparenten dielektrischen Materialien)
  • Zum Beispiel kann die Keilschicht 12 aus Acryl (n1 = 1,49), die erste Schicht 28 aus Fluorpolymer (n2 = 1,28–1,43) oder Sol-Gel (n2 = 1,05–1,35), Fluoridsalzen (n2 = 1,38–1,43) oder auf Silikon basierendem Polymer oder Kleber (n2 = 1,4–1,45) bestehen, und die zweite Schicht 30 kann ein mit Facetten versehener Reflektor wie Polycarbonat (n3 = 1,59), Polystyrol (n3 = 1,59), Epoxidharz (n3 = 1,5–1,55) oder Acryl (n3 = 1,49) sein, die an der Grenzfläche zur Luft metallisiert worden sind.
  • Die beispielsweise in den 2B und 2C gezeigten flachen oder linearen, mit Facetten versehenen Oberflächen 34 können das einfallende Licht umlenken, um die Richtung der Lichtausgabe zu steuern und auch die Winkelverteilung des Lichts Δθ, das durch den Winkelfiltereffekt in die zweite Schicht 30 eingekoppelt wird (siehe beispielsweise 4D), im Wesentlichen beizubehalten. Bei einer in 2L gezeigten bevorzugten Ausführungsform beispielsweise reflektieren die mit Facetten versehenen Oberflächen 34 Licht mit den in Abhängigkeit von der Position unterschiedlichen flachen Facettenwinkeln, um das Ausgabelicht zu fokussieren. In 2M weisen die mit Facetten versehenen Oberflächen 34 gekrümmte Facettenwinkel auf, die sich in Abhängigkeit von der Position unterscheiden, um eine weich fokussierte Betrachtungszone 45 zu erzeugen, innerhalb der der gesamte Schirm beleuchtet zu sein scheint (siehe auch z. B. 4F und 4G). In 2M ist auch schemenhaft ein beispielhaftes Flüssigkristalldisplay 47 gezeigt, das in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden kann. Wie weiterhin in den 3A und 3B gezeigt, lenken gekrümmte Facetten 36 auch das einfallende Licht 24 um, die Facettenkrümmung vergrößert jedoch den sich für das umgelenkte Licht 29 ergebenden Bereich der Winkelausgabe (für den Vergleich mit flachen Facetten siehe 2D). Es ist beispielsweise bekannt, dass eine konkave Mulde ein reelles Bild und eine konvexe Mulde ein virtuelles Bild erzeugen kann (siehe z. B. 3B). In jedem Fall entspricht das Bild einer Zeilenquelle, die Licht gleichförmig über den gewünschten Winkelausgabebereich ausstrahlt. Ein Array solcher muldenförmiger Facetten 36 kann somit die eintreffende Form kollimierten Lichts 25 von der ersten Schicht 28 umlenken (siehe 2C) und mehrere solcher Zeilenquellenbilder bilden dann das umgelenkte Licht 29. Wenn man den Abstand der gekrümmten Facetten 36 so wählt, dass er unterhalb der Auflösung des menschlichen Auges liegt, erscheint das sich ergebende Array aus Zeilenquellen einem Betrachter als sehr gleichförmig. Wie bereits erwähnt erhält man ein solches Ergebnis durch die Wahl von etwa dreihundert bis fünfhundert Zeilen/Inch oder 0,002 bis 0,003 Inch für die Periode des Facettenabstandes. Für ein typisches LCD sind Betrachtungsentfernungen von etwa zwanzig Inch oder mehr üblich.
  • Zu anderen brauchbaren Facettenformen gehören beispielsweise parabolische, elliptische, hyperbolische, kreisförmige, exponentielle, polynomische, polygonale Formen sowie Kombinationen davon. Der Benutzer kann somit unter Verwendung verschiedener Facettengestaltungen praktisch willkürliche Verteilungen einer Bemittelten Helligkeit von Beleuchtung konstruieren. Polygonförmige Facetten können beispielsweise für das Erzeugen von Ausgabewinkelverteilungen mit mehreren Spitzen verwendet werden.
  • Beispiele für die Helligkeitsverteilung über verschiedene Winkelausgabebereiche unter Verwendung eines mit gekrümmten Facetten versehenen Reflektors sind in den 4A4C, 4F und 4G dargestellt. Die 4C und 4E zeigen die Helligkeitsverteilung im Falle eines Reflektors mit linearen Facetten, der weiterhin ein Diffusorelement 40 aufweist (in 2C in Umrissen gezeigt). Die vorausgesagte Leistungsausgabe für die verschiedenen Winkelbereiche wird gezeigt (siehe 4A4C) und mit der gemessenen Winkelausgabe von Licht bei einer im Handel erhältlichen Quelle, wie z. B. einer "Wedge-Light"-Einheit, einer Marke der Firma Display Engineering, verglichen. Der bevorzugte Winkelbereich kann ohne weiteres modifiziert werden, um besondere Betrachtungs- und Kollimationsanforderungen bis hin zum Mindestwinkel Δθ (Luft) unterzubringen, wie weiter oben durch die Gleichung in den Termen ϕ, n1, n2 und n3 beschrieben. Diese Modifikation kann durch schrittweises Verändern der Krümmung der gekrümmten Facetten 36 auf die in 2M gezeigte Weise und wie weiter oben erläutert erreicht werden. Zusätzlich zur dargestellten Steuerung des vertikalen Betrachtungswinkelbereichs kann eine Modifikation des horizontalen Betrachtungsbereichs auch durch entsprechende Änderungen der Form der gekrümmten Facetten 36 erreicht werden. Die oben beschriebenen und in den 4A4I gezeigten Winkelverteilungen sind repräsentativ, wenn die Einrichtung 10 das Licht 24 innerhalb der numerischen Apertur NA = (n1 2 – n2 2)1/2 verarbeitet. Wenn sich Licht außerhalb dieses Bereichs befindet, können zusätzliche Techniken angewandt werden, die beim Steuern des Winkelausgabebereichs helfen.
  • Die 9A und 9B stellen weiterhin die Verwendung von umlenkenden Mitteln dar, die eine dicht überlappende fokussierte Beleuchtungsausgabe bzw. eine weniger überlappende fokussierte Beleuchtungsausgabe bereitstellen. Diese Konzepte lassen sich praktisch anwenden, wenn man bedenkt, dass ein typischer tragbarer Computerbildschirm 87 eine vertikale Ausdehnung "V" von etwa 150 mm aufweist, während eine typische Betrachtungsentfernung "D" 500 mm beträgt. Ein Betrachter in einer Entfernung "D", der senkrecht zur vertikalen Mitte des Computerbildschirms 87 positioniert ist, betrachtet verschiedene Bereiche des Bild schirms 87 aus Winkeln, die von –8,5° am oberen Rand des Bildschirms 87 bis zu +8,5° am unteren Rand des Bildschirms 87 reichen. Diese Variationsbreite des Betrachtungswinkels kann jedoch bei der Verwendung eines Systems mit einer solchen Bildschirmbeleuchtung unerwünschte Effekte verursachen. Ein solcher bei schränkter Beleuchtungswinkel für den Bildschirm 87 läßt darauf schließen, dass der Bereich der Positionen von denen ein Betrachter einen vollständig beleuchteten Bildschirm 87 sehen kann, beschränkt ist (siehe 9A). Definiert man die Betrachterposition durch den Winkel und die Entfernung von der Mitte des Bildschirms 87, dann wird der effektive Winkelbereich wesentlich unter den Nennbeleuchtungswinkel reduziert. Wenn beispielsweise der Nennbeleuchtungsbereich an jeder einzelnen Facette ±20° beträgt, dann verringert sich der effektive Betrachtungsbereich bei dem in 9A gezeigten typischen Flachbildschirmilluminator auf ±12°. Die resultierende Beleuchtung zwischen 12°–20° auf beiden Seiten der Mitte bei dem Bildschirm 87 wird dem Betrachter ungleichförmig erscheinen.
  • Die vorliegende Erfindung kann dazu verwendet werden, die oben beschriebenen Ungleichförmigkeiten zu beseitigen, indem man die Ausrichtung der mit Facetten versehenen Oberfläche 34 steuert. Wie beispielsweise in 2M dargestellt, werden beide Oberflächen der Facetten schrittweise gedreht, so dass die flache Facettenoberfläche von 35,6° bis 33,3° in Bezug auf die oder parallel zu den Kanten der Ebenen, die die verschiedenen Schichten der Einrichtung 10 definieren, variiert wird. Dieses systematische Variieren vom oberen zum unteren Rand des Bildschirms 89 (siehe 9B) führt zu der dargestellten umgelenkten Ausgabe. Die mit Facetten versehene Oberfläche 34 kann weiterhin mit dem Diffusor 83 und dergleichen kombiniert werden, um eine Beleuchtungsausgabeverteilung mit variablem, aber steuerbarem Licht zu erzeugen. Eine mit flachen Facetten versehene Oberfläche 168 kann weiterhin mit einem Diffusor 170 kombiniert werden. Wie in 9B gezeigt ermöglicht daher die Rotierbarkeit der Winkelverteilungen von Licht an verschiedenen Punkten auf dem Bildschirm 89 einen Ausgleich der positionsabhängigen Variation des Betrachtungswinkels. Zu systematischen Variationen bei der mit Facetten versehenen Oberfläche 34 können weiterhin Variationen bei einem oder mehreren Facettenwinkeln, den Abständen der Facetten 38 oder der Tiefe und Breite der einzelnen Facetten 38 gehören. Bei anderen Ausführungsformen können die gleichen Prinzipien angewandt werden, um die Ausgabe jeder beliebigen mit Facetten versehenen umlenkenden Schicht zu fokussieren. Beispiele sind in den 2I und 2L gezeigt.
  • Bei einem anderen Ansatz für das Beseitigen der Ungleichförmigkeiten der Beleuchtung kann ein Array aus Mikroprismen für die mit Facetten versehene Oberfläche 34 über eine konventionelle diffuse Hintergrundbeleuchtung 101 gelegt werden (siehe 18A). Diese mit Facetten versehene Oberfläche 34 arbeitet mit einer Kombination aus Brechung und Totalreflexion und lässt nur das Ausgeben eines beschränkten Winkelbereichs durch die Schicht in die Umgebung zu. Dieser Winkelbereich hängt von den Facettenwinkeln ab. Im Fall einer Acrylfolie (n = 1,49) lässt sich die größte Helligkeit in der Regel mit einem Prismenöffnungswinkel von 90–100 Grad erzielen, wodurch ein Betrachtungswinkel von etwa ±35 Grad entsteht. Hintergrundbeleuchtungen mit einer solchen Geometrie weisen einen ausgeprägten "Vorhang"-Effekt auf, den viele Betrachter als irritierend empfinden. Dieser Effekt kann durch Erzeugen eines Fokussiereffekts durch Rotieren der Facetten 38 vom oberen zum unteren Rand des Bildschirms verbessert werden (siehe 18B). Einfache Strahlverfolgung zeigt, dass bei Öffnungswinkeln im Bereich von 100°–110° eine um einen Winkel Θ gedrehte Facette eine um etwa Θ/2 gedrehte Winkelverteilung erzeugt. Bei der in 18 gezeigten Ausführungsform kann die schrittweise Variation des Facettenflächenwinkels als Position χ entlang der mit Facetten versehenen Oberfläche 34 variieren, wobei zum Beispiel: Ψ1 = 35° – (0,133°/mm)·χ Ψ2 = 35° + (0,133°/mm)·χ
  • Diese schrittweise Änderung des Facettenwinkels erzeugt eine Winkelverteilung, die über den Bildschirm 89 hinweg um etwa zehn Grad variiert, und entspricht den oben umrissenen gattungsmäßigen Einschränkungen.
  • Unabhängig von den gewünschten Facettenformen wird die mit Facetten versehene Oberfläche 34 (siehe 2D) vorzugsweise durch ein konventionelles Verfahren wie Formung oder andere bekannte Fräsprozesse gebildet. Einzelheiten über die Herstellung werden nachfolgend beschrieben:
  • Nichtlineare Keile
  • Bei einer anderen Form der Erfindung kann die Keilschicht 12, die der primäre Lichtwellenleiter ist, eine andere als die oben angenommene lineare Form aufweisen. Durch diese Formen lassen sich viele verschiedene ausgewählte Lichtverteilungen erzielen. Andere Formen lassen sich im Hinblick auf die Dicke der Keilschicht 12 allgemeiner als eine Funktion der in den 2B und C gezeigten Keilachse "z" beschreiben (die Koordinatenachse, die von der Lichteingabekante zu der kleinen oder scharfen Kante 26 verläuft). Für den linear geformten Keil ist A(z) = Ao – C·z (1)Ao = maximale Keildicke (siehe 2A)
    C = konstant = tanϕ
  • Für die Lichtausgabeleistung (in die zweite Schicht 30 gekoppelte Leistung) kann ein großer Bereich gewünschter Raum- und Winkelverteilungen erzielt werden. Diese Lichtausgabeleistung ist somit das für die Ausgabe durch die entsprechend mit Facetten versehenen Oberflächen 34 oder 36 oder sogar durch den diffusen Reflektor 33 (siehe 2E) oder andere Mittel in die Umgebung zur Verfügung stehende Licht.
  • Wenn zum Beispiel L und M Richtungskosinusse entlang der x- bzw. y-Achse sind, dann sind Lo und Mo die Werte von L und M an der dicken Kante (z = 0). Dies ist eine Lambertsche Anfangsverteilung innerhalb eines wohldefinierten Winkelbereichs, bei der wenig oder gar kein Licht außerhalb dieses Bereichs liegt. Diese Verteilung ist besonders wichtig, da ideale nicht bildgebende optische Elemente beschränkte Lambertsche Ausgabeverteilungen aufweisen. Die Schlüsselbeziehung ist die adiabatische Invariante A(z)cos(θc), die etwa gleich A0L0 ist und implizit die Position (z) des Ausdringens angibt. Um dieses Konzept zu veranschaulichen, sei angenommen, dass eine gleichförmige Bestrahlungsstärke gewünscht ist, so dass dP/dz = konstant. Es sei weiterhin angenommen, dass der Anfangsphasenraum eine unten gezeigte Ellipse füllt und durch den folgenden Ausdruck und die folgende Skizze beschrieben wird:
    Figure 00210001
    Lo 22 + M0 22 = 1 (2)
  • Dann ist dP/dL = konst·[1 – L22]1/2, aber dA/dz = [Ao/Lc]dLo/dZ, wobei Lc = cosθc. Daher ist [1 – (LcA)2/(Aoσ)2]1/2dA = konstant mal dz. Es sei angenommen, dass bei der bevorzugten Ausführungsform σ = Lc. Dieses Ergebnis lässt sich durch folgende Substitution interpretieren: A/A0 = sinu, so dass A = A0sinu und u + 1/2sin(2u) = (π/2)(1 – z/D), wobei D die Länge der Keilschicht 12 ist.
  • Wenn die Sollleistung pro Längeneinheit dP/dz ist, dann wird die gewünschte Form der Keilschicht 12 allgemeiner gesagt durch folgende Differenzialgleichung bestimmt:
  • Figure 00210002
  • Man beachte, dass die Ausgabeverteilung in all diesen Fällen nur ungefähr die gewünschte Form aufweist, da sie durch Fresnel-Reflexionen modifiziert ist. Man beachte auch, dass es, selbst wenn die Keileinrichtung 10 gekrümmt ist, bei nicht allzu großer Krümmung immer noch sinnvoll sein kann, einen Durchschnittswinkel φ zu definieren, der das System qualitativ charakterisiert.
  • Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Geometrie der oben angeführten Beispiele eine x, y-Grenzfläche zwischen zwei brechenden Medien mit den Indizes n1 und n2 auf. Die Komponenten nM, nN bleiben über die Grenzfläche hinweg erhalten, so dass n1M1 = n2M2, n1N1 = n2M2. Der in die x, z-Ebene projizierte Einfallswinkel wird durch sinθeff = N/(L2 – N2)1/2 angegeben. Unter Verwendung der obigen Beziehungen ist dann sinθ2eff/sinθ1eff = (n1/n2)[1 – M1 2]1/2/[1 – (n1/n2)2M1 2]1/2 = (n1/n2)eff. Beispielsweise ist für n1 = 1,49, n2 = 1,35, M1 = 0,5 das Verhältnis der effektiven Indizes 1,035 (n1/n2), was nur geringfügig größer ist als das Verhältnis der tatsächlichen Indizes.
  • Variieren des Brechungsindexes über Raumparameter
  • In dem allgemeinen Fall konischer Lichtwellenleiter verläuft die Keilschicht 12 im Allgemeinen an der z-Achse entlang, wobei die unkritische Abmessung entlang der x-Achse verläuft (siehe beispielsweise 2A). Führt man optische Richtungskosinusse (nL, nM, nM) ein, wobei L, M, N geometrische Richtungskosinusse an x, y, z entlang sind, dann ist n der Brechungsindex, der je nach Position im Raum variieren kann. Bei in der Keilschicht 12 geführten Strahlen ist die Bewegung in x fast periodisch und die Größe ϕnLdx für eine Periode ist fast konstant, wenn sich der Strahl entlang z ausbreitet. Diese Eigenschaft wird adiabatische Invarianz genannt und bietet eine nützliche Grundlage für die Analyse der Eigenschaften des Lichtwellenleiters.
  • Bei einem ersten Beispiel hat die in 2A gezeigte Keileinrichtung 10 in der Keilschicht 12 einen gleichförmigen Index und läuft in z mit einer Breite A(z) = A0 – C·z linear konisch zu. Dann ist L(z)A(z) entlang des zickzackförmigen Strahlenwegs durch adiabatische Invarianz ungefähr gleich einer Konstante. Wenn ein Strahl bei z = 0 mit L = L0 beginnt, dann ist (A0 – C·z)(L(z) ungefähr gleich L0A0. Der Strahl wird dann aus der Keilschicht 12 austreten, wenn L = cosθc, dabei ist θc der Grenzwinkel = [1 – (n2/n1)2]1/2. Somit lautet die Bedingung für das Verlassen der Keilschicht 12 A0 – C·z = L0A0/cosθc. Dies tritt bei z = (A0/C)(1 – L0/cosθc) ein. Infolgedessen ist die Dichte von in z austretenden Strahlen proportional zur Dichte von Strahlen im Kosinus L0 der Anfangsrichtung. Die Dichte ist beispielsweise gleichförmig, wenn die Anfangsverteilung in L0 gleichförmig ist.
  • Bei einem zweiten Beispiel ist das Indexprofil nicht mehr gleichförmig, sondern fällt sowohl in x als auch in z ab. Geschieht das Abfallen in z viel langsamer als in x, dann ist der Lichtstrahlenweg immer noch fast periodisch und die oben erwähnte adiabatische Invarianz trifft immer noch zu. Wenn sich der Lichtstrahl 24 in z ausbreitet, ist der Weg im x, nL-Raum dann fast periodisch. Daher erhöht sich der Maximalwert von L(z) und kann bei manchen z den Grenzwert für das Austreten erreichen. Der z-Wert für das Austreten hängt von den Einzelheiten des Indexprofils (n-Profils) ab. Wenn dieses vorgegeben ist, wird die Analyse wie im ersten Beispiel oben fortgesetzt. Bei einem parabolischen Indexprofil weist somit das Indexprofil die Form n2(x) = n2 0[1 – 2Δ(x/ρ)2] für –ρ < xρ, = n1 2 = n2 0[1 – 2Δ] für |x| > ρ auf. Der Grenzwinkel bei x = 0 wird dann immer noch durch sin2θc = 2Δ = 1 – (n1/n0)2 angegeben. Wenn n0 dann eine langsam fallende Funktion von z ist, nimmt die Steigung θ bei x = 0 durch die adiabatische Invarianz ϕnLdx langsam zu, während θc abnimmt, so dass Lichtstrahlen austreten. Die Einzelheiten der Lichtstrahlenverteilungen hängen davon ab, wie der Index (n) mit z variiert.
  • Nicht keilförmige konische Geometrien
  • Ganz allgemein gesagt kann das Licht in eine Schicht von beliebiger Form (beispielsweise Parallelepiped, Zylinder oder nicht gleichförmiger Keil) eingekoppelt werden, und die hier beschriebenen Prinzipien gelten auf die gleiche Art und Weise. Außerdem kann der Brechungsindex wie gewünscht in (x, y, z) variiert werden, um bei Ankopplung an Mittel für das Ausgeben von Licht an die Umgebung das entsprechende Endresultat zu erzielen.
  • Man betrachte beispielsweise einen scheibenförmigen Lichtwellenleiter 46, der in radialer Richtung r konisch zuläuft (in 5 gezeigt). Die Richtungskosinusse in Zylinderpolarkoordinaten sind kr, kθ, kz. Licht 48, das sich in diesem Wellenleiter 46 ausbreitet, erfüllt die Beziehung: ϕnkzdz ≈ konstant (adiabatische Invarianz) (4) nrkθ = konstant (Erhaltung des Drehimpulses) (5)
  • Die Bedingung der adiabatischen Invarianz stimmt mit der für die Keileinrichtung 10 überein und die auf die Keileinrichtung 10 bezogenen vorangegangenen Erläuterungen treffen daher auch auf den Lichtwellenleiter 46 zu. Die Bedingung der Erhaltung des Drehimpulses erfordert, dass sich der kθ-Wert verringert, während das Licht mit zunehmendem Radius von der Quelle 47 nach außen strömt. Das Licht wird daher in der zunehmenden radialen Richtung kollimiert. Dadurch ähneln die Eigenschaften grundlegend der Keileinrichtung 10, und das Licht 48 kann dazu veranlasst werden, als Licht 52 entlang der z-Richtung kollimiert in einem ausgewählten Winkel zur Fläche 51 auszutreten.
  • Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, dass das Wellenleitermaterial einen konstanten Brechungsindex n aufweist. Bei solchen Geometrien verhalten sich die Lichtstrahlen 48 entlang der zweidimensionalen Querschnittsebene von 5B-5B genauso wie beim weiter oben beschriebenen Gegenstück der Keileinrichtung 10. Ähnlich können verschiedene zusätzliche Schichten 54 und 56 sowie andere Mittel verwendet werden, um die gewünschten Lichtverarbeitungsmerkmale zu erzielen. Beispielsweise besteht ein für den scheibenförmigen Lichtwellenleiter 46 bevorzugtes Facettenarray 56 aus einer Reihe von Kreisen, die mit der Scheibe 46 konzentrisch sind. Wenn die Facetten 56 im Querschnitt linear sind, treten die Lichtstrahlen 52 daher wie bei der weiter oben beschriebenen Einrichtung 10 in einem vollen Winkel von 2ϕ mal eine Funktion der Brechungsindizes kollimiert in einer Richtung aus.
  • Konische Beleuchtungsvorrichtungen mit zwei Schichten mit niedrigem Index
  • Bei einer in 6A gezeigten anderen Form der Erfindung weist die Einrichtung 10 eine erste Schicht 61 mit einem optischen Brechungsindex n1 sowie eine obere Schichtoberfläche 62 und eine untere Schichtoberfläche 64 auf, die konvergieren und mindestens einen Neigungswinkel ϕ bilden. Die erste Schicht 61 weist ebenfalls eine Rückfläche 65 auf, die die obere Schichtoberfläche 62 und die untere Schichtoberfläche 64 überbrückt.
  • An der ersten Schicht 61 liegt ein Schichtmittel an, wie z. B. ein unteres transparentes Schichtmittel, wobei die erste Zwischenschicht 66 mit dem Index n2 an der unteren Schichtoberfläche 64 anliegend oder darunterliegend angeordnet ist. Außerdem kann das Schichtmittel ein oberes transparentes Schichtmittel darstellen, wobei die zweite Zwischenschicht 81 mit dem Index n2 an der oberen Schichtoberfläche 62 anliegend angeordnet ist. Bei mindestens einer der Schichten 66 und 81 kann es sich um einen Luftspalt oder einen anderen Gas- oder transparenten dielektrischen Spalt handeln.
  • Ein Luftspalt kann durch konventionelle Mittel gebildet werden, wie beispielsweise durch externe Abstützungen, durch das Aufhängen der Schichten unter Zugspannung (nicht gezeigt) oder durch Positionieren von Abstandshaltern 68 zwischen der ersten Schicht 61 und der daran anliegenden lichtumlenkenden Schicht 70. Die Abstandshalter 68 können ebenso zwischen der ersten Schicht 61 und der zweiten lichtumlenkenden Schicht 82 positioniert werden. Alternativ dazu können für den transparenten Nichtleiter feste Materialien benutzt werden, die die Schichten 66 und 81 bilden und die strukturelle Integrität, Widerstandsfähigkeit und Montierbarkeit verbessern können. Zu solchen festen Materialien können beispielsweise Sol-Gels (n2 = 1,05–1,35), Fluorpolymere (n2 = 1,28–1,43), Fluoridsalze (n2 = 1,38–1,43) oder auf Silikon basierende Polymere und Kleber (n2 = 1,40–1,45) gehören. Solche festen Materialien für den transparenten Nichtleiter benötigen keine separaten Mittel zum Abstützen oder Halten, können aber zu einer niedrigeren Aufnahme der numerischen Apertur führen, da der Index größer ist als bei einem Luftspalt.
  • Die Schichten 66 und 81 ermöglichen das Durchlassen von aus der ersten Schicht 61 empfangenem Licht. Bei dieser Ausführungsform erreicht ein Teil des Lichts θc zuerst relativ zur oberen Schichtoberfläche 62 und Licht tritt zur weiteren Bearbeitung durch die lichtumlenkende Schicht 82 in die Schicht 81 ein. Das übrige Licht erreicht θc dabei zuerst relativ zur unteren Schichtoberfläche 64 und tritt daher zur weiteren Bearbeitung durch die lichtumlenkende Schicht 70 in die Schicht 66 ein.
  • Bei einer bevorzugten Form der Erfindung sind beide Schichten 66 und 81 vorhanden und können ähnliche, jedoch signifikant verschiedene Indizes n2a bzw. n2b besitzen. Die Indizes werden als ähnlich angesehen, wenn sie an den Grenzflächen 62 und 64 Grenzwinkel bilden, die in ihrer Größe dem Keilwinkel ϕ ähnlich sind, beispielsweise: |arcsin(n2a/n1) – arcsin(n2b/n1)| < 6ϕ (6)
  • In diesem Fall treten signifikante, aber ungleiche Anteile des Lichts für die weitere Verarbeitung durch die umlenkenden Schichten 70 bzw. 82 in jede Schicht 66 und 81 ein. Der größere Anteil tritt in die Schicht mit dem höheren der beiden Indizes n2a und n2b ein. Die umlenkende Schicht 70 verarbeitet nur den Anteil, der in die Schicht 66 eintritt. Deshalb kann der Einfluss der umlenkenden Schicht 70 auf die Ausgabewinkelverteilung von Licht durch Variieren des Verhältnisses zwischen den Indizes n2a und n2b verändert werden.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Form der Erfindung können die Schichten 66 und 81 aus dem gleichen transparenten Material mit dem Index n2 < n1 bestehen. Im Allgemeinen verbessern die geringeren Werte von n2 den Wirkungsgrad der Einrichtung 10, indem sie die numerische Apertur an der Lichteingabeoberfläche 65 vergrößern. Deshalb kann der Sammelwirkungsgrad maximiert werden, wenn die Schichten 66 und 81 mit Luft oder anderen Gasen (mit n2 = 1–1,01) gefüllte Spalte sind.
  • Die Dicke der Schichten 66 und 81 kann selektiv variiert werden, um die Raumverteilung der Ausgabeleistung der Einrichtung 10 zu steuern oder ihre visuelle Gleichförmigkeit zu verbessern. Das Erhöhen der Dicke der Schicht 81 um 0,002''–0,003'' führt beispielsweise zu einer deutlichen Verringerung von Ungleichförmigkeiten, die dazu neigen, an dem dickeren Ende der Einrichtung 10 aufzutreten. Die Dicke der Schichten 66 und 81 kann auch in Abhängigkeit von der Position stufenlos variiert werden, um eine gewünschte Raumverteilung des ausgegebenen Lichts zu beeinflussen (siehe 12L).
  • Bei einer in 6A gezeigten bevorzugten Form der Erfindung weist die lichtumlenkende Schicht 70 eine reflektierende Schicht 71 auf, die das Licht durch die Schicht 66 und die erste Schicht 61 zurückreflektiert. Das Licht wird dann in die erste Schicht 61, durch die obere Schichtoberfläche 62 und schließlich für die weitere Verarbeitung durch die lichtumlenkende Schicht 82 ausgegeben. Bei der reflektierenden Schicht 71 kann es sich beispielsweise um eine beliebige Kombination aus einem ebenen Spiegelreflektor, einem teilweise oder vollständig diffusen Reflektor oder einem mit Facetten versehenen Reflektor handeln.
  • Die Verwendung eines ebenen Spiegelreflektors führt zur engsten Winkelverteilung in der Schicht 81. Deshalb kann der Reflektor die Konstruktion der lichtumlenkenden Schicht 82 vereinfachen, wenn die gewünschte Ausgabewinkelverteilung unimodal ist. Für die Schicht 71 können auch diffuse oder mit Facetten versehene Reflektoren verwendet werden, um einen großen Bereich von Winkelverteilungen zu erzielen (siehe 4H und I) oder die Gleichförmigkeit zu erhöhen (siehe 4N). Diffuse Reflektoren werden bevorzugt, wenn die Sollwinkelverteilung große Nebenmaxima aufweist (siehe insbesondere 4I). Mit Facetten versehene Reflektoren können eine bimodale Winkelverteilung in der Schicht 81 erzeugen (siehe 4H). Daher werden solche mit Facetten versehenen Reflektoren bevorzugt, wenn die gewünschte Ausgabewinkelverteilung bimodal ist. Eine breitstrahlende bimodale Verteilung wird bei Beleuchtungsvorrichtungen für die Raumbeleuchtung bevorzugt, da sie blendendes Licht reduziert.
  • Im Allgemeinen kann jede Facette der Schicht 71 so geformt sein, dass sie die Winkelverteilung des durch die Schicht 66 und die erste Schicht 61 zurückreflektierten Lichts für die weitere Verarbeitung durch die umlenkende Schicht 82 steuert. Die Winkelverteilung innerhalb der Einrichtung 10 beeinflusst wiederum die Winkelverteilung der Lichtausgabe aus der umlenkenden Schicht 82 in die Umgebung. Gekrümmte Facetten können beispielsweise dazu verwendet werden, die Winkelverteilung stufenlos zu verbreitern, und stellen durch eine streuende Wirkung eine verbesserte Gleichförmigkeit bereit. Die reflektierende Schicht 71 kann auch die Raumverteilung der Ausgabeleistung sowie die Winkelverteilung beeinflussen. Das Reflexionsvermögen, die Spiegelwirkung oder die Geometrie der reflektierenden Schicht 71 kann in Abhängigkeit von der Position variiert werden, um eine gewünschte Ausgabeverteilung zu erzielen. Geringe Variationen bei der Schrägheit (siehe 12L) jedes Elements der reflektierenden Schicht 71 in Abhängigkeit von der Position führen beispielsweise zu einer signifikanten Änderung der Lichtausgabeverteilung.
  • Die lichtumlenkende Schicht 82 besitzt einen Index n3 > n2 und ist im Wesentlichen transparent oder lichtdurchlässig. Das Licht in der Schicht 81 mit dem niedrigen Index tritt in die Schicht 82 ein und wird in die Umgebung umgelenkt. Die durchlassende umlenkende Schicht 82 lenkt auch das Licht um, das durch Reflexion von der umlenkenden Schicht 71 verarbeitet und daraufhin durch die Schicht 66 mit dem niedrigen Index und die erste Schicht 61 zurückgeleitet worden ist. Die Transparenz oder Geometrie der Schicht 82 kann in Abhängigkeit von der Position variiert werden, um die ausgegebene Raumverteilung der Einrichtung 10 noch weiter zu beeinflussen. Bei einer bevorzugten Form der Erfindung weist die umlenkende Schicht 82 an der Grenzfläche zur Schicht 81 mit dem niedrigen Index wie in 6A gezeigt eine mit Facetten versehene Oberfläche auf. In die Schicht 82 eintretendes Licht wird beim Eintreten durch eine Seite 84 jeder Facette 85 gebrochen und dann von der zweiten Seite 86 der Facetten 85 totalreflektiert. Bei einer Form der Erfindung kann die umlenkende Schicht 82 ein "Transparent Right-Angle Film" (nachfolgend TRAF genannt) sein, wobei es sich um eine Marke der Firma 3M Corp. handelt, und dieses Produkt ist im Handel von 3M Corp. erhältlich. Diese TRAF dreht einfallendes Licht durch Brechung und Totalreflexion um einen Winkel von ungefähr neunzig Grad, was bei einer typischen LCD-Hintergrundbeleuchtungsanwendung erwünscht wäre. Der Öffnungswinkel der TRAF aus dem Stand der Technik beträgt etwa einundzwanzig Grad, was für das Umlenken eines großen Anteils des in die Schicht 81 mit dem niedrigen Index eintretenden Lichts 75 ausreichend groß ist. Bei einer besonders bevorzugten Form der Erfindung sind die Facettenwinkel so gewählt, dass sie einen größeren Teil des in die Schicht 81 mit dem niedrigen Index eintretenden Lichts 75 durch die beschriebenen Mechanismen der Brechung und der Totalreflexion umlenken. Es können entweder eine oder beide Facettenoberflächen 84 und 86 so geformt sein, dass sie die Ausgabewinkelverteilung steuern. Durch die Verwendung von gekrümmten Facetten wird beispielsweise die Verteilung stufenlos verbreitert sowie ein lichtstreuender Effekt bereitgestellt, der die Gleichförmigkeit verbessern kann.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Facettenwinkeloberflächen der umlenkenden Schicht 82 schrittweise variiert werden, um die Veränderung des Betrachtungswinkels in Abhängigkeit von der Position bei Betrachtung aus typischen Betrachtungsentfernungen auszugleichen. Die Einzelheiten einer solchen Ausgleichswirkung sind bereits in Bezug auf die Konstruktion der reflektierenden Facettenschicht in der in 2M gezeigten Ausführungsform beschrieben worden. Ähnliche Prinzipien können auf die Konstruktion jeder beliebigen mit Facetten versehenen, umlenkenden Schicht, einschließlich brechender Schichten und brechender/intern reflektierender Schichten, angewandt werden. Einrichtungen, die solche schrittweise variierten, mit Facetten versehenen Schichten verwenden, sind in den 12E (Schicht 140), 12G (Schicht 152), 12H (Schicht 166), 12K (Schicht 186), 12N (Schicht 210), 12O (Schicht 228) und 12P (Schicht 246) gezeigt.
  • Bei einer weiteren Form der Erfindung können die Schichten 66 und 81 ähnliche, aber leicht unterschiedliche Indizes n2 bzw. n2' aufweisen. Die Funktionsprinzipien der Einrichtung 10 sind im Wesentlichen ähnlich, solange sich die mit den Grenzflächen zwischen der ersten Schicht 61 und den zwei Schichten 66 und 81 verbundenen Grenzwinkel nicht um mehr als den Konvergenzwinkel der ersten Schicht unterscheiden: |arcsin(n2'/n1) – arcsin(n2/n1)| < ϕ (7)
  • Deshalb treten in diesem Fall ungefähr gleiche Anteile des Lichts in die Schichten 66 und 81 ein, die von den umlenkenden Schichten 70 bzw. 82 weiterverarbeitet werden.
  • Alle Formen der Erfindung können weiterhin eine in 2C schemenhaft gezeigte Ausgabediffusorschicht 40 oder eine in 6A gezeigte durchlässige bzw. lichtdurchlässige Diffusorschicht 83 aufweisen. Im Allgemeinen kann es sich bei dieser Diffusorschicht 40 um einen Oberflächendiffusor, einen Volumendiffusor oder mindestens ein Array aus Mikrolinsen mit zumindest einem Querschnitt eines Zylinders (als "linsenartiges Array" bekannt) handeln. Diese Schichten 40 und 83 können die Gleichförmigkeit des Lichts erhöhen oder die Winkelverteilung in die Umgebung verbreitern. Linsenartige Arrays sind von Vorteil, weil sie im Vergleich zu Oberflächen- oder Volumendiffusoren eine geringe Rückstreuung und bei Beleuchtung mit kollimiertem Licht schärfere Ausgabewinkelabgrenzungen aufweisen. Linsenförmige Arrays streuen vorzugsweise auch nur diejenigen Merkmale, die sonst in der allgemeinen Richtung der Achse jeder zylindrischen Mikrolinse verlaufen.
  • Bei einer in 10 gezeigten bevorzugten Ausführungsform benutzt die lichtumlenkende Schicht 110 flache Facetten 111, so dass das Ausgabelicht in hohem Maße kollimiert ist. Die gewünschte Ausgabewinkelverteilung wird weiterhin durch das Vorhandensein eines linsenartigen Diffusors 112 gesteuert, der ein entsprechendes Brennweitenverhältnis aufweist und dessen zylindrische Mikrolinsen ungefähr parallel zur y-Achse verlaufen. Der linsenartige Diffusor 112 zerstreut auch Ungleichförmigkeiten, die sonst so aussehen würden, als wenn sie in der allgemeinen Richtung der y-Achse verlaufen. In dieser Ausführungsform kann ein zweiter linsenartiger Diffusor 113 enthalten sein, der Ungleichförmigkeiten zerstreut, die sonst so erscheinen würden, als wenn sie in der allgemeinen Richtung der z-Achse verliefen. Die Mikrolinsen dieses zweiten linsenartigen Diffusors verlaufen ungefähr parallel zur z-Achse (siehe 12H und 12N). Es sei darauf hingewiesen, dass die Reihenfolge der Positionierung der Diffusoren 112 und 113 ohne Verlust von optischem Vorteil vertauscht werden kann. Die linsenartigen Diffusoren 112 und 113 können ebenso invertiert werden und konkave statt der in 10 gezeigten konvexen Umrisse aufweisen. Solche Veränderungen können zwar die Einzelheiten der Leistung beeinflussen, die Diffusorschichten 112 und 113 können jedoch immer noch die beschriebenen Vorteile bereitstellen.
  • Bei einer in 11 gezeigten Ausführungsform können die Funktionen der mit flachen Facetten versehenen lichtumlenkenden Schicht 110 und des parallelen linsenartigen Diffusors 112 in 10 beide durch eine lichtumlenkende Schicht 114 mit gekrümmten Facetten ausgeführt werden (siehe beispielsweise auch 2H, 2M und 3A, die gekrümmte Facetten darstellen). Diese mit gekrümmten Facetten versehenen Schichten lenken das Licht um, steuern die Winkelausgabe durch eine geeignete Facettenkrümmung und wirken als Diffusor für in der allgemeinen Richtung der y-Achse verlaufende Ungleichförmigkeiten. Durch Kombination dieser Funktionen in einer einzigen Schicht wird die Anzahl der Komponenten reduziert, wodurch die Dicke, die Kosten und die Herstellbarkeit verbessert werden. In dieser Ausführungsform kann ein einzelner linsenartiger Diffusor 115 enthalten sein, der die verbliebenen Ungleichförmigkeiten zerstreut, die sonst so erscheinen würden, als wenn sie in der allgemeinen Richtung der z-Achse verliefen. Diese Art linsenartige Diffusormikrolinse verläuft ungefähr parallel zur z-Achse. Es sei darauf hingewiesen, dass der linsenartige Diffusor 115 invertiert sein und konkave statt der in 10 gezeigten konvexen Umrisse aufweisen kann. Solche Veränderungen können zwar wieder Einzelheiten der Leistung beeinflussen, die Schichten 114 und 115 erbringen jedoch die beabsichtigte Leistung.
  • Bei allen Ausführungsformen, die mehrere mikrostrukturierte Schichten verwenden, können die bereits beschriebenen Abstände der Facetten oder kleinen Linsen dieser Schichten so gewählt werden, dass sie ein nichtrationales Verhältnis aufweisen, um unerwünschte Moiré-Muster zu vermeiden. Ähnlich dazu kann der Abstand der Merkmale jeder Schicht so ausgelegt sein, dass er nichtrationale Verhältnisse zu dem zu beleuchtenden Apparat, wie z. B. einem Flüssigkristalldisplay oder einem CCD-Array (CCD = Charge-Coupled Detector), aufweist. Jede der linsenartigen Diffusorschichten 113, 112 und 115 kann bis zu etwa 20° von der in den Figuren gezeigten Konfiguration hochgekippt werden, um die Moiré-Wechselwirkung zwischen den Schichten eines Flüssigkristalldisplays zu reduzieren.
  • Ähnliche linsenartige Diffusoren können bei nicht, keilförmigen Geometrien mit keilförmigen Querschnitten mit ähnlichen Vorteilen verwendet werden, wenn die Querschnitte der Diffusoren ungefähr den in den 10 und 11 gezeigten entsprechen. Ein Beispiel ist die in 5A dargestellte konische Scheibe. In diesem Fall würde der der Schicht 112 in 10 entsprechende linsenartige Diffusor Mikrolinsen aufweisen, deren Achsen in konzentrischen Kreisen um die Umdrehungsachse der Scheibe verlaufen. Ein der Schicht 113 in 10 und 115 in 11 entsprechender Diffusor würde Mikrolinsen aufweisen, deren Achsen radial von der Mittelachse der Scheibe ausgehen.
  • Lichtquellen und Koppler
  • Eine in den 2A und B gezeigte erfindungsgemäße Einrichtung enthält eine mit Facetten versehene Schicht 30 für das optische Umlenken des Lichts. Die Facetten 34 können in die Schicht 30 integriert sein oder es kann sich um eine separate Facettenschicht handeln. Einzelheiten über die Wirkungsweise einer solchen mit Facetten versehenen Schicht sind weiter oben erläutert worden. Wie in 6A weiterhin gezeigt, kann eine mit Facetten versehene Eingabeschicht 74 auch zwischen einer Lichtquelle 76 und der ersten Schicht 61 angeordnet sein. Bei der mit Facetten versehenen Schicht 74 kann es sich um ein Prismenfacettenarray handeln, das für Eingabelicht 78 eine kollimierende Wirkung bereitstellt, durch die das Ausgabelicht 80 in die Umgebung heller oder gleichförmiger wird.
  • Parallel zur y-Achse liegende lineare Prismen können die Gleichförmigkeit verbessern, indem die Eingabewinkelverteilung so eingestellt wird, dass sie besser auf die numerische Eingabeapertur abgestimmt ist. Parallel zur x-Achse liegende lineare Prismen können die Ausgabewinkelquerverteilung einschränken und bei Verwendung mit einer Fluoreszenzlampen-Lichtquelle auch die Ausgabehelligkeit verbessern. Bei anderen Formen der Erfindung ist eine Streuung des Eingabelichts erwünscht, wobei ein Diffusor 79 für das Streuen der Lichtverteilung verwendet wird, um das Licht zum Verbessern der Lichtgleichförmigkeit auszubreiten. Bei dem Diffusor 79 handelt es sich vorzugsweise um ein linsenartiges Array mit parallel zur y-Achse liegenden, kleinen zylindrischen Linsen. Der Diffusor 79 kann auch ein standardmäßiger Oberflächen- oder Volumendiffusor sein, der in Form einer diskreten Folie vorliegt oder integral an die Keilschicht 61 angekoppelt ist. Es können mehrere Prismen- oder Diffusorfolien in Kombination verwendet werden. Eine solche Folienform des Diffusors 79 und die mit Facetten versehene Folie 74 können zum Variieren ihrer Wirkungen miteinander vertauscht werden.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Form der Erfindung kann ein Teil eines dielektrischen, totalreflektierenden CPC-Teiles 100 (Compound Parabolic Concentrator = parabolischer Verbund-Konzentrator) zwischen der Lichtquelle 76 und der ersten Schicht 61 angeordnet sein (siehe 2L, 12O und 12P). Der CPC-Teil 100 stellt das Eingabelicht so ein, dass es besser auf die numerische Eingabeapertur abgestimmt ist. Der CPC-Teil 100 ist vorzugsweise integral mit der ersten Schicht 61 ausgebildet.
  • Die in den 7 bzw. 8 gezeigten Reflektorelemente 92 und 94 können so geformt und positioniert sein, dass sie den Lichtdurchsatz von der Lichtquelle 76 zur Lichtleiterapertur maximieren. Dies entspricht der Minimierung der Reflexion von Licht zur Lichtquelle 76 zurück, die zurückkehrendes Licht teilweise absorbiert. Die Lichtquelle 76 ist in der Regel zylindrisch und von einem Glasgehäuse 93 umgeben, wobei beide wie in den 7 und 8 gezeigt einen kreisförmigen Querschnitt haben. Zu typischen Beispielen für solche Lichtquellen gehören Fluoreszenzlampen und Glühröhren mit langem Glühfaden. Der Außendurchmesser der Lichtquelle 76 kann gleich dem Innendurchmesser des Glasgehäuses 93 oder kleiner sein. 7 zeigt einen U-förmigen Reflektor 92 des Standes der Technik, der dadurch gebildet wird, dass man eine spiegelreflektierende Polymerfolie um die Lichtquelle 76 wickelt und jedes Ende der Folie mit der Keilschicht 12 in Berührung bringt. Das Reflektorelement 92 weist in der Regel auf der der Keilschicht 12 gegenüberliegenden Seite der Lichtquelle 76 eine etwa kreisbogenartige Form auf, wobei in etwa gerade Abschnitte jeden Endpunkt des Bogens mit der Keilschicht 12 verbinden. Diese Art des Ankoppelns des Reflektorelements 92 an die Keilschicht 12 lässt sich am einfachsten erzielen, wenn der Querschnitt des Reflektorelements keine scharfen Ecken aufweist. Im Allgemeinen darf die Lichtquelle 76 weder die Keilschicht 12 noch die reflektierende Folie berühren, um die thermische und elektrische Kopplung, die den Leuchtenwirkungsgrad reduzieren kann, zu minimieren.
  • Bei einer in 8 gezeigten Form der vorliegenden Erfindung ist das Reflektorelement 94 vorteilhaft konstruiert und die Lichtquelle 76 vorteilhaft untergebracht, so dass der zur Lichtquelle 76 zurückkommende Anteil des Lichts minimal ist und dadurch der Wirkungsgrad erhöht wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Abschnitt des Reflektorelements 94 so geformt, dass eine senkrecht zur Oberfläche des Reflektorelements 94 gezeichnete Linie den kreisförmigen Querschnitt der Lichtquelle 76 an jedem Punkt tangiert. Die sich ergebende Form des Reflektors wird als Evolvente der Lichtquelle 76 bezeichnet.
  • Während eine Evolvente einen maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, lassen sich andere Formen im Allgemeinen einfacher herstellen. Polymerfolien lassen sich ohne weiteres zu glatten Rundungen verbiegen, die wie oben beschrieben fast halbkreisförmige Bögen einschließen. Es lässt sich zeigen, dass, wenn der Querschnitt der Lichtquelle 76 und der halbkreisförmige Abschnitt des Reflektorelements 92 wie in 7 gezeigt konzentrisch sind, der halbkreisförmige Abschnitt des Reflektorelements 92 alle einfallenden Strahlen zur Lichtquelle 76 zurückschickt, was zu einem schlechten Wirkungsgrad führt. Eine solche Unzulänglichkeit ist eine allgemeine Eigenschaft selbstabsorbierender kreisförmiger Quellen und konzentrischer halbkreisförmiger Reflektoren. Diese allgemeine Eigenschaft lässt sich durch einfache Strahlverfolgung oder das Prinzip der Scherungsinvarianz herleiten. Selbst wenn der Reflektor 92 nicht vollständig kreisförmig ist, wird jeder Teil des Reflektorelements 92 dazu neigen, Licht zur Lichtquelle 76 zurückzuschicken, wenn der Querschnitt der Lichtquelle 76 in der Nähe des Krümmungsmittelpunkts dieses Reflektorabschnitts zentriert ist.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält der Querschnitt des Reflektorelements 94 in 8 einen oder mehrere fast halbkreisförmige Bögen, und der Wirkungsgrad wird durch Verschieben des Mittelpunkts der Lichtquelle 76 vom Krümmungsmittelpunkt des Reflektorelements 94 erhöht. Durch Strahlverfolgung und Experimente wurde gezeigt, dass solche bevorzugten Ausführungsformen unter Verwendung der folgenden Konstruktionsregeln bestimmt werden können:
    • 1. Die maximale Ausdehnung des Querschnitts des Reflektorelements 94 in der x-Dimension ist gleich der maximalen Dicke der Keilschicht 12 (oder des Lichtleiters),
    • 2. der Querschnitt des Reflektorelements 94 weist keine scharfen Ecken auf,
    • 3. der Krümmungsradius des Reflektorelements 94 ist so groß wie möglich, und
    • 4. die Lichtquelle 76 ist so weit wie möglich von der Keilschicht 12, aber weit genug vom Reflektorelement 94 entfernt, so dass auch bei Herstellungsabweichungen im ungünstigsten Fall ein Berühren vermieden wird.
  • 8 zeigt ein Beispiel für einen Koppler, der den oben beschriebenen Konstruktionsregeln für die Lichtquelle 76 gerecht wird und einen Innendurchmesser = 2 mm, einen Außendurchmesser = 3 mm, eine Dicke der Keilschicht 12 (oder des Lichtleiters) = 5 mm sowie Herstellungstoleranzen aufweist, die einen Abstand von 0,25 mm zwischen dem Reflektorelement 94 und dem Außendurchmesser des Glasgehäuses 93 zulassen. Bei diesem Beispiel für eine bevorzugte Ausführungsform beträgt der Krümmungsradius des Reflektorelements 94 2,5 mm und der Mittelpunkt der Lichtquelle 76 ist um 0,75 mm von der Apertur der Keilschicht 12 verschoben. Ein gemäß dieses Entwurfs konstruierter Koppler erwies sich als 10–15% heller als der in 7 gezeigte vergleichbare konzentrische Koppler.
  • Die Evolvente und die U-förmigen Reflektorelemente 92 und 94, die bereits beschrieben worden sind, sind so konstruiert, dass sie, bezogen auf die Senkrechte zur Aperturoberfläche, Licht in Winkeln von nahezu ±90 Grad zur Apertur der Keilschicht 12 ausgeben. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Reflektorelement 94 so geformt, dass es Licht mit einer Winkelverteilung ausgibt, die mehr der numerischen Apertur der Einrichtung 10 entspricht. Wie in den 6B und 6C gezeigt, können zu solchen Formen als Reflektorelement 94 andere Geometrien gehören, wie z. B. ein parabolischer Verbund-Quellenreflektor 86 und ein nicht bildgebender Beleuchtungsquellenreflektor 88. Ein Beispiel für den Quellenreflektor 88 wird in der gleichzeitig anhängigen eigenen Anmeldung mit der laufenden Nummer 07/732,982 beschrieben, und diese Anmeldung gilt durch Bezugnahme als hier aufgenommen.
  • Bei einer anderen, in den 6D, 12C und 12O gezeigten Ausführungsform weist die Keilschicht 90 über verschiedene ausgewählte Teile des keilförmigen Querschnitts hinweg eine ungleichförmig variierende Keilquerschnittsdicke auf. Es ist festgestellt worden, dass man die ausgegebene Lichtverteilung durch Steuern dieses Querschnitts steuern kann. Es ist außerdem festgestellt worden, dass sowohl optische Grenzeffekte als auch inhärente Lichtquelleneffekte zusammenwirken und eine Ausgabelichtverteilung mit unerwünschten Anomalien ergeben können. Man kann deshalb auch diese Anomalien ausgleichen, indem man einen Keilquerschnitt mit nichtlinearen Veränderungen in den Effektivmaßen der Keilschicht 90, beispielsweise in der Nähe des dickeren Endes, das in der Regel das Eingabelicht empfängt, bereitstellt. Durch Steuern dieser Maße kann man daher einen anderen Freiheitsgrad für das Steuern der Lichtverteilung haben und praktisch auch eine Konstruktion bereitstellen, die Grenzeffekte oder Lichtquellenartefakte ausgleicht. Außerdem kann man den Brechungsindex in der Keilschicht 90 auf die oben beschriebene Art und Weise variieren und so die Verteilung von Licht modifizieren sowie Lichteingabeanomalien ausgleichen, um eine gewünschte Lichtverteilungsausgabe zu erhalten.
  • Herstellung von Beleuchtungseinrichtungen
  • Bei einer Form der Erfindung kann die Einrichtung 10 durch sorgfältiges Verwenden der ausgewählten Kleber und Kaschierverfahren hergestellt werden. Die Keilschicht 12 mit dem Index n1 kann beispielsweise an die erste Schicht 28 mit dem Index n2 geklebt werden. Eine Kleberschicht 60 (siehe 3B) kann in flüssiger Form auf die obere Oberfläche der ersten Schicht 28 aufgetragen werden, und die Schicht 28 wird durch Kleben mit der unteren Oberfläche 16 der Keilschicht 12 verbunden. Im Allgemeinen können die verschiedenen Schichten in beliebiger Reihenfolge miteinander verbunden werden.
  • Durch das Aufbringen der Schicht 12 auf die Schicht 28 und andere derartige Schichten ist in dem Herstellungsverfahren vorzugsweise die Ausbildung von Grenzflächen interner Schichten enthalten, bei denen es sich um im Wesentlichen glatte Grenzflächen-Oberflächen handelt. Wenn sie nicht ordentlich vorbereitet werden, können solche internen Schichten die Leistung negativ beeinflussen, da jede Grenzfläche zwischen Schichten mit unterschiedlichen Indizes wie eine reflektierende Oberfläche wirken kann, die ihren eigenen charakteristischen Grenzwinkel besitzt. Sind die Oberflächen der Grenzflächen im Wesentlichen glatt, dann ist die negative Wirkung unebener Oberflächen unbedeutend. Daher sollte die Methodenlehre beim Bewirken der Laminierung der verschiedenen Schichten der Einrichtung 10 Kleber und/oder Verbindungstechniken anwenden, die die oben beschriebenen glatten Schichten der Grenzflächen bereitstellen. Zu Beispielen für Laminierungsverfahren gehören unter anderem das Verbinden ohne zusätzliche Klebeschichten, Beschichtungen, die auf eine Schicht aufgetragen und dann mit einem Kleber mit einer zweiten Schicht verbunden werden, und das Aufbringen einer Folienschicht mit zwei Klebeschichten (eine auf jeder Schichtoberfläche, die mit der anderen verbunden werden soll).
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schichten ohne zusätzliche interne Schichten laminiert, deren potenzielle Grenzflächenrauheit die Lichtverteilung verzerrt. Ein Beispiel für eine solche Geometrie für die Einrichtung 10 kann eine flüssige Schicht zwischen der Keilschicht 12 und der zweiten Schicht 30 sein. Diese Methode funktioniert am besten, wenn die erste Schicht 29 (wie z. B. die flüssige Schicht) als Kleber wirkt. Man kann den Kleber entweder vorher teilweise oder vollständig oder nach dem Verbinden der verschiedenen Schichten der Einrichtung 10 aushärten. Die optische Grenzfläche wird daher durch die untere Oberfläche der Keilschicht 12 und die obere Oberfläche der zweiten Schicht 30 definiert.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform, bei der eine Beschichtung mit einer Klebeschicht verwendet wird, kann es sich bei der ersten Schicht 28 um die auf die zweite Schicht 30 aufgetragene Beschichtung handeln. Die beschichtete Folie kann dann in einem zweiten Schritt durch Auftragen eines Klebers zwischen der beschichteten Folie und der Keilschicht 12 auf die Keilschicht 12 laminiert werden. Die Beschichtung mit dem niedrigen Index wird bevorzugt auf die zweite Schicht 30 statt direkt auf die Keilschicht 12 aufgetragen, da die zweite Schicht 30 in der Regel in Form von Endlosfolienrollen geliefert wird. In der Praxis ist es kosteneffektiver, statt diskreter Stücke solche Endlosrollen zu beschichten. Mit dieser Methodenlehre lässt sich die Dicke der aufgebrachten Schicht mit dem niedrigen Index bequemer steuern.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform wird die zweite Schicht 30 so hergestellt, dass sie ohne Verwendung zusätzlicher Kleber direkt an der ersten Schicht 28 klebt. Die zweite Schicht 30 kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass man eine Schicht aus Polymermaterial auf die erste Schicht 28 aufträgt und dann dieses Material gießt, so dass es die gewünschte Geometrie der zweiten Schicht erhält. Bei einem weiteren Beispiel kann die erste Schicht 28 beim Prägen der zweiten Schicht 30 als Trägerfolie dienen. Durch Verwenden geeigneter Temperaturen während des Prägeprozesses kann die zweite Schicht 30 mit der ersten Schicht 28 warmverschweißt werden. Dieses Warmverschweißen kann unter Verwendung einer konventionellen FEP-Folie für die erste Schicht durch Prägen bei fast fünfhundert Grad Fahrenheit oder mehr erzielt werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform, die eine Folie und zwei Kleber benutzt, kann es sich bei der ersten Schicht 28 um eine extrudierte oder eine Gießfolie handeln, die dann auf die Keilschicht 12 oder zwischen die Keilschicht 12 und die zweite Schicht 30 laminiert wird, wobei man zwischen den zwei Arten von Grenzflächen Kleber verwendet. Um die oben beschriebene negative Lichtstreuung zu minimieren, sollte die Klebeschicht flach und glatt sein. Die Folie lässt sich als Material mit niedrigem Index in im Handel erhältlichen, preiswerten Formen beschaffen. Solche zusätzlichen Klebeschichten können aufgrund der Mehrschichtenkonstruktion mit Kleber zwischen den Schichten die Festigkeit erhöhen.
  • Bei der Verwendung von Kleber wird im Allgemeinen die Leistung der Einrichtung 10 optimiert, wenn der Index des Klebers zwischen der Keilschicht und der ersten Schicht so nahe wie möglich bei dem Index der ersten Schicht 28 liegt. Wenn der Grenzwinkel an der Keil/Kleber-Grenzfläche so flach wie möglich ist, unterliegt das Licht einer minimalen Anzahl von Reflexionen von der Grenzfläche der Folie mit der geringeren Qualität, bevor es aus der Einrichtung 10 austritt. Außerdem wird die Indexänderung an der Oberfläche der Folie der ersten Schicht minimiert, wodurch die Wirkungen von Folienoberflächenrauheit verringert werden.
  • Mit Facetten versehene Oberflächen können durch Mikro-Materialbearbeitung einer Form unter Verwendung eines Bezugsformstücks hergestellt werden. Die Materialbearbeitung kann durch das Ziehen von Linien mit einem entsprechend geformten Diamantwerkzeug erfolgen. Das Bezugsformstück kann durch bekannte Techniken wie Galvanoformen oder Gießen repliziert werden. Jeder Replikationsschritt invertiert die Form der gewünschten Oberfläche. Die entstehende Form oder Replikate davon können dann für das Prägen der gewünschten Form in die zweite Schicht 30 verwendet werden. Es kann auch eine direkt mit Linien versehene Oberfläche verwendet werden, die oben beschriebene Prägemethode wird jedoch bevorzugt. Zu bekannten "Fräs"-Verfahren gehören chemische Ätztechniken, das Ionenstrahlätzen und das Laserstrahlfräsen.
  • Bei noch einer weiteren mechanischen Herstellungsmethode wird die mit Facetten versehene Oberfläche 34 (siehe beispielsweise 2B und 2M) durch ein Schweißverfahren wie Prägen oder Gießen hergestellt, wobei ein hartes Werkzeug mit dem inversen Profil der gewünschten mit Facetten versehenen Oberfläche 34 auf einer Oberfläche verwendet wird. Deshalb reduziert sich das Herstellungsproblem auf die Materialbearbeitung eines geeigneten Werkzeugs. In der Regel wird das bearbeitete Werkzeug als Schablone für das Formen der in dem Gieß- oder Prägeverfahren tatsächlich benutzten Werkzeuge benutzt. Die Werkzeuge werden in der Regel durch Galvanoformung repliziert. Da bei der Galvanoformung das Oberflächenprofil invertiert wird und Galvanoformen aus anderen Galvanoformen hergestellt werden können, kann eine beliebige Anzahl von Inversionen erzielt werden, und das direkt bearbeitete "Bezugsformstück" kann die Form der mit Facetten versehenen Oberflächen 3A oder deren Umkehrung aufweisen.
  • Die Werkzeuge für die mit Facetten versehene Oberfläche 34 können durch Einpunkt-Diamantbearbeitung hergestellt werden, wobei der Abstand zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück unterschiedlich ist, um das gewünschte Profil zu zeichnen. Das Diamantschneidwerkzeug muss sehr scharf sein, aber im Prinzip können fast willkürliche Profile geschaffen werden. Ein bestimmtes Design kann auch spezifische Anpassungen erfordern, die den Radius des Schneidwerkzeugs einbeziehen, der ungleich Null ist. Wenn mit Facetten versehene Oberflächen notwendig sind, dann werden zur Vereinfachung der Herstellung kreisförmige Bögen bevorzugt. Das Schneidwerkzeug wird durch das Schneidsubstrat bewegt und schneidet eine Nut mit ungefähr der Form des Werkzeugs. Es ist wünschenswert, das gesamte Stück mit einem einzigen Diamantwerkzeug zu bearbeiten. Wenn diese Methode für das Herstellen einer "fokussierenden" Art der mit Facetten versehenen Oberfläche 34 verwendet wird, sollte das variable Nutprofil deshalb so konstruiert sein, dass die verschiedenen Nutprofile mit dem gleichen Werkzeug bearbeitet werden können. Die erforderlichen Formvariationen können immer noch durch Variieren des Winkels des Werkzeugs sowie des Nutabstandes und der Nuttiefe erzielt werden.
  • Der Aufbau der mit Facetten versehenen Oberflächen 34 entspricht vorzugsweise einigen allgemeinen Beschränkungen:
    • 1. Ungefähr lineare Variation in der Mitte der Beleuchtungswinkelverteilung in Abhängigkeit von der Position. Eine Variation von 11 Grad (±5,5°) vom oberen zum unteren Rand typischer Computerbildschirme ist effektiv.
    • 2. Die Breite der variablen Winkelverteilung der Lichtausgabe sollte ungefähr proportional zur örtlichen Beleuchtungsstärke sein, um für einen Betrachter eine ungefähr gleichförmige Helligkeit zu erreichen. Unten angeführte Beispiele zeigen, dass die Raumverteilung in etwa gleichförmig ist, so dass die schrägen Kegel eine etwa gleichförmige Breite besitzen, und
    • 3. der Abstand zwischen Nuten der Facetten 38 sollte so groß bzw. unregelmäßig sein, dass Beugungseffekte vermieden werden, aber auch so gewählt werden, dass bei Verwendung mit einem LCD-Flachbildschirm Moiré-Muster vermieden werden. In der Praxis schränken diese Anforderungen die zulässigen räumlichen Variationen ein.
  • Bei der Herstellung der Einrichtung 10 hängt beispielsweise der Betrachtungswinkel von der Schräglage und der Krümmung jeder Facette 38 ab. Fokussiert wird durch Drehen der Facettenstruktur in Abhängigkeit von der Position. Verwendet man beispielsweise einen 150 mm-Bildschirm, der aus einer Entfernung von 500 mm betrachtet wird, dann kann der Beleuchtungskegel um 17 Grad (das heißt ±8,5 Grad) von oben nach unten variiert werden. Bei den typischen Materialien Acryl und FEP muss die Facettenstruktur vom oberen zum unteren Rand des Bildschirms 89 um ungefähr 5,7 Grad gedreht werden (siehe 9B).
  • Konstruktionseinschränkungen können entstehen, wenn die Beschränkungen (1)–(3) mit der Notwendigkeit kombiniert sind, variable gekrümmte Nute mit einem einzigen Werkzeug zu bearbeiten. So erfordert beispielsweise die Beibehaltung einer konstanten Winkelbreite (Einschränkung Nr. 1) bei einer konstanten Schneidtiefe eine ausgleichende Variation beim Nutabstand oder der Nuttiefe. Insbesondere kann eine lineare Veränderung des Nutabstands die Variation der Helligkeit auf ein unerhebliches Maß reduzieren, wenn das Formwerkzeug, das die Nut schneidet, so geformt ist, dass Teile jeder gekrümmten Reflektorfacette (siehe 2M) von der oberen Kante der benachbarten Facetten überschattet werden. Diese Abstandsvariation kann so gering sein, dass sie Einschränkung Nr. 3 gerecht wird.
  • Zu weiteren Herstellungsmethoden können das Aufdampfen, Sputtern oder die Ionenstrahlabscheidung der ersten Schicht 28 gehören, da diese Schicht, wie weiter oben beschrieben wurde, recht dünn sein kann. Die zweite Schicht 30 kann ebenso gesteuert aufgebracht werden, damit (z. B. durch Abdecken oder Schichtabscheidung) die in 2B gezeigte, mit Facetten versehene Schicht 30 gebildet wird.
  • Keil-Lichtleiter als einfache Kollimatoreinrichtung
  • Bei der allgemeinsten Ausführungsform kann die Keilschicht 12 im Kontext der Kombination als einfaches kollimierendes optisches Element fungieren. Die im Wesentlichen transparente Keilschicht 12 besitzt einen optischen Brechungsindex n1, und die obere Oberfläche 14 und die untere Oberfläche 16 konvergieren und bilden mindestens einen Neigungswinkel ϕ (siehe 15). Die Keilschicht 12 weist auch die die obere Oberfläche 14 und die untere Oberfläche 16 überbrückende Rückfläche 20 auf. An die Keilschicht 12 schließt sich die transparente erste Schicht 28 mit einem Brechungsindex n2 und einem Luftspalt an. An die erste Schicht 28 schließt sich eine spiegelnd reflektierende, mit Facetten versehene Oberfläche 34 der zweiten Schicht 30 an.
  • Im Wesentlichen unkollimiertes Licht wird von der Quelle 22 durch die Rückfläche 20 eingeleitet. Das Licht breitet sich in der Keilschicht 12 aus, wobei sich der Einfallswinkel jedes Strahls in Bezug auf die obere und die untere Oberfläche 14 bzw. 16 verringert, bis er kleiner als der Grenzwinkel θc ist. Wenn der Winkel kleiner als θc ist, tritt der Strahl in die Umgebung aus. Durch die untere Oberfläche 16 austretende Strahlen werden in die Keilschicht 12 zurückreflektiert und dann in die Umgebung ausgegeben. Aufgrund des bereits beschriebenen Winkelfiltereffekts wird das Ausgabelicht in einem Kegel folgender Winkelbreite kollimiert: Δθ ≅ 2ϕ1/2(n2 – 1)4 (durch Fresnel-Reflexionen erhöht sich Δθ ein wenig) (8)
  • Ein zu beleuchtender Bereich 99 liegt hinter dem Ende der Keilschicht 12 und im Wesentlichen in dem oben definierten Kegel mit der Breite Δθ.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein lichtumlenkendes Mittel hinter dem Ende der Keilschicht 12 und im Wesentlichen in dem oben definierten Kegel mit der Breite Δθ positioniert sein. Bei dem lichtumlenkenden Mittel kann es sich um eine Linse, einen ebenen Spiegelreflektor oder einen gekrümmten Reflektor handeln. Das lichtumlenkende Mittel reflektiert oder bricht das Licht zu dem Bereich, der beleuchtet werden soll. Weitere Einzelheiten und Verwendungsmöglichkeiten solcher umlenkenden Mittel, wie z. B. linsenartiger Diffusoren, werden nachfolgend beschrieben.
  • Bei den Ausführungsformen von 6 mit zwei Luftspalten oder transparenten dielektrischen Schichten sind die lichtumlenkenden Schichten unabhängig und somit kann man Einrichtungen konstruieren, die verschiedenartige Schichten aufweisen. Die Verwendung zweier durchlässiger umlenkender Schichten wird beispielsweise bevorzugt, wenn Licht aus beiden Seiten der Einrichtung 10 austreten soll oder immer wenn eine maximale Kollimation erwünscht ist. Zu Beispielen für die umlenkende Schicht 82 für im Allgemeinen alle Erfindungen für zwei umlenkende Schichten können die Beispiele aus 12 zählen: (a) Beugungsgitter 120 oder ein Hologramm 122 in 12A, (b) zwei brechende Facettenschichten 124 mit Diffusoren 126 in 12B, (c) zwei mit Facetten versehene Schichten 128 mit Facetten 130, die so gestaltet sind, dass sie von der Keilschicht 12 ausgegebenes Licht brechen und intern reflektieren, wobei solche Facetten 130 die Lichtausgabe um einen größeren Winkel drehen können, als dies durch Brechung allein möglich ist, (d) zwei brechende Einzelfacettenschichten 132 (Prismen), (e) eine umlenkende Schicht für die Keilschicht 12 auf der oberen Oberfläche, die eine brechende Einzelfacet tenschicht 134 mit einer gekrümmten Ausgabeoberfläche 136 für das Fokussieren aufweist. Eine untere Oberfläche 138 weist eine umlenkende Schicht für das Brechen und interne Reflektieren von Licht unter Verwendung einer mit Facetten versehenen Schicht 140 auf, Facettenwinkel unterscheiden sich in Abhängigkeit von der Position, um ausgegebenes Licht 142 bei F zu fokussieren; (f) eine umlenkende Schicht 144 auf der oberen Oberfläche, die eine brechende, mit Facetten versehene Schicht 146 umfasst, und eine untere umlenkende Schicht, die eine brechende/intern reflektierende Schicht 148 mit einer schmalen Winkelausgabe für das Licht umfasst, und eine Diffusorschicht 150 können hinzugefügt werden, um die Winkelverteilung der Lichtausgabe stufenlos zu verbreitern, (g) eine umlenkende Schicht auf der oberen Oberfläche der brechenden/intern reflektierenden, mit Facetten versehenen Schicht 152 mit brechenden Oberflächen 154, die konvex gekrümmt sind, um die Ausgabewinkelverteilung zu verbreitern; die Facettenwinkel können sich in Abhängigkeit von der Position unterscheiden und dadurch die schrägen Kegel der Lichtausgabe gezielt lenken und in einer bestimmten Entfernung ein bevorzugtes Betrachtungsgebiet erschaffen; in dieser Anordnung kann weiterhin ein linsenartiger Querdiffusor 156 für das Zerstreuen von Ungleichförmigkeiten enthalten sein, die nicht von der Schicht 152 mit den gekrümmten Facetten beseitigt worden sind; die untere umlenkende Schicht umfasst eine brechende/intern reflektierende, mit Facetten versehene Schicht 158 mit einer reflektierenden Oberfläche 160, die konkav gekrümmt ist, um die Winkelverteilung der Lichtausgabe auf gesteuerte Weise zu verbreitern, (h) eine obere umlenkende Schicht, die eine brechende, mit Facetten versehene Schicht 162 mit gekrümmten Facetten 164 enthält, um die Ausgabewinkelverteilung auf gesteuerte Weise zu verbreitern und die Gleichförmigkeit zu verbessern, eine untere umlenkende Schicht, die eine brechende/intern reflektierende, mit Facetten versehene Schicht 166 mit flachen Facetten 168 für eine schmale Winkelausgabe enthält, wobei die Facettengeometrie in Abhängigkeit von der Position unterschiedlich ist, um das ausgegebene Licht in einer bestimmten Entfernung zu fokussieren; ein linsenartiger Paralleldiffusor 170 kann dazu benutzt werden, die Ausgabewinkelverteilung auf gesteuerte Weise stufenlos zu verbreitern und die Gleichförmigkeit zu verbessern; das in Umrissen gezeigte transparente Bild kann auf einen linsenartigen Diffusor gedruckt oder geklebt werden; ein linsenartiger Querdiffusor 172 wird dazu verwendet, Ungleichförmigkeiten zu zerstreuen, die nicht von dem linsenartigen Paralleldiffusor 170 beseitigt worden sind. Durch die Zusammenwirkung der Kombination aus einer fokussierten, mit flachen Facetten versehenen Schicht 166 und dem Diffusor 170 entsteht ähnlich wie bei der Verwendung von fokussierten, gekrümmten Facetten in einer bestimmten Entfernung eine bevorzugte Betrachtungszone. Es ist (in Umrissen) auch eine LCD-Komponente 173 gezeigt, die hiermit und mit jeder anderen Form der Einrichtung 10 zu Beleuchtungszwecken verwendet werden kann.
  • Bei anderen Bauarten kann man eine durchlässige Schicht mit einer reflektierenden umlenkenden Schicht kombinieren. Hierbei handelt es sich um die Kombinationen aus reflektierenden umlenkenden Schichten mit den verschiedenen Arten durchlässiger umlenkender Schichten, die oben erläutert wurden. Reflektierende umlenkende Schichten können spiegeln, teilweise streuen, streuen, mit Facetten versehen oder einen beliebige Kombination davon sein. Diese Bauarten sind bevorzugt, wenn das Licht nur von einer Seite abgestrahlt werden soll oder wenn in einigen Fällen minimale Kosten das Hauptanliegen sind. Beispiele für solche Bauarten sind: (i) ein Spiegelreflektor 174 auf der unteren Oberfläche, der mit einem Transmissionsbeugungsgitter oder einem Transmissionshologramm 176 der oberen Schicht kombiniert wird, (j) ein Spiegelreflektor 178 auf der unteren Oberfläche, der mit einer brechenden, mit Facetten versehenen Schicht 180 auf der oberen Oberfläche, einem (in 12J in Umrissen gezeigten) Diffusor 182 und einer dazwischenliegenden bildgebenden Schicht 171 kombiniert ist, (k) ein Spiegelreflektor 184 der unteren Schicht mit einer brechenden/intern reflektierenden, mit Facetten versehenen Schicht 186 der oberen Schicht, wobei die Facettengeometrie in Abhängigkeit von der Position unterschiedlich ist, um ausgegebenes Licht in einer bestimmten Entfernung zu fokussieren; ein Diffusor 188 ist in Umrissen gezeigt, (l) ein Spiegelreflektor 190 der unteren Schicht mit einer brechenden/intern reflektierenden, mit Facetten versehenen Schicht 192 der oberen Schicht, und gekrümmte Facetten 194 werden dazu benutzt, die Winkelausgabe von Licht auf gesteuerte Weise stufenlos zu verbreitern und die Gleichförmigkeit zu verbessern. Die Dicke der Keilschicht 12 und der beiden Schichten 196 mit dem niedrigen Index (z. B. Luftspalte) auf der oberen und der unteren Oberfläche wird variiert, um die Raumverteilung der Lichtausgabe zu beeinflussen, (m) ein unterer Reflektor 198 wirkt teilweise spiegelnd und teilweise streuend, um die Gleichförmigkeit zu verbessern; 12M zeigt den Anfangsreflektorabschnitt, der durch Hinzufügen eines integrierten linsenartigen Diffusors 200 auf gesteuerte Weise streut; der Diffusor 200 ist so konstruiert, dass er gezielt Ungleichförmigkeiten reduziert, die sonst in der Ausgabe in der Nähe des dickeren Endes erscheinen würden und in der allgemeinen Richtung der y-Achse verlaufen; weiterhin ist eine obere umlenkende Schicht 202 enthalten, die eine brechende/intern reflektierende Wirkung hat und eine gekrümmte reflektierende Oberfläche aufweist, und (n) eine untere Reflektorschicht 204, die teilweise spiegelnd und teilweise streuend wirkt, um die Gleichförmigkeit zu verbessern; 12N zeigt den Anfangsreflektorabschnitt 206, der zur Reduzierung der Spiegelwirkung leicht angerauht ist und dadurch gezielt Ungleichförmigkeiten reduziert, die sonst in der Ausgabe in der Nähe des dickeren Endes 208 erscheinen würden; eine obere umlenkende Schicht 210 wird verwendet, die eine brechende/intern reflektierende Wirkung hat und eine mit flachen Facetten versehene Schicht 212 aufweist, und die Facettengeometrie wird variiert, um Licht von jeder Facette zu einem gemeinsamen Brennpunkt in einer bestimmten Entfernung umzulenken; ein linsenartiger Querdiffusor 213 ist in Umrissen gezeigt; ein linsenartiger Paralleldiffusor 214 wird dazu verwendet, die Ausgabewinkelverteilung auf gesteuerte Weise stufenlos zu verbreitern, wodurch die Brennpunktzone der mit flachen Facetten versehenen Schicht 212 in eine breitere bevorzugte Betrachtungszone umgewandelt wird; der linsenartige Diffusor 213 verbessert ebenfalls die Gleichförmigkeit; ein LCD 216 oder ein anderes transparentes Bild ist in Umrissen gezeigt, (o) bei einer bevorzugten Ausführungsform benutzt ein exzentrischer Koppler 218 einen in 12O in Umrissen gezeigten linsenartigen Diffusor 220, der die Gleichförmigkeit erhöht. Ein konvergierender konischer Abschnitt 222 oder (in die Keilschicht integrierter) CPC ändert die Ausgabewinkelverteilung so um, dass sie besser auf die numerische Eingabeapertur der Keilschicht 12 abgestimmt ist. Die Dicke der Keilschicht 12 wird stufenlos variiert, um die ausgegebene Raumverteilung zu beeinflussen und die Gleichförmigkeit zu verbessern; eine untere umlenkende Schicht 224 ist ein Spiegelreflektor oder ein teilweise diffuser Reflektor; bei einer oberen umlenkenden Schicht 226 handelt es sich um eine brechende/intern reflektierende, mit Facetten versehene Schicht 228 mit reflektierenden Oberflächen 230, die konvex gekrümmt sind, um den Ausgabewinkel auf gesteuerte Weise stufenlos zu verbreitern; die Facettengeometrie variiert in Abhängigkeit von der Position, damit durch gezieltes Lenken des schrägen Lichtkegels von jeder Fläche in einer bestimmten Entfernung eine bevorzugte Betrachtungszone 232 erschaffen werden kann; ein linsenartiger Querdiffusor 234 ist in Umrissen gezeigt; ein LCD 236 oder ein anderes transparentes Bild ist ebenfalls in Umrissen gezeigt; der stärker konvergierende, auf die numerische Apertur abgestimmte Abschnitt ist in Kombination mit den umlenkenden, mit Facetten versehenen Schichten von Vorteil, da die umlenkenden Schichten und die Schichten mit dem niedrigen Index nicht über dem stärker konvergierenden Abschnitt liegen müssen; daher erhöht sich die Eingabeapertur (und somit der Wirkungsgrad) der Einrichtung 10 bei minimaler Erhöhung der Gesamtdicke der Einrichtung, (p) eine weitere bevorzugte Ausführungsform für die LCD-Hintergrundbeleuchtung verwendet einen exzentrischen Koppler mit einem die Gleichförmigkeit erhöhenden Diffusor, der in 12P gezeigt ist; ein konvergierender halbkonischer Abschnitt 240 oder (in die Keilschicht 12 integrierter) Halb-CPC ändert eine Ausgabewinkelverteilung des Kopplers so um, dass sie besser auf die numerische Eingabeapertur der Keilschicht 12 abgestimmt ist. Es kann auch ein Diffusor 239 (in Umrissen) zwischen der Lichtquelle 217 und der Keilschicht 12 angeordnet sein. Bei dem ausreichend schräg abgeschnittenen Halb-CPC 240 handelt es sich um einen einfachen konisch zulaufenden Abschnitt. Ein unterer Reflektor 242, der teilweise spiegelnd und teilweise streuend wirkt, wird für die Verbesserung der Gleichförmigkeit benutzt; 12P zeigt weiterhin einen Anfangsreflektorabschnitt 244, der zur Reduzierung der Spiegelwirkung leicht angerauht oder alternativ dazu in Form einer Reihe von parallelen reflektierenden Nuten ausgebildet ist und dadurch gezielt Ungleichförmigkeiten reduziert, die sonst in der Ausgabe in der Nähe des dickeren Endes erscheinen würden; bei einer oberen umlenkenden Schicht 246 handelt es sich um eine brechende/intern reflektierende, mit Facetten versehene Schicht 248 mit reflektierenden Oberflächen 250, die konvex gekrümmt sind, um den Ausgabewinkel auf gesteuerte Weise stufenlos zu verbreitern; die Facettengeometrie variiert in Abhängigkeit von der Position, damit durch gezieltes Lenken der schrägen Lichtkegel von jeder Facette in einer bestimmten Entfernung eine bevorzugte Betrachtungszone erschaffen werden kann; ein linsenartiger Querdiffusor 252 ist in Umrissen gezeigt. Ein LCD 254 oder ein anderes transparentes Bild ist ebenfalls in Umrissen gezeigt.
  • Der stärker konvergierende, auf die numerische Apertur abgestimmte Abschnitt (wie der halbkonische Abschnitt 240) ist in Kombination mit den umlenkenden, mit Facetten versehenen Schichten von Vorteil, da die umlenkenden Schichten und die Schichten mit dem niedrigen Index nicht über dem stärker konvergierenden Abschnitt liegen müssen; daher erhöht sich die lichtaufnehmende Apertur der Einrichtung 10 ohne Erhöhung der Gesamtdicke. Der Vorteil entsteht auch durch den in 12O gezeigten, vollständig konischen Abschnitt 222, der halbkonische Abschnitt 240 in 12P stellt aber im Vergleich dazu eine stärkere Reduktion der Dicke auf einer Seite bereit, wobei er allerdings in Richtung der Verjüngung länger ist, um einen gleichwertigen Abstimmungseffekt auf die numerische Apertur zu erzielen. Es kann wünschenswert sein, die Reduzierung der Dicke wie gezeigt auf eine Seite zu konzentrieren, weil die Schicht mit dem niedrigen Index auf der oberen Oberfläche zur Verbesserung der Gleichförmigkeit dicker sein kann. Diese Konfiguration lässt sich einfacher herstellen, da die untere Reflektorschicht in den Kopplerreflektorhohlraum integriert sein kann, ohne dass eine reflektierende Folie um eine Ecke gebogen werden muss, (q) eine untere, spiegelnd oder streuend reflektierende Schicht 256 kann bei noch einer weiteren Ausführungsform mit einer oberen, brechenden Einzelfacettenschicht 258 kombiniert werden (siehe 12Q), und (r) im Falle der Verwendung für die Innenbeleuchtung wird eine bimodale, breitstrahlende Winkelverteilung 260 des Lichts bevorzugt; in 12R ist eine obere brechende Schicht 262 mit Facetten 264 gezeigt, die eine gekrümmte Vorderfläche 266 aufweist, um die Winkelausgabe stufenlos zu verbreitern und die Gleichförmigkeit zu verbessern, wobei ausgegebenes Licht hauptsächlich in einen Vorwärtsquadranten gerichtet wird; eine untere reflektierende Schicht 268 reflektiert Licht hauptsächlich durch eine Rückfläche einer oberen umlenkenden Schicht, wobei die Ausgabe im Wesentlichen in einen Rückwärtsquadranten gerichtet wird.
  • Wie im Fachgebiet bekannt ist, können die verschiedenen in den Figuren gezeigten Elemente mit Kombinationen von Elementen in konischen Beleuchtungseinrichtungen verwendet werden. Beispiele für zwei solcher Kombinationsgeometrien sind in den 13 und 14 gezeigt, wobei jede Figur auch für die gezeigte Geometrie spezifische Merkmale enthält. Wie in 13 dargestellt, können zwei Keile 276 kombiniert und integral ausgebildet sein. Diese Kombination kann eine größere Helligkeit bereitstellen als ein gleich großer einzelner Keil, da hier zwei Lichtquellen der gleichen Gesamtfläche Licht zuführen können. Während bei dieser Einrichtung die Helligkeit größer ist, ist der Wirkungsgrad ähnlich, weil zwei Quellen auch doppelt so viel Strom wie eine Quelle benötigen. Eine umlenkende Folie 272 mit Facetten 274 kann eine einfache, symmetrische Konstruktion aufweisen, die wie gezeigt Licht aus beiden Richtungen aufnimmt. Alternativ dazu kann die umlenkende Folie 272 für jeden der beiden Flügel eine andere Konstruktion aufweisen.
  • In 14 ist eine dreidimensionale Darstellung einer konischen Scheibe 270, wie sie in 5 gezeigt ist, gezeigt und zerlegt, um das Aussehen der verschiedenen Schichten zu zeigen. Eine mit Facetten versehene Schicht 280 umfasst konzentrische, kreisförmige Facetten 282, die über einem konischen Lichtleiterteil 284 liegen. Die umlenkende Schicht 280 in Form einer Linse (es ist beispielsweise eine Fresnel-Linse 280 gezeigt) liegt über dem Spalt an der Achse des Lichtleiterteils 284 direkt über einer Lichtquelle 288. Direkt unter der Lichtquelle 288 befindet sich ein Reflektor 290, der dort angeordnet ist, um zu verhindern, dass Licht ausdringt, und um das Licht in den Lichtleiterteil 284 oder durch die Linse umzulenken. In dem Reflektor befindet sich mindestens eine Öffnung, die das Hindurchführen von Elementen wie Drähten oder Lichtleitern ermöglicht.
  • Verwendung von bildgebenden oder farbigen Schichten
  • Alle Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere Schichten enthalten, die zum Erzeugen eines Bildes einen variablen Transmissionsgrad besitzen oder mindestens einem Teil der Winkelausgabe Farbe verleihen. Die bildgebende Schicht kann ein statisches Bild, wie z. B. ein konventionelles transparentes Display, oder ein gezielt gesteuertes Bild, wie z. B. ein Flüssigkristalldisplay, aufweisen. Die bildgebende oder Farbe verleihende Schicht kann über einer der umlenkenden Schichten liegen oder alternativ dazu eine Zwischenschicht zwischen einer der Schichten mit niedrigem Index und der dazugehörigen umlenkenden Schicht umfassen oder eine interne Komponente einer umlenkenden Schicht. Die aufliegenden bildgebenden Schichten 129 sind beispielsweise in den 12C und 12G in Umrissen gezeigt. Beispiele für eine interne bildgebende Schicht 171 sind in den 12H und 12J gezeigt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der bildgebenden Schicht (wie z. B. 129 und 170) um eine polymerdispergierte Flüssigkristallschicht (PDLC = Polymer-Dispersed Liquid Crystal). Durch richtige Anordnung der Schichten kann das Bild oder die Farbe innerhalb ausgewählter Teile der Ausgabewinkelverteilung aus der Einrichtung projiziert werden. Das Bild oder die ausgewählte Farbe kann in den übrigen Teilen der Ausgabewinkelverteilung im Wesentlichen fehlen.
  • Bimodaler reflektierender Keil für die Beleuchtung von LCD-Flachbildschirmen
  • Bei einigen Anwendungen soll ein einzelner LCD-Flachbildschirm gezielt entweder mit Umgebungslicht oder durch aktive Hintergrundbeleuchtung beleuchtet werden. Bei diesen Anwendungen wird die Umgebungsbeleuchtung in gut beleuchteten Umgebungen gewählt, um den Stromverbrauch des Displays zu minimieren. Ist die zur Verfügung stehende Umgebungsbeleuchtung für das Bereitstellen einer angemessenen Displayqualität zu gering, dann wird eine aktive Hintergrundbeleuchtung gewählt. Dieser selektive bimodale Betriebsmodus erfordert eine Hintergrundbeleuchtungseinheit, die das LCD im aktiven Modus effizient von hinten beleuchten und im alternativen Umgebungsmodus Umgebungslicht effizient reflektieren kann.
  • Das am weitesten verbreitete bimodale Flüssigkristalldisplay des Standes der Technik ist das "transflektive Display" 101, wie es in 16B gezeigt ist. Dieser Ansatz benutzt eine konventionelle Hintergrundbeleuchtung 102 und einen durchlässigen LCD-Flachbildschirm 103 mit einer dazwischenliegenden Schicht 104, die teilweise reflektiert und teilweise durchlässig ist. Um eine angemessene Leistung im Umgebungsmodus zu erzielen, ist es in der Regel notwendig, dass die dazwischenliegende Schicht 104 80–90% reflektiert. Durch den entstehenden geringen Transmissionsgrad wird das transflektive Display 101 im aktiven Betriebsmodus ineffizient.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 17 gezeigt. Die Leistung dieser Ausführungsform übertrifft die von transflektiven Displays des Standes der Technik im aktiven Modus und im Umgebungsmodus ist sie vergleichbar. Bei dieser Ausführungsform ist die Keilschicht 12 (Index = n1) mit der unteren Oberfläche 16 mit einer transparenten Schicht 28 mit einem Index n2 < n1 gekoppelt, bei der es sich um einen Luftspalt handeln kann. Die n2-Schicht ist mit einer teilweise streuenden Reflektorschicht 105 gekoppelt. Diese Reflektorschicht 105 ähnelt beispielsweise den Reflektoren, die in nur im Umgebungsmodus verwendeten konventionellen LCD-Flachbildschirmen verwendet werden und in 16A gezeigt sind. Über der oberen Oberfläche 14 der Keilschicht liegt eine mit Facetten versehene umlenkende Schicht 106, wie z. B. ein linsenartiger Diffusor mit ungefähr parallel zur y-Achse liegenden Mikrolinsen. Ein Flüssigkristalldisplay-Flachbildschirm 107 liegt über der mit Facetten versehenen umlenkenden Schicht 106. Die Rückfläche 20 der Keilschicht 12 ist mit der Lichtquelle 22 gekoppelt.
  • Die linsenartige umlenkende Schicht 106 und die Keilschicht 12 sind für das einfallende und zurückstrahlende Licht im Wesentlichen transparent, so dass die Einrichtung 10 im Umgebungsmodus auf ähnliche Weise wie konventionelle Displays arbeitet, die nur im Umgebungsmodus betrieben werden. Wird ein aktiver Modus ausgewählt, so wird die Lichtquelle 22 aktiviert, und die mehreren Schichten verteilen das Licht aufgrund der Beziehung zwischen den Brechungsindizes und den Konvergenzwinkeln der Schichten wie oben beschrieben im Wesentlichen gleichförmig über die Einrichtung 10. Die sich ergebende gleichförmige Beleuchtung wird durch die obere Oberfläche 14 der Keilschicht 12 abgestrahlt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform reflektiert die Reflektorschicht 105 fast spiegelnd, damit die Leistung des Umgebungsmodus maximiert wird. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird das von der oberen Oberfläche abgestrahlte Licht zu einem großen Teil in Glanzwinkeln abgestrahlt, die sich für die Übertragung durch den LCD-Flachbildschirm 107 nicht eignen. Die umlenkende Schicht 106 lenkt einen Bruchteil dieses Lichts durch eine Kombination von Brechung und Totalreflexion, wie weiter oben beschrieben, um. Die umlenkende Schicht 106 ist vorzugsweise so konstruiert, dass mindestens 10–20% des Lichts in Winkel umgelenkt werden, die weniger als 30 Grad von der LCD-Senkrechte betragen, da der Transmissionsgrad in diesem Winkelbereich in der Regel am höchsten ist. Es reicht aus, wenn man nur einen Bruchteil der Hintergrundbeleuchtung in geeignete Winkel lenkt, da das transflektive Display des Standes der Technik im aktiven Betriebsmodus ziemlich ineffizient ist.
  • Es sind zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden, Fachleuten wird jedoch klar sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen ausgeführt werden können, ohne dass man sich von den breiteren Aspekten der Erfindung entfernt, die in den nachfolgend angeführten Ansprüchen dargelegt werden.

Claims (22)

  1. Beleuchtungseinrichtung (10) zum Sammeln von Licht von einer Lichtquelle (22) und zum gezielten Ausgeben von Licht, die Folgendes aufweist: eine Keilschicht (12), die Licht von der Quelle (22) empfangen kann und einen optischen Brechungsindex n1 aufweist, und eine obere und untere Oberflächenschicht (14, 16), die konvergieren und mindestens einen Neigungswinkel ϕ definiert, wobei die Keilschicht (12) eine transparente Rückfläche (20) enthält, die die obere und untere Oberflächenschicht (14, 16) überspannt; einen Luftspalt oder eine transparente dielektrische Schicht (28), der bzw. die sich entlang der oberen oder unteren Oberflächenschicht (14, 16) der Keilschicht (12) erstreckt und einen optischen Brechungsindex n2 aufweist, um die Übertragung von von der Keilschicht (12) empfangenem Licht zu gestatten; ein lichtumlenkendes transparentes Brechungsmittel (30), das den Luftspalt oder die transparente dielektrische Schicht (28) bedeckt und die Übertragung von Licht über die Dicke des lichtumlenkenden transparenten Brechungsmittels (30) gestattet, während Lichtausgabe von dem Luftspalt oder der transparenten dielektrischen Schicht (28) gezielt umgelenkt wird, und wobei das lichtumlenkende transparente Brechungsmittel (30) einen Brechungsindex n3 aufweist, wobei n2 < n1 ≤ n3, und mehrere Facetten (34) so angeordnet sind, daß Licht, das auf die Facetten (34) auftrifft und danach von dort abgegeben wird, eine Winkel- und Raumverteilung aufweist, die durch die Facetten (34) bestimmt wird.
  2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Luftspalt oder die transparente dielektrische Schicht (28) entlang der unteren Oberflächenschicht (16) erstreckt.
  3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Luftspalt oder die transparente dielektrische Schicht (28) entlang der oberen Oberflächenschicht (14) erstreckt.
  4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich ein erster Luftspalt oder eine erste transparente dielektrische Schicht (158) entlang der unteren Oberflächenschicht (16) erstreckt und ein erstes lichtumlenkendes transparentes Brechungsmittel (160) den ersten Luftspalt oder die erste transparente dielektrische Schicht (158) bedeckt und sich ein zweiter Luftspalt oder eine zweite transparente dielektrische Schicht entlang der oberen Oberflächenschicht (14) erstreckt und ein zweites lichtumlenkendes transparentes Brechungsmittel (152) den zweiten Luftspalt oder die zweite transparente dielektrische Schicht bedeckt.
  5. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das oder mindestens ein lichtumlenkendes transparentes Brechungsmittel (30) das dorthin übertragene Licht reflektiert, wobei das Licht durch das umlenkende Mittel (30) zurück durch den Luftspalt oder die transparente dielektrische Schicht (28) und durch die Keilschicht (12) und durch die obere oder untere Oberflächenschicht (14, 16) hinaus reflektiert wird.
  6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungsvorrichtung (10) eine kollimierte Lichtausgabe mit einem Kegel mit einer Winkelbreite ΔΘ von etwa gleich 2ϕ½(n2 – 1)4 bereitstellt.
  7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin folgendes aufweist: eine Lichtquelle (22) und eine Schicht mit einem mit Facetten versehenen Teil zum optischen Umlenken von Licht, wobei der mit Facetten versehenen Teil mindestens an einer der folgenden Stellen positioniert ist: (a) zwischen der Lichtquelle (22) und der Keilschicht (12), (b) über der Keilschicht (12) liegend und (c) sich entlang dem lichtumlenkenden Mittel (30) erstreckend.
  8. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine Lichtquelle (22) aufweist und eine Diffusorschicht enthält, die mindestens eines von folgenden: (a) zwischen der Lichtquelle (22) und der Keilschicht (12) angeordnet ist, (b) über der Keilschicht (12) liegt und (c) sich entlang dem lichtumlenkenden Mittel (30) erstreckt.
  9. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei (a) Facetten (34) sich zunehmend verändernde Facettenwinkel enthalten, so daß die mehreren Facetten (34) eine Schicht bilden, die einen Abschnitt einer Fresnel-Parabel und/oder eines Fresnel-Zylinders aufweisen, oder (b) jede der Facetten (34) so konstruiert ist, daß ein gewünschter Lichtkegel mit einer bestimmten Winkelverteilung erzeugt wird oder (c) jede der Facetten (34) mit einer auswählbaren flachen und gekrümmten Facettenflächegeometrie konstruiert ist.
  10. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keilschicht mindestens für die obere oder untere Oberflächenschicht (14, 16) eine sich verändernde Steigung enthält, wobei sich die verändernde Steigung einen konvergierenden und/oder divergierenden Teil der Keilschicht (12) enthält.
  11. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keilschicht (12) mindestens einen Teil einer Scheibe (46) mit einem mittleren Längsdurchgang zum Aufnehmen einer Lichtquelle (47) aufweist.
  12. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das lichtumlenkende Mittel (30) so angeordnet ist, daß es von der Keilschicht (12) ausgegebenes Licht fokussiert.
  13. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Facetten (34) eine bestimmte Facetteneckigkeit aufweisen zum Bereitstellen einer bestimmten ausgewählten Fokussierung.
  14. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Facetten (34) mindestens eines der folgenden bereitstellen: (a) vergrößerte Lichtüberlappung bei ausgewählten Betrachtungsentfernungen, (b) Lichtüberlappung zur Ausbildung einer bevorzugten Betrachtungsausgabeverteilung, (c) eine bestimmte Facetteneckigkeit zum Bereitstellen einer bestimmten Fokussierung und (d) verschiedene Brennpunkte für jede der Facetten (34).
  15. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keilschicht (12) eine sich nichtlinear verändernde Dicke in der Nähe der transparenten Rückfläche (20) für mindestens einen der folgenden Zwecke enthält: Steuern der Gleichförmigkeit der Lichtausgabe in die Umgebung von der Beleuchtungsvorrichtung (10) und zum optischen Kompensieren der Ungleichförmigkeit der Lichteingabe in die Keilschicht (12).
  16. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin ein darüberliegendes Flüssigkristalldisplay (107) enthält, das mit Umgebungslicht arbeitet.
  17. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der erste und zweite Luftspalt oder die erste und zweite transparente dielektrische Schicht Brechungsindizes n2a bzw. n2b aufweisen, die verschieden sind, um die Übertragung von Lichtausgabe von der Keilschicht (12) zu gestatten.
  18. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Facetten (34), die einen Orientierungswinkel aufweisen, der so ausgelegt ist, daß er über eine flache Abmessung des umlenkenden Mittels (30) variiert, um den Winkelausgabebereich von Licht so zu steuern, daß es bei Betrachtung durch einen Betrachter eine im wesentlichen gleichförmige Intensität aufweist.
  19. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das lichtumlenkende transparente Brechungsmittel (30) zwei Schichten aufweist, die mindestens eines der folgenden enthalten: (a) zwei mit Facetten versehene Schichten und gezielt einen linsenartigen Diffusor, (b) mit Facetten versehene Schichten mit Facetten, die so ausgelegt sind, daß sie von der Keilschicht ausgegebenes Licht brechen und intern reflektieren, (c) eine an der oberen Oberfläche gelegene brechende Einfacettenschicht mit gekrümmter Ausgabeoberfläche und einer an der unteren Oberfläche gelegene brechende/intern reflektierende mit Facetten versehene Schicht, (d) eine an der oberen Oberfläche gelegene brechende Schicht mit mehreren Facetten und eine an der unteren Oberfläche gelegene brechende/intern reflektierende Schicht, (e) eine an der oberen Oberfläche und unteren Oberfläche gelegene brechende/intern reflektierende Schicht mit mehreren Facetten und (f) eine an der oberen Oberfläche gelegene brechende Schicht mit mehreren Facetten und eine an der unteren Oberfläche gelegene brechende/intern reflektierende Schicht mit mehreren Facetten.
  20. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das lichtumlenkende Mittel (30) bewirkt, daß in die Keilschicht (12) eingegebenes Licht bevorzugt von der unteren Schicht der Oberfläche (16) und durch das lichtumlenkende Mittel (30) in die Umgebung ausgeben wird.
  21. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das lichtumlenkende transparente Brechungsmittel (30) oder die transparente dielektrische Schicht (28) außerdem eine Reflexionsschicht zum Reflektieren des Lichts durch die Keilschicht (12) und den Luftspalt oder die transparente dielektrische Schicht (28) zur Ausgabe enthält.
  22. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 2, weiterhin mit einem zusätzlichen lichtumlenkenden transparenten Brechungsmittel (214), das über der oberen Oberflächenschicht angeordnet ist.
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