DE3033141A1

DE3033141A1 - Lichtleiter fuer eine grossflaechige fluessigkristallanzeige

Info

Publication number: DE3033141A1
Application number: DE19803033141
Authority: DE
Inventors: Helmut-D Dipl Ing Range; Guenter Stephan; Wolfgang Dipl Ing Wahle
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-09-03
Filing date: 1980-09-03
Publication date: 1982-03-18
Also published as: DE3033141C2

Description

"Lichtleiter für eine großflächige Flüssigkristall-
anzeige" Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtleiter mit Totalreflexion, vorzugsweise für eine großflächige Flüssigkristallanzeige. Eingestrahltes Licht wird dabei mittels der Total reflexion in einer Platte oder einem Stab weitergeleitet und gezielt an entsprechend gestalteten Kanten abgestrahlt. Es ist somit möglich, Licht an beliebiger Stelle auszukoppeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtleiter zu schaffen, der totalreflektiertes Licht so lenkt, daß das funktionsmäßige Erkennen einer vor dem Lichtleiter befindlichen Flüssigkristallanzeige für einen Beobachter sicher gewährleistet ist und dabei der Lichtleiter lediglich eine geringe Bautiefe aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen keilförmigen durchsichtigen Körper mit zwei von der Keilspitze ausgehenden Breitseiten, von denen zumindest die vordere Breitseite, vor der sich die Flüssigkristallanzeige befindet, parallel zur Keilspitze verlaufende Prismen aufweist und mit einer Lichteintrittsfläche auf der der Keilspitze gegenüberliegenden Schmalseite, wobei das von einer Lichtquelle in letztere eintretende Licht von der rückwärtigen Breitseite mittels Totalreflexion auf die mit Auskoppelprismen versehene vordere Breitseite umgelenkt und derart von der Lichtquelle weg reflektiert wird, daß es auf die Flüssigkristalizelen fällt und die davon an elektrischer Spannung liegenden Zellen sichtbar werden, während die nicht angeregten Zellen für einen Beobachter, dessen Augenhöhe sich senkrecht zur Anzeigefläche in Höhe der Lichtquelle oder darüber befindet, dunkel erscheinen.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß eine großflächige Flüssigkristallanzeige so gleichmäßig beleuchtet werden kann, daß ein Beobachter die angeregten Flüssigkristallzellen gut erkennen und somit von den nicht angeregten Zellen unterscheiden kann. Die Bautiefe eines Elementes aus Flüssigkristallanzeige und Lichtleiter ist relativ gering und man erreicht eine gute Kontrastwirkung. Zudem ist es möglich, das auf der Schmalseite eintretende Licht über Lichtleitfasern von einer entfernter liegenden zentralen Lichtquelle herzuleiten; Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.
Die Erfindung sei nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Lichtleiter mit der davor befindlichen Flüssigkristallanzeige.
Fig. 2 zeigt an einem nicht maßstabsgerechten vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 beispielhaft den Verlauf von Lichtstrahlen im Lichtleiter, während in Fig. 3 ebenso beispielhaft der Verlauf von Sehstrahlen im Lichtleiter dargestellt ist.
Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Lichtleiter besteht aus einem durchsichtigen Körper 1, bei dem ausgehend von einer Keilspitze 2 eine vordere Breitseite 3 und eine rückwärtige Breitseite 4 im spitzen -Winkel zu einer-als Lichteintrittsfläche 5 ausgebildeten Schmalseite auseinanderstreben. Oberhalb der Lichteintrittsfläche befindet sich eine Lichtquelle 6, die beispielsweise aus einer oder mehreren Soffittenlampen oder aus einer Leuchtstofflampe gebildet sein kann. Um die Lichtquelle herum ist ein Reflektor 7 bis an die beiden Breitseiten 3, 4 herangeführt, der das Licht auf die darunter befindliche Lichteintrittsfläche lenkt. Das eintretende Licht ist beispielhaft durch die Pfeile 8 angedeutet. Vor der vorderen Breitseite 3, die mit parallel zur Keilspitze in Längsrichtung verlaufenden Auskoppelprismen 3a versehen ist, befindet sich eine großflächige Flüssigkristallanzeige 9 mit den elektrisch ansteuerbaren einzelnen Flüssigkristallzellen. Hinter der rückwärtigen, mit Umlenkprismen 4a versehenen Breitseite 4 ist in geringem Abstand ein dunkler Hintergrund 10 angeordnet.
Flüssigkristallanzeige und Lichtleiter sind in einem festen System mit einem davor befindlichen Beobachter derart letzterem zugeordnet, daß sich die Augenhöhe des Beobachters in Höhe der Lichtquelle oder darüber befindet und sich damit für den -Beobachter die durch Pfeile 11 angedeutete Blickrichtung auf die Flüssigkristallzellen ergibt. Die Zellen in der Flüssigkristallanzeige sindvon jenem Typ, die in angeregtem Zustand von der Ruckseite einfallendes Licht bevorzugt streuen, während die nicht angeregten Zellen das Licht ungestreut hindurchtreten lassen. Dieser Effekt ermöglicht es, die angeregten Zellen zur Unterscheidung von den nicht angeregten Zellen für das menschliche Auge sichtbar zu machen.
Weiterhin können statt einer glatten Lichteintrittsfläche 5 lediglich angedeutete Streuprismen 5a auf letzterer angeordnet sein, die über die Schmalseite quer zur Keilspitze verlaufen. Ist aus technischen Gründen oder Wartungsgründen eine direkte Anordnung der Lichtquelle über dem Lichtleiter gemäß Fig. 1 nicht möglich oder nicht zweckmäßig, so kann zwischen die Lichtquelle 6 mit Reflektor 7 und die Lichteintrittsfläche 5 ein nicht dargestelltes Lichtleitfasersystem eingeschaltet werden. Die Lichtquelle kann dadurch an einer weiter entfernt liegenden zentralen Stelle angeordnet sein.
Der in Fig. 2 bzw. Fig. 3 gezeigte nicht maßstabgetreue und vergrößerte Ausschnitt aus dem Lichtleiter läßt auf der vorderen Breitseite 3 mehr als ein Auskoppelprisma 3a und auf der rückwärtigen Breitseite 4 nahezu zwei Umlenkprismen 4a erkennen. In Fig. 2 sind die Winkel der Prismen und zusätzlich die Winkelbereiche angegeben, innerhalb derer die Prismenwinkel schwanken können. Das in Richtung der Pfeile 8 bevorzugt eintretende Licht wird, wie an einem in Fig. 2 in Strichlinien dargestellten Hauptstrahl erkennbar ist, durch die Umlenkprismen auf der rückwärtigen Breitseite so auf die Auskoppelprismen auf der vorderen Breitseite gelenkt, daß die Lichtstrahlen gegenüber der Waagerechten unter einem Winkel; der größer als Null ist, nach unten hin austreten. Auch Streulicht, von dem in Fig. 2 zwei Lichtstrahlen in Strichlinien dargestellt sind, wird ebenfalls unter einem Winkel ot > O nach unten abgestrahlt.
Die in Fig. 2 in Strichpunktlinien eingezeichneten Strahlen, die mit einem als Umlenkwinkel cp bezeichneten Winkel, der von der Normalen auf eine Prismenoberfläche und dem Lichtstrahl beschrieben wird, -auf erstere auftreffen, begrenzen die Bereiche, in denen die Lichtstrahlen mittels der Totalreflexion nach vorn umgelenkt werden.
Lichtstrahlen, die mit einem kleineren Winkel cp auf die Oberfläche der Umlenkprismen auftreffen, treten durch die rückwärtige Breitseite hindurch und werden von dem dunklen Hintergrund absorbiert. Der größte Teil der Lichtstrahlen trifft jedoch mit einem Winkel, der größer als der Umlenkwinkel q,ist, auf die Oberfläche der Umlenkprismen und wird total reflektiert. Der Grenzwinkel cp für die Totalreflexion ist abhängig vom Brechungsindex des Materials für den Lichtleiter, der beispielsweise aus Silikatglas, optischem Glas oder auch Kunststoffglas hergestellt sein kann. Auf das gewählte Material sind daher auch die Winkel für die Prismen und die Prismenteilung abzustimmen. Bedingt durch die Keilform des Lichtleiters ist die Teilung der Umlenkprismen größer als die der Auskoppelprismen. Die Anzahl der Prismen ist zweckmäßig gewählt zwischen der Möglichkeit von wenigen Prismen, wobei die Einzelprismen zu dick werden und vielen Prismen mit kleiner Teilung, wobei der Fehler wegen der Fertigungstoleranzen zu groß wird.
In Fig. 3 ist in Strichlinien der Verlauf mehrerer Seh strahlen 11 eingezeichnet, die von den Augen eines Beobachters ausgehen und auf den dunklen Hintergrund gelenkt werden. Der Winkel £ zwischen einer Normalen auf die Flüssigkristallanzeige und den Sehstrahlen ist dabei aufgrund annähernd fester Zuordnung in einem System mit dem Beobachter größer als Null. Die Normalen sind in Fig. 3 in Strichpunktlinien eingezeichnet und treffen ebenfalls auf den dunklen Hintergrund. Somit werden alle Sehstrahlen, die innerhalb des Winkelbereiches auf die Auskoppelprismen auftreffen, wie ohne weiteres aus der Fig. 3 ersichtlich ist, auf den dunklen Hintergrund gelenkt. Die durch die Zellen der Fiüssigkristailanzeige hindurchgehenden Sehstrahlen lassen also nur den dunklen Hintergrund erkennen und damit ist für das Auge die entsprechende Flüssigkristallzelle dunkel.
Es ergibt sich folgendes Ergebnis: Gemäß Fig. 2 werden die Lichtstrahlen von der Lichteintrittsfläche unter einem WinkeloC> 0 nach unten abgestrahlt, können also beim Hindurchtreten durch die nicht angeregten Flüssigkristallzellen nicht auf das Auge eines Beobachters fallen und sind somit unsichtbar. Gemäß Fig. 3 lassen die Sehstrahlen nur den dunklen Hintergrund erkennen und die Zellen der Flüssigkristallanzeige erscheinen im Ruhezustand dunkel. Werden nun einzelne Zellen elektrisch angeregt, so streuen diese die unter dem Winkel oCvon der Rückseite her auftreffenden Lichtstrahlen und die angeregten Zellen erscheinen heller. Damit unterscheiden sich für das Auge eines Beobachters diese helleren angeregten Zellen von den übrigen nicht angeregten Zellen, die weiterhin dunkel erscheinen.
Mit einer gezielten elektrischen Ansteuerung der Flüssigkristallzellen können diese also mittels des dahinter angeordneten erfindungsgemäßen Lichtleiters für das menschliche Auge sichtbar oder unsichtbar gemacht werden. Hierbei lassen sich auf der großflächigen Flüssigkrista-llanzeige, deren Abmessungen beispielsweise 1CO mm in der Höhe und 250 mm in der Länge betragen können, eine Vielzahl von Ziffern, Buchstaben oder auch Symbolen darstellenden Zellen anordnen und für einen Beobachter gut erkennbar nach Bedarf sichtbar machen.
9 Seiten Beschreibung 8 Patentansprüche 3 Blatt Zeichnungen mit 3 Fig.
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Claims

Patentansprüche: 1 Lichtleiter mit Total reflexion, vorzugsweise für eine großflächige Flüssigkristallanzeige, gekennzeichnet durch einen keilförmigen durchsichtigen Körper (1) mit zwei von der Keilspitze (2) ausgehenden Breitseiten (3, 4), von denen zumindest die vordere Breitseite (3), vor der sich die Flüssigkristallanzeige (9) befindet, parallel zur Keilspitze (2) verlaufende Prismen (3a) aufweist und mit einer Lichteintrittsfläche (5) auf der der Keilspitze (2) gegenüberliegenden Schmalseite, wobei das von einer Lichtquelle (6) in letztere eintretende Licht (8) von der rückwärtigen Breitseite (4) mittels Totalreflexion auf die mit Auskoppelprismen (3a) versehene vordere Breitseite (3) umgelenkt und derart von der Lichtquelle 6) weg reflektiert wird, daß es auf die Flüssigkristallzellen (Q) fällt und die davon an elektrischer Spannung liegenden Zellen sichtbar werden, während die nicht angeregten Zellen für einen Beobachter, dessen Augenhöhe (11) sich senkrecht zur Anzeigefläche in Höhe der Lichtquelle (6) oder darüber befindet, dunkel erscheinen.
2 Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rückwärtige Breitseite (4) zur Verringerung der Bautiefe mit Umlenkprismen (4a) versehen ist.
3 Lichtleiter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der rückwärtigen Breitseite (4) ein dunkler Hintergrund (10) angeordnet ist.
4 Lichtleiter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Prismenflachen (3a, 4a, 5a) ein Antireflexbelay aufgebracht ist.
5 Lichtleiter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsfläche (5) mit quer zur Keilspitze (2) verlaufenden Streuprismen (5a) versehen ist.
6 Lichtleiter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (6) Glühlampen, vorzugsweise Soffittenlampen, vorgesehen sind.
7 Lichtleiter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (6) eine Leuchtstofflampe vorgesehen ist.
8 Lichtleiter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Lichtquelle (6) und die die Lichteintrittsfläche (5) bildende Schmalseite ein Lichtleitfasersystem zwischengeschaltet ist.