DE69723101T2

DE69723101T2 - Beleuchtungsvorrichtung mit niedrigem profil

Info

Publication number: DE69723101T2
Application number: DE69723101T
Authority: DE
Inventors: G Pelka; John Popovich; Yong Qiao
Original assignee: Teledyne Lighting and Display Products Inc
Current assignee: Seoul Semiconductor Co Ltd
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2017-12-10
Also published as: CA2274828A1; CA2274828C; US6473554B1; ATE243828T1; EP0944800A1; EP0944800B1; JP2002512727A; DE69723101D1; US6647199B1; WO1998026212A1; AU5379998A

Description

Beleuchtungsvorrichtung mit einem niedrigen Profil Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem niedrigen Profil, wobei ein Wellenleiter zur Beleuchtung verwendet wird. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für eine Verwendung als eine Hintergrundbeleuchtung einer Anzeige.
Hintergrundbeleuchtungen können zum Beleuchten mechanischer Anzeigen, wie analoger Uhren oder Automobil-Meßanzeigen, sowie elektronischer Anzeigen, wie Flüssigkristallanzeigen, die bei Mobiltelefonen und Pagern sowie PDAs (Personal Digital Assistants) verwendet werden, eingesetzt werden. Weil sich viele Hintergrundbeleuchtungsanwendungen auf kleinere Anzeigen beziehen, bei denen der Platz kostbar ist, ist es wünschenswert, die Dicke dieser Hintergrundbeleuchtungen zu verringern, während die Beleuchtungsfläche noch aufrechterhalten wird. Bei Hintergrundbeleuchtungen sind daher verkleinerte Seitenverhältnisse erforderlich, die als das Verhältnis zwischen der Dicke der Hintergrundbeleuchtung und der Länge des Beleuchtungsbereichs definiert sind.
Bei einem Typ einer Hintergrundbeleuchtung wird eine Lichtquelle in der Art einer Leuchtdiode (LED) verwendet, die mit einem Wellenleiter gekoppelt ist, in den Licht eingeführt wird. Die Lichtquelle ist typischerweise an einem Außenrand des Wellenleiters angebracht und wird mit Energie versorgt, damit sie Licht in den Wellenleiter emittiert. Das Licht macht zwischen den Flächen des Wellenleiters mehrere Reflexionen durch, bevor es durch eine obere Fläche hindurchtritt, um die Anzeige zu beleuchten.
Eine Schwierigkeit, die mit solchen Hintergrundbeleuchtungen verbunden ist, besteht darin, daß sie über die Oberfläche des Wellenleiters keine gleichmäßige Intensität erzeugen. Das Licht verliert an Intensität, wenn es sich außerhalb der Lichtquelle ausbreitet. Folglich nimmt die Intensität des aus dem Wellenleiter austretenden Lichts mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle ab. Dies führt dazu, daß die Teile des Wellenleiters, die fern von der Lichtquelle liegen, eine verringerte Intensität aufweisen.
Es besteht daher ein Bedarf an einer wirksamen Hintergrundbeleuchtung mit einem niedrigen Seitenverhältnis, wodurch über die gesamte Beleuchtungsfläche ein im wesentlichen gleichmäßiges Beleuchtungsprofil bereitgestellt wird.
Zum Stand der Technik gehören verschiedene Vorrichtungen zum Koppeln von Licht von einer Lichtquelle in einen Wellenleiter. Beispielsweise ist in EP-A-0 821 820, das ein Dokument nach Artikel 54(3) EPÜ ist, eine Beleuchtungsvorrichtung offenbart, die einen Körper aufweist, der aus einem stoß- und bruchfesten Material, wie Acrylglas, besteht, das entweder transparent oder lichtdurchlässig sein kann. Der Körper hat zwei ebene, parallele Außenflächen, eine vordere Fläche und eine hintere Fläche, welche durch Seitenwände miteinander verbunden sind. In jeder der Seitenwände ist eine Rille ausgebildet, und eine bandförmige Lichtquelle, die beispielsweise einen elektrolumineszenten Film aufweist, ist in dieser Rille angeordnet. Durch Einsetzen der Lichtquelle in die Rille tritt im wesentlichen die gesamte verwendbare Lichtausgabe der bandförmigen Lichtquelle in den Körper ein. Das Licht innerhalb des Körpers soll aus der vorderen Fläche austreten, während die der vorderen Fläche entgegengesetzte hintere Fläche Licht auf die vordere Fläche reflektiert.
In EP-A-0 403 764 ist eine beleuchtete Anzeigeeinheit offenbart, welche eine Lichtführungsplatte aufweist, die zum Beleuchten von Logosymbolen darauf dient. Ein elektrisches Beleuchtungselement in der Art einer LED ist in der Nähe eines seitlichen Rands der Lichtführungsplatte angeordnet, um Licht in diese einzuleiten. Die Lichtführungsplatte ist erheblich dünner als das beleuchtende Element, beispielsweise die LED, weshalb das beleuchtende Element in einer Leiste angebracht ist, die an den seitlichen Rändern der Lichtführungsplatte befestigt ist. Um zu gewährleisten, daß das gesamte Licht von der LED zur Lichtführungsplatte laufen kann, weist die Lichtführungsleiste Außenflächen auf, die zumindest teilweise reflektieren.
Es verbleibt jedoch noch ein Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren zum gleichmäßigen Verteilen aus den Wellenleitern austretenden Lichts.
Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale aus den Ansprüchen definiert.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten eines Beleuchtungsbereichs einer Anzeige. Die Beleuchtungsvorrichtung weist einen Wellenleiter auf, der zur Anbringung neben der Anzeige eingerichtet ist, um den Beleuchtungsbereich der Anzeige zu beleuchten. Der Wellenleiter weist eine obere Fläche mit einem optischen Ausgangsbereich, dessen Größe dem Beleuchtungsbereich entspricht, eine untere Fläche, die von der oberen Fläche beabstandet ist, und eine Seitenfläche, die zwischen der oberen und der unteren Fläche verläuft, auf. Ein reflektierendes Material ist neben der unteren Fläche und der Seitenfläche des Wellenleiters angeordnet. Zumindest eine Lichtquelle ist angebracht, um Licht in der Nähe eines Außenbereichs des Wellenleiters zwischen der oberen und der unteren Fläche einzugeben. Der Wellenleiter weist weiterhin eine Lichtausgabeeinrichtung an einer von der oberen und der unteren Fläche auf, die dafür konfiguriert ist, sich zwischen den Flächen ausbreitendes Licht zur oberen Fläche hin umzulenken, so daß es durch diese hindurchtritt. Die Lichtausgabeeinrichtung ist dafür eingerichtet, über den optischen Ausgangsbereich der oberen Fläche ein vorgewähltes Beleuchtungsprofil bereitzustellen.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Wellenleiter, der ein Paar entgegengesetzter Flächen aufweist. Jede der Flächen ist zumindest teilweise reflektierend, und zumindest eine der Flächen ist teilweise durchlässig. Jede der Flächen hat einen Reflexionsgrad, der größer als die Durchlässigkeit der mindestens einen Fläche ist.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem planaren Wellenleiter, der einen Außenrand und eine in der Nähe des Außenrands angebrachte Lichtquelle aufweist, um Licht entlang einem Weg, der sich von der Lichtquelle zu einem optischen Umlenker in dem Wellenleiter erstreckt, in den Wellenleiter zu lenken. Der optische Umlenker in dem Weg richtet Lichtstrahlen von dem Weg zum Außenbereich des Wellenleiters um.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer oberen Fläche, einer unteren Fläche, die von der oberen Fläche beabstandet ist und mit der oberen Fläche zusammenwirkt, um einen Wellenleiter mit einer Dicke zu bilden, die durch den Abstand zwischen der oberen und der unteren Fläche definiert ist, und mindestens einer Festkörper-Punktlichtquelle, die angebracht ist, um Licht in den Wellenleiter zwischen den Flächen einzugeben. Eine der Flächen hat eine Krümmung in bezug auf die andere Fläche, wodurch eine erhebliche Änderung der Dicke des Wellenleiters in einem gewählten Bereich von diesem erzielt wird. Die Änderung folgt einer geometrischen Kontur, die so gewählt ist, daß Licht, das sich zwischen den Flächen des Wellenleiters ausbreitet, so umgelenkt wird, daß das umgelenkte Licht aus der oberen Fläche des Wellenleiters austritt.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Wellenleiter, der eine obere und eine untere Fläche und einen Außenrand aufweist. Der Wellenleiter hat eine Dicke, die durch den Abstand zwischen der oberen und der unteren Fläche definiert ist. Die Dicke am Außenrand ist von der Dicke in einem Bereich zwischen entgegengesetzten Seiten des Außenrands erheblich verschieden. Die Dicke weist eine Geometrie auf, die so gewählt ist, daß die Ausgabe von Licht aus der oberen Fläche zwischen den entgegengesetzten Seiten verstärkt wird. Mindestens eine Lichtquelle ist in der Nähe des Außenrands angeordnet, um Licht in den Wellenleiter zwischen der oberen und der unteren Fläche einzuführen.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Wellenleiter aus einem festen Material, wobei der Wellenleiter eine obere Fläche, eine untere Fläche und eine Seitenfläche aufweist. Eine Lichtquelle ist angebracht, um Licht in den Wellenleiter einzugeben, und ein reflektierendes Material ist einer der oberen und der unteren Fläche gegenüberliegend angeordnet, wobei mindestens ein Abschnitt von einer von der oberen und der unteren Fläche ein Muster langgestreckter Strukturen aufweist, deren Dichte im allgemeinen mit dem Abstand von der Lichtquelle zunimmt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Beleuchtungs- und Anzeigevorrichtung offenbart, die eine optische Wellenleiterschicht und einen Beleuchtungskoppler, der in einen Innenbereich der Wellenleiterschicht eingebettet ist, aufweist. Gemäß einer Ausführungsform weist der Beleuchtungskoppler eine oder mehrere lichtemittierende Halbleitervorrichtungen auf. Ein Abschnitt der optischen Wellenleiterschicht hat ein Paar symmetrischer (a) nichtplanarer, gekrümmter Flächen oder (b) mehrere ebene, planare Flächen, die die nichtplanare, gekrümmte Fläche annähern. Das Paar symmetrischer Flächen bildet eine Spitze, die auf der Achse der einen oder mehreren lichtemittierenden Halbleitervorrichtungen liegt, um eine innere Totalreflexion von Licht von der einen oder den mehreren lichtemittierenden Halbleitervorrichtungen in die Wellenleiterschicht zu erzeugen. Anzeigeelemente sind an Flächen der Wellenleiterschicht ausgebildet, um zu bewirken, daß Licht von der Wellenleiterschicht emittiert wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Beleuchtungs- und Anzeigevorrichtung, die eine optische Wellenleiterschicht aufweist, wobei ein Beleuchtungskoppler in einen Innenbereich der Wellenleiterschicht eingebettet ist, wobei der Beleuchtungskoppler eine oder mehrere lichtemittierende Halbleitervorrichtungen aufweist. An der Oberfläche der Wellenleiterschicht ausgebildete Anzeigeelemente bewirken, daß Licht von der Wellenleiterschicht emittiert wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Beleuchtungs- und Anzeigevorrichtung, die eine optische Wellenleiterschicht mit einem in einen Innenbereich der Wellenleiterschicht eingebetteten Beleuchtungskoppler aufweist. Gemäß einer Ausführungsform weist der Beleuchtungskoppler eine oder mehrere lichtemittierende Halbleitervorrichtungen auf, wobei jede der einen oder mehreren lichtemittierenden Halbleitervorrichtungen eine Längsachse aufweist, die zu der Fläche der optischen Wellenleiterschicht parallel verläuft. Im Innenbereich der Wellenleiterschicht kann ein Loch oder eine Vertiefung ausgebildet sein, in der die eine oder die mehreren lichtemittierenden Halbleitervorrichtungen angeordnet sind. Die Vorrichtung kann auch Anzeigeelemente aufweisen, die an der Oberfläche der Wellenleiterschicht ausgebildet sind, um zu bewirken, daß Licht von der Wellenleiterschicht emittiert wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, die einen Wellenleiter mit einem in einen Innenbereich von diesem eingebetteten Beleuchtungskoppler aufweist. Der Wellenleiter hat außerhalb des Innenbereichs im wesentlichen parallele obere und untere Flächen, so daß Licht dazwischen geleitet wird. Der Beleuchtungskoppler weist eine Brechungsindex-Grenzfläche auf, die konfiguriert ist, um Lichtstrahlen einzufangen, die entlang einer Linie laufen, die einen kleineren Winkel als den kritischen Winkel der inneren Totalreflexion mit mindestens einer von der oberen und der unteren Fläche bildet, so daß die eingefangenen Lichtstrahlen dazwischen injiziert werden, um sich außerhalb des Innenbereichs auszubreiten. Gemäß einer Ausführungsform weist der Beleuchtungskoppler eine Fläche auf, die für die innere Totalreflexion des darauf fallenden Lichts konfiguriert ist. Der Beleuchtungskoppler gemäß dieser Ausführungsform ist aus einem einzigen Stück transparenten Materials integriert mit dem Wellenleiter ausgebildet, und die reflektierende Fläche ist unbeschichtet. Eine Punktlichtquelle ist zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, innerhalb eines im Wellenleiter neben der innen totalreflektierenden Fläche ausgebildeten Hohlraums angeordnet. Anzeigeelemente können an mindestens einer der Flächen vorhanden sein, um Licht aus dem Wellenleiter auszugeben. Zusätzlich kann an mindestens einer von der oberen und der unteren Fläche ein diffusives reflektierendes Material vorhanden sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Beleuchtungsvorrichtung offenbart, die eine Vorrichtung, welche Licht emittiert, und einen optischen Hohlraum, der durch diffusive reflektierende Flächen gebildet ist, aufweist, wobei der Hohlraum einen Ausgangsbereich aufweist, durch den Licht aus dem Hohlraum hindurchtritt. Die Lichtemissionsvorrichtung ist angebracht, um dem Hohlraum Licht zuzuführen, während sie vor einer direkten Betrachtung durch den Ausgangsbereich verborgen ist. Der Hohlraum hat eine diffus reflektierende Oberfläche, und der Ausgangsbereich hat auch eine Fläche. Das Flächenverhältnis zwischen dem Ausgangsbereich und der Summe von (i) der Fläche des Ausgangsbereichs und (ii) der Oberfläche des Hohlraums beträgt mindestens 0,05. Zusätzlich hat der Hohlraum eine Tiefe und der Ausgangsbereich eine Bisektorabmessung von Rand zu Rand, wobei das Verhältnis zwischen der Tiefe und der Bisektorabmessung erheblich kleiner ist als 0,1. Die Beleuchtungsvorrichtung weist zusätzlich eine Winkelspektrum-Beschränkungseinrichtung auf, die angeordnet ist, um die Ausgangsbeleuchtung durch den Ausgangsbereich auf einen vorbestimmten Winkelbereich zu beschränken.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Beleuchtungsverfahren. Das Verfahren umfaßt das Erzeugen einer Beleuchtung von einem optischen Hohlraum, der durch diffus reflektierende Flächen gebildet ist, und das Ausgeben der Beleuchtung aus dem Hohlraum durch einen Ausgangsbeleuchtungsbereich. Das Erzeugen der Beleuchtung umfaßt das Lenken von Lichtstrahlen von einer Beleuchtungsquelle in den Hohlraum, so daß die Beleuchtungsquelle durch den Ausgangsbeleuchtungsbereich nicht sichtbar ist. Das Verfahren umfaßt weiterhin das Beschränken des Winkelspektrums der Beleuchtung von dem Ausgangsbeleuchtungsbereich auf einen vorbestimmten Winkelbereich und das Anbringen des optischen Hohlraums zum Beleuchten mindestens eines Teils eines Raums.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung offenbart. Eine Ausführungsform des Verfahrens umfaßt das Wickeln einer flexiblen Folie eines reflektierenden Materials um eine Seite einer rohrförmigen Lichtquelle, das Gegenüberstellen eines einen optischen Hohlraum bildenden Elements mit einer anderen Seite der rohrförmigen Lichtquelle, so daß Licht von der Quelle in den optischen Hohlraum eingeleitet wird, und das Befestigen der flexiblen Folie an dem Element, so daß die Folie die rohrförmige Quelle gegenüber dem Element hält.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Diese und andere Merkmale der Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungsbestandteile einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, welche als die Erfindung erläuternd und diese nicht einschränkend anzusehen sind.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Armbanduhr gemäß einer Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung,
Fig. 1A eine Schnittansicht der Uhr aus Fig. 1 entlang einer Linie 1A-1A,
Fig. 2 eine Draufsicht der zum Beleuchten der Uhr aus Fig. 1 verwendeten Beleuchtungsvorrichtung,
Fig. 3 eine Schnittansicht der Beleuchtungsvorrichtung aus Fig. 2 entlang der Linie 3-3,
Fig. 4 eine Schnittansicht der Beleuchtungsvorrichtung aus Fig. 2 entlang der Linie 4-4,
Fig. 4A eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 4,
Fig. 4B eine Schnittansicht ähnlich derjenigen aus Fig. 4, wobei sich jedoch langgestreckte Strukturen auf der oberen Fläche befinden,
Fig. 4C eine Schnittansicht ähnlich derjenigen aus Fig. 4, wobei den gesamten Wellenleiter jedoch ein reflektierendes Material umgibt,
Fig. 5 eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform eines Wellenleiters zur Verwendung bei der Beleuchtungsvorrichtung aus Fig. 2,
Fig. 6 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Wellenleiters zur Verwendung bei der Beleuchtungsvorrichtung aus Fig. 2,
Fig. 7 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Wellenleiters zur Verwendung bei einer Beleuchtungsvorrichtung,
Fig. 8 eine Draufsicht eines Wellenleiters, worin eine andere Ausführungsform eines optischen Umlenkers dargestellt ist,
Fig. 9 eine Schnittansicht einer mit einer lichtverstärkenden Struktur verwendeten Beleuchtungsvorrichtung,
Fig. 10 eine Draufsicht eines Wellenleiters mit einer Einsenkung zum Umlenken von Lichtstrahlen,
Fig. 11 eine Schnittansicht der Beleuchtungsvorrichtung aus Fig. 10 entlang der Linie 11-11,
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung,
Fig. 13 eine Schnittansicht der Beleuchtungsvorrichtung aus Fig. 12,
Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines bei der Beleuchtungsvorrichtung aus Fig. 12 verwendeten Gehäuses,
Fig. 15 eine perspektivische Ansicht einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem innen totalreflektierenden Bereich,
Fig. 16 eine Schnittansicht der Beleuchtungsvorrichtung aus Fig. 15 entlang der Linie 16-16,
Fig. 16A eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 16,
Fig. 17 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem innen totalreflektierenden Bereich,
Fig. 18 eine Schnittansicht der Beleuchtungsvorrichtung aus Fig. 17 entlang der Linie 18-18,
Fig. 19 eine schematische Seitenansicht einer "Kugellinsen"-LED aus dem Stand der Technik,
Fig. 20 eine schematische Seitenansicht einer "bloßen" LED aus dem Stand der Technik,
Fig. 21 eine perspektivische Ansicht eines Ausgangszeichens gemäß einer alternativen Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung,
Fig. 22 eine perspektivische Hinteransicht eines Automobils mit Rückleuchten, die eine Beleuchtungsvorrichtung aufweisen,
Fig. 23 eine Draufsicht einer Armbanduhr mit einer alternativen Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung,
Fig. 24 eine seitliche Schnittansicht des Ausgangszeichens aus Fig. 21 entlang der Linie 24-24,
Fig. 25 eine perspektivische Ansicht eines Ausgangszeichens gemäß einer weiteren Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung,
Fig. 26 eine Seitenansicht eines Ausgangszeichens mit extraktiven Anzeigeelementen,
Fig. 27 eine Seitenansicht eines extraktiven Anzeigeelements,
Fig. 28 eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines extraktiven Anzeigeelements,
Fig. 29 eine perspektivische Ansicht eines Ausgangszeichens mit kreisförmigen Rillen zum Entnehmen von Licht und
Fig. 30 eine seitliche Schnittansicht des Ausgangszeichens aus Fig. 29.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform Mit Bezug auf die Fig. 1 und 1A sei bemerkt, daß eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als eine Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung 26 für eine Armbanduhr 20 verwendet wird. Wenngleich die Armbanduhr 20 wie dargestellt eine im wesentlichen kreisförmige Gestalt aufweist, ist zu verstehen, daß sie eine Vielzahl von Formen aufweisen kann.
Ein Außengehäuse 22 der Armbanduhr 20 schließt eine dünne Scheibe 30 aus einem im wesentlichen transparenten Material ein, das in einem Abstand unter einem Uhrenkristall 24 angeordnet ist. Die Scheibe 30 hat eine obere Anzeigefläche 32 und eine entgegengesetzte untere Fläche 34. Die Anzeigefläche 32 weist Sichthinweise 35 (Fig. 1), wie Zahlen zum Angeben der Zeit, auf, wenngleich auch andere Sichthinweise angezeigt werden könnten. Zwei Zeiger 36 der Uhr 20 sind zur Drehung um einen Stamm 38 angebracht, der sich durch die Scheibe 30 erstreckt. Der Stamm wird in wohlbekannter Weise durch einen Uhrenmechanismus 40 angetrieben. Alternativ kann die Scheibe 30 eine Flüssigkristallanzeige aufweisen, in der Sichthinweise, wie die Zeiger und Zahlen, elektrisch erzeugt werden.
Wie in Fig. 1A dargestellt ist, ist die Beleuchtungsvorrichtung 26 zwischen der Scheibe 30 und dem Uhrenmechanismus 40 zum Beleuchten der Scheibe 30 angeordnet. Die Beleuchtungsvorrichtung 26, die vorzugsweise in Kontakt mit der Scheibe 30 steht, weist einen Wellenleiter 42 und eine entlang einem Außenrand des Wellenleiters 42 angeordnete Lichtquelle 44 auf.
Bei der dargestellten Ausführungsform trägt das Gehäuse 22 die Scheibe 30 und die Beleuchtungsvorrichtung 26 in einander gegenüberstehender Anordnung. Die Scheibe 30 ist so angebracht, daß ihr Außenbereich durch einen ersten ringförmigen Wulst 46 gehalten wird, der die Anzeigefläche 32 teilweise bedeckt, so daß eine Sichtfläche oder ein Beleuchtungsbereich der Anzeigefläche 32 festgelegt wird. Der Wellenleiter 42, dessen Durchmesser etwas größer ist als derjenige der Scheibe 30, ist so angebracht, daß sein Außenbereich durch einen zweiten ringförmigen Wulst 48 im Gehäuse 22 gehalten wird. Der zweite ringförmige Wulst 48 ist so bemessen, daß er die Lichtquelle 44 abschirmt, so daß sie durch den Beleuchtungsbereich der Anzeigefläche 32 nicht direkt sichtbar ist. Der Durchmesser des Beleuchtungsbereichs kann beispielsweise 27 mm betragen.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, hat der Wellenleiter 42 eine kreisförmige Gestalt, die zum Beleuchten einer kreisförmigen Uhr optimal ist, wenngleich für verschiedene Anwendungen andere Formen verwendet werden können. Die Lichtquelle 44 ist innerhalb einer dreieckigen oder V-förmigen Kerbe 50 im Außenrand des Wellenleiters 42 angebracht. Die Kerbe 50 wirkt als ein optischer Umlenker, der von der Lichtquelle 44 ausgesendetes Licht unter Verwendung von Brechungsindexdifferenzen an der von den Seiten der Kerbe 50 gebildeten Grenzfläche 52 umlenkt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der V-förmige optische Umlenker 50 symmetrisch, so daß eine Linie, die durch seinen Scheitelpunkt und die Mitte des Wellenleiters 42 verläuft, die V-förmige Kerbe schneidet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle eine einzelne Festkörper-Punktlichtquelle in der Art einer Leuchtdiode (LED) 44, die an einem Träger oder einer Platine (nicht dargestellt) angebracht ist. Der Träger, an dem die LED 44 angebracht ist, ist unter Verwendung eines Klebstoffs (nicht dargestellt) auf der Rückseite der Kerbe 50 (also dem offenen Ende gegenüber dem Scheitelpunkt) am Wellenleiter befestigt. Die LED 44, die typischerweise in Form eines Würfels aus einem Festkörpermaterial vorliegt, der Licht von jeder der mehreren Außenflächen (also der oberen Fläche und den vier Seiten) emittiert, ist von den Seiten der Kerbe 50 beabstandet, wobei sich dazwischen Luft befindet. Die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Wellenleiter und der Luft erzeugt die Brechungsindex-Grenzfläche 52, die bewirkt, daß Licht gebrochen bzw. gebeugt wird, wenn es in den Wellenleiter 42 eintritt. Gemäß diesem vorteilhaften Merkmal wird ein erheblicher Teil des durch die Grenzfläche 52 tretenden Lichts zu entgegengesetzten Seiten des Wellenleiters 42 gebrochen (also zu den Seiten, die im wesentlichen an die Lichtquelle 44 angrenzen und auf entgegengesetzten Seiten von dieser liegen). Auf diese Weise werden die Bereiche des Wellenleiters 42, die sich auf den Seiten der Lichtquelle 44 befinden, wirksam beleuchtet, und der Umlenker 50 trägt dadurch zu einer gleichmäßigen Beleuchtung bei.
Der Wellenleiter 42 besteht vorzugsweise aus einem Material, das für von der LED 44 erzeugtes Licht transparent ist, wie aus einem transparenten Polymermaterial, und er kann durch verschiedene wohlbekannte Verfahren, wie maschinelles Bearbeiten oder Spritzgießen, hergestellt werden. Bevorzugte Materialien für den Wellenleiter 42 sind Acryl, Polycarbonat und Silikon. Acryl, das einen Brechungsindex von etwa 1,5 aufweist, ist kratzfest und ist kostengünstiger als Polycarbonat. Polycarbonat, das einen Brechungsindex von etwa 1,59 aufweist, weist bessere Temperatureigenschaften als Acryl auf. Polycarbonat weist gegenüber Acryl auch bessere mechanische Eigenschaften auf. Silikon hat einen Brechungsindex von etwa 1,43. Der Brechungsindex von Luft ist 1,0. Die Abmessungen des Wellenleiters 42 können variieren, wenngleich der Wellenleiter 42 in bezug auf seine Länge vorzugsweise sehr dünn ist, so daß ein niedriges Profil bereitgestellt wird. Der Abstand zwischen der oberen Fläche 56 und der unteren Fläche 58 liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 1-3 mm, während der Durchmesser des Wellenleiters 42 typischerweise mindestens 2,0 mm beträgt.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, erstrecken sich mehrere Anzeigeelemente mit langgestreckten Strukturen 54 über den Wellenleiter 42, um Licht umzulenken, das sich innerhalb des Wellenleiters 42 ausbreitet. Wenngleich sie als Linien dargestellt sind, haben die langgestreckten Strukturen 54 eine dreidimensionale Form, wie nachstehend detailliert beschrieben wird. Gemäß der erläuterten Ausführungsform sind die langgestreckten Strukturen 54 in einem Muster angeordnet, das aus einander schneidenden Linien besteht, die sich von einem gemeinsamen Punkt in der Mitte des Wellenleiters 42, durch den der Stamm 38 hindurchläuft, radial nach außen erstrecken. Die langgestreckten Strukturen 54 befinden sich vorzugsweise in einem gleichen Winkelabstand von beispielsweise 0,3 Grad. Es wurde herausgefunden, daß das in der Uhr 20 verwendete Muster radialer Rillen sehr wirksam beim Beseitigen von "Schatten" ist, die andernfalls durch den Uhrenstamm 38 geworfen werden würden.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, weist der Wellenleiter 42 eine obere Fläche 56 und eine entgegengesetzte untere Fläche 58 auf, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Eine Seiten- oder Randfläche 60 erstreckt sich zwischen der oberen Fläche 56 und der unteren Fläche 58 entlang dem Außenbereich des Wellenleiters 42. Wenngleich die Flächen 56, 58 für Hintergrundbeleuchtungsanwendungen typischerweise flach sind, können die Flächen 56, 58 auch als gekrümmte Flächen ausgebildet sein, beispielsweise wenn der Wellenleiter als ein Rücklicht für ein Automobil verwendet wird.
Ein diffusives reflektierendes Material 62 ist neben der unteren Fläche 58 und der Seitenfläche 60 des Wellenleiters 42 angeordnet, wobei das Material 62 vorzugsweise auch einen Randstreifen 61 an der oberen Fläche 56 bedeckt. Bei der erläuterten Ausführungsform ist der Randstreifen 61 breit genug, um die Kerbe 50 abzudecken, so daß der obere, der untere und der äußere Rand der Kerbe 50 von dem reflektierenden Material 62 bedeckt sind. Der Randstreifen ist vorzugsweise auch breit genug, damit die LED 44 nicht direkt von Betrachtungswinkeln von 75 Grad oder weniger betrachtet werden kann (wobei bemerkt sei, daß der Betrachtungswinkel von einer zur oberen Fläche 56 senkrechten Linie gemessen wird). Beispielsweise kann die Breite des Randstreifens der Breite des zweiten ringförmigen Wulsts 48 der Uhr 20 gleichen (Fig. 1).
Das diffusive reflektierende Material 62, das einen Reflexionsgrad von mindestens 88% aufweist, kann eine einzige Schicht oder mehrere Schichten aus diffus reflektierendem Band, wie DRP Backlight Reflector, hergestellt von W. L. Gore & Associates, aufweisen. Der DRP Backlight Reflector hat, abhängig von seiner Dicke und der Lichtwellenlänge, einen Reflexionsgrad von etwa 97%-99,5%. Alternativ könnte das reflektierende Material 62 eine Farbe oder eine Beschichtung aufweisen, die auf die Flächen 58 und 60 aufgebracht ist, wie weiße Hausfarbe oder ein exotischeres Material. wie die Spectraflect-Farbe von Labsphere Corporation. Der Reflexionsgrad der Spectraflect-Farbe ist erheblich höher als derjenige von Hausfarbe und beträgt etwa 98%, während der Reflexionsgrad einer guten weißen Hausfarbe ungefähr 90% beträgt.
Weil das reflektierende Material 62 die untere Fläche 58 und die Seitenfläche 60 sowie den Randstreifen auf der oberen Fläche 56 bedeckt, wird Licht in einem Ausgangsbeleuchtungsbereich oder einer Öffnung 65, die den mittleren unbedeckten Abschnitt der oberen Fläche 56 einschließt (also den Abschnitt der Fläche 56 innerhalb des Randstreifens 61) aus dem Wellenleiter emittiert. Es sei bemerkt, daß Lichtstrahlen, die unter einem Einfallswinkel (also dem Winkel des Strahls in bezug auf eine zur Fläche senkrechte Linie), der mindestens gleich einem kritischen Winkel ist, auf die obere Fläche 56 fallen, zur unteren Fläche 58 hin innen totalreflektiert werden. Das heißt, daß die obere Fläche 56 all dieses Licht in den Wellenleiter 42 zurückreflektiert. Lichtstrahlen, deren Einfallswinkel kleiner ist als der kritische Winkel, werden von der oberen Fläche 56 durchgelassen. Der Wert des kritischen Winkels hängt von der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Wellenleiter 42 und der Scheibe 22 ab und ist Fachleuten bekannt. Für einen Wellenleiter 42 mit einem Brechungsindex von 1,5 beträgt der kritische Winkel etwa 42º, wenn er von Luft umgeben ist.
Wie in den Fig. 4 und 4A dargestellt ist, können die langgestreckten Strukturen 54 von Flächen 64 (Fig. 4A) definierte Rillen aufweisen, die einen im wesentlichen dreieckigen oder V-förmigen Querschnitt aufweisen. Die langgestreckten Strukturen 54 ändern vorteilhafterweise den Einfallswinkel des zur oberen Fläche 56 hin reflektierten Lichts, um das Hindurchtreten durch diese zu verbessern. Das heißt, daß schräge Flächen 64 Licht unter einem Einfallswinkel, der kleiner ist als der kritische Winkel, zur oberen Fläche 56 hin reflektieren, so daß dieses Licht durch die obere Fläche 56 tritt, statt innen totalreflektiert zu werden. Die langgestreckten Strukturen 54 werden auf diese Weise verwendet, um Lichtstrahlen "auszusenden", die andernfalls durch die obere Fläche 56 innen totalreflektiert werden könnten. Hierdurch wird die optische Wirksamkeit des Wellenleiters 42 in vorteilhafter Weise vergrößert, indem Licht abgegeben wird, das andernfalls einem Energieverlust durch wiederholte Reflexionen unterliegen würde. Die langgestreckten Strukturen sind durch eine Tiefe D und einen Scheitelwinkel θ, der die V-förmige Struktur 54 schneidet, definiert. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform liegt D im Bereich von 1-2 Mikrometern, und der Winkel θ beträgt etwa 45 Grad. Vorzugsweise bleibt innerhalb der V-förmigen Struktur 54 ein Luftspalt erhalten (so daß die Rillen nicht mit dem reflektierenden Material gefüllt sind).
Die langgestreckten Strukturen 54 sind vorzugsweise so angeordnet, daß über den Beleuchtungsausgangsbereich des Wellenleiters im wesentlichen gleichmäßige Beleuchtungsprofile erreicht werden. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist das Gleichmäßigkeitsverhältnis des Ausgangsbeleuchtungsbereichs, das als das Verhältnis zwischen der höchsten und der niedrigsten Beleuchtungsintensität innerhalb dieses Bereichs definiert ist, nicht größer als 2 zu 1.
Wie in Fig. 4B dargestellt ist, sind die langgestreckten Strukturen 54 gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform auf der oberen Fläche 56 an Stelle der unteren Fläche 58 angeordnet. Die weiteren Aspekte dieser Ausführungsform sind mit denen der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform identisch.
Gemäß einer in Fig. 4C dargestellten zusätzlichen Ausführungsform ist der gesamte Wellenleiter unter Einschluß der oberen Fläche 56, der unteren Fläche 58 und der Seitenflächen 60 von einem reflektierenden Material 63 bedeckt, das vorzugsweise vom gleichen diffus reflektierenden Typ ist wie das Material 62, das jedoch teilweise durchlässig und teilweise reflektierend ist. Zusätzlich hat das Material 63 einen Reflexionsgrad, der größer als seine Durchlässigkeit ist, so daß der Reflexionsgrad größer als 50% ist und die Durchlässigkeit kleiner als 50% ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die in der Uhr 20 verwendet werden kann, beträgt der Reflexionsgrad etwa 96% und die Durchlässigkeit etwa 4%. Diese Ausführungsform bietet eine Ausgangsbeleuchtung, die im wesentlichen gleichmäßig ist, selbst wenn die langgestreckten Strukturen 54 nicht vorhanden sind, wenngleich diese Strukturen noch wünschenswert sein können, um Schatten vom Uhrenstamm 38 zu verringern (Fig. 1A). Diese Ausführungsform ist auch in der Hinsicht vorteilhaft, daß die Sichthinweise (Zahlen usw.) direkt auf das reflektierende Material 63 aufgebracht werden können, wodurch die Anzeigescheibe 30 überflüssig gemacht wird.
Verschiedene Typen von Rillenmustern können abhängig von der Situation verwendet werden, um die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung innerhalb des zu beleuchtenden Bereichs zu verbessern. Mit Bezug auf Fig. 5 sei bemerkt, daß die langgestreckten Strukturen 54 in einem Muster einander nicht schneidender gebogener Linien angeordnet werden können, die um die Lichtquelle 44 herum angeordnet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nimmt der Krümmungsradius der gebogenen Linien mit dem Abstand von der Punktquelle 44 zu. Zusätzlich liegen die Zentren des Krümmungsradius entlang einer Linie, die durch die Punktquelle und die Mitte des Beleuchtungsbereichs des Wellenleiters verläuft, wobei all diese Zentren entlang einer solchen Linie liegen (auf der Seite des Wellenleiters, die weiter von der Mitte des Wellenleiters als von der Quelle 44 entfernt ist). Die gebogenen Linien sind ungleichmäßig voneinander beabstandet, so daß ein Intensitätsverlust kompensiert wird, wenn sich das Licht von der Lichtquelle 44 nach außen ausbreitet. Insbesondere nimmt der Abstand zwischen den langgestreckten Strukturen 54 ab, wenn der Abstand von der Lichtquelle 44 zunimmt, so daß die Dichte der langgestreckten Strukturen 54 mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle 44 zunimmt. Diese erhöhte Dichte der langgestreckten Strukturen 54 erhöht vorzugsweise das Aussenden von Lichtstrahlen in diesen Bereichen, wodurch der Abstand von der Quelle 44 kompensiert wird.
Wie in Fig. 6 dargestellt ist, könnten die langgestreckten Strukturen 54 auch in einem komplexeren Muster angeordnet werden, das aus einer Kombination einfacherer Muster besteht. Beispielsweise könnten die Muster die Form gebogener Linien, die von den Lichtquellen 44 nach außen laufen, und gerader Linien, die sich von der Mitte des Wellenleiters 42 radial nach außen erstrecken, annehmen.
Fig. 7 zeigt einen rechteckig geformten Wellenleiter 42. Ein solcher Wellenleiter wird vorzugsweise verwendet, um eine rechteckig geformte Anzeige zu beleuchten, wie sie bei Mobiltelefonen oder PDAs verwendet wird. Wenngleich kein reflektierendes Material dargestellt ist, sei bemerkt, daß diese Ausführungsform in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaut sein kann. Bei der erläuterten Ausführungsform sind mehrere Punktlichtquellen 44 gekoppelt, um Licht an beabstandeten Randorten entlang der Kante des Wellenleiters 42 einzuleiten. Weil mehrere Quellen verwendet werden, sind optische Umlenker in der Art der Kerbe 50 optional und können aufgenommen sein oder nicht. Die langgestreckten Strukturen 54 gemäß dieser Ausführungsform sind in konzentrischen Bögen um jede der Lichtquellen 44 angeordnet, wenngleich verschiedene andere Muster unter Einschluß der vorstehend erörterten erwogen werden.
Fig. 8 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die langgestreckten Strukturen 54 in einem Wellenleiter 42a durch Kratzen der oberen oder der unteren Fläche des Wellenleiters mit einem Schleifmittel in der Art von Sandpapier ausgebildet sind. Das Schleifen erfolgt vorzugsweise ungleichmäßig, so daß die Dichte der Kratzer oder Rillen mit dem Abstand von der Lichtquelle 44 zunimmt. Als ein spezifisches Beispiel verlaufen die Rillen bei dem in Fig. 8 dargestellten rechteckigen Wellenleiter in Längsrichtung des Rechtecks und nicht in Breitenrichtung. Das Rillenmuster ist auf einer lokalen Basis im allgemeinen amorph, auf einer globalen Basis jedoch im wesentlichen gerichtet und nicht zufällig.
Fig. 8 zeigt auch eine alternative Ausführungsform eines optischen Umlenkers, der durch eine dreieckige Öffnung 50a, die sich im Außenbereich des Wellenleiters 42a durch diesen erstreckt, gebildet ist. Die Öffnung befindet sich zwischen der Lichtquelle 44 und dem Ausgangsbeleuchtungsbereich des Wellenleiters 42, und eine zwischen der Quelle und der Mitte dieses Bereichs gezogene Linie schneidet das Dreieck, während sie durch seinen Scheitelpunkt läuft. Wie dargestellt, weist die dreieckige Öffnung 50a zwei Seiten auf, die einander an einem Ort in der Nähe der Lichtquelle unter Bildung eines solchen Scheitelpunkts schneiden.
Die dreieckige Öffnung 50a ist mit einem Material in der Art von Luft gefüllt, dessen Brechungsindex von demjenigen des Materials des Wellenleiters 42 erheblich verschieden ist. Die Form des optischen Umlenkers 50a und die Brechungsindexdifferenz bewirken, daß aus der Lichtquelle 44 austretendes Licht den optischen Umlenker 50a unter einem Einfallswinkel schneidet, der zu einer inneren Totalreflexion des Lichts zu entgegengesetzten Seiten des Wellenleiters 42 führt. Demgemäß lenkt der optische Umlenker 50a ebenso wie die Kerbe 50 den Weg von Lichtstrahlen zu Bereichen des Wellenleiters, die auf entgegengesetzten Seiten der Lichtquelle 44 liegen.
Mit Bezug auf Fig. 9 sei bemerkt, daß die obere Fläche 56 des Wellenleiters 42 (oder alternative Ausführungsformen davon) mit einer Winkelspektrum-Beschränkungseinrichtung 72 bedeckt sein kann, die das Ausgangsstrahlungsmuster vom Ausgangsbeleuchtungsbereich 65 des Wellenleiters auf einen vorbestimmten Winkelbereich beschränkt (in diesem Zusammenhang wird der Begriff "Spektrum" im Sinne eines Winkelspektrums an Stelle eines Wellenlängenspektrums verwendet).
Die Winkelspektrum-Beschränkungseinrichtung 72 umfaßt eine planare mikroreplizierte optische Struktur in der Art eines holographischen Diffusors, eines binären Beugungsdiffusors oder eines Mikrolinsenfelds. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform weist die Winkelspektrum-Beschränkungseinrichtung 72 einen die Helligkeit erhöhenden Film (BEF) auf, der zusätzlich dazu, daß er das Ausgangsspektrum beschränkt, die Intensität der Beleuchtung im Ausgangsbeleuchtungsbereich 65 erhöht. Der BEF 72 ist vorzugsweise in physikalischen Kontakt mit einem Diffusor 70 gebracht, so daß sie gemeinsam eine die Lichtqualität erhöhende Vorrichtung 73 bilden. Vorzugsweise ist der Diffusor 70 zwischen dem BEF 72 und dem Wellenleiter 42 und in Kontakt mit dem Wellenleiter 42 angeordnet. Der Zweck des Diffusors besteht darin, die Wirkung restlicher Ungleichmäßigkeiten, wie kosmetischer Unvollkommenheiten, in den Oberflächen des Wellenleiters 42 zu entfernen. Der Diffusor 70 besteht aus einem lichtdurchlässigen Material, typischerweise einer dünnen Kunststofffläche oder einem Volumendiffusor, welche beide durch eine sehr niedrige Absorption und minimale Energieverluste gekennzeichnet sind.
Wie vorstehend erwähnt wurde, beschränkt der BEF 72 die Ausgangsbeleuchtung auf definierte Begrenzungslinien und vergrößert auch die Helligkeit innerhalb des Ausgangsbeleuchtungsbereichs 65. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist der BEF 72 ein im Handel erhältlicher Dünnfilm mit linearen Pyramidenstrukturen, wie ein Film vom Modell 90/50 von 3M. Der BEF läßt nur die Lichtstrahlen von dem Wellenleiter durch, die bestimmte Einfallswinkelkriterien in bezug auf die obere Fläche 56 erfüllen. Alle anderen Lichtstrahlen werden zur unteren Fläche 58 oder zu den Seitenflächen 60 hin in den Wellenleiter 42 zurückreflektiert, wo sie durch das reflektierende Material 62 reflektiert werden. Dadurch werden die reflektierten Strahlen "recycled", bis sie unter einem Winkel, der ermöglicht, daß sie durch den BEF 72 hindurchtreten, auf diesen fallen.
Wie wohlbekannt ist, konzentriert ein BEF in der Art des BEFs 72 die Beleuchtung innerhalb durch ein Paar zueinander geneigter Ebenen (die im Querschnitt ein "V" bilden) definierter Grenzen und stellt keine Konzentration in orthogonaler Richtung bereit. Bei manchen Anwendungen der Erfindung ist es bevorzugt, die Beleuchtung in zwei orthogonalen Richtungen zu konzentrieren, und es kann für diese Anwendungen ein zweiter BEF, der orthogonal zum ersten BEF orientiert ist, aufgenommen werden. Bei zwei gekreuzten BEFs liegt die Emission vom Wellenleiter innerhalb Grenzen, die einem abgeschnittenen umgekehrten Kegel ähneln. Wie es auf dem Fachgebiet üblich ist, sind die Grenzen durch die volle Halbwärtsbreite (FWHM) der optischen Intensität definiert. Beispielsweise können die Grenzen des Kegels um einen Winkel, der 35 Grad nicht übersteigt, in bezug auf eine Linie geneigt sein, die senkrecht zur oberen Fläche 56 verläuft, wobei die Beleuchtung in diesem Fall nur innerhalb Betrachtungswinkeln von 35 Grad oder weniger sichtbar ist.
Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung 26, wobei ein Wellenleiter 42b verwendet wird. Wie in Fig. 10 dargestellt ist, ist eine Lichtquelle 44 neben einem optischen Umlenker 50 angebracht und ist der Wellenleiter 42b in der vorstehend mit Bezug auf den in den Fig. 2-4C dargestellten Wellenleiter 42 beschriebenen Art mit einem reflektierenden Material 62 oder 63 bedeckt. Die obere Fläche 56 des Wellenleiters 42b weist einen vertieften Bereich oder eine Einsenkung 74 auf, die Lichtstrahlen umlenkt, welche sich im Wellenleiter 42b ausbreiten, wie nachstehend beschrieben wird. Wie am besten in Fig. 22 dargestellt ist, weist die Einsenkung 74 eine Fläche 75 mit einer glatten und zusammenhängenden Krümmung bezüglich der unteren Fläche 58 auf, so daß ein Bereich verringerter Dicke des Wellenleiters 42b ausgebildet ist. Die "Dicke" des Wellenleiters 42 bezeichnet hier den Abstand zwischen der oberen Fläche 56 und der unteren Fläche 58. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dickenänderung (beispielsweise die Tiefe der Einsenkung 74) mindestens 5% der Dicke des Wellenleiters 42 außerhalb der Einsenkung 74.
Die Einsenkung 74 ist vorzugsweise mittig bezüglich des Außenbereichs des Wellenleiters 42 angeordnet, bedeckt eine Fläche von mindestens 70% derjenigen der oberen Fläche 56 und definiert im Querschnitt eine elliptische Form parallel zur oberen Fläche 56. Für den in Fig. 10 dargestellten rechteckigen Wellenleiter definiert die geometrische Kontur der Einsenkung 74 nach der folgenden Gleichung eine Superellipse:
(x/a)n + (y/b)p = 1
wobei n und p beide größer als 2 sind, a die Länge der Hauptachse der Ellipse ist und b die Länge der Nebenachse der Ellipse ist. Wie wohlbekannt ist, bewirkt das Vergrößern der Exponenten n und p über zwei, daß die Form der Ellipse weniger oval und stärker rechteckig wird. Diese Exponenten werden vorzugsweise so ausgewählt, daß die gekrümmten Ränder der Einsenkung 74 im wesentlichen zu den Rändern des Ausgangsbeleuchtungsbereichs des Wellenleiters verlaufen.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal des Wellenleiters 42b folgt die Fläche 75 der Einsenkung 74 einer geometrischen Kontur, die sich zwischen der oberen Fläche 56 und der unteren Fläche 58 ausbreitendes Licht so umlenkt, daß das umgelenkte Licht leichter und gleichmäßiger aus der oberen Fläche 56 des Wellenleiters 42b austritt. Insbesondere fällt einiges Licht unter einem Einfallswinkel, der bewirkt, daß es durch die obere Fläche 56 gebrochen wird, auf die gekrümmte Einsenkungsfläche 75. Licht, das einen innerhalb des kritischen Bereichs liegenden Einfallswinkel aufweist, wird innen totalreflektiert. Das reflektierte Licht wird zur unteren Fläche 58 oder zur Seitenfläche 28 gelenkt. Das reflektierende Material 62 neben diesen Flächen reflektiert das Licht zur oberen Fläche 56, so daß es durch diese hindurchtritt. Das von der unteren Fläche 58 im Bereich der Einsenkung 74 reflektierte Licht fällt typischerweise unter einem verkleinerten Einfallswinkel, der ermöglicht, daß das Licht durchgelassen wird, auf die Einsenkungsfläche 7517-20. Bei anderen Ausführungsformen können mehrere Lichtquellen 44 mit einer einzigen Einsenkung oder mit mehreren Einsenkungen 74 verwendet werden.
Wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt ist, weist eine andere Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung, die als Beleuchtungsvorrichtung 170 bezeichnet wird, einen rechteckigen Wellenleiter 172 mit einer oberen Fläche 174 ( Fig. 13) und einer entgegengesetzten unteren Fläche 176 ( Fig. 13) auf. Vier Seitenflächen 178a (Fig. 13), 178b ( Fig. 13), 178c und 178d erstrecken sich zwischen der oberen Fläche 174 und der unteren Fläche 176. Ein Lampenpaar 180a, 180b ist neben den entgegengesetzten Seitenflächen 178a und 178b angebracht. Die Lampen 180a, 180b werden vorzugsweise durch ein diffuses reflektierendes Material 182, das die Lampen 180a, 180b umgibt und einen erheblichen Teil des Wellenleiters 172 bedeckt, an ihrem Ort gehalten, wie nachstehend vollständiger beschrieben wird.
Die Lampen 180 weisen vorzugsweise Leuchtstoffröhren mit einem kreisförmigen Querschnitt auf, die sich im wesentlichen entlang der gesamten Länge der Seiten 178a, 178b erstrecken. Wie am besten in Fig. 13 dargestellt ist, sind die Seiten 178a und 178b des Wellenleiters 172 vorzugsweise jeweils konkav, so daß jeweilige langgestreckte Kanäle gebildet sind, die sich entlang der gesamten Länge der Seiten 178a, 178b erstrecken. Diese Kanäle sind so konfiguriert, daß sie jeweilige Flächen auf den Seiten der Lampen 180a, 180b eng abschließend aufnehmen. Ein optisches Kopplungsgel 184 ist zwischen den Lampen 180a, 180b und den Seiten 178a, 178b des Wellenleiters 172 angeordnet, um sich wiederholende Indexdifferenzen zu verringern, indem dazwischenliegende Luftspalte beseitigt werden, und dadurch Licht von den Lampen 180a, 180b wirksam in den Wellenleiter 172 zu koppeln. Alternativ können die Lampen 180a, 180b jeweils ein lineares Feld von Punktquellen in der Art von LEDs (nicht dargestellt) aufweisen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform bedeckt das reflektierende Material 182 vollständig die untere Fläche 176 und legt sich um die Lampen 180a, 180b, um sie festzuhalten und gegenüber den Seitenflächen 178a, 178b des Wellenleiters 172 zu halten. Das reflektierende Material 182 ist auch um die Seiten 178c, 178d gelegt und erstreckt sich bis zu einem Abschnitt der oberen Fläche 174, so daß ein Randstreifen 186 (Fig. 12) gebildet ist, der sich um den Umfang der oberen Fläche 174 erstreckt.
Demgemäß erzeugt die Innenfläche des reflektierenden Materials einen optischen Hohlraum, der mit dem festen Wellenleiter 172 und den Lampen 180 gefüllt ist. Der Abschnitt der oberen Fläche 174 des Wellenleiters 172, der nicht mit dem reflektierenden Material 182 bedeckt ist, bildet einen Beleuchtungsausgangsbereich oder eine Öffnung 188, wodurch Licht aus dem Wellenleiter 172 austritt. Der Randstreifen 186 ist breit genug, um die Lampen 180 so abzuschirmen, daß sie nicht direkt durch die Öffnung 188 betrachtet werden können. Gemäß der erläuterten Ausführungsform weist die Öffnung 188 eine rechteckige Form auf. Es sei bemerkt, daß die Öffnung 188 auch kreisförmig sein könnte oder eine andere von einer großen Vielzahl für verschiedene Anwendungen geeigneter Formen annehmen könnte.
Eine Winkelspektrum-Beschränkungseinrichtung 190 in der Art der vorstehend in Zusammenhang mit Fig. 9 beschriebenen kann der Öffnung 188 gegenüberliegen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Winkelspektrum-Beschränkungseinrichtung einen die Helligkeit erhöhenden Film (BEF) 190 auf, wie vorstehend beschrieben wurde, welcher zusammen mit einem Diffusor 192 verwendet wird, um gemeinsam eine die Lichtqualität verbessernde Vorrichtung (LQE-Vorrichtung) 196 zu bilden. Ein Farbfilter 198 kann zur LQE-Vorrichtung 196 hinzugefügt werden, falls dies erwünscht ist. Gemäß einer Ausführungsform sind die Kanten der LQE-Vorrichtung 196 zwischen der oberen Fläche 174 des Wellenleiters und dem Randstreifen 186 des reflektierenden Materials 182 angeordnet, so daß das reflektierende Material 182 die LQE- Vorrichtung 196 am Wellenleiter 172 festhält. Alternativ kann die LQE-Vorrichtung 196 über dem reflektierenden Material 182 angeordnet werden und unter Verwendung eines Klebstoffs befestigt werden.
Der Wellenleiter 172, die Lampen 180, das reflektierende Material 182 und die LQE-Vorrichtung bilden eine Beleuchtungsanordnung, die als eine Abwärtsbeleuchtung oder eine Hintergrundbeleuchtung verwendet werden kann. Das reflektierende Material 182 reflektiert Licht von den Lampen 180a, 180b zum Wellenleiter 172, so daß im wesentlichen alles Licht durch die Seiten 178a, 178b und das optische Gel 184 in den Wellenleiter 172 gekoppelt wird. Das Licht macht innerhalb des Wellenleiters 172 diffuse Reflexionen durch, bevor es durch die Öffnung 188 aus dem Wellenleiter 172 austritt. Insbesondere wird das Licht am diffusiven reflektierenden Material 182 reflektiert, das die untere Fläche 176 bedeckt, die Seitenflächen 178a-178d umgibt und den Randstreifen 186 bedeckt.
Bei der Beleuchtungsvorrichtung 170 sind zugehörige Entwurfsfaktoren die Fläche der Beleuchtungsöffnung 188 und die kombinierte Hohlraumfläche, also die Summe aus (i) der Oberfläche des optischen Hohlraums und (ii) der Fläche der Öffnung 188. Zur ausreichend wirksamen Verwendung der von den Lampen 180a, 180b emittierten Energie beträgt das Verhältnis zwischen der Fläche der Öffnung 188 und der kombinierten Hohlraumfläche vorzugsweise mindestens 0,20, und das Verhältnis beträgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mindestens 0,40.
Ein anderer interessierender Parameter ist die Abmessung der Öffnung 188 von Rand zu Rand, insbesondere die hier als Bisektorabmessung bezeichnete Abmessung. Die Bisektorabmessung ist eine Abmessung von Rand zu Rand, die sich zwischen entgegengesetzten Seiten der Öffnung 188 entlang einer Linie, die durch die geometrische Mitte der Öffnung 188 verläuft, und im wesentlichen senkrecht zu den Öffnungsrändern an diesen entgegengesetzten Seiten (oder einer Tangenten hierzu im Fall einer kreisförmigen Öffnung) erstreckt. Gemäß einer Ausführungsform weisen alle Bisektorabmessungen von Rand zu Rand des Außenbereichs eine Länge von mindestens 4 Zoll auf. Das Verhältnis zwischen der Tiefe des Hohlraums und den Bisektorabmessungen von Rand zu Rand beeinflußt sowohl die Intensität als auch die Gleichmäßigkeit des aus der Öffnung 188 austretenden Lichts. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis zwischen der Tiefe des Hohlraums und jeder der Bisektorabmessungen von Rand zu Rand erheblich kleiner als 0,1 und beträgt vorzugsweise höchstens 0,08. Gemäß einer Ausführungsform erfüllt nur die längste Bisektorabmessung diese Verhältnisse. Gemäß einer anderen Ausführungsform beträgt das Verhältnis höchstens 0,03.
Der Wellenleiter 172 besteht aus einem Material, das für das von den Lampen 180a, 180b erzeugte Licht transparent ist, beispielsweise einem transparenten Polymermaterial, und kann durch verschiedene wohlbekannte Verfahren, wie maschinelles Bearbeiten oder Spritzgießen, hergestellt werden. Bevorzugte Materialien für den Wellenleiter 172 sind Acryl, Polycarbonat und Silikon.
Wie vorstehend in Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsformen erwähnt wurde, hat das reflektierende Material 182 einen Reflexionsgrad von mindestens 90% und kann eine einzelne Schicht oder mehrere Schichten aus einem diffus reflektierenden Band, wie dem von W. L. Gore & Associates hergestellten DRP Backlight Reflector, aufweisen.
Alternativ können die Flächen des Wellenleiters 172 mit einer reflektierenden Farbe des vorstehend beschriebenen Typs beschichtet sein.
Das durch die Öffnung 188 der Beleuchtungsvorrichtung 170 austretende Licht kann zum Beleuchten einer Anzeige oder zum Bereitstellen einer Beleuchtung für einen Raum verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Beleuchtungsvorrichtung 170 als eine Deckenlichteinrichtung verwendet. Bei Verwendung als eine Lichteinrichtung für einen Raum kann der Wellenleiter 172 beispielsweise etwa 16" · 4" messen und etwa 6 mm dick sein. Der Durchmesser der Lampen 180 stimmt vorzugsweise mit der Dicke des Wellenleiters 172 überein.
Mit Bezug auf Fig. 14 sei bemerkt, daß die Beleuchtungsvorrichtung 170 ein hohles Gehäuse 200 aufweisen kann, das einen planaren oberen Abschnitt 202, Seitenabschnitte 204a-204d und untere Abschnitte 206a und 206b aufweist, die zusammen einen Hohlraum definieren, der zur Aufnahme der Beleuchtungsanordnung bemessen ist. Der Seitenabschnitt 204a ist an einem Rand des oberen Abschnitts 202 schwenkbar angebracht, wodurch ermöglicht wird, daß er geöffnet wird, so daß die Beleuchtungsanordnung in den Hohlraum innerhalb des Gehäuses 200 geschoben werden kann. An den Seitenabschnitten 204b und 204c können Schienen angeordnet sein, um das Einführen der Beleuchtungsanordnung in das Gehäuse 200 zu erleichtern.
Wie in Fig. 14 dargestellt ist, definieren die unteren Abschnitte 206a und 206d zwischen sich ein Öffnungsloch 208, das mindestens so groß ist wie die Öffnung 188. Die Beleuchtungsanordnung ist so innerhalb des Gehäuses 200 angeordnet, daß die Beleuchtungsöffnung 188 des Wellenleiters 172 dem Öffnungsloch 208 im Gehäuse 200 gegenübersteht. Den Lampen 180 kann in jeder bekannten Weise Energie zugeführt werden, beispielsweise durch einen elektrischen Ballast 210, der in dem Gehäuse 200 angeordnet ist und über elektrische Drähte an die Lampen angeschlossen ist. Wenn die Beleuchtungsvorrichtung zum Leuchten gebracht wird, tritt Licht durch die Öffnung 188 aus dem Wellenleiter 172 in den Raum aus.
Die Fig. 15 und 16 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung unter Verwendung eines Wellenleiters 42c. Wie am besten in Fig. 15 dargestellt ist, weist die obere Fläche des Wellenleiters 42 einen innen totalreflektierenden Bereich (TIR-Bereich) 76 mit einer glatt gekrümmten Fläche 80 (Fig. 16 und 16A) auf, der eine Wirbelform definiert, die sich in den Wellenleiter 42 erstreckt. Vorzugsweise hat der Bereich 76 die Form einer gleichwinkligen Spirale, die zu einer Spitze 82 zuläuft. Wie in den Fig. 16 und 16A dargestellt ist, hat die Fläche 80 eine gekrümmte Gestalt, die um eine vertikale Achse 83 symmetrisch ist, welche durch die Spitze 82 und senkrecht zur oberen Fläche 56 verläuft. Eine Lichtquelle 44, vorzugsweise eine LED, ist direkt unterhalb der Spitze 82 angebracht. Die LED 44 ist in einem entsprechend geformten Loch, einem entsprechend geformten Kanal oder einer entsprechend geformten Vertiefung 84 eingebettet, die sich in die untere Fläche 58 des Wellenleiters 42c erstreckt. Um eine gute Einkopplung in den Wellenleiter 42c zu gewährleisten und Reflexionen an der Grenzfläche zwischen Facetten der LED und entsprechenden Seiten der Vertiefung 84 zu verringern, kann ein transparentes optisches Kopplungsmittel in der Art eines Klebstoffs oder eines Gels (nicht dargestellt) Verwendet werden, um jegliche Luftspalte zwischen der LED 44 und dem Wellenleiter 42a zu füllen. Das transparente optische Kopplungsmittel könnte ein Epoxidharz, Silikon oder ein beliebiges wohlbekanntes organisches oder anorganisches optisches Kopplungsmaterial sein. Vorzugsweise liegt der Brechungsindex des Kopplungsmittels zwischen demjenigen der LED 44 und des Wellenleiters 42.
Die Fläche 80 kann entweder eine nichtplanare gekrümmte Fläche oder eine nichtplanare Fläche, die aus mehreren ebenen Flächen besteht, die eine Kurve annähern, welche eine innere Totalreflexion (TIR) erzeugt, sein. Wie erwähnt wurde, ist die Form der Fläche 80 vorzugsweise ein symmetrischer Schnitt einer gleichwinkligen Spirale. Es können jedoch auch andere geometrische Formen verwendet werden, um eine innere Totalreflexion zu erzeugen, wobei diese symmetrische Schnitte von Hyperbeln, Parabeln, Sinuskurven und Kreisen einschließen, vorausgesetzt daß analytisch gezeigt wird, daß diese Formen eine innere Totalreflexion erzeugen, wie nachstehend beschrieben wird. Die mathematische Modellierung dieser Formen kann mit einem optischen Analysesoftwarepaket, wie ASAP von Breault Research aus Tucson, Arizona, ausgeführt werden. Es müssen jedoch verschiedene Parameter, wie die Wellenleiterdicke und die Form der Fläche 80, optimiert werden, um die Kopplung von Licht in den Wellenleiter 42c zu optimieren.
Die geometrische Kontur der Fläche 80 wird so ausgewählt, daß der dadurch gebildete TIR-Spitzenbereich 76 im wesentlichen alle Lichtstrahlen, die direkt von der Lichtquelle 44 emittiert werden, innen totalreflektiert. Hierzu ist die Fläche 80 so konturiert, daß im wesentlichen alle von der Lichtquelle 44 emittierten Lichtstrahlen unter einem Winkel, der mindestens gleich dem kritischen Winkel ist, auf die Fläche 80 fallen. Dies kann erreicht werden, indem der Bereich möglicher Einfallswinkel von Lichtstrahlen von der Lichtquelle 44 in verschiedenen lokalen Bereichen der Fläche 86 berechnet wird. Die lokalen Bereiche sind dann so orientiert, daß alle Strahlen innerhalb des kritischen Bereichs einfallen. Die lokalen Bereiche könnten größer sein, so daß die Fläche 80 aus einer Ansammlung ebener Flächen besteht. Wenn die Größe der lokalen Bereiche abnimmt, geht die Fläche 80 in eine glatt gekrümmte Fläche mit der Form einer gleichwinkligen Spirale über, wie in den Fig. 16 und 16A dargestellt ist.
Gemäß der erläuterten Ausführungsform sind die untere Fläche 58, die Seitenflächen 60 und die Rückseite der LED mit dem diffusiven reflektierenden Material 62 bedeckt. Wenn die Lichtquelle 44 mit Energie versorgt wird, breitet sich das von der Fläche 30 innen totalreflektierte Licht innerhalb des Wellenleiters 42 außerhalb des TIR-Spitzenbereichs 76 aus. Das reflektierende Material 62 wirkt in der mit Bezug auf den Wellenleiter 42 beschriebenen Weise. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn der Wellenleiter als eine Rücklichtlinse für ein Automobil verwendet wird. Es wird daran gedacht, daß mehrere TIR-Spitzenbereiche 76 an einem Wellenleiter 42c angeordnet werden könnten und daß die kombinierte Gesamtbeleuchtungsfläche recht groß sein kann.
Die Fig. 17 und 18 zeigen eine alternative Ausführungsform des TIR-Spitzenbereichs 76, die in einem Wellenleiter 42d verwendet wird. Wie in Fig. 17 dargestellt ist, ist der TIR-Bereich 76 langgestreckt, so daß eine langgestreckte Spitze 82a gebildet ist, die entlang einer Achse 83 verläuft. Der TIR-Bereich 76 weist eine obere gleichwinklig spiralförmig gekrümmte Fläche 86 und eine untere gleichwinklig spiralförmig gekrümmte Fläche 88 auf (Fig. 18), die sich symmetrisch von jeder Seite der langgestreckten Spitze 82a erstrecken. In der dargestellten Ausführungsform befindet sich ein TIR-Bereich 76 sowohl an der oberen Fläche 56 als auch an der unteren Fläche 58, wenngleich sich der TIR- Bereich auch an einer einzigen Fläche befinden könnte.
Eine Lichtquelle 86 ist direkt unterhalb der langgestreckten Spitze 82 angebracht. Die Lichtquelle 86 kann aus einer einzigen langgestreckten Lichtquelle bestehen, die entlang der gesamten Spitze 82 verläuft, und sie kann beispielsweise durch eine Leuchtstoffröhre gegeben sein. Alternativ kann die Lichtquelle 86 aus mehreren Punktlichtquellen, wie LEDs, bestehen, die eine Linie bilden, die unmittelbar unterhalb der Länge der Spitze 82 ausgerichtet ist. Der Spitzenpunkt der langgestreckten Spitze 82 kann abgerundet sein, um ein kontrolliertes Lecken von Licht aus der Lichtquelle 86 im Bereich des Wellenleiters 42d unmittelbar oberhalb der Lichtquelle 86 bereitzustellen. Hierdurch werden dunkle Flecken oberhalb der Lichtquelle 86 beseitigt.
Der in den Fig. 17 und 18 dargestellte Wellenleiter 42d funktioniert im wesentlichen ebenso wie der in den Fig. 12-13 dargestellte Wellenleiter. Das heißt, daß der TIR-Bereich 76 im wesentlichen das gesamte von der Lichtquelle 86 emittierte Licht innen totalreflektiert. Das symmetrische Paar gekrümmter Flächen 86, 88, die an der langgestreckten Spitze 82a miteinander verbunden sind, bietet eine innere Totalreflexion (TIR) des Lichts von der Lichtquelle 44 entlang beiden Seiten der Achse 83. Die Spitze 82a teilt das Licht von der Lichtquelle 44 in zwei gleiche Abschnitte.
Weil die TIR-Spitzenbereiche 76 aus den Fig. 15-18 im wesentlichen das gesamte darauf fallende Licht reflektieren, erscheinen diese Bereiche 76 in bezug auf die Abschnitte des Wellenleiters außerhalb der TIR-Bereiche 76 verhältnismäßig dunkel. In Situationen, in denen solche dunklen Flecke abzulehnen sind, sollte die Fläche 80 so konturiert sein, daß sie kein vollkommener interner Reflektor ist, so daß ein erheblicher Teil des einfallenden Lichts durch die Fläche 80 leckt. Der Betrag des Leckens sollte vorzugsweise nicht größer sein als erforderlich ist, um die dunklen Flecke im wesentlichen zu beseitigen und in den TIR- Bereichen eine Intensität bereitzustellen, die im wesentlichen derjenigen des umgebenden Bereichs gleicht. Diese verlustbehafteten TIR-Bereiche stellen demgemäß eine gleichmäßige Ausgangsbeleuchtung über den gesamten Ausgangsbereich des Wellenleiters bereit.
LEDs haben viele wünschenswerte Eigenschaften für optische Anzeigesysteme, wie niedrige Kosten und eine niedrige Ansteuerspannung. LEDs sind in der Lage, verschiedene Farben, wie rot, grün und blau, zu erzeugen. Die Ansteuerspannung einer LED kann von 1, 8 Volt bis 4,0 Volt variieren, und die differentiellen Energieniveaus der quantenmechanischen Bandlücke erzeugt diese spektralen Farben. Fachleute werden jedoch verstehen, daß auch andere Punktquellen verwendet werden können. Es könnten Laserdioden (Lds) oder superlumineszente Leuchtdioden sowie jede beliebige lichtemittierende Halbleitervorrichtung verwendet werden.
Fig. 19 zeigt eine herkömmliche LED 110 in einem "Kugellinsengehäuse". Die LED 110 weist ein Gehäuse 111 auf, das zwei elektrische Leitungen 112 einschließt, die an eine Anode 113 und eine Kathode 114 angeschlossen sind. Eine Schicht 115 aus einer Gruppe-III-V-Halbleiterverbindung, wie AlGaAs, GaAsP oder AlInGaP, ist zwischen der Anode 113 und der Kathode 114 angeordnet. Ein schalenförmiger Reflektor 116 ist hinter der Halbleiterschicht 115 angeordnet. Der obere Abschnitt des Gehäuses 111 bildet eine halbkugelförmige Immersionslinse 117 aus Acryl oder Epoxidharz.
Wenn eine Spannung im Bereich von 1,8-4,0 V zwischen die Anode 113 und die Kathode 114 gelegt wird, erzeugt die LED nach dem lichtelektrischen Effekt sichtbare Lichtenergie. Der Reflektor 116 reflektiert das Licht aufwärts, so daß das Licht nicht durch die Seiten des Gehäuses 111 hindurchtritt. Die Linse 117 fokussiert das von der Halbleiterschicht 115 emittierte Licht. Das Halbleitermaterial hat einen Brechungsindex von etwa 3, 4, und der Brechungsindex der Kunststoffkapselung des Gehäuses 6 beträgt 1,5.
Fig. 20 zeigt eine herkömmliche "bloße" Leuchtdiode 110a. Die LED 110a weist eine Halbleiterschicht 115a auf, die auf einer flachen Basis 117 positioniert ist. Eine dielektrische Kuppel 118 bedeckt die Halbleiterschicht 115. Ein Reflektor 116a ist zwischen der Basis 117 und der Halbleiterschicht 115 angeordnet.
Fig. 21 zeigt ein Ausgangszeichen 130, das gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung beleuchtet wird. Das Ausgangszeichen 130 besteht aus einer planaren wellenleitenden Schicht oder einem planaren Wellenleiter 132 mit einer Fläche 134, auf der sich ein Beleuchtungskopplungselement 136 zentral befindet. Das Beleuchtungskopplungselement 136 erzeugt und koppelt eine Beleuchtung von LEDs 140 in den Wellenleiter 132. Mehrere Anzeigeelemente 142 befinden sich auch an der Fläche 134, um das Licht von dem Wellenleiter 132 zu einem externen Betrachter 144 zu übermitteln.
Wie in Fig. 21 dargestellt ist, haben die Anzeigeelemente 142 Formen, welche die Buchstaben "E", "X", "I" und "T" bilden, wenngleich die Anzeigeelemente eine beliebige Vielzahl von Symbolen und Formen zur Beleuchtung bilden können. Zur Beleuchtung eines Rücklichts (Fig. 22) könnten die Anzeigeelemente 142 beispielsweise in Form länglicher Strukturen in der Art horizontaler oder vertikaler Linien oder Kanäle in der Rücklichtoberfläche ausgebildet sein.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform zum Beleuchten einer Armbanduhren- oder Uhrenfläche (Fig. 23) könnten die Anzeigeelemente 142 in Form von Zahlen oder Punkten auf dem Zifferblatt ausgebildet sein. Für eine Uhr, bei der Anzeigeelemente 142 verwendet werden, könnte sich eine einzige LED im Innenbereich eines kreisförmigen Wellenleiters auf der Uhrenfläche befinden. Alternativ könnten sich vier LEDs im Inneren der Uhrenfläche befinden, wobei jede LED einen Quadranten der Uhrenfläche beleuchtet» wie in Fig. 23 dargestellt ist. Zusätzlich könnten die LEDs in einem kreisförmigen Feld mit einem gleichwinkligen Abstand angeordnet sein.
Fig. 24 zeigt eine Schnittansicht des Wellenleiters 132. Wie dargestellt, sind die Anzeigeelemente 142 konkave Strukturen, die sich in die Fläche 134 erstrecken. Die Anzeigeelemente 142 könnten auch konvexe Strukturen sein. Die Oberflächen der Anzeigeelemente 142 könnten entweder glatte Oberflächen oder rauhe Oberflächen, um die optische Streuung zu erhöhen, sein.
Wie in Fig. 24 dargestellt ist, weist das Beleuchtungskopplungselement 136 eine oder mehrere LEDs 140 auf, die in eine untere Fläche 146 des Wellenleiters 132 eingebettet sind. Die LEDs 140 sind vorzugsweise so orientiert, daß ihre Längsachsen senkrecht zur unteren Fläche 146 des Wellenleiters 132 verlaufen. Die LEDs 140 können in jede der beiden Flächen 142 und 146 des Wellenleiters 132 eingebettet sein, sie sind jedoch vorzugsweise in die Fläche eingebettet, die den Anzeigeelementen 142 entgegengesetzt ist. Die LEDs 140 könnten entweder aus "Kugellinsen"-LEDs oder "bloßen" LEDs bestehen.
Wie in Fig. 24 dargestellt ist, hat das Beleuchtungskopplungselement 136 einen TIR-Bereich 150 mit gekrümmten Flächen 152, 154 ähnlich den vorstehend mit Bezug auf die Fig. 14 und 15 beschriebenen Flächen 86 und 88. Die Flächen 86 und 88 sind zur LED 140 hin gekrümmt, so daß Licht von der LED 140 auf sie fällt. Die Flächen 86 und 88 sind TIR-Flächen in bezug auf dieses einfallende Licht. Wie dargestellt ist, bilden die Flächen 86, 88 eine Spitze, die auf die LED 140 gerichtet ist, wobei die LED 140 ein Ende aufweist, das in Ausrichtung mit der Spitze abschließt, um im wesentlichen alles Licht von der LED direkt zur Spitze und in die Nähe von dieser zu lenken. Der TIR-Bereich funktioniert im wesentlichen in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben wurde, und er wird daher nicht weiter beschrieben.
Das Beleuchtungskopplungselement 136 weist wünschenswerterweise ein Linsenelement 90 auf, das integriert mit der Fläche des Wellenleiters ausgebildet ist, die an die LED 140 angrenzt. Die Brechkraft des Linsenelements 90 wird durch eine Brechungsindexdifferenz zwischen einem die LED 140 umgebenden Luftspalt, der LED 140, dem transparenten optischen Kopplungsmittel und dem Wellenleiter 132 hervorgerufen. Gemäß dieser Ausführungsform des Wellenleiters 132 weisen das transparente optische Kopplungsmittel und das Material der LED 140 vorzugsweise alle einen Brechungsindex von etwa 1,5 auf. Der Luftspalt um die LED 140 definiert ein Volumen mit einem Brechungsindex von etwa 1,0, wodurch eine Lichtbrechung hervorgerufen wird.
Das Linsenelement 90 kann wahlweise entweder konvex oder konkav sein. Ein konvexes Linsenelement 90 konvergiert Licht von der LED 140, um die Winkelausdehnung der Lichtstrahlung von der LED 140 zu verringern. Gemäß einer Ausführungsform reicht die Fokussierungsleistung des konvexen Linsenelements 90 aus, um die Lichtstrahlen zu kollimieren. Ein konkaves Linsenelement 90 divergiert von der LED 140 ausgehende Lichtstrahlen, wodurch der Winkel der Lichtstrahlen an den Flächen 152 und 154 vergrößert wird. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit vergrößert, daß Lichtstrahlen die Flächen 152 und 154 unter einem Einfallswinkel schneiden, der größer ist als der kritische Winkel.
Fig. 25 zeigt eine andere Ausführungsform eines Ausgangszeichens 130, die im wesentlichen einen Wellenleiter 132a umfaßt. Gemäß dieser Ausführungsform sind LEDs 140 so positioniert, daß sie innerhalb eines kreisförmigen Kopplungselements 148, das sich in einem inneren Lichtinjektionsbereich des Wellenleiters 132a befindet, nach außen weisen. Die Längsachsen der LEDs 140 sind wünschenswerterweise parallel zur Ebene der Fläche 134 orientiert. Wenngleich Fig. 25 vier LEDs 140 zeigt, die im Kopplungselement 148 durch 90º-Winkel getrennt sind, sei bemerkt, daß jede beliebige Anzahl von LEDs 140 um den Umfang des Kopplungselements 148 angeordnet sein kann. Die LEDs 140 können auch in anderen Formen als Kreise angeordnet werden, wobei die Längsachsen vorzugsweise parallel zum Wellenleiter 132a ausgerichtet sind, beispielsweise in ovalen, rechteckigen, quadratischen und linearen Formen.
Das Kopplungselement 148 kann entweder integriert mit dem Wellenleiter 132a ausgebildet sein, oder es kann modular in ein entsprechendes Loch oder eine entsprechende Vertiefung im Wellenleiter 132a eingefügt sein, so daß Licht durch die Seiten des Lochs und senkrecht dazu eingeleitet wird. Bei einer modularen Konfiguration werden die LEDs 140 vorzugsweise zuerst an dem Kopplungselement 148 angebracht, und das Kopplungselement 148 wird dann in das Loch oder die Vertiefung im Wellenleiter eingeführt. Eine modulare Einführungstechnik bietet Vorteile bei der Herstellung, indem das gleichzeitige Manipulieren, mehrerer Leuchtdioden (LEDs) erleichtert wird. Falls das Kopplungselement 148 im Wellenleiter 132a integriert ausgebildet ist, werden die LEDs 140 direkt in das Loch oder die Vertiefung im Wellenleiter eingefügt. Bei einer möglichen Anwendung können "bloße" LEDs direkt auf der Oberfläche des Wellenleiters aufwachsen gelassen werden.
Gemäß einer anderen in Fig. 26 dargestellten Ausführungsform werden extraktive Anzeigeelemente 300 in Kombination mit einem einen Wellenleiter 132c aufweisenden Zeichen 130 verwendet. Ein Beleuchtungskopplungselement 136 wird zum Einleiten von Licht in den Wellenleiter 132 in der vorstehend beschriebenen Weise verwendet. Mehrere extraktive Anzeigeelemente 300 und wellenleitende Zylinder 302 sind, wie nachstehend beschrieben wird, zu der Oberfläche des Wellenleiters 132c strukturiert. Die extraktiven Anzeigeelemente 300 erscheinen als eine Reihe spitzer Höcker, die in Form symbolischer oder nichtsymbolischer Figuren angeordnet sind. Bei Beleuchtung durch den Wellenleiter 132c und die wellenleitenden Zylinder 302 und in Kombination mit Beleuchtungskopplern, wie einem vorstehend beschriebenen TIR-Bereich, erzeugen die extraktiven Anzeigeelemente 300 ein besonders helles, punktartiges (oder linienartiges) Lichtmuster an den Scheitelpunkten (oder Scheiteln) des festen Polygons.
Fig. 27 zeigt eine Seitenansicht eines am Ende eines wellenleitenden Zylinders 302 ausgebildeten extraktiven Anzeigeelements 300. Die Basis des extraktiven Anzeigeelements 300 ist mit dem Ende des wellenleitenden Zylinders 302 integriert ausgebildet. Vorzugsweise hat jeder der wellenleitenden Zylinder 302 einen Durchmesser in der Größenordnung von einem Zehntel Zoll (0, 1"), wenngleich der Durchmesser eines Zylinders lediglich in der Größenordnung eines Tausendstel Zolls (0,001") liegen kann.
Gemäß der in Fig. 27 dargestellten Ausführungsform weist das extraktive Anzeigeelement 300 die Form eines polygonalen Festkörpers mit drei gleichseitigen Flächen 304, 306, 308 und einem Scheitelpunkt mit 120-Grad-Scheiteln auf. Die Anzahl der Flächen an dem extraktiven Anzeigeelement 300 ist nicht auf drei beschränkt, und sie kann jede beliebige Anzahl von zwei oder größer sein. Ein zweiseitiges extraktives Anzeigeelement 300 weist eine Keilform am Ende des Zylinders auf, die in hohem Maße wie die Spitze eines Schraubenziehers erscheint. Eine größere Anzahl von Flächen am extraktiven Anzeigeelement 300 könnte rechteckige, hexagonale, oktagonale und kreisförmige Formen einschließen. Im Fall eines kreisförmigen extraktiven Anzeigeelements 300 läuft der Zylinder vorzugsweise zu einer konischen Spitze zu. Es kann auch an eine andere große Vielzahl von Formen, wie Kreuze oder Sterne, gedacht werden.
Die Form des extraktiven Anzeigeelements 300 erzeugt eine besonders helle, punktartige (oder linienartige) Lichtausgabe am Scheitelpunkt (oder Scheitel) 310. Licht wird durch innere Totalreflexion innerhalb des wellenleitenden Zylinders 302 übertragen, bis es durch den seitlichen Abschnitt 312 in den Wellenleiterzylinder 302 und das extraktive Anzeigeelement 300 eintritt. Licht innerhalb des extraktiven Anzeigeelements 300 wird durch innere Totalreflexion innerhalb der gleichseitigen Flächen 304, 306, 308 eingeschlossen, bis es in die Nähe des Scheitelpunkts 310 gelangt. Das Licht wird dann als eine helle, punktartige (oder linienartige) Ausgabe durch den Scheitelpunkt (oder Scheitel) 310 wirksam aus dem Anzeigeelement 300 ausgekoppelt.
Wie in Fig. 29 dargestellt ist, kann die Länge des wellenleitenden Zylinders 302 so verringert werden, daß das Anzeigeelement 142 nur aus dem extraktiven Anzeigeelement 300 besteht, das direkt auf der Oberfläche 134 ausgebildet ist. Die extraktiven Anzeigeelemente 300 sind in der anhängigen Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 08/683757 mit dem Titel "Light Extractor Apparatus", die auf den gleichen Erwerber übertragen wurde, näher dargelegt. Es wurde herausgefunden, daß diese Extraktionselemente mehr als 90% der einfallenden Strahlung bei einer Rückstreuung von weniger als 10% wirksam extrahieren.
Die Basis jedes wellenleitenden Zylinders 302 ist vorzugsweise integriert mit der Oberfläche des Wellenleiters 301 ausgebildet, um die Herstellung zu erleichtern. Die extraktiven Anzeigeelemente 300 und die wellenleitenden Zylinder 302 können durch herkömmliche Verfahren zum Formen von Kunststoffartikeln, wie Spritzgießen oder Kompressionsformen, gebildet werden.
Der Kontrast des Zeichens 130 bei Verwendung extraktiver Anzeigeelemente 300 kann durch Ändern der Eigenschaften der Anzeigeelemente 300 über die Oberfläche des Zeichens 130 ausgeglichen werden. Beispielsweise können die Durchmesser der Zylinder 302, die näher an der Beleuchtungskopplungseinrichtung liegen, kleiner gemacht werden als die Durchmesser der Zylinder 302, die weiter von der Beleuchtungskopplungseinrichtung entfernt sind, um die größere Lichtintensität zu kompensieren, die typischerweise in den zentralen Bereichen des Zeichens vorhanden ist. Durch Verkleinern des Durchmessers des Zylinders 302 wird die Lichtmenge verkleinert, die auf den Scheitelpunkt (oder den Scheitel) des extraktiven Anzeigeelements 300 übertragen wird.
Fig. 29 zeigt ein Ausgangszeichen 130 mit einem Wellenleiter 132d. Eine Beleuchtungskopplungseinrichtung 318 ist zum Einleiten von Licht in den Wellenleiter 132d im Inneren von diesem angeordnet. Die Beleuchtungskopplungseinrichtung weist mehrere LEDs 140 auf. Der Wellenleiter 132d weist eine Reihe konzentrischer Rillen 320 auf, die sich an einer hinteren Fläche des Wellenleiters 132 befinden. Die konzentrischen kreisförmigen Rillen 320 strahlen vorzugsweise vom zentralen Bereich des Wellenleiters 132d nach außen. Die kreisförmigen Rillen 320 sind nur in den Bereichen angeordnet, in denen die symbolischen oder nichtsymbolischen Bestandteile des Zeichens anzuzeigen und zu beleuchten sind, so daß die kreisförmigen Rillen 320 die Form der Zeichenbestandteile bilden. Vorzugsweise wird die Anzeige bei Verwendung konzentrischer kreisförmiger Rillen 320 weiter optimiert, indem eine Anpassung an die Symmetrie der Lichtquelle vorgenommen wird oder andere wünschenswerte Anzeigeeigenschaften erhalten werden.
Wie in Fig. 30 dargestellt ist, sind die konzentrischen kreisförmigen Rillen 320 V-förmige Strukturen, die das Reflektieren von Licht durch die entgegengesetzte Seite des Wellenleiters 132d bewirken. Die Rillen 320 definieren einen Winkel zwischen den Flächen des "V", wenngleich die Rillen auch andere Formen als die eines "V" annehmen können. Die kreisförmigen Rillen 320 unterscheiden sich sowohl in der Größe als auch im Ort von den Anzeigeelementen 142. Die Tiefe der kreisförmigen Rillen 320 kann lediglich in der Größenordnung von einem Zehntel Prozent (0,1%) bis einem Prozent (1%) der Dicke des Wellenleiters 132d liegen.
Die Rillen 320 können durch beliebige einer Vielzahl von Verfahren, einschließlich maschinelles Bearbeiten (mechanisch, Laser oder EDM), Abtragen, Ätzen, Stanzen oder Prägen, gebildet werden. Sie können auch zunächst über der ganzen Oberfläche des Wellenleiters gebildet werden und dann mit einem Indexanpassungsmaterial in allen Bereichen mit Ausnahme von denen, die den Zeichen der Anzeige entsprechen, aufgefüllt werden. Ein abziehbarer Film oder eine abziehbare Beschichtung kann aufgebracht werden, um die Zeichen zu bilden oder nachfolgend alle Bereiche mit Ausnahme der ausgewählten zu entfernen. Es ist auch möglich, die Arizeigeeigenschaften zu optimieren, indem die Eigenschaften der Rillen 320 an verschiedenen Punkten auf der Anzeige geändert werden. Die Raumfrequenz, die Breite oder die Tiefe der Rillen 320 kann in Bereichen zunehmen, die weiter von der Beleuchtungskopplungseinrichtung 318 entfernt sind, um wünschenswerte Anzeigeeigenschaften zu erhalten.
Wenngleich die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bestimmte neuartige Merkmale der Erfindung dargestellt, beschrieben und ausgeführt hat, wird verständlich sein, daß verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen in der Form der Einzelheiten der erläuterten Vorrichtung sowie ihrer Verwendungen von Fachleuten vorgenommen werden können, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Folglich soll der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht durch die vorstehende Erörterung beschränkt sein, die der Erläuterung dienen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken soll.

Claims

1. Beleuchtungsvorrichtung mit einem Wellenleiter (42, 132), der außerhalb eines Innenbereichs von diesem im wesentlichen parallele obere und untere Flächen aufweist, wobei der Wellenleiter (42, 132) dadurch gekennzeichnet ist, daß:

ein Beleuchtungskoppler (76, 150) in dem Innenbereich des Wellenleiters (42, 132) bereitgestellt ist, wobei der Innenbereich eingerichtet ist, um eine Lichtquelle (44, 140) an einem Ort anzubringen, und daß der Beleuchtungskoppler (76, 150) eine Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) aufweist, die konfiguriert ist, um Lichtstrahlen einzufangen, die sich von dem Ort entlang einer Linie ausbreiten, die in bezug auf die obere und/oder untere Fläche einen kleineren Winkel als den kritischen Winkel der inneren Totalreflexion bildet, so daß die eingefangenen Lichtstrahlen innen totalreflektiert werden und zwischen den oberen und unteren Flächen zur Ausbreitung außerhalb des Innenbereichs injiziert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungskoppler (76, 150) eine Fläche mit innerer Totalreflexion (TIR) aufweist, die zur inneren Totalreflexion von darauf einfallendem Licht konfiguriert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiter gekennzeichnet durch eine Punktquelle (44, 140) von Licht, die zumindest teilweise innerhalb eines Hohlraums (84) in dem Wellenleiter (42, 132) angeordnet ist, wobei der Hohlraum (84) benachbart zu der Fläche mit innerer Totalreflexion liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiter gekennzeichnet durch ein diffusives reflektierendes Material (62) auf einer von den oberen und unteren Flächen (56, 58, 134, 148).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (42, 132) und der Beleuchtungskoppler (76, 150) integriert aus einem einzigen Materialstück (42, 132) ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Punktquelle (44, 140) eine LED (44, 140) aufweist und daß eine der oberen und unteren Flächen (56158, 134, 146) von der TIR-Fläche (80, 86, 88, 152, 154) zur LED (44, 140) hin gekrümmt ist, wobei die TIR-Fläche (80, 86, 88, 152, 154) eine Spitze (82, 82a) definiert, die zur LED (44, 140) hin gerichtet ist, wobei die LED (44, 140) mit der Spitze (82, 82a) ausgerichtet ist, um im wesentlichen alles Licht von der LED (44, 140) direkt zur Spitze (82, 82a) hin und neben diese zu richten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die LED (44, 140) eine lichtemittierende Fläche aufweist, die sich innerhalb einer durch die oberen und unteren Flächen (56, 58, 134, 146) des Wellenleiters (42, 132) definierten Begrenzung (56, 58, 134, 146) befindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der LED (44, 140) mit einem optischen Kopplungsmittel optisch mit dem Wellenleiter (42, 132) gekoppelt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 8, weiter gekennzeichnet durch Anzeigeelemente (142), die außerhalb des Innenbereichs (76, 150) an dem Wellenleiter (42, 132) ausgebildet sind, um zu bewirken, daß Licht von dem Wellenleiter (42, 132) emittiert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeelemente (142) als konkave Kanäle (142) innerhalb der Oberfläche (56, 58, 134, 146) des Wellenleiters (42, 132) ausgebildet sind und daß die Außenflächen der Kanäle (142) entweder glatt oder rauh sind, um eine diffuse Ausgangsstrahlung zu fördern.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die konkaven Kanäle (142) der Anzeigeelemente (142) über die Wellenleiterschicht (42, 132) Tiefen aufweisen, welche Beleuchtungsdifferenzen kompensieren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeelemente (142) konzentrische kreisförmige Rillen (320) in einer Fläche (56, 58, 134, 146) des Wellenleiters (42, 132) sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß:

jedes der Anzeigeelemente (142) als ein extraktives Anzeigeelement (300) auf einem wellenleitenden Zylinder (302) ausgebildet ist,

jedes der extraktiven Anzeigeelemente (300) als ein massives Polygon mit einem Scheitelpunkt (310) oder einem Scheitel auf einer zum Wellenleiter (42, 132) senkrechten Linie ausgebildet ist und Licht von dem Wellenleiter (42, 132) durch innere Totalreflexion sowohl innerhalb des wellenleitenden Zylinders (302) als auch durch die Außenflächen (304, 306, 308) des extraktiven Anzeigeelements (300) übertragen wird, um an dem Scheitelpunkt (310) oder dem Scheitel des extraktiven Anzeigeelements (300) emittiert zu werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß:

jedes der Anzeigeelemente (142) als ein extraktives Anzeigeelement (300) auf dem Wellenleiter (42, 132) ausgebildet ist, wobei jedes der extraktiven Anzeigeelemente (300) als ein massives Polygon mit einem Scheitelpunkt (310) oder einem Scheitel ausgebildet ist und Licht von dem Wellenleiter (42, 132) durch innere Totalreflexion durch die Seitenflächen des extraktiven Anzeigeelements (300) übertragen wird, um an dem Scheitelpunkt (310) oder dem Scheitel des extraktiven Anzeigeelements (300) emittiert zu werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 14, weiter dadurch gekennzeichnet, daß:

die Anzeigeelemente (142) entweder in symbolischen alphanumerischen Mustern oder nichtsymbolischen Mustern angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine der oberen und unteren Flächen (56, 58, 134, 146) zu der Lichtquelle (44, 140) hin gekrümmt ist, um die Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) der gekrümmten Fläche (80, 86, 88, 152, 154) zu bilden, welche eine Spitze (82, 82a) definiert, welche zur Lichtquelle (44, 140) hin gerichtet ist, wobei die Lichtquelle (44, 140) neben der Spitze (82, 82a) ausgerichtet ist, so daß im wesentlichen alles Licht von der Lichtquelle (44, 140) zur Spitze (82, 82a) hin und neben diese gerichtet wird.

17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6, 7, 8 und 16, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche (80, 152, 154) um eine Achse (83) durch die Spitze (82) senkrecht zur oberen Fläche (56, 134) kreissymmetrisch ist.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6, 7, 8 und 16, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche (86, 88) eine langgestreckte Spitze (82a) definiert.

19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6, 7, 8, 16, 17 und 18, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche (80, 86, 88, 152, 154) mehrere ebene Flächen aufweist, die eine glatte Kurve annähern.

20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2, 3, 4, 6, 7 und 8, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die innen totalreflektierende Fläche (80, 86, 88, 152, 154) so konfiguriert ist, daß ein Teil des Lichts durch die innen totalreflektierende Fläche (80, 86, 88, 152, 154) leckt, um eine Intensität bereitzustellen, die auf mindestens einen von den oberen und unteren Bereichen (56, 58, 134, 146) im wesentlichen gleich fällt.

21. Verfahren zum Koppeln von Beleuchtung in einen Wellenleiter (42, 132) mit außerhalb eines Innenbereichs von diesem im wesentlichen parallelen oberen und unteren Flächen, gekennzeichnet durch die Schritte:

Beleuchten eines Beleuchtungskopplers im Innenbereich des Wellenleiters durch Zuführen von Energie zu einer Lichtquelle, die im Innenbereich angeordnet ist, wobei beim Beleuchten eine Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) in dem Innenbereich aus der Lichtquelle austretenden Lichtstrahlen ausgesetzt wird, und

inneres Totalreflektieren der auf die Brechungsindex- Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) einfallenden Lichtstrahlen, so daß reflektierte Lichtstrahlen zwischen den oberen und unteren Flächen zur Ausbreitung außerhalb des Innenbereichs des Wellenleiters (42, 132) injiziert werden.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei sich die Lichtstrahlen außerhalb des Innenbereichs des Wellenleiters (42, 132) durch innere Totalreflexion der Lichtstrahlen an einer durch eine gekrümmte Fläche definierten Spitze (82, 82a) ausbreiten.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei im wesentlichen alle Lichtstrahlen zu der Spitze (82, 82a) hin und neben diese gelenkt werden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei ein Teil der Lichtstrahlen durch die Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) geführt wird.

25. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) eine gekrümmte Form aufweist, die um eine Achse symmetrisch ist und zu dem Ort hin konvergiert.

26. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 25, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) um die Achse kreissymmetrisch ist.

27. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 26, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Form mit der Form eines Wirbels übereinstimmt.

28. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 26, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) eine Form einer gleichwinkligen Spirale aufweist.

29. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 25, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) um den Ort zentriert ist.

30. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) verlustbehaftet ist, so daß ein Teil des von der Lichtquelle (44, 140) an dem Ort emittierten Lichts durch die Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) hindurchtritt.

31. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) zur Bildung einer Spitze über dem Ort konvergiert.

32. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 31, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze konturiert ist, um ein Lecken von Licht durch die Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) zu ermöglichen.

33. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 32, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze abgerundet ist, um ein Lecken von Licht durch die Brechungsindex-Grenzfläche (80, 86, 88, 152, 154) zu ermöglichen.