DE2554226C3

DE2554226C3 - Strahlungskollektor und -verdichter in Form einer fluoreszierenden Kunststoffplatte

Info

Publication number: DE2554226C3
Application number: DE19752554226
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr.-Phys. 7800 Freiburg Baur; Waldemar 7809 Denzlingen Greubel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1975-12-03
Filing date: 1975-12-03
Publication date: 1985-07-11
Also published as: DE2554226A1; DE2554226B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Sirahlungskollektor und -verdichter in Form einer an tmen Stirnflächen zumindest teilweise verspiegelten Kunststoffplatte, in

.μ, der Fluoreszenzstoffe gelöst sind und die mit mindestens einem Lichtaustrittsfenster versehen ist (»ΙΊιιο-reszenzplatte«). Eine solche Platte ist aus der Literaturstelle »Research Disclosure«, Januar 1975, S. 20 und 21, bekannt. Die dort beschriebene Ausführung dient zur Sammlung und gebündelten Abgabe von Sonnenlicht und hat zu diesem Zweck jeweils zwei verspiegelte bzw. an Fotozellen angrenzende Stirnflächen.

Bei den bekannten FlüssigkristaIl-(FK-)Anzeigen, wie sie beispielsweise in dem Übei ichtsartikel »Flüssige

<„ Kristalle« in »VDI-Z.« 115. Nr. 8, Juni 1973, S. 629 bis 6j8, dargestellt sind, wird in verschiedensten Versionen der physikalische Grundeffekt ausgenutzt, daß Licht, '.velches durch eine dünne FK-Schicht tritt, unter Einwirkung eines elektrischen Feldes auf letztere

_ss moduliert wird Zur Modulation selbst sind exirem kleine elektrische Spannungen bzw. Leistungen nötig. Diese passiven FK-Anzeigen können im Prinzip das Uingebungslicht modulieren und haben dann den weiteren großen Vorteil gegenüber den selbsileuch-

_Wl tenden Anzeigen, daß ihre Lesbarkeil in einem sehr weiten Helligkeitsbereich unabhängig von der Umgebungshelligkeit ist. Praktisch sieht es jedoch so aus, daß man zur Erreichung akzeptabler Lesbarkeit Glühlämpehen hinter die Anzeigen stellt (Transmissionsbetrieb),

_ft5 wodurch entscheidende potentielle Vorteile der passiven Anzeigen entfallen. Oder man nutzt das Uingebungslicht auf die Weise, daß hinter die Anzeige ein Spiegel gestellt wird, der das durch die Zelle

hindurchtretende Umgebungslicht reflektiert (Reflexionsbetrieb). Auch diese Betriebsart führt nur unter eingeschränkten Verhältnissen zu befriedigender Lesbarkeil der Anzeigen. Unter anderem ergibt sich der störende Effekt, daß das einfallende Licht Schlagschalten von den Anzeigeelementen auf den Spiegelflächen hervorruft. Die Möglichkeiten der neueren Feldeffektanzeigen, die Poiarisatoren benötigen, werden durch den Lichtverlust in den Polarisatoren und durch Schlagschatten stark beeinträchtigt.

Aus dem DE-GM 74 26 201 ist eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung bekannt, bei der in einem Ausführungsbeispiel eine Flüssigkristallzelle in einer Vertiefung einer durchsichtigen Platte eingepaßt ist. Die Platte, die aus Glas oder einem optisch gleichwertigen Kunststoff bestehen kann, hat die Form eines Kegelsiunipfcs, dessen größere Grundfläche dem Betrachter zugekehrt ist und dessen Mantelfläche einen reflektierenden Belag trägt. Die kleinere Grundfläche der Platte besitzt hinter der Fiussigkristaiizeiie eine keilförmige Ausnehmung, deren schräge Flächen jeweils mit einer nachleuchtenden Leuchtstoffschicht hinterlegt sind. Ein Teil des Umgebungsiichts, das in die Platte eintritt und auf die reflektierende Schicht gelangt, wird auf die Platlenausnehmung gelenkt und von dort durch den Leuchtstoff zur Fiussigkristaiizeiie hin gestreut. Das Streulicht leuchtet das gesamte Anzeigenfeld der Fiussigkristaiizeiie aus. und der Kontrast kommt dadurch zustande, daß die angesteuerten Flüssigkristallbereiche das von hinten angelieferte Licht streuen und somit für den Beirachier dunkler wirken als der Hintergrund. Eine solche Anordnung liefert keine besonders leuchtkräftigen, kontrastreichen Bilder, so daß sich die Darstellung unter ungünstigen Lichlverhähnissen nicht ohne weiteres ablesen laßt.

Diese Anordnung stellt eine unmittelbare Übertragung des von den üblichen Zeigeruhren her bekannten Prinzips der Zifferblattbeleuchtung mittels einer Lcuchtstoffsenicht, mit welcher die Ziffern hinterlegt sind, auf eine Flüssigkristallzellen-Anordnung dar.

Die DE-OS 25 03 663 offenbart ein Flüssigkristalldisplay mit einer durchsichtigen Rückplatte, die transparente Partikel mit einem anderen Brechungsindex enthält und auf der Rückseite verspiegelt ist. Auch auf diese Weise lassen sich bei den genannten optischen Eigen-.schulten keine sonderlich guien Werte erzielen, denn die Plane arbeitel lediglich als cm diffuser Reflektor für l.ichi. das von vorn durch das Lichtventil eintritt, und kann praktisch kein zusätzliches Umgebungslicht auf die l'lussigkristallzelle lenken. Das gleiche gi¹· für eine flüssigkristallanzeige, die mn einer fluoreszierenden Schicht hinterlegt ist (DL-OS 22 21 441).

Die Erfindung stallt sich die Aufgabi;, einen Weg zu finJen, wie man auf einfache Weise und ohm.· zusätzlichen Lcistungsbedarf die optischen Qualitäten passiver Displays, vor allem Parstellungskontrast, Bildhelligkeit, Lesbarkeit in Abhängifekei; vom Untgcbiinfslichi. I'arallaxefehler und Abschattung, verbessern kann Zur I osungdioser Auljr.ibc wird erfindisngsgcmäß vorgeschlagen, zur passiven Ilclligkeitsverslärkung von ein- oder mehrfarbigen Flüssigkristall-Anzeigevorrichliingcn eine Fluoreszenzplatte der eingangs genannten Art zu verwenden. Besondere Vorteileergebensich, wenn 'man die Fluoreszenzplatte mit einer FK-Anzeigevorrichlung mit mindestens einem Anzeigeelement zusammenfaßt, derart daß sich, geiehen aus einer Blickrichtung entgegen der Lichtaustrittsrichtung, die FK-Anzeigevorrichtung vor der Flurr^szenzplatte befindet. Dabei empfiehlt es sich, die Lichtaustritisfenster der Fluo reszenzplatte den Anzeigeelementen zuzuordnen.

Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß sich mit Hilfe von dünnen Kunststoffplatten, in denen Fluoreszenz- > Stoffe gelöst sind. Umgebungslicht mit hohem Wirkungsgrad sammeln und führen läßt und an jedem beliebigen Ort der Platte dosierbar und sichtbar zum Wiederaustritt gebracht werden kann. Deshalb kann eine solche Fluoreszenzplatte, die sich hinter einer als in Lichtventil wirkenden FK-Anzeige befindet, bei den elektrisch auf Lichtdurchlässigkeit gesteuerten Anzeigeelementen eine hohe Leuchtdichte bewirken, die sich zudem an das Umgebungslicht anpaßt. Durch Mischung von Fluoreszenzstoffen und unter Verweni> dung eines Paares verschiedener selektiver Polarisatoren lassen sich auch Anzeigen herstellen, die zwischen zwei verschiedenen Farben schalten können.

Eine ein- oder mehrfarbige Anzeigevorrichtung unter Verwendung einer Lösung mit Fiur !rszenzvermögen ist an sich aus der US-PS 3ö i5 747 bekan^rt. Bei diesem, bereits seit längerem zum Stand der Technik gehörenden Display dient die Lösung allerdings nicht zur passiven Helligkeitsverstärkung einer Anzeige, ue ist vielmehr selbst das Darstellungsmedium und wird durch 2s Anlegen einer elektrischen Spannung über die Änderung ihres pH-Wertes lokal von einem nicht fluoreszierenden in einen fluoreszierenden Zustand geschaltet.

Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung näher erläutert, in den Figuren 'd sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt

F i g. 1 in einer Perspektivansicht mit auseinandergezogenen Teilen eine nematische FK-Drehzelle,

F i g. 2 in einem Diagramm die relative reflektierte u Intensität von unpolarisiertem Licht, das auf eine Luft-Glas-Grenzfläche tritt, in Abhängigkeit vom Einfallswinkel,

Fig. 3 in einem Diagramm die relative reflektierte Intensität von unpolarisiertem Licht, das auf eine 4(i Gla^-Luft Grenzfläche trifft, in Abhängigkeit vom Einfallswinkel,

F i g. 4 in der Darstellungsweise der F i g. 1 ein erstes Ausführungsbe-spiel der Erfindung, und zwar eine elektrooptisch Anzeige unter Verwendung einer .,., Fltioreszcnzplaite,

I- ι g. 5 einfache Arten der Lichtauskopplung, dargestellt an [land eines Querschnitts durch eine Fluoreszenzplatte gemäß der Erfindung,

F ι g. 6 in einem DMgramm an Hand eines typischen S₁, Beispiels den Beobachtungswinkelbereich in Abhängigkeit vom Verhältnis von ^ustrittsfensterbreite auf der Fli'ore.zcnzplatte zur Anzeigesegmentbreite der FK-ZcIIc.

F-ι g. 7 in einer perspektivischen Darsteliung ein ,, weiteres Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Fluoreszenzplatte, bei dem die Helligkeit einer FK-Anzeige mit Hilfe eirer zusätzlichen Kollektorplatte noch weiter gesteigert ist,

I ig. 8 Transmissionskurven für drei im Handel _M, befindliche verschiedenfarbig fluoreszierende Plesdglasplallen,

Fig.9 für die Materialien aus Fig.8 die FIuoreszenz-Emissionskurven.

Das hier beschriebene Verfahren zur Helligkeitsver-

_r,5 Stärkung ist besonders geeignet für alle FK-Effekte, bei denen zwischen einem lichtsperrenden und einem lichtdurchlässigen Zustand durch ein elektrisches Feld geschaltet werden kann. Diese Lichlvemilwirkung läßt

sich bei allen in Displays angev/andten FK-Effekten bekanntlich mit Hilfe von zusätzlichen Polarisatoren und evtl. weiteren passiven optischen Elementen erreichen. Im folgenden wird die Wirkungsweise der hier beschriebenen Vorrichtung nur im Zusammenhang mti einer »nematischen Drehzelle« beschrieben. Bei Anwendung anderer FK Effekte ergibt sich das Zusammenwirken mit der hier beschriebenen Vorrichtung für den Fachmann ohne weiteres.

Das Ausfuhrungsbeispiel der Fig.4 enthält das clektrooptische Element der nematischen Flüssigkristall Drchzelle, das in Fig. 1 dargestellt ist und dort mit 10 bezeichnet ist. Dieses elektrooptische Element ist in dun deutschen Patentschriften 2158 563 und 22 02 555 beschrieben; daher soll hier nur eine kurze Zusammenfassung gegeben werden. Die Funktion dieses F.lements ist es, die Polarisationsebene eines Lichtstrahls, der durch das Element geht, um 90° zu drehen, wenn keine Spannung am Element anliegt (»Feld-aus« Zustand), und den einfallenden polarisierten Strahl unverändert zu lassen im »Feld-an« Zusuiid. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Komponenten, die das nematische Drehelement aufbauen. Dieses F.lement besteht aus einer nematischen FKSchichi mit positiver dielektrischer Anisotropie 5, die zwischen zwei parallelen Glasplatten 3 und 7 eingeschlossen ist, auf denen ein elektrisch leitendes, aber optisch transparentes Material, wie z. B. SnO* auf den inneren Obt 'flächen (Elektroden 4 und 6) aufgebracht ist. Diese inneren Oberflächen, die einen typischen Abstand zwischen 5 μ und 50 μ haben, dienen als Elektroden und sind mit einer Spannungsquelle 9 verbunden über einen Schalter 8. Die Elektroden können auch je nach Anwendung in verschiedener Weise segmentiert sein und es können Vorkehrungen gctfüifcii Sein, die Spannung zu verschiedenen Segmentkombinationen zu schalten. In diesem Falle würde die optische Drehzelle, die in F i g. 1 skizziert ist, nur einen Teil der FK-Anzeige darstellen, nämlich ein bestimmtes Elektroden-Segmentpaar. Die Oberfläche der transparenten Elektrode 4 ist speziell behandelt, z. B. durch Reiben mit einem feinen Poliermitlei in ein und derselben horizontalen Richtung, um die Vorzugsnchtung der unmittelbar an die Elektrode angrenzenden nematischen FK-Schicht einheitlich in diese Richtung zu orientieren. Die Oberfläche der anderen transparenten Elektrode 6 ist entsprechend behandelt, aber die Elektrode ist um 90° gedreht worden, so daß die Vo'zugsnrhtung der unmittelbar angrenzenden FK-Schicht vertikal ist. Wenn keine Spannung an den Elektroden anliegt, dreht sich die lokale Vorzugsoricntierung des nematischen Flüssigkristalls gleichmäßig über einen Winkel von 90°. wenn man von einer Elektrode zur anderen geht. Wenn die Polarisationsebene des von einer Lichtquelle 1 kommenden und durch einen zwischen Lichtquelle und FK-Drehzelle 10 befindlichen ersten Polarisator 2 tretenden Lichtes parallel (wie in F i g. 1 dargestellt) oder senkrecht zur angrenzenden FK-Schicht ist, dann wird sich die Polarisationsebene des durch die Schicht gehenden Lichtes gleichlaufend mit der verdrillten nematischen Struktur drehen, und auf der anderen Seite des Elements um 90° gedreht wieder austreten und dann in einem hinter dem Ekiiicr.! i0 angeordneten, zum ersten-Polarisator parallel orientierten zweiten Polarisator Il absorbiert werden. Wenn eine geeignete Spannung an die Elektroden angelegt wird, dann wird sich die Vorzugsorientierung des nematischen Flüssigkristalls umorientieren und im wesentlichen in der Richtung des angelegten elektrischen Feldes liegen. In diesem Zustand wird der Lichtstrahl das Element 10 durchsetzen, ohne eine Veränderung zu erfahren, und folglich

s kann jetzt das im Polarisator 2 horizontal polarisierte Licht den zweiten Polarisator 11 passieren.

Das im Zusammenhang mit FK-Anzeigen neuartige Bauelement, das im weiteren als Fluoreszcnzplalte bezeichnet wird, soll nun beschrieben werden.

in Dazu betrachten wir eine wenige Millimeter dicke ebene Plexiglasplatte mit glatter Oberfläche, in welcher ein Fluoreszenzstoff in solcher Konzentration gelöst ist, daß beispielsweise aus dem auftreffenden Tageslicht der blaue Anteil voll absorbiert wird. Des weiteren soll diese

ii Platte senkrecht zur Plattenebene verlaufende Stirnflächen besitzen, die ideal lichtreflektierend sein sollen, so daß an den Rändern der Platte kein Licht austreten kann. Nach Fig. 2, in der die relative reflektierte Intensität für unpolarisiertes Licht in Abhängigkeit vom

2Ii Einfallswinkel angegeben ist, treten bei isotroper Tageslichtverteilung ca. 82% der Intensität in die Fluoreszenzplatte ein. Für den Wiederaustritt des beispielsweise im grünen ausgesandten Fluoreszenzlichtes aus der Platte ist nun die Reflexion am dünneren

?s Mediusr. maßgebend, die in F i g. 3 in Abhängigkeit vom Einfallsv'nkel dargestellt ist. Man sieht, daß man in guter Näherung so rechnen kann, als ob alles Licht, das unter einem Winkel <cc,_oi (Winkel der Totalreflexion) auf die Grenzfläche trifft, die Pktte verläßt und das

.in Licht des übrigen Winkelbereichs infolge Totalreflexion in der Platte bleibt. Der Winkel der Totalreflexion ergibt sich aus der Beziehung

η - sin «ω, ·= 1

(für den Brechungsindex π = i,49 für Plexiglas ist cc,_o, = 420). Der Anteil des nicht totalreflektierten Fluoreszenzlichtes, hier zur Abkürzung als Verlustfaktor Vbezeichnet, beträgt

V = \ - cos \,„, =

(im Beispiel ist bei η = 1,49 der Verlustfaktor

₄, V = 25%). Alles innerhalb des Winkelbereichs der Totalreflexion emittierte Licht (im Beispiel also 75%) wird durch fortgesetzte verlustfreie Totalreflexion in der Plattenebene geführt (d. h. die gemittelte Ausbreitungsrichtung liegt parallel zur Plattenebwie).

Das in der Fiuoreszenzplatte infolge Totalreflexion eingefangene Fluoreszenzlicht kann nun durch die Umlenkung an reflektierenden oder lichlstreuendcn Flächen, die an der Fluoreszenzplatte angebracht werden, zum Austritt aus dieser Platte veranlaßt

-, werden. Solche speziell angebrachten Flächen werden im folgenden zur Abkürzung als Austrittsfenster bezeichnet Einfache Arten solcher Lichtauskopplung aus einer Fluoreszenzplatte sind in F i g. 5 im Querschnitt dargestellt.

_W) Unter Vernachlässigung der erwähnten Reflexions- und unvermeidlichen Wiederauslrittsverluste und unter der Annahme, daß sonst keine Verluste in der Platte vorhanden sind, ist der »Helligkeitsverslärkungsfaktor«, d. h. der Faktor der die Anhebung der Leuchtdichte

_(>s (= Flächenhelligkeit) der Austrittsfenster der Fluoreszenzplatte gegenüber der Leuchtdichte einer nicht fluoreszierenden gleichfarbigen Fläche angibt, im wesentlicheti gegeben durch das Verhältnis von

lichlabsorbierender Fläche der Anordnung zu Gesamtfläche der Austrittsfenster des Fluoreszenzlichtes.

Die crfindiingsgemäBe Kombination von FK-Anzeige und Fluoreszenzplatte wird nun anhand des Ausführungsbeispiels der Fig.4 erläutert. Die Anordnung enlltäll zunächst das elektrooptische Element der nematisui'ifin Drehzelle 10. Dieses Element ist mit einzelnen elektrisch ansteuerbaren Elektrodensegmenten 12 versehet·.. Die Elektrodensegmente im Beispiel erlauben eine Zifferndarstellung nach der /-Segment-Methode Im Bereich der Ziffern sind auf der Vorder- und der Rückseite der FK-ZeIIe je ein Polarisator 11 bzw 2 angebracht. Die Polarisatoren haben zueinander parallele Polarisationsebenen. Hinter der FK-ZeIIe befindet sich eine Fluoreszenzplatte 13 mit den verspiegeln Stirnflachen 14, 15, 16, 17 und den Austnitsfcnslern 18. Die Austrittsfenster bilden die Elcktrodensegmentc 12 nach, ihre Baikenbreite ist jedoch größer als die Elektrodensegmentbreite. um die Parulluxe zwischen FK-Scgrnenten und Austrittsfenster!) zu kompensieren. Alles nähere dazu, wie der Bcobachiiingswinkelbereich der Anzeige vom Verhältnis von Ausiritisfensterbreite zu Anzeigenseginentbreite abhangt, ist an einem typischen Beispiel in F i g. 6 mit Erläuterungen dargestellt. Hinter der Fluoreszenzplatte 13 befindet sich eine lichtabsorbierende Folie 19, die nicht im optischen Kontakt mit der Fluoreszenzplatte steht. Diese Folie dient da/u, die Fluoreszenzplatte, die im Durdilieht natürlich eine charakteristische Eigenfarbe zeigt, so »schwarz« wie möglich erscheinen zu lassen und dadurch den Kontrast der Anzeige günstig zu beeinflussen. Das Anregungslicht gelangt von vorne aus allen Richtungen durch die FK-Zelle in die Fluoreszenzplaue, und zwar nur dort, wo keine Polarisatoren sind. Das Fluorcszenzlicht verläßt die Fluoreszenzplatte 13 nach vorne in Richtung der FK-Zsüe durch die Austrittsfenster 18. Nur solche Elektrodensegmente 12, an die eine Spannung gelegt wird, werden lichtdurchlässig; die anderen sperren das Fluoreszenzlicht. Angezeigte Ziffern erscheinen in diesem Fall hell auf schwarzem Grund. Bisher wurde angenommen, daß die Polarisatoren 2 und 11 neutrale Polarisatoren sind, die also Licht aller Wellenlängen im sichtbaren Bereich polarisieren. Einen Vorteil erreicht man, wenn man statt dessen zwei selektive Polarisatoren verwendet, die im Bereich des Anregungslichtes beide Polarisationsrichtungen passieren lassen und nur den Rest des Spektrums polarisieren. In diesem Fall kann die gesamte Display-Fläche als Lichtkollektorfläche ausgenutzt werden, da das Anregungslicht die Polarisatoren ungeschwächt passiert.

Ein weiteres spezielles Ausführungsbeispiel für die vorteilhafte Gestaltung der Fluoreszenzplatte ist in F i g. 7 gegeben. Diese Ausführungsform soll demonstrieren, daß sich auch ein Teil der Fläche eines Gehäuses, in welches eine FK-Anzeige eingebaut ist, leicht als zusätzliche Lichtkollektorfläche ausnutzen läßt und sich so die Helligkeit einer Anzeige weiter steigern läßt. Hier wird an die Fluoreszenzplatte 13 mit Austrittsfenstern 18 eine zusätzliche Kollektorplatte 20 aus fluoreszierendem Kunststoff über eine verspiegelte 45" -Stirnfläche 21 zur Lichteinkopplung angeschlossen.

Eine weitere Modifikation der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung erlaubt es auch, zwischen zwei verschiedenen Farben elektrisch zu schalten. Dazu enthält die Fluoreszenzplatte eine zweifarbige Fluoreszenzsioffmischung. Sie sendet also beispielsweise rotes und grünes Fluoreszenzücht aus. Man braucht dann ledinüch noch den Polarisator 2 in F i g. 4 zu ersetzen durch eine Kombination eines horizontal polarisierenden selektiven Polarisators, der nur grünes Licht unpolarisiert läßt, mit einem vertikal polarisierenden anderen selektiven Polarisator, der nur rotes Licht

■* unpolarisiert läßt. Dann besteht das Fluoreszen/.licht nach dem Durchgang durch diese Polarisaiorkombinalion aus horizontal polarisiertem rotem Licht und vertikal polarisiertem grünem Licht. Folglich läßt die Gesamtanordnung dann an Segmenten, an denen keine

in Spannung liegt, nur das grüne Fluoreszenzlicht passieren, während an den Segmenten mit Spannung nur t!ns rote Licht passieren kann.

In den Fig.8 bzw. 9 sind die Lichttransmissionskurven bzw. die Fluoreszenz-Emissionskurven von drei

i< verschiedenfarbigen Fluoreszenzplatten, wie sie im Handel erhältlich sind, wiedergegeben. An diesen Platten wurde die Erfindung erpi obt.

im folgenden wer Jen uK. Faktoren, VOn (jenen die

Helligkeitsverstärkung entscheidend abhängt, aufge-2Ii zählt und kurz kommentiert. Dabei werden die Funktionen der Fluoreszenzplatte im Zusammenwirken mit der FK-Anzeige unterteilt in

A) Lichtsammlung

is B) Lichtfortleitung

C) Lichtauskopplung

ZuA

1. Verlustfaktor V.

ι/ ι n- bi²-!
K=I- COSa₁₀₁ = A

(A = Anteil des nicht totalreflektierten Fluorcs-.15 zenzlichts).

2. Fluoreszenzquantenausbeute F.

Zahl der absorbierten Lichtquanten
αϊ, Zahl der emittierten Lichtquanten

(soll möglichst nahe 1 sein)

3. Verhältnis von Absorptionsbandbreite zu Emissionsbandbreite. Dieser Faktor soll möglichst groß

as sein; er wird es, wenn man mehrere Fluoreszenzstoffe miteinander mischt, deren Absorplionsbänder unterschiedlich liegen, die aber annähernd gleiches Emissionsband haben.

4. Fluoreszenzstoffkonzentration.

Absorbierte Intensität / = /_o
Darin bedeuten:

10-^£Ci/.

Ausgangsintensität;
Extinkiionskoeffizient; typischer Wert:

5-10*

Liter
Mol · cm '

= Molare Konzentration des Fiuoreszenzstoffes; obere sinnvolle Grenze für C ist diejenige Konzentration, bei der Selbstiöschung der Fluoreszenz einsetzt; sie liegt z. B. bei

ίο- 4°L

Liter

d = Schichtdicke.

Volle Absorption des Hauptubsorptionsbandes ist bei I mm Schichtdicke leicht erreichbar.
5. Chemische (pholochemische) Stabilität des Fluoi'eszenzstoffes.

ZuB

6. Reflexionsvermögen der Spiegelschichten.
Zur Illustration:

Fine aufgedampfte Aluminiumschicht hat ein Iniensiläis-Reflexionsvermögen R - 0,913. Nach 20 Reflexionen ist die Intensität auf 15% des Anfangswertes abgesunken.
Cine aufgedampfte Silberschicht hat ein Intensitäts-Reflexionsvermögen R = 0,985. Nach 20 Reflexionen ist die Intensität auf 73,5%·abgesunken. (R soll möglichst nahe bei 1 liegen).

7. Absorption (und Streuung) der Kunststoff-Grundmasse.

Die Absorption soll möglichst klein sein. Für eine 4 mm dicke klare Plexiglasplatte, die bei senkrechtem Lichteinfall 1% des Lichtes echt absorbiert, würde das Licht schon nach einer Wegstrecke von 40 cm auf Me der Anfangsintensität abgesunken sein.

8. Licht&treuung infolge Oberflächenrauhigkeit bzw. Oberfiächenverschmutzung.

Da das Fluoreszenzlicht viel häufiger an den zur Plattenebene parallelen Grenzflächen als an den verspiegelten Stirnflächen reflektiert wird, kommt es besonders darauf an, daß diese Reflexionen verlustfrei, d. h. in diesem Fall streuungsfrei verlaufen. Die im Spritzgußverfahren hergestellten Platten erfüllen im allgemeinen diese Bedingung gut

ZuC

9. Helligkeitsverstärkungsfaktor H.

_ LicHsammelfläche
Lichtaustrittsfensterfliiche

Die günstigste Formgebung der reflektierenden Randflächdn der Fluoreszenzpiaitc muß im Einzelfall empirisch gefunden werden. Die Rcchtcckform ist sicherlich nicht immer die günstigste.
Weiterhin ist leicht einsehbar, daß Lichtauskoppelungseffektivität und gleichmäßige Ausleuchtung der Austrittsfenster sich nicht gleichzeitig maximicren lassen. Es ist also jeweils ein angepaßter Kompromiß zu suchen.

Abschließend seien noch einmal die vielen Vorteile,

die die vorgeschlagene Fluoreszenzplatlcnverwendung gegenüber den bekannten Beleuchlungsartcn hat und die vor allem den Anwendungsbereich von FK-Ar.ze'-gen erweitern, in knapper Form zusammengestellt:

1. Man kann ohne zusätzliche Lichtquelle außergewöhnlich hohe, bisher nicht erreichte Helligkeit bei hohem Kontrast erzielen.

2. Die Lesbarkeit der Anzeige ist in bisher nicht erreichten Grenzen unabhängig von der Umgebungshelligkeit.

3. Die Anzeigen sind frei von Parallaxe und Schatten.

4. Das Verfahren ermöglicht es auch ohne weiteres, zwischen 2 Farben zu schalten.

5. Die Vorrichtung ist einfach, billig, flexibel, da die fluoreszierende Kunststoffplatte wegen ihrer leichten Formbarkeit durch Spritzgußverfahren in beliebig komplizierten Formen billig hergestellt werden kann, so daß speziellen Display-Belcuchtungswünschen leicht Rechnung getragen werden kann.

}0. Winkelverteilung des austretenden Fluoreszenzlichtes.

Die Winkelverteiliing des austretenden Fluores- ₄s zenzlichtes hängt sehr von der Art der Auskopplung ab, womit wiederum die Helligkeit der Anzeige beeinflußt wird. Dies sei kurz an den angegebenen Beispielen der F i g. 5 erläutert In den Beispielen 1 und 4 bedingt die vordere plane Fläche die Größe des Raumwinkelbereichs, in den überhaupt Fluoreszenzlicht gebrochen wird, nämlich 2 n. Im Beispiel 2 dagegen ist der Raumwinkelbereich des austretenden Lichtes schon eingeschränkt. An diesen einfachen Beispielen kann man ^ sich des näheren die erheblich unterschiedlichen V/inkelverteilungen klarmachen.

11. Formgebung der reflektierenden Ränder und der Austrittsfenster.

Die Ränder und Fenster sollen so gestaltet sein, daß _W) die Laufzeit des Lichtes kurz wird. Es ist leicht verständlich, daß für den Fall, daß keine Verluste bei der IJchtfortleitung auftreten, die Art der l.ii-hlaiiskoppltmg und deren liffektivität auf die Leuchtdichte der Austrittsfenster keinen Einfluß _(ls hätte. Im selben Maße, wie man sich diesem Idealfall nähert, werden die Anforderungen an die Lichtauskoppelungseffeklivität geringer.

Hierzu 8 DIaIi '/.eidinungcii

Claims

Palentansprüche:

I. Strahlungskollektor und -verdichter in Form einer an ihren Stirnflächen zumindest teilweise verspiegeken Kunststoffplatte, in der Fluoreszenzstoffe gelöst sind und die mit mindestens einem Lichlaustrittsfenster versehen ist (»Fluoreszenzplatte«), gekennzeichnet durch seine Verwendung zur passiven Helligkeiisverstärkung von ein- oder mehrfarbigen Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen.

Z Strahlungskolleklor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrittsfenster (18) Einkerbungen in der Fluoreszenzplatte (13) enthalten, die mit einem metallisch-spiegelnden Belag versehen sind (Fig. 4).

3. Strah^ngskclleklor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichlaustrittsfensier (IS) lichtstreuende Farbpigmentschichten auf der Fhiofeszenzplatte (13) enthalten.

4. Strahlungskoilektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Fluoreszenzplatte (13) eine M.schung aus verschiedenen Fluoreszenzsioffen gelöst ist, die unterschiedliche Absorptionsbänder, aber annähernd gleiche Emissionsbänder haben.

5. Strahlungskoliekior nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Gehzjsefläc"" ι als eine zusätzliche Lichikollektorfläche ausgebildet ist.

6. Strahlungskoliektor nach .· nspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der als Lichtkollektorfläche dienende Teil der Gehäusefläche zu einer weiteren Kollektorplatte (20) aus einem fluoreszierenden Kunststoff gehört, die an die Fluoreszenzplalle (13) über eine verspiegelte 45°-Stirnfläche (21) zur Lichteinkopplung angeschlossen ist (F i g. 7).

7. Strahlungskoilektor nach einem der Anspruchs-1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluo reszenzplatte durch ein Spritzgußverfahren hergestellt ist.

8. Anzeigevorrichtung mit einer Fluoreszenzplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich, gesehen aus einer Blickrichtung entgegen der Lichtaustrittsrichtung, vor der Fluoreszenzplatte (13) eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung mit mindestens einem Anzeigeelement befindet, wobei vorzugsweise die Liehtauslritisfenster (18) dei Fluoreszenzplatie (13) den Anzeigeelementen zugeordnet sind (F i g. 4).

9. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die An/eigclehiente zusätzlich /wischen zwei Linearpoiarisatoren (2,11) befinden (F ig. 1.4)

10. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristall-Anzcigevorrk-htung nach dein Prinzip der ncmatischen Drehzelle arbeitet.

I1. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearpoiarisatoren (2, \ 1) eine regulär geformte zusammenhängende Fläche bilden, die gerade die Anzeigeelemente bedeckt, die übrige Fläche der Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung jedoch frei läßt.

12. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis II, dadurch gekennzeichnet, daß die

Polarisationsrichtungen der Linearpoiarisatoren (2, 11) parallel zueinander orientiert sind.

13. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11. dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrittsfensler (18) auf der Fluoreszenzplalle (13) die Größe und Form der Polarisatorfläche auf der Flüssigkristall-Anzeigevorrichlung besitzen und daß die Polarisationsrichtungen der Linearpoiarisatoren (2,11) aufeinander senkrecht stehen.

14. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis IZ dadurch gekennzeichnet, daß die Linearpoiarisatoren '2, 11) selektive Polarisatoren sind, die nur das Fluoreszenz-Anregungslicht unpolarisiert lassen.

15. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Fluoreszenzplatte (13) ein Fluoreszenzstoftgemisch gelöst ist, das in zwei verschiedenen Farben fluoresziert, und daß einer der beiden Linearpoiarisatoren (2, 11) durch eine Kombination von zwei selektiven Polarisaturen ersetzt ist, deren Polarisationsrichtungen aufeinander senkrecht stehen und die die beiden Fluoreszenzfarben jeweils senkrecht zueinander polarisieren.

16. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich, gesehen aus einer Blickrichtung entgegen der Lichtaustrittsrichlung, hinter der Fluoreszenzplatte (13) eine lichtaissorbierende Folie (19) befindet, die mit der Fluoreszenzplatte (13) nicht in optischem Kontakt steht und die Fluoreszenzplatte möglichst schwarz erscheinen läßt (F i g. 4).