ES2209367T3 - Conducto de luz para iluminacion de fondo de una pantalla de panel plano. - Google Patents
Conducto de luz para iluminacion de fondo de una pantalla de panel plano.Info
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Abstract
Conducto de luz (313, 900) para proporcionar iluminación de fondo (312) a una pantalla de panel plano (311) por medio de al menos una fuente de luz (L3, 901), cuyo conducto de luz (313, 900) tiene una cierta primera superficie (313C) con un perfil superficial que incluye motivos que tienen propiedades de difracción, cuyo perfil superficial está manufacturado directamente sobre dicha superficie, caracterizado porque: - los motivos comprenden áreas uniformes tipo punto de imagen mutuamente diferentes (903, 904) que tienen una cierta distribución sobre la primera superficie (313C); - algunas (904) de dichas áreas (903, 904) presentan una orientación (904) de una formación superficial de difracción, con el fin de distribuir la luz procedente de la fuente de luz (L3, 901) para formar una iluminación macroscópicamente uniforme y - algunas (903) de dichas otras áreas (903, 904) tienen una formación superficial de difracción con el fin de dirigir la luz hacia fuera del conducto de luz (313, 900) para así producir la iluminación (312).
Description
Conducto de luz para iluminación de fondo de una
pantalla de panel plano.
La invención se refiere a la iluminación de fondo
uniforme de pantallas de panel plano por medio de un conducto de luz
fino.
Los dispositivos electrónicos modernos tienen con
frecuencia una pantalla de cristal líquido para transmitir
información al usuario. Con el fin de hacer la pantalla legible
incluso al anochecer o en la oscuridad, la pantalla está iluminada
generalmente por medio de diodos emisores de luz (LED), pero
especialmente en dispositivos portátiles activados por una batería
y/o un acumulador, esto tiene, además, un efecto de acortamiento del
tiempo de funcionamiento real del dispositivo. Adicionalmente, el
requerimiento de brillo uniforme de la pantalla es esencial en vista
de la capacidad de lectura, pero aumenta el consumo de potencia a
compensar por la pérdida de luz provocada por las placas difusoras y
similares. En lugar de utilizar placas de desviación opacas, una
alternativa es utilizar una estructura de conducto de luz de
difracción para conducir la luz en la dirección favorable, desde la
fuente de luz hasta la pantalla, por lo que existe además más
libertad para la disposición de componentes.
Con respecto a las técnicas conocidas
relacionadas con la técnica de la invención, se hace referencia a
las soluciones descritas en relación con la técnica anterior
(figuras 1 a 2). Una disposición conocida es utilizar conductos de
luz "gruesos" "tipo placa", en un extremo del cual existe
una fuente de luz, y en un lateral plano de la placa con el área más
grande y/o dentro del conducto de luz existe uno objeto iluminado
para conseguir su iluminación uniforme. Se conoce también que cuando
el conducto de luz se hace más fino, la distribución de la
iluminación de la pantalla puede ser menos ventajosa. No obstante,
en las estaciones móviles modernas y otros equipos provistos con una
pantalla existe muy poco espacio extra, y las estructuras de
conducto de luz grueso no pueden utilizarse en ellos sin un efecto
negativo sobre la capacidad de utilización del dispositivo. Los
elementos gruesos significan también costes de material aumentados
para el fabricante y de este modo mayor presión sobre el precio.
Se conocen también técnicas con un conducto de
luz fino tipo placa, desde un extremo del cual una fuente de luz
emite luz al espacio entre las superficies superior e inferior del
conducto de luz. El fondo del conducto de luz puede ser rugoso de
manera aleatoria, por ejemplo la superficie inferior de un conducto
de luz tipo placa, cuando la pantalla o un objeto correspondiente a
iluminar, está dispuesto por encima de la superficie superior del
conducto de luz, en la dirección del observador. La finalidad de la
rugosidad es dispersar la luz para difundirla tan uniformemente como
sea posible en la dirección de la pantalla. Puede existir también un
difusor, un reflector o una capa extra correspondiente bajo la
superficie rugosa para dirigir la luz que ha pasado a través de la
rugosidad de nuevo hasta el conducto de luz, por medio y a partir de
ello, en la dirección de la pantalla para aumentar la
iluminación.
Aunque el principio de reflexión total es que la
luz propagada siga su trayectoria a través del conducto de luz, la
rugosidad aleatoria de la superficie del conducto de luz puede
provocar problemas con respecto a la homogeneidad de la luz,
especialmente en el extremo opuesto a la fuente de luz. En otras
palabras, hasta el extremo exterior de la pantalla llega mucha menos
luz que a la izquierda del primer extremo del conducto de luz de la
fuente de luz. Aumentando el número de fuentes de luz así como
aumentando su potencia, junto con la utilización de placas difusoras
dispuestas entre el conducto de luz y la pantalla y/o la fuente de
luz y el conducto de luz, se mejora la uniformidad de la
iluminación, pero se aumentan también los requerimientos de espacio
y de consumo de potencia.
La figura 1A ilustra un dispositivo de
iluminación de la pantalla 1 utilizando un conducto de luz plano,
fino 3, donde la superficie inferior 4 es rugosa de forma aleatoria.
La figura 1B representa la eficiencia local de la fuente de luz, por
la que la luz producida por la fuente de luz puede convertirse en
iluminación de fondo (de aquí en adelante eficiencia de
desacoplamiento \eta). La eficiencia de desacoplamiento local es
representada como una función de localización, la coordenada medida
desde el extremo fuente del conducto de luz. Puesto que la propia
eficiencia de desacoplamiento es constante de forma continua, el
brillo de la pantalla visto por un observador exterior está de
acuerdo con la figura 1C, que representa, por lo tanto, el brillo
local de una parte de la pantalla como función de la distancia
medida desde el extremo de la fuente de luz. La figura 1D, muestra
en principio cómo los rayos individuales 5 y 6 que dejan una fuente
de luz L1 se propagan por un conducto de luz 3 y se convierten en
luz de fondo en los puntos 5A a 5E, 6A y 6B.
Otra técnica para igualar el brillo no homogéneo,
que cambia como una función de localización como se muestra en la
figura 1C, consiste en cambiar la eficiencia de desacoplamiento
local \eta como función de la distancia, disponiendo en la parte
superior o inferior del conducto de luz en la parte superior o
inferior del conducto de luz, manchas en las que la luz es
dispersada o reflejada. Las manchas son, por ejemplo, pequeñas
lentes que están dispuestas a distancias alejadas intermedias del
primer extremo de la fuente de luz y a distancias intermedias más
cortas del otro extremo, de tal forma que existe una menor
diferencia de brillo B entre el primero y segundo extremo de la
pantalla. La figura 2 ilustra una disposición conocida como la
descrita anteriormente para iluminar una pantalla de panel plano 207
con un conducto de luz 209, en cuya disposición la superficie
inferior del conducto de luz 209 está cubierta con lentes. La
cantidad de luz 208 es mayor en el primer extremo del conducto de
luz 209 que está próximo a la fuente de luz L2 que en el segundo
extremo opuesto. Puesto que el fin es iluminar la pantalla de manera
más uniforme, y la eficiencia de desacoplamiento \eta local de la
luz depende del número local de lentes de dispersión/reflexión, es
ventajoso hacer que la densidad de los elementos ópticos sea menor
en la proximidad de la fuente de luz que distante de ella. Para
mejorar la iluminación aún más, puede utilizarse un reflector 210
para retornar la luz dirigida de forma desfavorable de nuevo en la
dirección de la pantalla 207.
La estimación de las propiedades de transmisión
del conducto de luz bien por métodos experimentales o de cálculo
utilizando técnicas conocidas, es prácticamente imposible debido al
gran número de prototipos necesarios y al número y tamaño pequeño de
las lentes, por lo que es cuestionable un resultado óptimo con la
técnica conocida.
El documento US 5.703.667, que es la técnica
anterior más próxima, describe un conducto de luz para proporcionar
iluminación de fondo de una pantalla de panel plano por medio de al
menos una fuente de luz. El conducto de luz tiene una cierta primera
superficie con un perfil superficial, que comprende motivos que
tienen propiedades de difracción. El perfil superficial es
manufacturado directamente sobre dicha superficie.
Un objetivo de la invención es proporcionar un
nuevo conducto de luz, que proporciona iluminación uniforme del
fondo de la pantalla y que sea fácil de fabricar.
Para producir la iluminación de fondo de una
pantalla de panel plano, se utiliza un conducto de luz de la
invención, en cuyo conducto de luz al menos una superficie ha sido
tratada para alcanzar las propiedades de difracción, por lo que la
eficiencia de desacoplamiento local del conducto de luz puede
cambiarse como una función de la distancia y/o la longitud de onda
medida desde la fuente de luz. La eficiencia de desacoplamiento del
conducto de luz depende de al menos un parámetro, que describe las
propiedades de difracción de la superficie. La eficiencia de
desacoplamiento local está influenciada por magnitudes que
caracterizan la superficie de difracción, tales como la periodicidad
de las formaciones superficies de los motivos del perfil de
difracción, el periodo d, el factor de llenado c y/o la
altura/profundidad de los rebordes/muescas del perfil. Las
formaciones superficiales que son adecuadas como perfiles de
difracción básicos de acuerdo con una forma de realización preferida
de la invención incluyen onda binaria, onda rectangular, sinusoidal
y/o triangular, y mediante la formación de sus combinaciones
adecuadas, pueden mejorarse las propiedades de la invención para
cada aplicación.
Adicionalmente, de acuerdo con una forma de
realización preferida de la invención, las propiedades de un
conducto de luz de difracción puede mejorarse dividiendo su
superficie para formar puntos de imagen, en los que las propiedades
reticulares son localmente uniformes. Especialmente, en el extremo
de la fuente de luz, la orientación de los puntos de imagen puede
utilizarse de forma ventajosa para mejorar la distribución de la luz
y, por lo tanto, el brillo de la iluminación de fondo de la
pantalla. Un ejemplo de las formas de realización preferidas de la
invención es una estructura de difracción binaria, reticular de la
superficie.
Los motivos de la superficie del conducto de luz
pueden ser, por ejemplo, de dos tipos de puntos de imagen de
difracción, que son ambos de tipo binario. Algunos de los puntos de
imagen en la proximidad de la fuente de luz están orientados de
forma que los perfiles de difracción, y, por tanto, los propios
puntos de imagen se encuentra con simetría de rotación de 90º,
cuando el eje de rotación imaginario es paralelo a la perpendicular
de la superficie del conducto de luz. Adicionalmente, pueden
utilizarse los perfiles básicos modificados o sus combinaciones.
En las reivindicaciones dependientes se presentan
otras formas de realización preferidas de la invención.
La invención se describirá detalladamente con
referencia a los siguientes dibujos, en los que:
La figura 1 muestra un dispositivo conocido
basado en la rugosidad aleatoria con el fin de proporcionar
iluminación.
La figura 2 muestra un dispositivo conocido, que
está basado en la utilización de difusores tipo lente en lugar de la
rugosidad aleatoria, para dirigir la luz al objeto.
La figura 3 muestra un dispositivo de conducto de
luz de acuerdo con una forma de realización preferida de la
invención.
La figura 4 muestra un detalle de un conducto de
luz de acuerdo con una forma de realización preferida de la
invención.
La figura 5 muestra la difracción y reflexión que
tienen lugar en un conducto de luz de acuerdo con una forma de
realización preferida de la invención.
La figura 6 representa la eficiencia de
desacoplamiento local \eta de la estructura de difracción como
función de la distancia medida desde la fuente de luz.
La figura 7 muestra los conductos de luz de
acuerdo con una forma de realización preferida de la invención.
La figura 8 ilustra los perfiles básicos de las
muescas y rebordes de la estructura de difracción de un conducto de
luz de acuerdo con una forma de realización preferida de la
invención.
La figura 9 ilustra la estructura básica de
difracción con puntos de imagen de un conducto de luz de acuerdo con
una forma de realización preferida de la invención.
La figura 10 representa una estructura de perfil
y/o punto de imagen modificada de un conducto de luz de cuerdo con
una forma de realización preferida de la invención.
Las figuras 1 y 2 representan métodos conocidos
previamente de la técnica anterior para iluminación de fondo.
Las figuras 1A, 2, 3A, 5A, 7A, 7B, 7C, 9A, 9B,
10A representan los principios de los motivos de la
micro-estructura de la geometría del perfil de
difracción que no están necesariamente a escala correcta respecto de
las dimensiones macroscópicas o espesor del conducto de luz.
La figura 3A muestra cómo la iluminación de una
pantalla de panel plano 311 puede venir proporcionada por medio de
un conducto de luz 313 de acuerdo con una forma de realización
preferida de la invención. El conducto de luz 313 tiene una
superficie de difracción binaria, en la que las propiedades
geométricas del perfil superficial cambian cuando la distancia desde
la fuente de luz aumentan. Localmente, los cambios geométricos son
tan pequeños en comparación con las formaciones adyacentes, y se
aproximan con cierta exactitud a una estructura reticulada, en la
que la constante de retícula cambia como función de localización. La
luz 312 es igualmente intensa a través de todo el elemento del
conducto de luz de difracción 313, aunque los rayos de luz
individuales 312 son más intensos en el primer extremo 313 A del
conducto de luz 313 próximos a la fuente de luz L3 que en el extremo
opuesto 313B. La eficiencia de desacoplamiento local \eta del
elemento de difracción 313C ha sido cambiada utilizando su
dependencia del factor de llenado c. Adicionalmente, es ventajoso
para la invención utilizar, por ejemplo, un reflector blanco
Lambertiano 314 dispuesto por debajo del conducto de luz 313 para
reflejar o dispersar la parte de la luz que ha pasado a través del
fondo del conducto de luz 313, en dirección errónea de nuevo al
conducto de luz 313 que debe utilizarse para iluminar la pantalla
311.
La figura 3B representa la eficiencia de
desacoplamiento local \eta de la construcción de difracción de
acuerdo con una forma de realización preferida de la invención como
la función de una posición medida desde la fuente de luz L3.
La figura 3C representa el brillo local B de la
pantalla alcanzado por una estructura de difracción de acuerdo con
una forma de realización preferida de la invención como la función
de una posición medida desde la fuente de luz L3, cuando la
eficiencia de desacoplamiento de la figura 3B ha sido compensada
para alcanzar un brillo constante cambiando la geometría del perfil
de difracción, por ejemplo, el factor de llenado. El brillo es
constante y, por lo tanto, independiente de la localización.
La longitud de 30 mm del eje horizontal en las
figuras 3B y 3C es solamente un ejemplo, y la longitud y/o la
anchura de una pantalla real así como otras dimensiones del conducto
de luz pueden diferir sustancialmente de esto.
La figura 3D ilustra la trayectoria por el
conducto de luz 313 de los rayos de luz 315, 16A y 16B, que han
abandonado la fuente de luz L3, y su conversión en rayos 15A a 15E,
que son transmitidos hacia fuera del conducto de luz. Hay que
indicar que en las transmisiones y reflexiones que tienen lugar en
los puntos 15A a 15E, el brillo macroscópico de la luz es igual que
en la figura 3C fuera del conducto de luz tal como es visto por un
observador en la dirección de la pantalla, aunque con respecto a un
rayo de luz individual, en una escala macroscópica, la intensidad
del rayo de luz disminuye como función de una distancia medida desde
la fuente de luz, también como consecuencia de múltiples reflexiones
y/o transmisiones. El brillo uniforme es alcanzado dirigiendo una
gran parte de la luz disponible localmente hacia fuera de la fuente
de luz por medio de una estructura de difracción de acuerdo con una
forma de realización preferida de la invención (figura 3A).
La figura 4 ilustra la estructura de la geometría
superficial de un conducto de luz de difracción de una de las formas
de realización preferidas de la invención. Los parámetros
característicos de un perfil de difracción binario es la longitud de
ciclo d, el factor de llenado c, la altura del reborde h del
perfil, siendo n1 el índice de refracción del material del conducto
de luz, y n2 el índice de refracción del medio situado entre el
conducto de luz y la pantalla.
La figura 5A ilustra la propagación de la luz con
el principio de reflexión total en un conducto de luz de difracción
de acuerdo con la invención, visto desde un rayo de luz, que pasa en
la dirección \alpha respecto de la perpendicular de la superficie
interior del conducto de luz. Un detalle 517, que ilustra el paso
del rayo de luz en un periodo de la estructura de difracción, se
encuentra delimitado por una línea de trazos en el conducto de
luz.
La figura 5B es una ampliación del detalle 517 de
la figura 5a. La geometría óptica es la misma que en la figura 5A.
Cuando un rayo de luz incide en el perfil de difracción d, su
difracción es representada por ángulos de transmisión y reflexión,
\beta_{pT} y \beta_{pR}, respectivamente, algunos de cuyos
órdenes están indicados en la figura 5B. Por ejemplo, O_{R} es la
reflexión ordinaria del rayo principal.
La figura 6 muestra la eficiencia de
desacoplamiento \eta de la superficie de difracción como función
del factor de llenado c normalizada con el periodo d, en otras
palabras, la dependencia de la eficiencia de desacoplamiento como
función de la relación c/d. La dependencia es representada por tres
ángulos de incidencia del rayo principal: 60º (línea continua), 70º
(línea de trazos) y 80º (línea de puntos). Los resultados mostrados
en la figura están basados en los valores medios calculados de los
campos eléctricos y magnéticos transversales de la luz de
propagación. Se han tenido en cuenta los rayos de luz que son
transmitidos directamente o reflejados de forma ventajosa. La
absorción de la placa reflectora blanca sobre el fondo del conducto
de luz no se ha tenido en cuenta en el cálculo.
La figura 7 muestra, a modo de ejemplo, las
formas de realización preferidas de la invención alcanzadas
utilizando un perfil binario para el conducto de luz (figura 8). La
figura 7A ilustra el principio de una estructura de difracción 718
ranurada de forma transversal respecto a la dirección de propagación
de la luz como se observa anteriormente, la dirección de la
pantalla. La figura 7B y 7C muestran los principios de las secciones
de conducto de luz 719, 720 realizadas mediante ranurado curvado.
Una línea de puntos A-B muestra los lugares de las
muescas C y los rebordes del perfil de difracción y el principio
geométrico como un observador podría verlos cuando está mirando
desde el lateral del elemento de difracción 718, 719, 720 (borde
inferior o superior de la figura) sobre el nivel de la superficie
del conducto de luz, perpendicular a la dirección de propagación de
la luz. Son posibles también otros perfiles de difracción (figuras 8
y 10) para una sección de conducto de luz 718, 719, 720 o bien como
tal o mediante combinación. Las posibles diferencias de brillo en la
pantalla pueden igualarse utilizando una estructura de muesca a modo
de onda (figura 7C).
La figura 8 ilustra los perfiles de difracción
alternativos para la conformación superficial de un conducto de luz
(y puntos de imagen contenidos en ellos) de acuerdo con una forma de
realización preferida de la invención, y los parámetros
relacionados, que influyen en las propiedades ópticas de la
superficie. La figura 8A muestra un perfil de muesca/reborde binario
para una superficie de difracción y/o sus puntos de imagen. En la
figura, h es la altura de los rebordes, c es el factor de llenado y
d es la longitud de periodo de muesca/reborde del perfil. La figura
8 muestra un perfil sinusoidal, en el que h es la altura del
reborde, d es la longitud de periodo y c es el factor de llenado
como se define a partir del ancho de semi-onda del
reborde sinusoidal. Como ejemplo de una estructura de perfil de
difracción de múltiples niveles, la figura 8C muestra una estructura
de tres niveles con sus parámetros característicos: h1 y h2 son las
alturas de los niveles de las muescas de una estructura reticular
localmente, d es la longitud de periodo y c es el factor de llenado.
La figura 8D muestra un detalle de una estructura de perfil de
difracción provista con rebordes triangulares, en los que la altura
del reborde es h, la longitud de periodo d y el factor de llenado c,
como se define a partir del ancho de semi-onda del
reborde como en la figura 8B. El factor de llenado puede variarse
también cambiando el ángulo de vértice del reborde triangular.
Además de éstos, pueden utilizarse también otros perfiles. Pueden
utilizarse, por ejemplo, los perfiles que son alcanzados combinando
al menos dos perfiles básicos mostrados por la figura 8, o bien como
tales, combinándolos y/o modificándolos y/o combinando con ellos las
formas periódicas representadas matemáticamente, que pueden
describirse por medio de parámetros asociados a los perfiles
básicos. Un ejemplo de esto es un perfil de difracción, que se
obtiene a partir de un perfil de onda sinusoidal (figura 8B),
combinando con ello otros perfiles sinusoidales, cuyas longitudes de
periodo y factores de llenados son funciones del valor matemático de
la longitud de periodo y el factor o fase de llenado de la forma de
un perfil básico (por ejemplo, figuras 8A a 8D).
La figura 9 muestra una forma de realización
preferida de la invención, en la que la superficie de difracción del
conducto de luz consta de motivos tipo puntos de imagen. El fin de
la representación por puntos de imagen y/o orientación de los puntos
de imagen es influir en la uniformidad de la luz en el primer
extremo del conducto de luz por medio de difracción, y, por tanto,
para mejorar las propiedades de la superficie de difracción del
conducto de luz. La superficie de difracción puede estar dividida en
puntos de imagen, de forma que los puntos de imagen más próximos a
la fuente de luz (orientación B) forman una porción de igualación
902, en la que la luz de la fuente de luz es distribuida como
resultado de la difracción para formar una iluminación
macroscópicamente uniforme. Los puntos de imagen de una porción de
igualación de este tipo 902 basada en la difracción están dispuestos
preferentemente de acuerdo con la orientación B e incluso con
diferente geometría en relación con la longitud de periodo, y el
factor de llenado o en relación con otro grado de libertad, que es
esencial con respecto a la aplicación. El propósito de los puntos de
imagen 903, 904, que están separados en la dirección de propagación
de la luz, es o bien para dirigir la luz hacia fuera de la sección
del conducto con el fin de producir iluminación (punto de imagen
903, orientación A) y/o distribuir la luz que llega desde la fuente
de luz para hacerlo aún más uniforme (punto de imagen 904,
orientación B). Es ventajoso utilizar más puntos de imagen de
distribución de luz 902, 904 en la proximidad de la fuente de luz
901 que distante de ésta. En esta estructura de difracción de
acuerdo con una forma de realización preferida de la invención,
utilizada aquí como ejemplo, las finalidades de los puntos de imagen
se determinan a partir de su orientación (figura 9A).
La figura 9B muestra la propagación de la luz en
un punto de imagen, que iguala la iluminación. Como resultado de la
difracción, el rayo de luz entrante es distribuido en muchas
direcciones, que se indican por medio de órdenes que representan los
máximos de intensidad. Las direcciones de los máximos de difracción
correspondientes a los órdenes \pm2, \pm 1 y 0, que corresponden
también con las direcciones de propagación de los rayos de luz, se
representan en la figura.
Los puntos de imagen pueden ser localmente
homogéneos, y/o el factor de llenado y el periodo pueden cambiar
dentro de ellos como función de una magnitud medida desde la fuente
de luz, tal como la distancia. Aunque la representación por puntos
de imagen es indicada aquí para una aplicación rectangular, puede
aplicarse también en otras configuraciones geométricas, tales como
los motivos de muesca mostrados en la figura 7, cuando se mejora la
iluminación de fondo uniforme de una pantalla por la colocación de
la fuente de luz.
La figura 10 muestra modificaciones de los
perfiles básicos de un conducto de luz de difracción de acuerdo con
una forma de realización preferida de la invención. La figura 10A
representa un perfil que es binario, pero puede derivarse también de
las formas básicas de la figura 8, como se aplica a la
representación por puntos de imagen de una superficie de difracción
de acuerdo con la figura 9, por ejemplo. Muchos de los puntos de
imagen en la figura 10 son desviados del nivel superficial del
conducto de luz (horizontal) hasta el ángulo \Phi, algunos hasta
el ángulo \phi, estando algunos paralelos a la superficie del
conducto de luz. Después de la presentación de las figuras 10A y
10B, será evidente naturalmente para un técnico en la materia que en
una representación por puntos de imagen, que es incorporada a la
estructura de una pieza macroscópica, los ángulos de desviación y la
relación del número de puntos de imagen desviados respecto al número
de puntos de imagen sin desviar en un conducto de luz tiene también
un efecto sobre sus propiedades de difracción. La figura 10B muestra
un perfil de difracción de acuerdo con una forma de realización
preferida de la invención como se deriva de las formas básicas de la
figura 8, cuando las formaciones superficiales son desviadas
respecto al ángulo \Theta desde el nivel determinado por un punto
de imagen mostrado en la figura 10A. Será evidente también para un
técnico en la materia que las estructuras, que están desviadas en
relación al pico de la formación superficial, son posibles también
para un perfil de difracción. La figura 10 representa los principios
geométricos de los perfiles de difracción y, por lo tanto, el tamaño
y/o los ángulos de deflexión de los puntos de imagen no están
necesariamente a escala correcta respecto a los periodos y/o alturas
de las formaciones superficiales.
La teoría relacionada con la técnica anterior
sobre el comportamiento de la luz en difracción, sobre el efecto de
los parámetros de micro-geometría, las propiedades
de la fuente de luz y su distancia ha sido tratadas, por ejemplo, en
el libro Micro-optics: Elements, systems and
applications, editado por Hans Peter Herzig, Taylor and Francis,
1997, y especialmente en el capítulo 2: Diffraction Theory of
Microrelief Gratings por Jari Turunen.
Existen también otras publicaciones relacionadas
con la técnica anterior, tales como un conducto de luz de
iluminación utilizando micro-óptica como difusor, Proceedings
Europto series, Holographic and Diffractive Techniques, SPIE 2951,
146-155, 1996.
Se observa un fenómeno de difracción de la luz
monocromática cuando la luz incide con una pieza o un grupo de
piezas (rejilla), cuya dimensión característica está en el intervalo
de la longitud de onda de la luz. El rayo de luz entrante es
dividido, y su dirección de propagación cambia. Las nuevas
direcciones de los rayos de luz, tanto para los rayos reflejados
como los rayos transmitidos, puede expresarse por medio de la
longitud de onda, sus órdenes enteros y la dimensión característica
de la pieza que participa en la difracción. Las fórmulas (1) y (2)
pueden aplicarse en el cálculo de los ángulos de dirección
correspondientes a los órdenes de las direcciones de propagación de
la luz difractada. Para los órdenes transmitidos tenemos:
(1)sen\beta_{pT}=\frac{p\lambda}{n_{2}d}
+
\frac{n_{1}}{n_{2}}sen\alpha
y para los
reflejados:
(2)sen\beta_{pR}=\frac{p\lambda}{n_{2}d}
+
sen\alpha
donde \alpha es el ángulo de dirección del rayo
de luz entrante respecto de la perpendicular de la superficie,
\beta_{pT} es el ángulo de dirección de orden p de la luz
conducida, y \beta_{pR} es el ángulo de dirección de la luz
reflejada de orden p, siendo p el orden del rayo de luz, l la
longitud de onda de la luz entrante primaria, n1 es el índice de
refracción óptico del conducto de luz de difracción, n2 es el índice
de refracción del medio que rodea al conducto de luz, siendo b es el
periodo de la estructura de
difracción.
Se describe aquí como ejemplo una forma de
realización de la invención. Un prototipo está formado de un
conducto de luz, con el fin de iluminar una pantalla de panel plano.
Se utilizan tres fuentes de luz, siendo la longitud de onda de la
luz transmitida de 570 nm. La estructura de difracción óptima del
conducto de luz es ejecutada con los parámetros de la siguiente
tabla.
| Magnitud | Valor |
| Longitud periodo | 2,5396 \mum |
| Profundidad ranura | 0,5311 \mum |
| Relación llenado c/d | 0,2-0,5 |
La longitud de periodo del perfil de difracción
está diseñada preferentemente entre 1,5 \mum - 3,5 \mum. Una
profundidad adecuada de las muescas en una estructura de difracción
de acuerdo con una forma de realización preferida de la invención es
de 0,3 a 0,7 \mum, es decir, en el intervalo de la longitud de
onda cuando es utilizada la luz visible. A partir de esto, será
evidente para un técnico en la materia que mediante la utilización
de materiales adecuados, una técnica de acuerdo con las formas de
realización de la invención puede medir a escala también otros
movimientos de onda electromagnética, cuya longitud de onda se
diferencia de la luz visible, tales como aplicaciones y problemas
relacionados con los métodos de rayos X y/o análisis médicos y/o
técnicos.
Por medio de las formas de realización preferidas
de la invención, la eficiencia de desacoplamiento de la superficie
de difracción del conducto de luz puede aumentar como función de la
distancia medida desde la fuente de luz para compensar, por la
reducción de la cantidad de luz utilizada para iluminación, cuando
se mueve fuera de la fuente de luz. Cuando se aumenta la eficiencia
de desacoplamiento para la misma tasa a medida que se reduce la
cantidad de luz disponible, se alcanza un brillo uniforme de la
pantalla.
La eficiencia de desacoplamiento local de la
superficie del conducto de luz de acuerdo con una forma de
realización preferida de la invención puede estar regulada por el
cambio del periodo del perfil de difracción y/o la profundidad de
las muescas. El orden del modo de dispersión y el ángulo de
dispersión de los rayos de desacoplamiento de luz pueden regularse
también cambiando el periodo del perfil de difracción. La
dependencia de la iluminación respecto del ángulo de incidencia del
rayo de luz es más fuerte en el extremo de la fuente del conducto de
luz que en el extremo opuesto. La distribución de la iluminación
observada sobre la superficie del conducto de luz puede igualarse
cambiando el periodo del perfil de la estructura de difracción.
Adicionalmente, los perfiles de difracción y/o
incluso aquellos puntos de imagen pueden modificarse de forma
adecuada haciéndolos girar en relación con los tres posibles grados
de libertad, y/o por la inclinación del perfil de difracción o sus
elementos, formaciones superficiales alargadas y/o sus formaciones
locales. Dentro de un punto de imagen, las diferentes partes del
perfil de difracción pueden girarse respecto de las líneas rectas
paralelas con la superficie hasta un ángulo adecuado para la
aplicación (figura 10B). Incluso todos los puntos de imagen pueden
estar desviados en ángulos que se diferencian del nivel superficial
de la pantalla (figura 10A). La estructura de difracción y/o el
agrupamiento del conducto de luz y/o los puntos de imagen, muescas
y/o rebordes contenidos de este modo pueden diseñarse también de
acuerdo con la geometría fractal.
Una superficie de acuerdo con una forma de
realización preferida de la invención para un conducto de luz de
difracción puede manufacturarse directamente sobre la superficie
utilizando, por ejemplo, métodos nano-litográficos
con un haz electrónico, o por moldeo del conducto de luz. Un
material preferible para la fabricación del conducto de luz es
polimetil-metacrilato PMMA. Una ventaja de la
invención es que un conducto de luz de acuerdo con esto puede
fabricarse por medios de producción masiva y métodos basados en
extrusión, por ejemplo. Una ventaja adicional de la invención es que
su elaboración para la aplicación puede llevarse a cabo rápidamente
construyendo una estructura de difracción sobre un substrato
seleccionado, por lo que la estructura de difracción es también
imperceptible por el usuario.
Para la distribución uniforme de la luz también
es posible utilizar perfiles más complicados que los descritos en
las formas de realización preferidas de la invención (figuras 8 a
10), pero cuando la estructura es más complicada, es probable
también que se aumenten los costes de fabricación. Las técnicas
complicadas se describen al menos en las publicaciones por Naponen y
otros, (1992); "Synthetic diffractive optics in the resonance
domain" J. Opt. Soc. Am. A9 1206-1213 y Vasara y
otros (1992): Applied Optics 31, 3320-3336.
La estructura de difracción en la superficie del
conducto de luz puede realizarse o bien sobre un lateral de la
sección del conducto de luz o en ambos de sus lados. Las superficies
de difracción fabricadas sobre ambos lados no precisan ser
idénticas. La invención es especialmente adecuada para utilizarse,
por ejemplo, junto con un diodo emisor de luz (LED). La invención es
muy adecuada también para utilización, por ejemplo, con una técnica
basada en pantallas de cristal líquido (LCD).
Resulta ventajoso que toda la energía procedente
de la fuente de luz puede convertirse en la iluminación de fondo de
la pantalla. Este requerimiento se cumple de manera más ventajosa
respecto de la aplicación de las formas de realización preferidas de
la invención cuando como la fuente de luz es utilizado un LED, pero
pueden utilizarse también otras fuentes de luz tales como láser y/o
fuentes de luz blanca. Es conocido por un técnico en la materia que
la luz puede filtrarse y/o polarizarse. Es conocido también por un
técnico en la materia que puede utilizarse el uso de técnicas
combinadas de luz blanca tanto filtrada y/o polarizada, incluyendo
sus combinaciones, en las que se utilizan estructuras que almacenan
energía luminosa, en otras palabras, soluciones basadas en
fosforescencia y/o fluorescencia. Con el fin de reducir al mínimo la
cantidad de luz desacoplada de los lados y extremos de la sección
del conducto de luz, los bordes de la sección de conducto de luz
pueden ser revestidos también con películas transparentes y/o
difusas o tratadas con una rectificación adecuada para el fin.
Con la finalidad de hacer que el tiempo de
propagación del rayo de luz en la sección del conducto de luz sea
tan largo como sea posible, (es decir, llevar al máximo la cantidad
de luz que es desacoplada para uso efectivo), la sección del
conducto de luz puede estar configurada como un trapecio asimétrico
o similar, por lo que la energía de los rayos de luz que se propaga
en la dirección de la superficie de difracción y que es conducida,
de otro modo, desde los extremos puede utilizarse para la
iluminación.
La distribución uniforme de luz en el primer
extremo del conducto de luz puede estar influenciada por la
representación por puntos de imagen de la estructura de difracción
(figura 9). Una porción especial 902 puede formarse en extremo de
fuente del conducto de luz, con el fin de igualar la distribución de
la luz procedente de la fuente de luz (figura 9A).
La distribución de la luz basada en la difracción
en un punto de imagen adecuado 902 (figura 9) se demostrará en el
siguiente ejemplo. Cuando se describe la difracción de la luz en
esta conexión, las direcciones de los máximos de intensidad
significan las direcciones de propagación de los rayos de luz
difractados, en los que la luz puede observarse como resultado de la
difracción. Cuando la longitud de periodo de un retículo de la
estructura de difracción es de 2,5 \mum, la profundidad de las
muescas 0,5 \mum, el factor de llenado 0,5 y la longitud de onda
de la luz entrante es 470 nm con un ángulo de incidencia \alpha =
60º, los máximos de intensidad se observan en las direcciones que se
diferencian de la dirección de orden 0 del rayo principal
transmitido, que son 8, 2, 16,1º, 23,5º para los órdenes
correspondientes, \pm1, \pm2 y \pm3, respectivamente. Las
desviaciones del rayo principal del mismo orden con la longitud de
onda de 570 nm son \pm10º, \pm19,3 y \pm27,8, respectivamente.
Cuando el ángulo de incidencia del rayo principal, aumenta, los
ángulos de difracción correspondientes a los máximos de intensidad
disminuyen en cierta medida. Por ejemplo, cuando la longitud de onda
es 470 nm, pero el ángulo de incidencia es 80º, un rayo de luz de
1^{er} orden se observa en la dirección de 7,3º. Adicionalmente,
la distribución de la energía luminosa entre los rayos de luz que
representan diferentes órdenes de difracción depende fuertemente del
ángulo de incidencia del rayo principal.
Claims (18)
1. Conducto de luz (313, 900) para proporcionar
iluminación de fondo (312) a una pantalla de panel plano (311) por
medio de al menos una fuente de luz (L3, 901), cuyo conducto de luz
(313, 900) tiene una cierta primera superficie (313C) con un perfil
superficial que incluye motivos que tienen propiedades de
difracción, cuyo perfil superficial está manufacturado directamente
sobre dicha superficie, caracterizado porque:
- -
- los motivos comprenden áreas uniformes tipo punto de imagen mutuamente diferentes (903, 904) que tienen una cierta distribución sobre la primera superficie (313C);
- -
- algunas (904) de dichas áreas (903, 904) presentan una orientación (904) de una formación superficial de difracción, con el fin de distribuir la luz procedente de la fuente de luz (L3, 901) para formar una iluminación macroscópicamente uniforme y
- -
- algunas (903) de dichas otras áreas (903, 904) tienen una formación superficial de difracción con el fin de dirigir la luz hacia fuera del conducto de luz (313, 900) para así producir la iluminación (312).
2. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque los motivos
comprenden:
- -
- formaciones superficiales paralelas alargadas que son rectas o arqueadas y que tienen una altura (h) y una anchura (c);
- -
- un cierto primer área uniforme (904), en la que un cierto parámetro característico tiene un cierto primer valor;
- -
- un cierto segundo área uniforme (903), en la que dicho parámetro característico tiene un cierto segundo valor, que es diferente de dicho primer valor;
por lo que las formaciones superficiales de dicho
primer área (904) se diferencian de las formaciones superficiales de
dicha segunda área (903) respecto de dicho parámetro característico,
siendo dicho parámetro característico, al menos, uno de los
siguientes:
- la orientación de las formaciones
superficiales,
- la longitud de periodo (d) de una formación
superficial periódica,
- la anchura de la formación superficial (c),
- la relación de llenado (c/d),
- la altura (h) de una formación superficial,
- el grado en que se ha modificado el perfil,
- el ángulo (\Phi) en que ha sido desviada la
formación superficial.
3. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque el valor de al menos
un parámetro característico depende de una magnitud, que ha sido
definida en relación con la fuente de luz (L3, 901), tal como la
distancia a la fuente de luz (L3, 901).
4. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque las formaciones
superficiales alargadas cambian gradualmente de ciertas primeras
configuraciones en el lado de la fuente de luz (313A) del conducto
de luz (313, 900) a otras configuraciones en el lado opuesto (313B)
del conducto de luz (313, 900), dependiendo de la magnitud, que es
dependiente de la fuente de luz (L3, 901), tal como la distancia a
la fuente de luz (L3, 901).
5. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque un plano local del
área de ciertos motivos está desviado respecto de un nivel
determinado por la primera superficie del conducto de luz (313,
900), y el ángulo (\phi, \Phi, \Theta ) de tal desviación
depende de una magnitud, que es dependiente de la fuente de luz (L3,
901), tal como la distancia.
6. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque la relación de llenado
(c/d) aumenta cuando se pasa del lado de la fuente de luz (313A) del
conducto de luz (313, 900) hasta el lado opuesto (313B) del conducto
de luz (313, 900).
7. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque la relación de llenado
(c/d) está comprendida entre 0,2 y 0,5.
8. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la distribución de los
motivos depende de una magnitud que es dependiente de la fuente de
luz (L3, 901), tal como la distancia a la fuente de luz
(L3,901).
9. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque su primera superficie
(313C) está dispuesta para yacer sobre el lado del conducto de luz
(313, 900) que se encuentra más próximo a la pantalla (311).
10. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque las configuraciones
alargadas de las formaciones superficiales de los motivos se repiten
de manera similar en un cierto área uniforme de la superficie del
conducto de luz (313, 900).
11. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque una longitud de
periodo (d) de su superficie de difracción (313C) en una estructura
de difracción (517) está comprendida entre 1,5 y 3,5 \mum.
12. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la profundidad y/o
altura (h) de las formaciones superficiales alargadas de su
superficie de difracción (313C) en una estructura de difracción
(517) está comprendida entre 0,3 y 0,7 \mum.
13. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque está configurado como
un polígono, y tiene al menos un ángulo que se diferencia
substancialmente de 90ºC.
14. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque tiene propiedades
fluorescentes y/o fosforescentes.
15. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la porción relativa de
dicha primera superficie cubierta por las áreas de distribución de
luz (902, 904) disminuye en proporción al aumento de la distancia a
la fuente de luz (L3, 901).
16. Conducto de luz (313, 900) de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 15, caracterizado porque en la proximidad
de la fuente de luz (901) existen más áreas de distribución de luz
(902, 904) que lejos de ella.
17. Dispositivo de conducto de luz,
caracterizado porque comprende una fuente de luz (L3, 901),
una pantalla (311), un conducto de luz (313, 900), de acuerdo con la
reivindicación 1, y una placa de base del conducto de luz (313,
900).
18. Dispositivo de conducto de luz de acuerdo con
la reivindicación 17, caracterizado porque el número de
fuentes de luz (L3, 901) es tres.
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