CN117098951A - 用于自由看视模式和受限看视模式的照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于屏幕(1)的照明装置(1a)，该照明装置能够以至少两种运行方式运行，即用于自由看视模式的运行方式B1和用于受限看视模式的运行方式B2，在该受限的看视模式中，光从照明装置以相对于自由的看视模式受限的角度范围发射。该照明装置包括面状伸展的背光照明件(2)，其以受限的角度范围发射光；在观察方向上位于背光照明件(2)之前的、板状的光导(3)，该光导具有两个大面和窄面，窄面在其边棱处连接大面，其中，光导(3)在至少一个大面上和/或在其体积内具有耦合输出元件(6)，光导(3)对于由背光照明件(2)发出的光而言以至少50％透光，其中，每个耦合输出元件(6)具有至少一个用于限定地耦合输出光的功能面，在功能面处，光从光导(3)中耦合输出。此外，该照明装置还包括沿侧向设置在光导(3)的窄面处的发光机构(4)。在运行方式B2中，接通背光照明件(2)并且断开发光机构(4)，在运行方式B1中至少接通发光机构(4)。根据本发明，耦合输出元件(6)的至少一部分具有特殊的结构，该结构使得光导(3)在预设的优先方向上具有散射特性为在与优先方向垂直的方向上的散射特性的至少1.2倍，因此总体上散射特性是各向异性的。

Description

用于自由看视模式和受限看视模式的照明装置
技术领域
近年来，在LCD的视角伸展方面已经取得了巨大进展。然而，通常存在这样的情况，其中，屏幕的该非常大的看视区域可能是不利的。在诸如笔记本电脑和平板PC的移动设备上也提供越来越多的信息，诸如银行数据或其他个人信息以及敏感数据。因此，人们需要监控谁可以看见该敏感数据；人们必须能够在宽的视角之间进行选择以在其显示器上与他人共享信息，例如当观看度假照片时，或者也为了广告的目的。另一方面，如果他们想要保密地处理图像信息，则他们需要小的视角。
在车辆结构中产生类似的问题：驾驶员在启动发动机的情况下不应由于图像内容、例如数字娱乐程序而分心，而副驾驶员却希望在行驶期间消费该图像内容。因此，需要能够在相应的显示模式之间切换的屏幕。
基于微层的附加膜已经用于移动显示器，以便实现其光学数据保护。然而，这些膜不能(重新)切换，它们必须总是先用手粘贴，然后再移除。如果正好不需要，则也必须将其单独地传送到显示器。此外，使用这种薄层薄膜的主要缺点与随之而来的光损失相关联。
背景技术
文献US5,956,107A公开了一种可切换的光源，借助所述光源能够以多种模式运行屏幕。在此不利的是，所有光耦合输出基于散射进而仅实现低的效率以及非最佳的光方向效应。尤其没有详细公开实现聚焦的光锥。
CN107734118A介绍了一种屏幕，所述屏幕借助于两个背光照明件可控地设计屏幕的视角。两个背光照明件中的上部的背光照明件应为此发射聚焦的光。作为对此的构造，尤其是提到具有不透光段和透光段的格栅。然而，同样的情况导致如下的结果，即，来自第二背光照明件的光(其必须在LCD面板的方向上穿过第一背光照明件)同样被聚焦且因此原本设置用于宽视角的公共看视模式经受明显的角度减小。
US2007/030240A1介绍了一种用于监控源自背光照明件的光的光传播方向的光学元件。该光学元件例如要求PDLC形式的液晶，一方面这很昂贵，但另一方面尤其对于消费应用安全性是重要的，因为PDLC液晶通常需要高于60V的电压用于其转换。
CN1987606A又介绍了一种屏幕，该屏幕借助两个背光照明件可控地设计屏幕的视角。在此，尤其使用“第一光板”，其必须是楔形的，以便实现有意的聚焦的光耦合输出。没有公开关于实现具有相应角度条件的聚焦的光耦合输出的精确细节。
此外，US2018/0267344A1介绍了一种具有两个扁平的照明模块的结构。在此，来自沿观察方向后置的照明模块的光通过单独的结构聚焦。在聚焦之后，光还必须经过前方的具有散射元件的照明模块。因此，强烈的光聚焦对于视觉保护来说不能最佳地实现。
最后，US2007/0008456A1公开了将光发射角度分成至少3个区域，其中，通常给其中的两个区域施加光。由此得出，使用以这种方式照明的显示器的视觉保护不能仅仅从一个方向观察。
本申请人的WO2015/121398A1介绍了一种开头所述类型的屏幕。在此，为了切换运行方式，在相应的光导的体积中存在必要的散射颗粒。然而，在那里选择的由聚合物构成的散射颗粒通常具有的缺点是，光从两个大面耦合输出，由此有效光的大约一半沿错误的方向、即朝向背光照明件发射并且在那里由于构造而不能在足够的范围内回收。此外，分布在光导的体积中的由聚合物构成的散射颗粒可能尤其在较高的浓度的情况下导致散射效果，所述散射效果在受保护的运行方式中减小了看视保护效果。
US2020/012129A1公开了一种照明装置和一种屏幕，其介绍了用于在窄看视模式和宽看视模式之间切换的两种灯光。在此，一方面光导之一构造有纤维。另一方面，光导的散射的耦合输出结构在投影方向上限制到特定的条带上。这对于均匀的图像照明是不利的并且通常也在构造中引起不期望的莫尔效应，例如与位于其上的LCD面板的像素列或像素行相互作用。
上述方法和装置通常具有如下缺点，即，其明显降低了基本屏幕的亮度和/或需要主动的、至少是特殊的光学元件用于模式切换，和/或需要耗费的以及昂贵的制造和/或降低了在可自由看视的模式中的分辨率。
发明内容
因此，本发明的目的是，介绍一种照明装置，通过该照明装置与屏幕共同作用，可以借助于选择性受限的视角实现信息的可靠显示，其中，在另一种运行方式中应当能够实现自由的、尽可能在视角上不受限的看视。本发明应能以简单的手段尽可能成本低廉地实现。在两种运行方式中，应可看到尽可能高的分辨率、特别优选所使用的屏幕的原生分辨率。此外，通过该解决方案应仅引入尽可能少的光损失并且受限的视角应实现尽可能全面的看视保护效果。
根据本发明，该目的由一种用于屏幕的照明装置来实现，该照明装置能够以至少两种运行方式运行，即运行方式B1针对自由的看视模式以及运行方式B2针对受限的看视模式，在该受限的看视模式中，光由照明装置在相对于自由的看视模式受限的角度范围内发射。在此，照明装置包括面状伸展的背光照明件以及在观察方向上位于背光照明件前方的、板状的光导，该背光照明件以受限的角度范围发射光，该光导具有两个大面和窄面，窄面在其边棱处连接大面。光导在大面中的至少一个大面上和/或在其体积内具有耦合输出元件，并且对于由背光照明件发出的光而言至少50％透光、然而优选至少70％透光。发光机构侧向设置在光导的窄面上，其中这也包括发光机构仅设置在光导的一侧。在运行方式B2中，背光照明件接通并且发光机构断开，而在运行方式B1中至少发光机构接通。耦合输出元件的形状、单位面积的数量、定向和/或伸展被选择为，使得光导(经由耦合输出元件或其至少一部分调整)具有用于穿过光导的大面的光的各向异性的散射特性。
具体地说，这意味着，每个耦合输出元件具有至少一个用于限定地耦合输出光的功能面，在该功能面上光相应地从光导耦合输出。这些功能面在最简单的情况下是平坦的或者具有至少平坦的面区段，但是也可以是在一个或两个线性无关的方向上弯曲的面。现在，为功能面限定一个定向矢量，该定向矢量平行于光射出的大面，也就是说，位于平行于所述大面的平面中。该定向矢量是如下的矢量，该矢量使矢量与功能面的取决于位置的法向矢量的点积关于功能面的积分最大化。对于平坦的面，法向矢量当然在功能面的每个位置上是恒定的，然而对于弯曲的面，法向矢量是变化的，于是涉及的是在相应的位置上的切面的法向矢量。具体地，定向矢量使积分/>最大化，其中/>是功能面A的依赖于坐标x和y的位置的法向矢量。该定向矢量现在与预定的优先方向围成最大45°的角度。法向矢量在此与相关的光射出的大面围成最小5°至最大85°的角度，然而优选地，下极限值为30°和/或上极限值为60°。
如果以这种方式设计耦合输出元件，则这导致光导在优先方向上具有的散射特性为在与优先方向垂直的方向上的散射特性的至少1.2倍，并且因此总体上对于穿过光导通过两个大面的光具有各向异性的散射特性。
作为受限的角度范围，原则上可以考虑如下每个范围，所述范围小于背光照明件前面的半个空间；然而，在此优选地，例如+/-20°或30°的角度范围是水平的和/或竖直的或者作为围绕面法线的圆锥体或者在背光照明件上的可选择的方向矢量；在限定受限的角度范围时，可以不考虑小于1％至5％的最大亮度的少量的光。
照明装置还能够附加地在结构中的适当的部位上包含准直膜，例如在板状光导上方或下方的透镜光栅或棱镜光栅。
有利地，耦合输出元件的相关部分包括所有耦合输出元件的至少30％，优选所有耦合输出元件的至少50％、70％或90％。补充地或替代地，对于所有耦合输出元件的平均情况，定向矢量与优先方向围成具备最大45°的数值的角度，也就是说在-45°与+45°之间的角度。
优选地，光导在优先方向上具有比在相对的方向上更强的散射特性。这通过相应地不对称地成型的耦合输出元件来实现。更确切地说，如果在没有耦合输出元件的情况下散射特性在优先方向上和垂直于所述优先方向是相同的，那么耦合输出元件的横截面在平行于优先方向的剖面中应是非对称的；在优先方向上另外实现的更强的散射特性的情况下，也可以使用具有对称的横截面的耦合输出元件。在优先方向上的不对称的横截面同样是前提条件，以便在优先方向上和与之相对地实现不同的散射特性。
耦合输出元件的各向异性的散射特性基于测量关于至少两个彼此垂直的方向(优先方向和与其垂直的方向)的散射特性来表征，沿着这些方向来测量散射特性。在此，应考虑在光近似垂直地穿过光导时由于耦合输出元件而引起的散射特性。
有利地，在观察者观察照明装置时，优先方向相当于竖直方向，从而光导在竖直方向上的散射特性大于在水平方向上的散射特性。术语“竖直”和“水平”在此首先一般性地涉及背光照明件的面上或光导的大面上的两个彼此垂直的方向，该方向在运行中根据与照明装置一起使用的、通常固定的屏幕的定向而相当于实际上关于观察者的位置进而还有地面的位置水平或竖直的方向。水平方向在一般情况下则平行于观察者的眼睛之间的连接线延伸，也就是说，最后取决于观察者在空间中的定向。
特别优选的是，耦合输出元件的上述部分的功能面的面积与大面的面积的比例确定为，使得耦合输出元件在优先方向上的散射特性为与优先方向垂直的方向上的散射特性的至少2倍或3倍。然而，该各向异性可在板状光导的表面上变化。在耦合输出元件的高密度位置处的各向异性通常高于在低密度位置处的各向异性。为此，光从其中射出的大面被划分为预定大小的子区域，其中，一个子区域中的功能面的面积与相应子区域的面积的比例对于不同的子区域是不同的，从而光导在光从其中射出的大面上的散射特性变化。
在照明装置的一种优选的设计方案中，由背光照明件至少在运行方式B2中发射的光在水平方向上以受限的角度范围发射，使得所述光在通过光导时在水平方向上比在竖直方向上经历更小的散射。由此，在受限的角度范围中发射的光通常最多略微地在所述受限的角度范围之外散射，这有利于看视保护效果。这是本发明的一个重要优点。
“略微”例如可理解为，由于散射特性小，在与面法线成例如水平40°的角度下或在沿着水平方向测量的其他预定的方向上，由于光导的散射，最大增加3％的光密度，照明装置以0°的角度发射所述光。在能够与第一设计方案组合的另一设计方案中，“略微”意味着小于10％的光在优先方向上+/-20°的空间角范围内以及在与优先方向垂直的方向上+/-10°的空间角范围内散射。雾度值也优选地应该低于15％。
但是也可以正好是相反的情况：如果源自背光照明件的光在受限的水平角度范围内的聚焦太强，则通过选择性地使光扇形展开，在水平方向(与竖直方向相比)上的更强的散射特性可能是有用的。此外，耦合输出元件(或所有耦合输出元件)的至少一部分耦合输出元件的各向异性的散射特性能够有助于可见的叠加(例如莫尔效应)，所述叠加能够在照明装置的部件彼此间和/或与屏幕的相互作用中出现。
为了量化沿着两个优选轴的散射特性，使用“双向传输分配函数(Bidirectionaltransmittance distribution function)”(BTDF)。BTDF量化如何透射具有特定入射角(Hi，Vi)的光。所有被认作散射光的光，其偏转大于5°。因此，为了确定水平散射的度量SH(即，水平散射特性)，测量的BTDF相应地被积分。类似地，确定竖直散射的度量SV(即，竖直散射特性)。积分下限，即光被认为散射的角度，应该被选择为大于通常的雾度测量值的1.8°，因为可以用通常具有4°发散的激光束执行BTDF测量。
下面给出用于确定参数SH以及SV的积分：
其中，H是水平方向的角度，V是竖直方向的角度，用于测量透射率，Hi、Vi和分别是光束入射在被测物体上的角度(这里分别为0°)。因此，在该方案中，散射特性SV/SH的根据本发明所要求的各向异性可以如下地表达：SV/SH≠1或对于经常的应用情况SV/SH>1。
下表1给出了板状光导上的不同测量点P1至P5的标准化散射SH以及SV(即散射特性)的示例性值：
表1：散射SH以及SV的示例性标准化值
散射SH 散射SV 各向异性SV/SH
P1 0.037 0.139 3.757
P2 0.030 0.210 7.000
P3 0.054 0.372 6.889
P5 0.066 0.490 7.424
P4 0.083 0.598 7.205
该各向异性SV/SH表明沿着竖直方向的散射特性的强度有多大。如上所述，这里散射理解为大于5°的偏转。在该示例中各向异性的散射特性是明显的。
耦合输出元件可以在制造光导时原则上相应地能够匹配于并且能够预先给定用于光的耦合输出的条件、以不同的方式分布在光导中或光导上。耦合输出元件涉及在光导的体积中和/或表面上的局部受限的结构变化。因此，术语“耦合输出元件”明确不包括附加的施加在光导的表面上的光学层，即，例如漫射层、反射层、(双)亮度增强层、准直层(亮度增强膜BEF)或偏振再循环层，例如偏振选择布拉格反射镜((双)亮度增强膜(D)BEF)或线栅偏振器。这些不属于“耦合输出元件”的术语的附加层(如果存在的话)与光导仅在边缘上连接，然而在大面的区域中大多仅松散地安置并且与光导不形成物理单元。相反，施加到大面上的、通过化学反应或其他力(例如范德华力)与光导连接的漆形成物理单元，所述漆不再能够相互分开；因此，这种漆不视为上述意义上的附加层。
耦合输出元件的结构如上所述根据所述标准来预设，其中，每个耦合输出元件的作用至少近似已知并且光导的或从光导中射出的光的特性能够有针对性地通过耦合输出元件的可预设的结构和分布来确定，其中，尤其取决于功能面的面积之和与大面的总面积的面积之比，光从所述大面耦合输出。
对于耦合输出元件所要求的、对于本发明重要的特性在其每单位面积的数量、其形状、其在三维中的取向和延伸以及其在光导的至少一个大面上和/或在光导的体积内的分布方面例如可以利用光学模拟软件、例如Synopis公司的“LightTools”或其他供应商来确定并且然后相应地在物理上实现。
有利地，耦合输出元件在光导的至少一个大面上和/或在体积之内的分布预设为，使得耦合输出的光在光导的面的至少70％上达到70％的亮度均匀性。亮度均匀性在此可以定义为LV min/LV max，也就是说定义为亮度的最小值与面积的最大值的比例。另一可应用的用于测量亮度均匀性的规则在“德国汽车OEM工作组显示，German Automotive OEM WorkGroup Display”的“显示器均匀性测量标准V1.3，Uniform Measurement Standard forDisplays V1.3”中定义。
两种运行方式B1和B2的区别最终在于，在运行方式B2中接通背光照明件并断开(在光导的窄面上的)发光机构，并且在运行方式B1中至少接通(在光导的窄面上的)发光机构。在此，仅考虑最初由发光机构射入光导中并且随后又由光导通过耦合输出元件发射的光，其中，发射几乎仅通过耦合输出元件实现。
可行的是，耦合输出元件安置在两个大面上和/或额外可选地安置在体积中。
光导优选由透光的、热塑性的或热弹性的聚合物、例如塑料构成，或者由玻璃构成。例如，光导或其衬底可包括基于其重量计至少40重量百分数的聚甲基丙烯酸甲酯，优选至少60重量百分数的聚甲基丙烯酸甲酯。替代地，例如可以是聚碳酸酯(PC)。
此外，对于一些应用有利的是，所述限定的角度范围关于背光照明件的表面法线不对称地设计。优选地，非对称的构造在优先方向之一上进行。这尤其是在车辆中的应用中是有利的，例如当待与根据本发明的照明装置组合的屏幕作为所谓的中心信息显示器布置在仪表盘中大致在驾驶员和副驾驶员之间的中间时是有利的。于是在运行方式B2中仅为副驾驶员释放的、受限的角度范围对于看视必须设计成非对称的，即指向副驾驶员。非对称结构沿其形成的优先方向在此对应于水平方向。
用于在光导的至少一个大面上耦合输出光的耦合输出元件优选由微透镜和/或微棱镜和/或衍射结构和/或三维结构元件和/或散射元件组成，所述耦合输出元件在其最大尺寸上具有小于100微米、优选小于50微米的最大伸展。在衍射结构的情况下，例如可以涉及全息图或者光栅/衍射光栅。
但耦合输出元件本身也可以仅具有微透镜、微棱镜、散射元件和/或衍射结构的外部形状。于是，耦合输出元件尤其可以设计为空腔，所述空腔于是构造在光导的体积中。空腔可以是无空气的，但优选填充有气态、液态或固态材料，该材料具有与用于光导的材料不同的折射率；折射率优选较低。通过填充材料和通过材料选择可以影响光传导或光耦合输出。替代地或补充地，材料的雾度值也优选与用于光导的材料的雾度值不同，优选更高的雾度值。这些实施例的优点是光耦合输出的效率较高。
替代地，如果光导由两个彼此连接的衬底层形成，则空腔也可以在技术上更简单地形成，衬底层优选是相同类型的。该连接可以通过化学、物理或粘合来实现。空腔于是构造为在衬底层的至少一个界面处的材料凹部。
当耦合输出元件安装在光导的至少一个大面上时，那么这些大面有利地由利用工具结构化的塑料或玻璃形成，其结构借助工具来压制。这例如可以在批量生产中实现，其方式是，在光导衬底上施加UV硬化的材料，例如漆、单体等，该材料借助于工具结构化并且通过UV辐射硬化，例如聚合。也可以使用其他通过辐射固化的材料。用于实现耦合输出元件的凹部的构造例如能够机械地、光刻地或印刷技术地实现，或者也能够涂覆、沉积、刮除或分解材料。
因此，例如可以成本低廉地并且具有大批量生产能力地将格栅结构、微棱镜(或者凸起地以在表面上向外指向的塑料部分，和/或凹下地作为结构化的塑料的表面层内的压制部或凹部)实现为具有其他形状的其他三维结构元件，或者也可以是微透镜。同样可以使用凹形构造和凸形构造的结构。
背光照明件例如I由平面的发射器、优选另一光导(其带有侧向或在背侧上设置的另外的发光机构)以及至少一个集成到平面的发射器中的和/或设置在其之前的光准直器(例如至少一个棱镜膜和/或至少一个隐私滤波器(薄片滤波器)组成。此外，可以使用所谓的聚焦背光单元作为背光照明件，其中，来自(另一)光导的光已经以受限的角度范围耦合输出，并且在必要时还被定向、偏转或叠加。
相应地，因此背光照明件原则上能够如LED背光那样构造，例如作为所谓的直下式(Direct-lit)LED背光、边缘LED背光、OLED或作为其他的面发射器构造，在所述面发射器上例如施加有至少一个永久的隐私滤波器(具有微薄片)。
对于照明装置的所有前述变型方案特别有利的是，照明装置还包括沿观察方向设置在照明装置前方的可透射的屏幕作为优选以LCD面板形式的屏幕，该屏幕基于照明装置能够以至少两种运行方式运行，其中B1用于自由的看视模式，B2用于受限的看视模式。
在一些情况下，当屏幕也具有对于穿过屏幕的大面的光而言各向异性的散射特性时，在此也可能是有利的。在此，屏幕的散射特性更强的优先方向应当相当于在光导中也具有更强的散射特性的优先方向。这通常是竖直方向。此外可行的是，在屏幕和光导之间设置各向异性的散射层，例如以便在光导上掩盖光学伪影，其中，又应尽可能少地或甚至不影响看视保护效果。各向异性的散射层在现有技术中是已知的，例如：全息扩散器或二进制(计算机生成的)全息图。
在屏幕的上侧和/或在光导的大面中的至少一个上以及在隐私滤波器中的至少一个上，如果存在的话，可以设置用于减弱或控制反射的器件，例如抗反射涂层。
围绕屏幕伸展的照明装置的另一设计方案为，在观察方向上在屏幕前面设置有具有用于耦合输出光的器件的另一光导(例如由玻璃或塑料制成)，该光导可以在发光机构的侧面由光来供给。在此使用的用于耦合输出的器件例如是在上文中介绍的器件，或者是在现有技术中已知的器件，例如是以合适的大小和数量的纳米颗粒(例如二氧化钛、硫酸钡等)，例如像在WO2015/121398A1和WO2017/089482A1中介绍的那样，所述纳米颗粒均匀地分布在光导的体积中。借助于这种设计方案，可能还无意存在的剩余光在运行方式B2中在原本保护不被看到的角度范围内还能够以如下方式叠加或照射，使得不再能感觉到对比度，并且因此用于另一光导的相应的发光机构设计用于发射有色的或白色的光。在此，发光机构能够以在由透射式屏幕显示的图像中出现或不出现的颜色发射光。从未释放的角度中不再可能有任何的图像感知。
特别有利地，根据本发明的具有屏幕的照明装置在车辆中用于仅为在运行方式B2中的副驾驶员或者同时为在运行方式B1中的驾驶员和副驾驶员选择性地显示图像内容。例如，当副驾驶员观看可能使驾驶员分心的娱乐内容时，前者(仅为在运行方式B2中的副驾驶员显示图像内容)是有利的。
根据本发明的具有屏幕的照明装置类似地可以用于在自动取款机、支付终端或移动设备上输入或显示机密数据，例如PIN密码、电子邮件、SMS或密码。
在所有上述的设计方案中，所述发光机构可以是LED或LED行或激光二极管。其他变型是可想到的并且在本发明的范围内。
此外，可以彼此独立地限定和实施分别用于水平方向和竖直方向的受限看视模式B2的期望的限制角度范围。例如，在竖直方向上比在水平方向上更大的角度(或者可能没有限制)是有意义的，例如当在自动取款机的情况下人员应以不同大小看到图像时，在侧向观察期间应保持显著或完全受限。相反，对于POS终端而言，基于安全规定，在模式B2中不仅在水平方向上而且在竖直方向上的视线限制常常是必要的。
如果上述参数在一定的范围内变化，那么原则上本发明的工作效率保持不变。
不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和下面将要解释的特征不仅能够以所述的组合使用，而且能够以其他组合使用或单独使用。
附图说明
下面借助于实施例参照附图更详细地说明本发明，附图同样公开了本发明的重要特征。这些实施例仅用于说明的目的，并且不应被解释为限制性的。例如，介绍具有多个元件或组件的实施例不应被解释为指示所有这些元件或组件对于实现是必需的。优选地，其他实施例可包括替代元件和部件、更少的元件或部件、或附加的元件或部件。除非另有说明，否则不同实施例的元件或部件可以彼此组合。针对实施例中的一个实施例介绍的修改和变化也可以适用于其他实施例。为了避免重复，相同或彼此相应的元件在不同的附图中用相同的附图标记表示并且不在赘述。其中：
图1示出用于将在侧面耦合输入到光导中的光从光导的耦合输出元件所处在的下部的大面中耦合输出的原理图，其中，光在上部的大面上离开光导。
图2示出用于将在侧面耦合输入到光导中的光从光导的耦合输出元件所处在的上部的大面中耦合输出的原理图，其中，光在上部的大面上离开光导。
图3示出第一设计方案中的照明装置结合模式B1中的用于自由看视模式的屏幕的原理图。
图4示出第一设计方案中的照明装置结合模式B2中的用于受限看视模式的屏幕的原理图。
图5A以俯视图示出光导的原理图以说明各向异性的散射特性，所述光导通过其大面被光束穿过。
图5B至图5C示出沿两个彼此正交的方向穿过图5A中的光导的剖面图。
图6A至图6C示出耦合输出元件的不同设计的原理图。
图7A示出耦合输出元件的俯视图，具有概略的射束走向。
图7B示出图7A中的耦合输出元件的剖面图，具有用于穿过光导和耦合输出元件的光的所示的射束走向，以及
图7C示出另一耦合输出元件的剖面图，具有用于穿过光导和耦合输出元件的光的所示的射束走向。
具体实施方式
在图1中示出用于在光导3的耦合输出元件6所处在的下部的大面上将在发光机构4的侧面耦合输入到光导3中的光耦合输出的原理图。然而，耦合输出的光主要地、即超过50％在上部的大面处离开光导3。在水平方向上(在此位于页面平面中并且从右向左延伸，相反，竖直方向指向页面中)，光在此以一个宽的角度(大于60°)从光导3的上部的大面耦合输出。耦合输出元件6的位置通过标号6表示，然而实际的耦合输出元件6在此未示出，因为它们在显微镜下很小。因此，来自发光机构4(例如LED)的光从侧面耦合输入到光导3中。由于全反射，在外壁上的耦合输入的光的光线(粗线表示的光线)再次被反射回到光导3中，直到其最终(必要时重复一次)射到耦合输出元件6上以用于期望的耦合输出。耦合输出通过稀薄的射束来表现。为了更好的可识别性，图1中的图示加粗地表现；在实际中，在光导3中实现非常大量的光路。此外，不考虑折射率过渡面上的光折射。
图2示出用于将在发光机构4的侧面耦合输入到光导3中的光从光导3的耦合输出元件6所处在的上部的大面中耦合输出的原理图。光在此也主要通过上部的大面离开光导3。在此有意义地适用图1的实施方案。在技术上，在此仅是耦合输出元件6的位置和必要时的设计方案不同，所述耦合输出元件现在位于光导3的上侧上进而将光直接向上耦合输出。在此，与根据图1的情况相比，耦合输出的光不必再一次通过光导3。
图3和图4示出照明装置1a，所述照明装置能够以至少两种运行方式运行，运行方式B1用于自由的看视模式并且运行方式B2用于受限的看视模式，在所述受限的看视模式中光从照明装置在相对于自由的看视模式受限的角度范围中发射。在此，照明装置1a包括面状伸展的背光照明件2以及在观察方向上位于背光照明件2前方的、板状的光导3，所述背光照明件在受限的角度范围中发射光，所述光导具有两个大面和窄面，所述窄面在其边棱处连接大面。光导3在大面中的至少一个上和/或在其体积之内具有耦合输出元件6并且对于由背光照明件2发出的光而言至少50％、然而优选至少70％是透光的。发光机构侧向设置在光导的窄面上，其中，这也包括发光机构仅设置在光导的一侧。在运行方式B2中，接通背光照明件并且断开发光机构，而在运行方式B1中至少接通发光机构。
耦合输出元件6的形状、单位面积的数量、定向和/或伸展以如下方式选择，使得光导3(通过耦合输出元件6或耦合输出元件的至少一部分)具有针对穿过光导3的大面的光的各向异性的散射特性。
具体地说，这意味着，每个耦合输出元件6具有至少一个功能面5，用于光的限定的耦合输出，在该功能面上相应地从光导耦合输出光。在最简单的情况下，这些功能面5是平坦的或者至少具有平坦的面区段，也可以是在一个或两个线性无关的方向上弯曲的面。现在，为功能面5限定一个定向矢量，该定向矢量平行于光射出的大面，也就是说，位于一个平行于所述大面的平面中。该定向矢量是如下矢量，该矢量使该矢量与功能面5的取决于位置的法向矢量的点积关于功能面5的积分最大化。对于平坦的面，法向矢量当然在功能面5的每个位置上是恒定的，然而对于弯曲的面，该法向矢量变化，于是涉及在相应位置上的切面的法向矢量。具体地，定向矢量使积分/>最大化，其中/>是功能面5在坐标x和y中的根据位置的法向矢量，这里用“A”表示。该定向矢量现在与预定的优先方向围成最大45°的角度。法向矢量在此与相关的、光射出的大面围成最小5°至最大85°之间的角度，然而优选地，下极限值为30°和/或上极限值为60°。计算出的定向矢量是用于耦合输出元件6的功能面5相对于优先方向的转动的量度，但是不一定对应于所有可能存在于功能面5上的面法线的“平均”或其到光导3的大面上的投影。
如果耦合输出元件6以这种方式设计，这使得：光导3在优先方向上具有的散射特性为在与优先方向垂直的方向上的散射特性的至少1.2倍、优选甚至至少2倍或3倍，进而整体上对于穿过光导3的两个大面的光具有各向异性的散射特性。
光从其中射出的大面也可以划分为多个具有预定尺寸的子区域，其中，一个子区域中的功能面的面积与相应子区域的面积的比例对于不同的子区域是不同的，从而光导3在光从其中射出的大面上的散射特性发生变化。
在图3中示出第一设计方案中的这种照明装置1a结合在用于自由看视模式的模式B1中的屏幕1的原理图。作为受限的角度范围，原则上可以考虑如下每个范围，所述范围小于背光照明件前面的半空间；优选在此例如+/-20°或30°的角度范围水平地和/或竖直地或作为围绕面法线的圆锥或在背光照明件2上的可选择的方向矢量来表示；在限定受限的角度范围时，可以不考虑小于1％至5％的最大亮度的少量的光。
图3和图4中的原理图为剖面图。
与之相对地，图4示出第一设计方案中的照明装置结合用于受限的看视模式的模式B2中的屏幕的原理图。粗箭头表示在角度范围中受限的光，而虚线细箭头表示与来自背光照明件2的光相比仅非常少的光被水平地散射。在下面结合图5A至图5C进一步详细阐述耦合输出元件6在光导3上的由此各向异性的和在竖直方向上相对于水平方向更强的散射特性。
在照明装置1a的一种优选的设计方案中，由背光照明件2至少在运行方式B2中发射的光在水平方向上以受限的角度范围发射，使得所述光在穿过光导3时在水平方向上比在竖直方向上经历更小的散射，如在图4中所示。因此，在受限的角度范围内发射的光仅略微在所述受限的角度范围外散射。
两种运行方式B1和B2的区别最终在于，在运行方式B2中接通背光照明件2并且断开(在光导3的一个窄面或多个窄面上的)发光机构4，并且在运行方式B1中至少接通(在光导的窄面上的)发光机构。发光机构4将光射入光导3中。紧接着，耦合输出元件6从光导3中耦合输出光，其中，发射几乎仅通过耦合输出元件6实现。
背光照明件2例如由平面的发射器、优选另一光导(其带有侧向或在背侧上设置的另外的发光机构)以及至少一个集成到平面的发射器中的和/或设置在该平面的发射器之前的光准直器、例如至少一个棱镜薄膜和/或至少一个隐私滤波器(例如薄片滤波器)组成。
因此，相应地，原则上能够如LED背光那样构造背光照明件2，例如构造为所谓的直下式LED背光、侧光式LED背光、OLED或其他的面发射器，在所述面发射器上施加或设置有例如至少一个永久的隐私滤波器(例如具有微片)和/或其他的光准直器。
光导3优选由透光的、热塑性的或热弹性的聚合物、例如塑料构成，或者由玻璃制成。例如，光导3可以由聚碳酸酯制成。
耦合输出元件6的所述部分有利地包括耦合输出元件6的至少30％、优选至少50％、特别优选大于90％，那么所述耦合输出元件在其形状、其每单位面积的数量、定向和/或其伸展方面被以如下方式选择，使得所述耦合输出元件具有对于光来说各向异性的散射特性，使得光穿过光导3的大面。替代地或补充地，对于所有耦合输出元件的平均情况，定向矢量与优先方向围成具有最大45°的数值的角度。尤其是，光导3可以在优先方向上具有比在与优先方向垂直的方向上更强的散射特性。
耦合输出元件6的各向异性的散射特性基于测量关于至少两个彼此垂直的方向、优先方向和与其垂直的方向的散射特性来表征，沿着这两个方向测量散射特性。在此，尤其应考虑在光大致垂直穿过光导3时由于耦合输出元件6引起的散射特性。也可以考虑其他基准方向作为光导3上的垂线。
术语“竖直”和“水平”在此首先一般性地涉及在背光照明件的面上或光导的大面上的优先方向和与所述优先方向垂直的方向。有利地，在观察者观察照明装置1a时的优先方向相当于竖直方向并且与优先方向垂直的方向相当于竖直方向，其中，耦合输出元件6在竖直方向上的散射特性大于在水平方向上的散射特性。通常，水平方向也相当于地表面上的水平线，至少在具有不改变其与此相关的定向的光导的屏幕中是这种情况。然而，通常，水平方向应理解为平行于连接观察者眼睛的连线延伸的方向，其中，假设当观察者或该连线发生运动时，所观察的屏幕的位置也发生变化，例如在移动终端设备中。最后，对于移动屏幕的坐标系，“哪个方向是水平和哪个方向是竖直的”是任意确定的；两个方向仅需彼此正交。
与此相关地，图5A通过光导3的俯视图示出原理图，为了说明各向异性的散射特性，所述光导3通过其大面被光束穿过。利用在圆中的点表现垂直地从下方射入到光导3上的光束，所述光束从大面到大面地穿过光导3并且在此也射到(附图未示出的)耦合输出元件6上。在水平方向上的较短的虚线箭头与在竖直方向上的较长的虚线箭头相比，在此应表明：由于相应的耦合输出元件6的各向异性的散射特性，在水平方向上的散射特性比在竖直方向上的散射特性小。
图5B示出光导3在与优先方向垂直的方向上、即在此在水平方向上的剖面图。而图5C示出光导3在优先方向上、即在竖直方向上的剖面图。耦合输出元件在此均未示出。粗箭头分别表示穿过光导3的两个大面(在此为上侧和下侧)的光，所述光由在此未示出的背光照明件2发射。虚线箭头表示最大散射角范围，可以看出最大散射角范围在图5C中的优先方向上比在图5B中的与优先方向垂直的方向上更大。
用于在光导的至少一个大面上耦合输出光的耦合输出元件优选由微透镜和/或微棱镜和/或衍射结构和/或三维结构元件和/或散射元件组成，其中，在其最大尺寸上的伸展最大为100微米，优选最大为50微米。在衍射结构的情况下，例如可以涉及全息图或者光栅/衍射光栅。
对此图6A描绘了耦合输出元件6的示例性形状的原理图，在此是微棱柱体的形状。这种类型的耦合输出元件能够均匀地、或者优选不均匀地(即例如除了凹槽之外随着每个面的发光机构4的间距的增大以更大的数量)分布在一个或两个大面上和/或光导3的体积中，例如作为用空气填充的凹部。当然，耦合输出元件6的其他形状也是可行的并且在图6B和图6C中示出。功能面分别是向上倾斜指向的面。在图6A中示出的耦合输出元件6具有简化的形状，通常在此平坦地示出的功能面在其上边棱和下边棱处更是被倒圆并且也能够在整个走向中具有在一个或两个维度上的弯曲，如其在图6B和图6C中示出的那样。典型的尺寸在每个空间维度中在1μm至100μm之间，优选在2μm至40μm之间，其中，高度-在图页平面中的竖直方向优选不大于20μm。
图7A以俯视图示出耦合输出元件6，如在图6A中示例性示出的那样，并且例如在光入射面上、即在光导的这样的大面上可以构成为凹部，在所述大面中由背光照明件发射的光进入所述背光照明件。光线(在此未示出)从下面，即从页面平面的下方垂直于该页面平面地射到光入射面上。由于在功能面5上的偏转，光沿优先方向(在此为在页面平面中向上指向的竖直方向)偏转最大45°，这在图7B中可更好地看出。垂直于优先方向，功能面5不起作用，因此在该方向上散射效果明显更小。
图7B示出图7A中的耦合输出元件的剖面图，该耦合输出元件构造为光导中的材料凹部，该材料凹部的材料通过相应的阴影线表示。由于功能面5的存在，光在优先方向(在此为在页面平面内的水平方向)上通过折射以及散射被转向，其特征在于两个箭头。垂直于此，也就是说垂直于页面平面，功能面5不起作用；然而，由于耦合输出元件的三维伸展的残余效应，原则上形成垂直于优先方向的不期望的散射分量。
最后，图7C示出另一个耦合输出元件的剖视图，该耦合输出元件相对于图7B中的耦合输出元件具有两个功能面5。该耦合输出元件6也类似地构造为材料中的凹部。功能面5的作用对应于图7B中的作用。
对于照明装置1a的所有前述变型方案特别有利的是，照明装置1a还包括沿观察方向设置在照明装置1a之前的可透射的图像生成器作为屏幕1，其优选呈LCD面板的形式，该屏幕基于照明装置1a能够以至少两种运行方式运行，即用于自由的看视模式的运行方式B1和用于受限的看视模式的运行方式B2。
在一些情况下，当屏幕1也具有对于穿过屏幕1的大面的光而言各向异性的散射特性时，这在此也可能是有利。在此，屏幕1的散射特性较小的优先方向应相当于即便在光导中还具有较小的散射特性的优先方向。这通常是水平方向。
在屏幕1的上侧和/或在光导3的大面中的至少一个上以及在隐私滤波器(如果存在的话)中的至少一个上，可以设置用于减弱或控制反射的器件，例如抗强光和/或抗反射涂层。
在所有上述的设计方案中，所述发光机构4可以是LED或LED行或激光二极管。其他变型是可设想的并且在本发明的范围内。
上述根据本发明的照明装置和能够借此实现的屏幕实现了所提出的目的：允许实际上能够良好实施的解决方案，以便通过可选受限的视角实现信息的可靠显示，而在另一种运行方式中，自由的、在视角方面不受限的看视是可行的。本发明能够以简单的手段成本低廉地实现。在两种运行方式中，所使用的屏幕的原生分辨率是可用的。此外，通过该解决方案仅引入小的光损失并且受限的视角实现尽可能全面的看视保护效果。
有利地，上述发明可以应用于显示和/或输入机密数据的任何地方，例如用于PIN输入或数据在自动取款机或支付终端上的显示，或用于密码输入或在移动设备上阅读电子邮件。如上所述，本发明也可以应用在汽车中。
附图标记列表
1屏幕
1a照明装置
2背光照明件
3光导
4发光机构
5功能面
6耦合输出元件
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于屏幕(1)的照明装置(1a)，所述照明装置能够在至少两种运行方式中运行，即用于自由看视模式的运行方式B1和用于受限看视模式的运行方式B2，在所述受限看视模式下，光由所述照明装置以相对于自由看视模式受限的角度范围发射，所述照明装置包括：
面状伸展的背光照明件(2)，所述背光照明件以受限的角度范围发射光，
沿观察方向设置在背光照明件(2)前面的板状的光导(3)，所述光导具有两个大面和窄面，所述窄面在其边棱处连接大面，其中，所述光导(3)在大面中的至少一个大面上和/或在光导的体积之内具有耦合输出元件(6)，其中，所述光导(3)对于由背光照明件(2)发出的光而言，以至少50％透光，其中，每个耦合输出元件(6)具有至少一个功能面，用于限定地耦合输出光，在所述功能面上，光从光导(3)中耦合输出，
在光导(3)的窄面上沿侧向设置的发光机构(4)，
其中，在运行方式B2中接通背光照明件(2)并且断开发光机构(4)，并且在运行方式B1中至少接通发光机构(4)，其特征在于，
对于耦合输出元件(6)的至少一部分，每个功能面的与光射出的大面平行的定向矢量与优先方向围成具有最大45°的数值的角度，其中，定向矢量是如下矢量：所述矢量使该矢量与功能面的与位置相关的法向矢量的点积在功能面上的积分最大化，并且，每个法向矢量与相应的大面围成在5°至85°之间的角度，由此，光导(3)沿优先方向具有的散射特性为在与优先方向垂直的方向上的散射特性的至少1.2倍，并且因此总体上对于穿过光导(3)的两个大面的光具有各向异性的散射特性。
2.根据权利要求1所述的照明装置(1a)，其特征在于，所述耦合输出元件(6)的所述部分包括全部耦合输出元件的至少30％，和/或，对于全部耦合输出元件的平均情况，所述定向矢量与优先方向围成具有最大45°的数值的角度。
3.根据权利要求1或2所述的照明装置(1a)，其特征在于，所述光导(3)沿优先方向具有比沿相反的方向更强的散射特性。
4.根据权利要求3所述的照明装置(1a)，其特征在于，在观察者观察所述照明装置(1a)时，所述优先方向相当于竖直方向，使得所述光导(3)在所述竖直方向上的散射特性大于在水平方向上的散射特性，其中，所述水平方向平行于观察者的眼睛之间的连线延伸。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的照明装置(1a)，其特征在于，所述耦合输出元件的所述部分的功能面的面积与所述大面的面积的所述比例被确定为，使得所述耦合输出元件(6)在优先方向上的散射特性为在与所述优先方向垂直的方向上的散射特性的至少2倍或3倍。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的照明装置(1a)，其特征在于，光从其中出射的大面被划分成预定大小的子区域，并且一个子区域中的功能面的面积与相应子区域的面积的比例对于不同的子区域而言不同，使得光导(3)在光从其中出射的大面上的散射特性发生变化。

Claims (6)

1.一种用于屏幕(1)的照明装置(1a)，所述照明装置能够在至少两种运行方式中运行，即用于自由看视模式的运行方式B1和用于受限看视模式的运行方式B2，在所述受限看视模式下，光由所述照明装置以相对于自由看视模式受限的角度范围发射，所述照明装置包括：
面状伸展的背光照明件(2)，所述背光照明件以受限的角度范围发射光，
沿观察方向设置在背光照明件(2)前面的板状的光导(3)，所述光导具有两个大面和窄面，所述窄面在其边棱处连接大面，其中，所述光导(3)在大面中的至少一个大面上和/或在光导的体积之内具有耦合输出元件(6)，其中，所述光导(3)对于由背光照明件(2)发出的光而言，以至少50％透光，其中，每个耦合输出元件(6)具有至少一个功能面，用于限定地耦合输出光，在所述功能面上，光从光导(3)中耦合输出，
在光导(3)的窄面上沿侧向设置的发光机构(4)，
其中，在运行方式B2中接通背光照明件(2)并且断开发光机构(4)，并且在运行方式B1中至少接通发光机构(4)，其特征在于，
对于耦合输出元件(6)的至少一部分，每个功能面的与光射出的大面平行的定向矢量与优先方向围成具有最大45°的数值的角度，其中，定向矢量是如下矢量：所述矢量使该矢量与功能面的与位置相关的法向矢量的点积在功能面上的积分最大化，并且，每个法向矢量与相应的大面围成在5°至85°之间的角度，由此，光导(3)沿优先方向具有的散射特性为在与优先方向垂直的方向上的散射特性的至少1.2倍，并且因此总体上对于穿过光导(3)的两个大面的光具有各向异性的散射特性。
2.根据权利要求1所述的照明装置(1a)，其特征在于，所述耦合输出元件(6)的所述部分包括全部耦合输出元件的至少30％，和/或，对于全部耦合输出元件的平均情况，所述定向矢量与优先方向围成具有最大45°的数值的角度。
3.根据权利要求1或2所述的照明装置(1a)，其特征在于，所述光导(3)沿优先方向具有比沿相反的方向更强的散射特性。
4.根据权利要求3所述的照明装置(1a)，其特征在于，在观察者观察所述照明装置(1a)时，所述优先方向相当于竖直方向，使得所述光导(3)在所述竖直方向上的散射特性大于在水平方向上的散射特性，其中，所述水平方向平行于观察者的眼睛之间的连线延伸。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的照明装置(1a)，其特征在于，所述耦合输出元件的所述部分的功能面的面积与所述大面的面积的所述所述比例被确定为，使得所述耦合输出元件(6)在优先方向上的散射特性为在与所述优先方向垂直的方向上的散射特性的至少2倍或3倍。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的照明装置(1a)，其特征在于，光从其中出射的大面被划分成预定大小的子区域，并且一个子区域中的功能面的面积与相应子区域的面积的比例对于不同的子区域而言不同，使得光导(3)在光从其中出射的大面上的散射特性发生变化。
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