DE102020001232B3 - Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm für einen freien und einen eingeschränkten Sichtmodus sowie Bildschirm mit derselben - Google Patents

Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm für einen freien und einen eingeschränkten Sichtmodus sowie Bildschirm mit derselben Download PDF

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André HEBER
Markus Klippstein
Ambrose Peter Nari
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung (1a) für einen Bildschirm (1) mit einem transmissiven Bildgeber (5), wobei die Beleuchtungseinrichtung (1a) in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung (2), die Licht in einen weiten Winkelbereich abstrahlt, einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung (2) gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter (3), welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens eine Vielzahl an Auskoppelelementen (6) sowie optional Fokussierelementen (6a) aufweist, seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters (3) angeordnete Leuchtmittel (4), wobei weiterhin die Auskoppelelemente (6) in ihrer Form sowie Anzahl pro Fläche und in ihrer Ausdehnung derart gewählt sind, dass jedes Auskoppelelement (6) jeweils in seinen horizontalen und vertikalen Abmessungen kleiner ist, als das Minimum aus Breite und Höhe der Subpixel des Bildgebers (5), in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des Lichtleiters (3) jeweils Teile oder die ganze Oberfläche mindestens zweier Auskoppelelemente (6) unterhalb eines jeden Subpixels des Bildgebers (5) angeordnet sind, in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des Lichtleiters (3) der Füllfaktor der Auskoppelelemente (6) maximal 50% der Großfläche des Lichtleiters (3) beträgt, wobei ferner mindestens 80% der aus einer der Großflächen insgesamt ausgekoppelten Lichtmenge wird innerhalb eines relativen Winkelbereichs von insgesamt maximal 60°, bevorzugt 40°, bezogen auf eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen abgestrahlt, und mehr als 50% der aus dem Lichtleiter (3) ausgekoppelten Lichtmenge werden entweder in Richtung von der Hintergrundbeleuchtung (2) weg oder in Richtung zu der Hintergrundbeleuchtung (2) hin abgestrahlt, wobei schließlich in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung (2) aus- und die Leuchtmittel (4) eingeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Hintergrundbeleuchtung (2) eingeschaltet ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • In den letzten Jahren wurden große Fortschritte zur Verbreiterung des Sehwinkels bei LCDs erzielt. Allerdings gibt es oft Situationen, in denen dieser sehr große Sehbereich eines Bildschirms von Nachteil sein kann. Zunehmend werden auch Informationen auf mobilen Geräten wie Notebooks und Tablet-PCs verfügbar, wie Bankdaten oder andere, persönliche Angaben, und sensible Daten. Dem entsprechend brauchen die Menschen eine Kontrolle darüber, wer diese sensiblen Daten sehen darf; sie müssen wählen können zwischen einem weiten Betrachtungswinkel, um Informationen auf ihrem Display mit anderen zu teilen, z.B. beim Betrachten von Urlaubsfotos oder auch für Werbezwecke. Andererseits benötigen sie einen kleinen Betrachtungswinkel, wenn sie die Bildinformationen vertraulich behandeln wollen.
  • Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich im Fahrzeugbau: Dort darf der Fahrer bei eingeschaltetem Motor nicht durch Bildinhalte, wie etwa digitale Entertainmentprogramme, abgelenkt werden, während der Beifahrer selbige jedoch auch während der Fahrt konsumieren möchte. Mithin wird ein Bildschirm benötigt, der zwischen den entsprechenden Darstellungsmodi umschalten kann.
  • Stand der Technik
  • Zusatzfolien, die auf Mikro-Lamellen basieren, wurden bereits für mobile Displays eingesetzt, um deren optischen Datenschutz zu erreichen. Allerdings waren diese Folien nicht (um)schaltbar, sie mussten immer erst per Hand aufgelegt und danach wieder entfernt werden. Auch muss man sie separat zum Display transportieren, wenn man sie nicht gerade braucht. Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes solcher Lamellen-Folien ist ferner mit den einhergehenden Lichtverlusten verbunden.
  • Die Schrift US 2009 / 0 067 156 A1 offenbart eine Vielzahl an Ideen, um ein Beleuchtungssystem und ein Bildschirmgerät auszugestalten. Die dort in den 3A und 3B abgebildete Variante verwendet insbesondere zwei Hintergrundbeleuchtungen, sogenannte Backlights, bestehend aus keilförmigen Lichtleitern, und ein LCD-Panel, wobei das hintere Backlight 40 zwingend einen weiten Beleuchtungswinkel und das vordere Backlight 38 zwingend einen schmalen Beleuchtungswinkel erzeugen soll. Unklar bleibt hierbei jedoch die Funktionsweise, wie das Backlight 38 einen schmalen Beleuchtungswinkel erzeugen soll, ohne dass das Licht mit einem weiten Beleuchtungswinkel, welches vom Backlight 40 herrührt, beim Durchgang durch das Backlight 38 wesentlich in Licht mit einem schmalen Beleuchtungswinkel umgewandelt wird.
  • Zur Ausgestaltung nach 5 der US 2009 / 0 067 156 A1 ist zu bemerken, dass beide Lichtleiter 46 und 48 jeweils „narrow light“, also Licht mit einem schmalen Beleuchtungswinkel, produzieren. Das Licht des Lichtleiters 48 wird erst durch einen aufwändig mit Prismenstrukturen zu erstellenden Teilspiegel 50 in „wide light“, also Licht mit einem weiten Beleuchtungswinkel, umgewandelt. Diese Umwandlung beschneidet die Lichtintensität extrem, da das zunächst in einen schmalen Beleuchtungswinkel abgestrahlte Licht, welches als einziges Licht zur Verfügung steht, dann in einen großen Beleuchtungswinkel, i.d.R. den Halbraum, aufgefächert wird. Dies hat zur Folge, dass je nach Parametern die Helligkeit um einen Faktor 5 oder mehr verringert wird (bezogen auf die Leuchtdichte). Es handelt sich also um eine praktisch wenig relevante Ausgestaltung.
  • In der Ausgestaltung nach 7 der US 2009 / 0 067 156 A1 ist zwingend eine Phosphorschicht notwendig, diese soll UV-Licht in sichtbares Licht umwandeln. Dieser Aufwand ist groß und bei dem Wunsch nach hinreichend Licht aus dem Backlight, um ein LCD-Panel lesbar zu beleuchten, werden sehr große Intensitäten an UV-Licht benötigt. Mithin ist dies teuer, aufwändig und schon von der Abschirmung der benötigten UV-Strahlung her nicht praktikabel.
  • Die Schrift US 5,956,107 A offenbart eine umschaltbare Lichtquelle, mit der ein Bildschirm in mehreren Modi betrieben werden kann. Nachteilig hierbei ist, dass sämtliche Lichtauskopplung auf Streuung beruht und damit nur geringe Effizienz sowie nicht-optimale Lichtrichtungseffekte erzielt werden. Insbesondere die Erzielung eines fokussierten Lichtkegels wird nicht näher offenbart.
  • In der CN 107 734 118 A ist ein Bildschirm beschrieben, der mittels zwei Hintergrundbeleuchtungen den Betrachtungswinkel eines Bildschirms kontrollierbar gestaltet. Die obere der beiden Hintergrundbeleuchtungen soll hierzu fokussiertes Licht aussenden. Als Ausgestaltung dazu wird insbesondere ein Gitter mit opaken und transparenten Abschnitten genannt. Selbiges führt jedoch mutmaßlich dazu, dass auch das Licht der zweiten Hintergrundbeleuchtung, welches die erste in Richtung eines LCD-Panels durchdringen muss, ebenfalls fokussiert wird und mithin der eigentlich für einen breiten Betrachtungswinkel vorgesehene öffentliche Betrachtungsmodus eine deutliche Winkelschmälerung erleidet.
  • Die US 2007 / 0 030 240 A1 beschreibt ein optisches Element zur Kontrolle der Lichtausbreitungsrichtung von aus einer Hintergrundbeleuchtung herrührenden Lichtes. Dieses optische Element verlangt beispielsweise Flüssigkristalle in Form von PDLCs, was zum einen teuer, zum anderen aber insbesondere für Endkundenanwendungen sicherheitskritisch ist, da PDLC-Flüssigkristalle in der Regel Spannungen höher als 60V für Ihre Schaltung benötigen.
  • In der CN 1 987 606 A wird wiederum ein Bildschirm beschrieben, der mittels zwei Hintergrundbeleuchtungen den Betrachtungswinkel eines Bildschirms kontrollierbar gestaltet. Dabei kommt insbesondere ein „first light plate“ zum Einsatz, welches keilförmig sein muss, um die beabsichtigte fokussierte Lichtauskopplung zu ermöglichen. Genaue Details zur Erzielung der fokussierte Lichtauskopplung mit entsprechenden Winkelbedingungen werden nicht offenbart.
  • Weiterhin offenbart die CN 106 195 766 A zwei Lichtquellen zur Umschaltung zwischen zwei Beleuchtungsmodi. Hier kommen sägezahnförmige Auskoppelstrukturen zur Auskopplung fokussierten Lichtes zum Einsatz. Nachteilig ist hierbei, dass in den sägezahnförmigen Auskoppelstrukturen auch vertikale Störflanken vorhanden sind, die eine starke Lichtfokussierung, wie sie für einen Sichtschutzmodus nötig wären, erschweren oder sogar verunmöglichen.
  • Ferner beschreibt die US 2018 / 0 267 344 A1 einen Aufbau mit zwei flachen Beleuchtungsmodulen. Hierbei wird das Licht des in Betrachtungsrichtung hinten liegenden Beleuchtungsmodules durch eine separate Struktur fokussiert. Nach der Fokussierung muss das Licht noch durch das vordere Beleuchtungsmodul durch, welches über Streuelemente verfügt. Somit ist eine starke Lichtfokussierung für einen Sichtschutz nicht optimal umsetzbar.
  • In der DE 11 2010 004 660 T5 ist eine LCD-Anordnung mit schaltbarem Backlight beschrieben. Hierbei wird Licht des hinteren Backlights durch das vordere Backlight umgewandelt.
  • Weiterhin beschreibt die DE 10 2017 006 285 A1 der Anmelderin einen Bildschirm für einen freien und einen eingeschränkten Sichtmodus. Dabei kommt für den freien Sichtmodus ein transparenter Lichtleiter zum Einsatz, der in Betrachtungsrichtung vor einer gerichteten Hintergrundbeleuchtung angeordnet ist. Aufgrund dieser Anordnung bestehen strenge Anforderungen an die Streueigenschaften für den transparenten Lichtleiter, um den eingeschränkten Sichtmodus nicht in seiner Sichtschutzqualität zu beschneiden. Weiterhin können für den freien Sichtmodus in dieser Konfiguration nicht im Stand der Technik bekannte und die optische Effizienz unterstützende Prismenraster eingesetzt werden.
  • Die US 2018 / 0 088 270 A1 beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm. Dabei wird unter anderem ein Lichtleiter verwendet, welcher spezielle Auskoppelelemente aufweist. Allerdings offenbart diese Schrift keinerlei Möglichkeit zur Umschaltung eines Bildschirms zwischen mindestens zwei Betriebsarten für einen freien und einen eingeschränkten Sichtmodus.
  • Schließlich offenbart die US 2007 / 0 008 456 A1 die Aufteilung eines Lichtabstrahlwinkels in mindestens 3 Bereiche, wobei in der Regel zwei Bereiche davon mit Licht beaufschlagt werden. Hieraus ergibt sich, dass ein Sichtschutz, bei dem ein so beleuchtetes Display verwendet wird, nicht allein aus einer Richtung betrachtbar sein kann.
  • Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und / oder ein aktives, zumindest jedoch ein spezielles, optisches Element zur Modi-Umschaltung benötigen und / oder eine aufwändige sowie teure Herstellung erfordern und / oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren.
  • Die WO 2015 / 121 398 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm der eingangs beschriebenen Art. Dort sind für die Umschaltung der Betriebsarten essentiell Streupartikel im Volumen des entsprechenden Lichtleiters vorhanden. Die dort gewählten Streupartikel aus einem Polymerisat weisen jedoch in der Regel den Nachteil auf, dass Licht aus beiden Großflächen ausgekoppelt wird, wodurch etwa die Hälfte des Nutzlichtes in die falsche Richtung, nämlich zur Hintergrundbeleuchtung hin, abgestrahlt und dort aufgrund des Aufbaus nicht in hinreichendem Umfang recycelt werden kann. Überdies können die im Volumen des Lichtleiters verteilten Streupartikel aus Polymerisat unter Umständen, insbesondere bei höherer Konzentration, zu Streueffekten führen, die den Sichtschutzeffekt in der geschützten Betriebsart vermindern.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungseinrichtung zu beschreiben, durch welche in Zusammenwirkung mit einem Bildschirm eine sichere Darstellung von Informationen vermittels eines wahlweise eingeschränkten Betrachtungswinkels realisiert werden kann, wobei in einer weiteren Betriebsart eine freie, möglichst im Betrachtungswinkel uneingeschränkte Sicht möglich sein soll. Die Erfindung soll mit einfachen Mitteln möglichst preisgünstig umsetzbar sein. In beiden Betriebsarten soll eine möglichst hohe Auflösung, besonders bevorzugt die native Auflösung des verwendeten Bildschirms, sichtbar sein. Ferner soll durch die Lösung nur ein möglichst geringer Lichtverlust eingeführt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm mit einem transmissiven Bildgeber, wobei der Bildgeber mit Pixeln, die ihrerseits aus Subpixeln zusammengesetzt sind, ausgebildet ist, und wobei die Beleuchtungseinrichtung in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend
    • - eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung, die Licht in einen weiten Winkelbereich abstrahlt (weit heißt hier über 90° oder sogar über 120°, dies kann bezogen auf eine oder zwei Vorzugsrichtungen senkrecht zur Flächennormale der Hintergrundbeleuchtung definiert sein),
    • - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens eine Vielzahl an Auskoppelelementen sowie optional Fokussierelementen aufweist, wobei der Lichtleiter für das von der Hintergrundbeleuchtung ausgehende Licht zu mindestens 70% transparent ist,
    • - seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters angeordnete Leuchtmittel,
    • - wobei die Auskoppelelemente das von den Leuchtmitteln herrührende und im Lichtleiter aufgrund von Totalreflexion zwischen den Großfläche hin- und hergeworfene Licht dadurch auskoppeln, dass sie Funktionalflächen an Materialübergängen aufweisen (dabei kann es sich z.B. um die Brechzahländerung Lichtleitermaterial-Luft handeln, alternativ jedoch auch um eine Verspiegelung oder aufgebrachtes Gitter), die eine solche Struktur, beispielweise eine solche Neigung, aufweisen, dass auf sie auftreffendes Licht in einem definierten relativen Winkelbereich durch eine der Großflächen ausgekoppelt wird,
    • - wobei die Fokussierelemente, wenn vorhanden, mindestens 50% des von den Auskoppelelementen ausgekoppelten Lichtes wenigstens teilweise in dessen Lichtausbreitungsrichtungen einschränken,
    • - wobei weiterhin die Auskoppelelemente in ihrer Form sowie Anzahl pro Fläche und in ihrer Ausdehnung derart gewählt sind, dass
      • - jedes Auskoppelelement jeweils in seinen horizontalen und vertikalen Abmessungen kleiner ist, als das Minimum aus Breite und Höhe der Subpixel des Bildgebers, (bevorzugt sogar kleiner als die Hälfte des besagten Minimums aus Breite und Höhe der Subpixel des Bildgebers; Das Bild wird auf diese Weise homogener und es lassen sich Überlagerungserscheinungen von Strukturmuster und Subpixelmuster u.U. vermeiden)
      • - in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des Lichtleiters jeweils Teile oder die ganze Oberfläche mindestens zweier Auskoppelelemente unterhalb eines jeden Subpixels des Bildgebers angeordnet sind, (bevorzugt sind sogar mehr als zwei Auskoppelelemente, z.B. drei, vier oder noch mehr jeweils anteilig oder vollständig bei einer Parallelprojektion zur Flächennormalen des Lichtleiters unterhalb eines jeden Subpixels des Bildgebers angeordnet)
      • - in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des Lichtleiters der Füllfaktor der Auskoppelelemente maximal 50% der Großfläche des Lichtleiters beträgt, (hiermit wird sichergestellt, dass von der Hintergrundbeleuchtung auch noch genug unfokussiertes Licht durch den Lichtleiter unbeeinflusst hindurchdringen kann),
    • - wobei ferner eine Verteilung der Auskoppelelemente und, wenn vorhanden, der Fokussierelemente, sowie deren jeweilige Form auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des Lichtleiters so vorgegeben ist, dass von den Leuchtmitteln in den Lichtleiter eingestrahltes und von den Auskoppelelementen aus dem Lichtleiter ausgekoppeltes und, wenn vorhanden, von den Fokussierelementen in seinen Lichtausbreitungsrichtungen beeinflusstes Licht, die folgenden Bedingungen erfüllt:
      • - mindestens 80% der aus einer der Großflächen insgesamt ausgekoppelten Lichtmenge wird innerhalb eines relativen Winkelbereichs von insgesamt maximal 60°, bevorzugt 40°, bezogen auf eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen abgestrahlt (z.B. im horizontalen Winkelbereich zwischen -20° und +20° für eine zentral fokussierte Lichtrichtung oder zwischen -30° und +10° für eine seitlich abgekippte Lichtrichtung)
      • - mehr als 50% der aus dem Lichtleiter ausgekoppelten Lichtmenge werden entweder in Richtung von der Hintergrundbeleuchtung weg oder in Richtung zu der Hintergrundbeleuchtung hin abgestrahlt,
    • - wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung aus- und die Leuchtmittel eingeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet ist.
  • In der Beleuchtungseinrichtung besteht der Lichtleiter beispielsweise aus einem transparenten Polymer, z.B. Kunststoff, oder aus Glas. So kann der Lichtleiter bzw. sein Substrat mindestens 40 Gewichtsprozent Polymethylmethacrylat, bevorzugt mindestens 60 Gewichtsprozent Polymethylmethacrylat, bezogen auf sein Gewicht, umfassen. Alternativ kann es sich beispielsweise um Polycarbonat (PC), COP oder PMMI handeln. Andere Ausgestaltungen sind möglich.
  • Die geforderten, für die Erfindung wesentlichen Eigenschaften für die Auskoppelelemente bzw. Fokussierelemente hinsichtlich ihrer Anzahl pro Flächeneinheit, ihrer Form und Ausdehnung in drei Dimensionen sowie ihrer Verteilung auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des Lichtleiters können beispielsweise mit einer Optik-Simulationssoftware wie etwa „LightTools“ der Firma Synopsis oder anderer Anbieter bestimmt und dann entsprechend physisch umgesetzt werden.
    Beispiele für mögliche hilfreiche dreidimensionale Formen der Auskoppelelemente sind beschrieben in der US 2018 / 0 088 270 A1, hier insbesondere in den Zeichnungen 3A, 4B, 5A, 9 oder 10 in Zusammenspiel mit dem zugehörigen Beschreibungstext.
  • Die oben beschriebene Abstrahlcharakteristik des Lichtleiters wird im bisherigen Stand der Technik ohne zusätzliche Schichten wie etwa Reflektoren, BEF, DBEF, Prismenfolien und/oder Lamellenfiltern nicht erreicht. Die besondere Abstrahlcharakteristik dient hier insbesondere der Erzielung einer hinreichenden Effizienz der Lichtausbeute sowie der Fokussierung des Lichtes in der eingeschränkten Betriebsart B2, weil ein mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ausgestatteter Bildschirm in dieser Betriebsart typischerweise nur aus einem engen Winkelbereich sichtbar sein soll.
  • Die Vorzugsrichtungen können dabei den oben genannten vertikalen bzw. horizontalen Richtungen in einem äußeren Bezugssystem entsprechen.
    In vielen Anwendungsfällen ist genau eine zur Flächennormalen senkrechte Vorzugsrichtung vorgegeben und diese entspricht der horizontalen Richtung bezüglich der Ausrichtung des Bildgebers.
  • Die Auskoppelelemente und/oder die Fokussierelemente weisen vorzugsweise maximale Abmessungen von 100 µm, bevorzugt zwischen 8 µm und 30 µm auf.
  • Wenn Fokussierelemente auf einer der Großflächen des Lichtleiters vorhanden sind, so ist bevorzugt mindestens ein Teil der Auskoppelelemente auf der gegenüberliegenden Großfläche angeordnet. In diesem Fall liegt optional der Fokus der Fokussierelemente in oder nahe der Ebene der besagten gegenüberliegenden Großfläche. Besonders effizient wird die Lichtausrichtung durch die Fokussierelemente dann, wenn der Fokus eines jedes Fokussierelements jeweils in einem korrespondierenden Auskoppelement liegt.
  • Die Fokussierelemente sind ferner bevorzugt so umgesetzt, etwa durch Größe, Form und/oder Fokuslage, dass von der flächenartig ausgedehnten Hintergrundbeleuchtung herrührendes und durch den Lichtleiter hindurchdringendes Licht in seiner Intensität kaum (d.h. maximal 20% in der Gesamtsumme über den Halbraum) abgeschwächt wird.
  • Idealerweise wird der Lichtleiter so umgesetzt, dass mehr als die Hälfte des von den Leuchtmitteln in den Lichtleiter eingestrahlten und von den Auskoppelelementen aus dem Lichtleiter ausgekoppelten und, wenn vorhanden, von den Fokussierelementen in seinen Lichtausbreitungsrichtungen beeinflussten Lichtes bezogen auf die besagte eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen über die Fläche einen variierenden mittleren Abstrahlwinkel aufweist. Der mittlere Auskoppelwinkel ist somit veränderlich über die Fläche des Lichtleiters. Im Zusammenspiel mit einem Bildgeber ist dann das von einem Betrachter wahrnehmbare Bild auf selbigen Betrachter fokussiert. Das wäre z.B. nicht der Fall, wenn Licht durch -wie im Stand der Technik üblich- parallele Mikrolamellen gebündelt würde.
  • Weiterhin bestehen die Auskoppelelemente und/oder die Fokussierelemente aus Mikrolinsen und / oder Mikroprismen und / oder diffraktiven Strukturen (Gittern) und / oder dreidimensionalen Strukturelementen, insbesondere dann, wenn sie an einer Großfläche des Lichtleiters ausgebildet sind. Besonders für die Auskoppelemente kommen beispielsweise auch noch Streuelemente in Frage. Für die Fokussierelemente sind auch die Lichtrichtung einschränkende Mikrolamellen denkbar. Fernerhin können sowohl für die Auskoppelelemente als auch für die Fokussierelemente Kombinationen aus vorgenannten Varianten eingesetzt werden. Andere Ausgestaltungen sind möglich, wie zum Beispiel prismenartige dreidimensionale Strukturen.
  • Die Auskoppelelemente wie auch die Fokussierelemente, wenn vorhanden, können bei der Herstellung des Lichtleiters entsprechend anpassbarer und vorgebbarer Bedingungen für die Auskopplung des Lichts grundsätzlich auf verschiedene Weise in oder auf dem Lichtleiter verteilt werden. Bei den Auskoppelelementen handelt es sich um lokal begrenzte Strukturänderungen im Volumen oder/und auf den Oberflächen des Lichtleiters. Ausdrücklich nicht unter den Begriff des Auskoppelelements fallen daher zusätzliche optische Schichten, die auf den Flächen des Lichtleiters angebracht werden, d.h. z.B. Diffusionsschichten, Reflexionsschichten, (duale) helligkeitsverstärkende oder auch polarisationsrecycelnde Schichten ((dual) brightness enhancement film - (D)BEF) or Prismenfolien (z.B. BEFs). Diese, nicht unter den Begriff des „Auskoppelelements“ fallenden zusätzlichen Schichten liegen normalerweise im Bereich der Großflächen jedoch nur lose auf und bilden mit dem Lichtleiter keine physische Einheit. Hingegen bilden auf die Großflächen aufgebrachte Lacke, die sich mit dem Lichtleiter durch chemische Reaktionen verbinden, eine physische Einheit, sind nicht mehr voneinander zu trennen; solche Lacke zählen daher nicht als zusätzliche Schicht im oben genannten Sinne.
  • Die Struktur der Auskoppelelemente kann vorgegeben werden, so dass die Wirkung eines jeden Auskoppelelements zumindest näherungsweise bekannt ist und Eigenschaften des Lichtleiters bzw. des aus dem Lichtleiter tretenden Lichts gezielt durch eine vorgebbare Verteilung der Auskoppelelemente sowie deren jeweilige Form festgelegt werden können.
  • Ferner ist es denkbar, dass im Falle von aus Mikrolinsen und / oder Mikroprismen und / oder dreidimensionalen Strukturelementen bestehenden Auskoppelelementen und/oder Fokussierelementen diese wenigstens teilweise mit einer Verspiegelungsschicht überzogen sind. Dabei kann es sich um eine Vollverspiegelung oder eine Teilverspiegelung, insbesondere um eine winkelabhängige Verspiegelung, handeln.
  • Alternativ, wenn die Auskoppelelemente innerhalb des Volumens des Lichtleiters als Hohlräume ausgebildet sind, weisen diese bevorzugt die äußere Form von Mikrolinsen, Mikroprismen, diffraktiven Strukturen, Nanopartikeln und / oder dreidimensionalen Strukturelementen auf. Auch hier sind wieder Kombinationen und/oder andere Ausgestaltungen möglich, so zum Beispiel ebenso wieder prismenartige dreidimensionale Strukturen.
    Die Hohlräume sind dabei mit einem gasförmigen, flüssigen oder einem festen Material ausgefüllt, wobei das Material einen Brechungsindex aufweist, welcher von dem für den Lichtleiter verwendeten Material abweicht, bevorzugt geringer ist, oder dass die Hohlräume luftleer sind.
  • Ferner können die Hohlräume mit einem gasförmigen, flüssigen oder einem festen Material ausgefüllt sein, wobei das Material einen Haze-Wert aufweist, welcher von dem des für den Lichtleiter verwendeten Materials abweicht, bevorzugt höher ist.
    Schließlich kann der Lichtleiter aus zwei miteinander an Grenzflächen verbundenen, vorzugsweise gleichartigen Substratschichten gebildet werden. Die Hohlräume sind hier als Materialaussparungen an mindestens einer der Grenzflächen, bevorzugt die äußere Form von Mikrolinsen, Mikroprismen, dreidimensionalen Strukturelementen oder diffraktiven Strukturen aufweisend, ausgebildet.
    Im Falle von diffraktiven Strukturen kann es sich beispielsweise um ein Hologramm bzw. ein Gitter/Beugungsgitter handeln.
  • Wenn die Auskoppelelemente und/oder die Fokussierelemente auf mindestens einer der Großflächen des Lichtleiters angebracht sind, so werden diese vorteilhaft aus einem mit einem Werkzeug strukturierten Polymer (z.B. Lack, Polymer, Kunststoff wie PC oder PMMA etc.) oder Glas gebildet, dessen Struktur vermittels eines Werkzeuges eingeprägt wurde. Dies ist z.B. in Massenproduktion möglich, indem auf ein Lichtleitersubstrat ein UV-härtendes Material -z.B. ein Lack, ein Monomer etc. - aufgebracht wird, welches vermittels eines Werkzeuges strukturiert und durch UV-Strahlung ausgehärtet, z.B. polymerisiert wird. Andere durch Strahlung härtende Materialien können ebenfalls eingesetzt werden. Die Ausbildung der Aussparungen zur Realisierung der Auskoppelelemente lässt sich beispielsweise mechanisch, lithographisch oder drucktechnisch realisieren, oder aber auch materialauftragend, -umwandelnd, -abtragend oder - auflösend.
    Damit können z.B. Gitterstrukturen, Mikroprismen - entweder konvex mit Kunststoffanteil auf der Oberfläche nach außen zeigend, und / oder konkav als Einprägung bzw. Aussparung innerhalb der Oberflächenschicht des strukturierten Kunststoffs -, sonstige dreidimensionale Strukturelemente mit anderen Formen, oder auch Mikrolinsen kostengünstig und mit Massenfertigungstauglichkeit umgesetzt werden. Konkav ausgebildete und konvex ausgebildete Strukturen können gleichermaßen zum Einsatz kommen.
    Als Auskoppelelemente im Volumen kommen z.B. auch Nanopartikel wie etwa Titandioxid in Frage.
  • Es ist möglich, dass Auskoppelelemente und/oder Fokussierelemente auf beiden Großflächen und zusätzlich optional im Volumen angebracht sind.
  • Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn an der Schmalseite des Lichtleiters gegenüber Lichteinkoppelseite der Leuchtmittel eine absorbierende Schicht angeordnet ist, damit dort auftreffendes Licht nicht wieder zurückgeworfen und unter Umständen in ungewünschte Winkel ausgekoppelt wird.
  • Die Erfindung wird bevorzugt in einem Bildschirm umgesetzt, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, und welcher mindestens folgende Komponenten umfasst:
    • - eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung, sowie
    • - einen in Betrachtungsrichtung vor dem Lichtleiter angeordneten transmissiven Bildgeber.
  • Für die folgenden Betrachtungen wird als Bildgeber ein LCD-Panel in Betracht gezogen. Dabei kann vorteilhaft oberhalb oder unterhalb des Lichtleiters mindestens ein Polarisationsfilter (dieser polarisiert i.d.R. Licht linear und seine Polarisationsrichtung liegt parallel zur eingangsseitigen Polarisationsrichtung des LCD-Panels) angeordnet sein. Ist ein solcher Polarisationsfilter in Betrachtungsrichtung hinter dem Lichtleiter vorgesehen, so wird vom LCD-Panel zurückgeworfenes Licht, welches nicht parallel zur eingangsseitigen Polarisationsrichtung des LCD-Panels polarisiert ist, absorbiert und somit nicht gestreut in bzw. durch den Lichtleiter zurückgeworfen, was für die Qualität des Sichtmodus B2 von Vorteil ist. Liegt hingegen der besagte Polarisationsfilter in Betrachtungsrichtung vor dem Lichtleiter, so wird dort vom LCD-Panel zurückgeworfenes Licht, welches nicht parallel zur eingangsseitigen Polarisationsrichtung des LCD-Panels polarisiert ist, absorbiert. Dies bedeutet, dass vorteilhaft vom LCD-Panel kein oder nahezu kein Licht auf den Lichtleiter zurückgeworfen wird, weil dieses im Lichtleiter wiederum als Streulicht auf das Panel zurückgeworfen werden könnte, was den Sichtmodus B2 verschlechtern kann.
  • Das besagte LCD-Panel als Bildgeber weist bevorzugt einen maximalen „Haze-Wert“ von höchstens 10% und/oder eine maximale, vordefinierte Streueigenschaft auf. Letztere könnte beispielsweise lauten, dass mindestens 90% des das LCD-Panel durchdringenden Lichtes beim Durchgang durch selbiges um höchstens 10° gestreut wird.
  • Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung im Zusammenspiel mit einem LCD-Panel als Bildgeber zu Recycling von für das LCD-Panel eingangsseitig unpassend polarisiertem Licht derart ausgebildet werden, dass sie weiterhin folgendes umfasst:
    • - ein in Betrachtungsrichtung vor dem plattenförmigen Lichtleiter gelegenes optisches Element, welches Licht einer ersten Polarisationsart transmittiert (diese Polarisationsart entspricht der eingangsseitigen Polarisation des besagten LCD-Panels) und Licht einer zweiten Polarisationsart reflektiert,
    • - ein in Betrachtungsrichtung hinter dem plattenförmigen Lichtleiter gelegenes optisches Element, welches in einer ersten Alternative als schaltbarer Spiegel ausgebildet ist und aus Richtung des Lichtleiters herrührendes Licht wahlweise reflektiert, welches in einer zweiten Alternative permanent Licht gleichzeitig teilweise reflektiert und transmittiert, oder welches in einer dritten Alternative Licht polarisationsabhängig reflektiert und/oder transmittiert.
  • In diesem nutzbringenden Aufbau wird das Licht der zweiten Polarisationsart, welches ansonsten am eingangsseitigen Polarisationsfilter des LCD-Panels absorbiert würde und somit für die Leistungsbilanz nicht mehr zur Verfügung stünde, durch den Lichtleiter hindurch auf das optische Element zurückgeworfen. Selbiges optisches Element wiederum sendet mindestens einen Teil des vom optischen Element herrührendes und auf es auftreffendes Licht wieder in Richtung LCD-Panel zurück. Dabei wird aufgrund der Reflexion und/oder des Durchgangs durch den mit Auskoppelementen und/oder Fokussierelementen bestückten Lichtleiter wenigstens ein Teil dieses Lichtes anders polarisiert, so dass dieses durch den eingangsseitigen Polarisator des LCD-Panels hindurch dring und die Effizienz des Aufbaus steigert. Idealerweise ist in dieser Ausgestaltung der Lichtleiter als ist nicht oder nahezu nicht doppelbrechend umgesetzt, damit das Polarisationsrecycling ohne sichtbare Farbmuster funktioniert.
    In weiteren Varianten hierzu ist noch mindestens ein Verzögerungselement und/oder ein teilweise reflektierender Spiegel vorhanden.
  • Verschiedene Auskoppelelemente können im Übrigen unterschiedliche Formen und / oder Größen aufweisen.
  • Ferner ist es für einige Anwendungen vorteilhaft, dass der besagte eingeschränkte Winkelbereich für die Betriebsart B2 asymmetrisch um die Flächennormale der Hintergrundbeleuchtung ausgebildet ist. Die asymmetrische Ausbildung erfolgt bevorzugt in einer der Vorzugsrichtungen. Dies ist insbesondere bei Anwendungen im Fahrzeug hilfreich, etwa wenn ein mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung zu kombinierender Bildschirm als sogenanntes Center-Information-Display im Armaturenbrett etwa in der Mitte zwischen Fahrer und Beifahrer angeordnet ist. Dann muss der in der Betriebsart B2 ausschließlich für den Beifahrer freigegebene, eingeschränkte Winkelbereich für die Sicht asymmetrisch gestaltet, also auf den Beifahrer gerichtet, sein. Die Vorzugsrichtung, in welcher die Asymmetrie ausgebildet ist, entspricht hier der Horizontalen.
  • Die Hintergrundbeleuchtung besteht beispielsweise aus einer für ein LCD typischen Backlight-Unit mit einem Lichtleiter, der von Leuchtmitteln mit Licht gespeist wird, einem Diffuser, mindestens einer Prismenfolie und ggf. einem polarisierenden Reflektor (3M DBEF™ oder Wiregrid-Polarisator) dessen Polarisationstransmission mit der Polarisationstransmission des eingangsseitigen Polarisators des LCD-Panels übereinstimmt sowie rückseitig einem Reflektor. Andere Ausgestaltungen sind möglich. Entsprechend kann also die Hintergrundbeleuchtung grundsätzlich aufgebaut sein wie ein LED-Backlight, beispielsweise als sogenanntes Side-light, Edgelight, Direct LED Backlight, edge LED Backlight, OLED oder als ein anderer Flächenstrahler.
  • Auf der Oberseite des Bildgebers und / oder auf mindestens einer der Großflächen des Lichtleiters können Mittel zur Reflexminderung oder -steuerung, beispielsweise eine Antiglare- und / oder eine Antireflexbeschichtung, angeordnet sein.
  • Besonders vorteilhaft findet die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem Bildschirm Verwendung in einem Fahrzeug zur wahlweisen Darstellung von Bildinhalten lediglich für den Beifahrer in der Betriebsart B2 bzw. gleichzeitig für den Fahrer und den Beifahrer in der Betriebsart B1. Ersteres ist z.B. hilfreich, wenn der Beifahrer sich Unterhaltungsinhalte anschaut, die den Fahrer ablenken könnten.
    Ein erfindungsgemäßer Bildschirm kann gleichsam verwendet werden zur Eingabe oder Anzeige von vertraulichen Daten, beispielweise von PIN-Geheimnummern, E-Mails, SMS oder Passwörtern, an Geldautomaten, Zahlungsterminals oder mobilen Geräten.
  • In allen vorgenannten Ausgestaltungen können die besagten Leuchtmittel LEDs bzw. LED-Zeilen oder Laserdioden sein. Andere Varianten sind denkbar und liegen im Rahmen der Erfindung.
  • Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bildschirms besteht darin, dass in Betrachtungsrichtung vor dem Bildgeber ein weiterer Lichtleiter (z.B. aus Glas, Polymer oder Kunststoff) mit Mitteln zur Auskopplung von Licht angeordnet ist, der seitlich von Leuchtmitteln mit Licht gespeist werden kann. Die hier eingesetzten Mittel zur Auskopplung sind beispielsweise die weiter oben beschriebenen Auskoppelelemente, oder aber solche wie im Stand der Technik bekannt, etwa Nanopartikel wie Titandioxid, Bariumsulfat etc. in geeigneten Größen und Mengen - wie beispielsweise in der WO 2015 / 121 398 A1 und der WO 2017 / 089 482 A1 beschrieben -, die im Volumen des Lichtleiters homogen verteilt sind. Vermittels dieser Ausgestaltung kann ein eventuell noch unbeabsichtigt vorhandenes Restlicht in der Betriebsart B2 in die eigentlich vor Blicken geschützten Winkelbereiche noch derart überlagert bzw. überstrahlt werden, dass kein Kontrast mehr wahrnehmbar ist und somit keinerlei Bildwahrnehmung aus den nicht freigegebenen Winkeln mehr möglich ist. Die Auskoppelelemente können auch hier in Form von Hohlräumen oder an Grenzflächen ausgebildet sein, die bei einer Verwendung in einem Fahrzeug beispielsweise dafür sorgen, dass nur der Beifahrer Informationen dargestellt bekommt, der Fahrer jedoch nicht, indem die Abstrahlung auf den entsprechenden Teilraum begrenzt wird. Die entsprechenden Leuchtmittel sind zur Abstrahlung farbigen oder weißen Lichts ausgebildet. Dabei können die Leuchtmittel Licht in einer Farbe abstrahlen, welche im von dem transmissiven Bildgeber dargestellten Bild nicht vorkommt.
    Alternativ ist es möglich, dass die Leuchtmittel Licht in einer Farbe abstrahlen, welche im von dem transmissiven Bildgeber dargestellten Bild vorkommt bzw. im Farbspektrum nahe an einer solchen Farbe liegt. Schließlich ist es denkbar, dass die Leuchtmittel Licht in einer Farbe abstrahlen, die in etwa der Komplementärfarbe einer Farbe, welche im von dem transmissiven Bildgeber dargestellten Bild vorkommt, entspricht.
    Mit „farbigem Licht“ ist insbesondere sichtbares Licht gemeint, welches nicht weiß ist, also z.B. Licht in den Farben rot, grün, blau, türkis, cyan, magenta oder gelb. Ferner kann dieses Licht wahlweise in verschiedenen Helligkeitsstufen abgestrahlt werden. Außerdem ist es möglich, dass die Farbigkeit des von den Leuchtmitteln ausgehenden Lichtes auch zeitlich moduliert wird, etwa in Farbe und / oder Helligkeit. Darüber hinaus können die Leuchtmittel auch mit verschiedenen einzelnen Leuchtmitteln umgesetzt werden, etwa RGB-LEDs in LED-Zeilen, die gleichzeitig oder zeitlich versetzt und / oder räumlich versetzt jeweils Licht unterschiedlicher Farben und / oder unterschiedlicher Helligkeit abstrahlen.
  • Weiterhin können die gewünschten eingeschränkten Winkelbereiche für den Modus B2 für eine eingeschränkte Sicht jeweils für die horizontale und vertikale Richtung unabhängig voneinander definiert und umgesetzt werden. Beispielsweise könnte in der vertikalen Richtung ein größerer Winkel (oder ggf. gar keine Einschränkung) sinnvoll sein, als in der horizontalen Richtung, etwa wenn bei Geldautomaten Personen mit unterschiedlicher Größe ein Bild sehen sollen, während der Seiteneinblick stark oder komplett eingeschränkt bleiben soll. Für POS-Zahlterminals sind hingegen auf Grund von Sicherheitsbestimmungen oftmals Sichteinschränkungen im Modus B2 sowohl in horizontaler als in vertikaler Richtung notwendig.
  • Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigt
    • 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung im Zusammenspiel mit einem Bildgeber in der Betriebsart B1 für einen freien Sichtmodus,
    • 2 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung im Zusammenspiel mit einem Bildgeber in der Betriebsart B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus,
    • 3 eine schematische Darstellung zum Verständnis der parallelen Projektion der Subpixel eines Bildgebers auf die Auskoppelelemente des Lichtleiters,
    • 4 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung im Zusammenspiel mit einem Bildgeber in der Betriebsart B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus in einer weiteren Ausgestaltung,
    • 5a-5c beispielhafte Diagramme für die aus dem Lichtleiter ausgekoppelten Lichtmengen über ausgewählte Winkelbereiche,
    • 6 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung im Zusammenspiel mit einem Bildgeber in der Betriebsart B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus in einer weiteren Ausgestaltung, welche Fokussierelemente beinhaltet,
    • 7 das Schema eines beispielhaften Aufbaus, in welchem Licht einer unpassenden Polarisationsart wenigstens teilweise recycelt wird, sowie
    • 8 ein Schema zur Definition der horizontalen Richtung.
  • Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Die 1 zeigt also eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1a für einen Bildschirm 1 mit einem transmissiven Bildgeber 5, wobei der Bildgeber 5 mit Pixeln, die ihrerseits aus Subpixeln zusammengesetzt sind, ausgebildet ist, und wobei die Beleuchtungseinrichtung 1a in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann. Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1a umfasst:
    • - eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung 2, die Licht in einen weiten Winkelbereich abstrahlt (weit heißt hier über 90° oder sogar über 120°, dies kann bezogen auf eine oder zwei Vorzugsrichtungen senkrecht zur Flächennormale der Hintergrundbeleuchtung definiert sein),
    • - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 2 gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter 3, welcher auf einer der Großflächen eine Vielzahl an Auskoppelelementen 6 (von denen hier nur ein Teil und dieser auch übertrieben groß dargestellt ist) aufweist, wobei der Lichtleiter 3 für das von der Hintergrundbeleuchtung 2 ausgehende Licht zu mindestens 70% transparent ist,
    • - seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters 3 angeordnete Leuchtmittel 4,
    • - wobei die Auskoppelelemente 6 das von den Leuchtmitteln 4 herrührende und im Lichtleiter 3 aufgrund von Totalreflexion zwischen den Großfläche hin- und hergeworfene Licht dadurch auskoppeln, dass sie Funktionalflächen an Materialübergängen aufweisen (dabei kann es sich z.B. um die Brechzahländerung Lichtleitermaterial-Luft handeln, alternativ jedoch auch um eine Verspiegelung oder aufgebrachtes Gitter), die eine solche Struktur, beispielweise eine solche Neigung, aufweisen, dass auf sie auftreffendes Licht in einem definierten relativen Winkelbereich durch eine der Großflächen ausgekoppelt wird,
    • - wobei weiterhin die Auskoppelelemente 6 in ihrer Form sowie Anzahl pro Fläche und in ihrer Ausdehnung derart gewählt sind, dass
      • - jedes Auskoppelelement 6 jeweils in seinen horizontalen und vertikalen Abmessungen kleiner ist, als das Minimum aus Breite und Höhe der Subpixel des Bildgebers 5, (bevorzugt sogar kleiner als die Hälfte des besagten Minimums aus Breite und Höhe der Subpixel des Bildgebers; Das Bild wird auf diese Weise homogener und es lassen sich Überlagerungserscheinungen von Strukturmuster und Subpixelmuster u.U. vermeiden)
      • - in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des Lichtleiters 3 jeweils Teile oder die ganze Oberfläche mindestens zweier Auskoppelelemente 6 unterhalb eines jeden Subpixels des Bildgebers 5 angeordnet sind, (bevorzugt sind sogar mehr als zwei Auskoppelelemente, z.B. drei, vier oder noch mehr jeweils anteilig oder vollständig bei einer Parallelprojektion zur Flächennormalen des Lichtleiters unterhalb eines jeden Subpixels des Bildgebers angeordnet)
      • - in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des Lichtleiters 3 der Füllfaktor der Auskoppelelemente 6 maximal 50% der Großfläche des Lichtleiters 3 beträgt, (hiermit wird sichergestellt, dass von der Hintergrundbeleuchtung 2 auch noch genug unfokussiertes Licht durch den Lichtleiter 3 unbeeinflusst hindurchdringen kann, wobei explizit auch die Durchdringung der Auskoppelemente 6 von aus der Hintergrundbeleuchtung 2 herrührenden Lichtes möglich ist),
    • - wobei ferner eine Verteilung der Auskoppelelemente 6 sowie deren jeweilige Form auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des Lichtleiters 3 so vorgegeben ist, dass von den Leuchtmitteln 4 in den Lichtleiter 3 eingestrahltes und von den Auskoppelelementen 6 aus dem Lichtleiter 3 ausgekoppeltes Licht die folgenden Bedingungen erfüllt:
      • - mindestens 80% der aus einer der Großflächen insgesamt ausgekoppelten Lichtmenge wird innerhalb eines relativen Winkelbereichs von insgesamt maximal 60°, bevorzugt 40°, bezogen auf eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen abgestrahlt (z.B. im horizontalen Winkelbereich zwischen -20° und +20° für eine zentral fokussierte Lichtrichtung oder zwischen -30° und +10° für eine seitlich abgekippte Lichtrichtung)
      • - mehr als 50% der aus dem Lichtleiter 3 ausgekoppelten Lichtmenge werden entweder in Richtung von der Hintergrundbeleuchtung 2 weg oder in Richtung zu der Hintergrundbeleuchtung 2 hin abgestrahlt,
    • - wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung 2 aus- und die Leuchtmittel 4 eingeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Hintergrundbeleuchtung 2 eingeschaltet ist.
  • Die Vorzugsrichtungen liegen dabei senkrecht zueinander in einer Ebene auf dem Lichtleiter 3 bzw. auf der Fläche der Hintergrundbeleuchtung 2. Im Betrieb, beispielsweise in einem Zahlterminal oder in einem Auto, ist der Bildschirm 1 dann relativ zu seiner äußeren Umgebung fixiert und den Vorzugsrichtungen lassen sich beispielsweise die Begriffe „vertikal“ und „horizontal“ - unabhängig von einer „Portrait“- oder „Landscape“-Orientierung des Bildschirms 1 - zuordnen, die sich eigentlich auf das äußere Koordinatensystem der Umgebung beziehen. „Vertikal“ korrespondiert zu der Richtung von oben nach unten auf dem Bildschirm 1 und „horizontal“ zur Richtung von links nach rechts, wie in 8 mit der Richtung „H“ für Horizontal gezeigt.
  • In der Beleuchtungseinrichtung 1a besteht der Lichtleiter 3 beispielsweise aus einem transparenten Kunststoff oder aus Glas. So kann der Lichtleiter bzw. sein Substrat mindestens 40 Gewichtsprozent Polymethylmethacrylat, bevorzugt mindestens 60 Gewichtsprozent Polymethylmethacrylat, bezogen auf sein Gewicht, umfassen. Alternativ kann es sich beispielsweise um Polycarbonat (PC), COP oder PMMI handeln. Andere Ausgestaltungen sind möglich.
  • Die geforderten, für die Erfindung wesentlichen Eigenschaften für die Auskoppelelemente 6 hinsichtlich ihrer Anzahl pro Flächeneinheit, ihrer Form und Ausdehnung in drei Dimensionen sowie ihrer Verteilung auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des Lichtleiters können beispielsweise mit einer Optik-Simulationssoftware wie etwa „LightTools“ der Firma Synopsis oder anderer Anbieter bestimmt und dann entsprechend physisch umgesetzt werden.
    Die Struktur der Auskoppelelemente 6 kann vorgegeben werden, so dass die Wirkung eines jeden Auskoppelelements 6 zumindest näherungsweise bekannt ist und Eigenschaften des Lichtleiters 3 bzw. des aus dem Lichtleiter 3 tretenden Lichts gezielt durch eine vorgebbare Verteilung der Auskoppelelemente 6 sowie deren jeweilige Form festgelegt werden können.
  • Beispiele für mögliche hilfreiche dreidimensionale Formen der Auskoppelelemente 6 sind beschrieben in der US 2018 / 0 088 270 A1, hier insbesondere in den Zeichnungen 3A, 4B, 5A, 9 oder 10 in Zusammenspiel mit dem zugehörigen Beschreibungstext.
    In einer beispielhaften Ausgestaltung können derartige Auskoppelemente 6 in hoher Anzahl (z.B. mehrere Millionen Stück pro Quadratdezimeter) gemäß der vorgenannten 5A gleichmäßig oder mit variierender Dichte (insbesondere mit zunehmender Dichte bei zunehmenden Abstand von den Leuchtmitteln 4) auf der unteren Großfläche des Lichtleiters 3 verteilt sein, wobei sie einen durchschnittlichen Kippwinkel im Prisma von ca. 50 Grad aufweisen. Somit wird Licht fokussiert ausgekoppelt, wie für die Erfindung nötig.
  • Die oben beschriebene Abstrahlcharakteristik des Lichtleiters 3 wird im bisherigen Stand der Technik ohne zusätzliche Schichten wie etwa Reflektoren, BEF, DBEF, Prismenfolien und/oder Lamellenfiltern nicht erreicht. Die besondere Abstrahlcharakteristik dient hier insbesondere der Erzielung einer hinreichenden Effizienz der Lichtausbeute sowie der Fokussierung des Lichtes in der eingeschränkten Betriebsart B2, weil ein mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1a ausgestatteter Bildschirm 1 in dieser Betriebsart typischerweise nur aus einem engen Winkelbereich sichtbar sein soll.
  • Die Vorzugsrichtungen können dabei den oben genannten vertikalen bzw. horizontalen Richtungen in einem äußeren Bezugssystem entsprechen.
    In vielen Anwendungsfällen ist genau eine zur Flächennormalen senkrechte Vorzugsrichtung vorgegeben, die der horizontalen Richtung bezüglich der Ausrichtung des Bildgebers 5 entspricht.
  • In der ersten, uneingeschränkten Betriebsart nach 1 ist hier nun genau die Hintergrundbeleuchtung 2 eingeschaltet. Diese strahlt Licht in einen weiteren Winkelbereich ab, was durch die schwarzen Pfeile schemenhaft angedeutet ist. Dieses Licht durchdringt den transmissiven Bildgeber 5, beispielsweise ein LCD-Panel. Somit ist das auf dem Bildgeber 5 dargestellte Bild aus einem weiten Winkelbereich sichtbar.
  • Demgegenüber zeigt die 2 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1a im Zusammenspiel mit einem Bildgeber 5 im Modus B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus. Hier ist die Hintergrundbeleuchtung 2 ausgeschaltet, dafür sind jedoch die Leuchtmittel 4 eingeschaltet und koppeln Licht in den Lichtleiter 3 ein.
    Das seitlich von Leuchtmitteln 4 in den Lichtleiter 3 eingekoppelte Licht wird, von der unteren Großfläche des Lichtleiters 3, auf welcher sich die Auskoppelemente 6 befinden, ausgekoppelt und verlässt den Lichtleiter durch die obere Großfläche des Lichtleiters 3. In der horizontalen Richtung wird hier das Licht erfindungsgemäß in einen eingeschränkten Winkel aus der oberen Großfläche des Lichtleiters 3 ausgekoppelt. Die Auskoppelelemente 6 sind in der Zeichnung jedoch nur grob angedeutet, weil sie in der Realität mikroskopisch klein und in einer großen Vielzahl vorhanden sein müssen.
    Es wird also Licht von den Leuchtmitteln 4, z.B. von LEDs, seitlich in den Lichtleiter 3 eingekoppelt. Auf Grund von Totalreflexion werden Strahlen des eingekoppelten Lichts an der Außenwand wieder zurück in den Lichtleiter 3 geworfen, bis sie schließlich (ggf. zum wiederholten Mal) auf ein Auskoppelelement 6 zur gewünschten Auskopplung treffen. Die Auskopplung in einen eingeschränkten, definierten relativen Winkelbereich ist durch die eingezeichneten Strahlen angedeutet, welche hier im Wesentlichen parallel liegen. Die Darstellung in 2 ist zur besseren Erkennbarkeit stark stilisiert; in der Realität wird eine sehr große Vielzahl an Strahlengängen im Lichtleiter 3 umgesetzt.
  • Ferner stellt die 3 eine schematische Darstellung zum Verständnis der parallelen Projektion der Subpixel eines Bildgebers 5 auf die Auskoppelelemente 6 des Lichtleiters 3 dar. Mit RGB für rot-grün-blau sind hier die Subpixel stark vereinfacht angedeutet. Im rechten Teil der Zeichnung ist zu erkennen, dass bei Parallelprojektion zur Flächennormalen des Lichtleiters 3 jeweils Teile oder die ganze Oberfläche mindestens zweier (verschiedener) Auskoppelelemente 6 unterhalb eines jeden Subpixels des Bildgebers 5 angeordnet sind.
    Außerdem ist in 3 zu erkennen, dass die Auskoppelelemente 6 in ihrer Form sowie Anzahl pro Fläche und in ihrer Ausdehnung derart gewählt sind, dass jedes Auskoppelelement 6 jeweils bei der besagten Parallelprojektion in seinen horizontalen und vertikalen Abmessungen kleiner ist, als das Minimum aus Breite und Höhe der Subpixel des Bildgebers 5.
    Die Auskoppelelemente 6, welche in 3 stark stilisiert eingezeichnet sind, entsprechen hier beispielsweise prismenartigen, dreidimensionalen Strukturen.
  • Idealerweise wird der Lichtleiter 3 so umgesetzt, dass mehr als die Hälfte des von den Leuchtmitteln 4 in den Lichtleiter 3 eingestrahlten und von den Auskoppelelementen 6 aus dem Lichtleiter 3 ausgekoppelten und, wenn vorhanden, von den Fokussierelementen 6a in seinen Lichtausbreitungsrichtungen beeinflussten Lichtes bezogen auf die besagte eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen über die Fläche einen variierenden mittleren Abstrahlwinkel aufweist. Der mittlere Auskoppelwinkel ist somit veränderlich über die Fläche des Lichtleiters 3, wie im Beispiel nach 4 angedeutet. Im Zusammenspiel mit einem Bildgeber 5 ist dann das von einem Betrachter wahrnehmbare Bild auf selbigen Betrachter fokussiert. Das wäre z.B. nicht der Fall, wenn Licht durch -wie im Stand der Technik üblichparallele Mikrolamellen gebündelt würde, oder wenn das Licht wie schematisch in 1 gezeigt ausgekoppelt würde.
  • In den 5a-5c sind beispielhafte Diagramme für die aus dem Lichtleiter ausgekoppelten Lichtmengen über ausgewählte Winkelbereiche dargestellt. Dabei entspricht die Abszisse dem horizontalen oder vertikalen Lichtabstrahlwinkel und die Ordinate der normierten Lichtmenge, welche jeweils in den entsprechenden Winkel abgestrahlt wird (in Prozent). In allen drei Beispielen gilt stets, dass mindestens 80% der aus einer der Großflächen insgesamt ausgekoppelten Lichtmenge innerhalb eines definierten, relativen Winkelbereichs von insgesamt maximal 60°, bezogen auf eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen abgestrahlt wird.
    Im Beispiel nach 5a werden 100% des Lichtes (was praktisch sicherlich nur mit einigen Prozent Abweichung erreicht wird) innerhalb eines Winkelbereichs von -30° bis +30°, zusammen also einem Winkelbereich von 60°, abgestrahlt.
  • Im Beispiel nach 5b werden mehr als 90% des Lichtes innerhalb eines Winkelbereichs von - 30° bis +30°, zusammen also einem Winkelbereich von 60° abgestrahlt, was für die praktische Realisierung wahrscheinlicher ist.
    Im Beispiel nach 5c werden 100% des Lichtes (was praktisch sicherlich nur mit einigen Prozent Abweichung erreicht wird) innerhalb eines Winkelbereichs von -10° bis +50°, zusammen also einem Winkelbereich von 60°, abgestrahlt. Dies entspricht einer seitlich abgekippten Lichtrichtung.
  • Wenn Fokussierelemente 6a auf einer der Großflächen des Lichtleiters 3 vorhanden sind, so ist bevorzugt mindestens ein Teil der Auskoppelelemente 6 auf der gegenüberliegenden Großfläche angeordnet. In diesem Fall liegt optional der Fokus der Fokussierelemente 6a in oder nahe der Ebene der besagten gegenüberliegenden Großfläche. Besonders effizient wird die Lichtausrichtung durch die Fokussierelemente 6a dann, wenn der Fokus eines jedes Fokussierelements 6a jeweils in einem korrespondierenden Auskoppelement 6 liegt.
  • Die Fokussierelemente 6a sind ferner bevorzugt so umgesetzt, etwa durch Größe, Form und/oder Fokuslage, dass von der flächenartig ausgedehnten Hintergrundbeleuchtung 2 herrührendes und durch den Lichtleiter 3 hindurchdringendes Licht in seiner Intensität kaum (d.h. maximal 20% in der Gesamtsumme über den Halbraum) abgeschwächt wird.
    Dazu zeigt die 6 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1a für einen Bildschirm 1 mit einem transmissiven Bildgeber 5, wobei der Bildgeber 5 mit Pixeln, die ihrerseits aus Subpixeln zusammengesetzt sind, ausgebildet ist, und wobei die Beleuchtungseinrichtung 1a in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann. Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1a umfasst:
    • - eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung 2, die Licht in einen weiten Winkelbereich abstrahlt,
    • - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 2 gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter 3, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens eine Vielzahl an Auskoppelelementen 6 (von denen hier nur ein Teil und dieser auch übertrieben groß dargestellt ist) sowie Fokussierelemente 6a aufweist, wobei der Lichtleiter 3 für das von der Hintergrundbeleuchtung 2 ausgehende Licht zu mindestens 70% transparent ist,
    • - seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters 3 angeordnete Leuchtmittel 4,
    • - wobei die Auskoppelelemente 6 das von den Leuchtmitteln 4 herrührende und im Lichtleiter 3 aufgrund von Totalreflexion zwischen den Großfläche hin- und hergeworfene Licht dadurch auskoppeln, dass sie Funktionalflächen an Materialübergängen aufweisen (dabei kann es sich z.B. um die Brechzahländerung Lichtleitermaterial-Luft handeln, alternativ jedoch auch um eine Verspiegelung oder aufgebrachtes Gitter), die eine solche Struktur, beispielweise eine solche Neigung, aufweisen, dass auf sie auftreffendes Licht in einem definierten relativen Winkelbereich durch eine der Großflächen ausgekoppelt wird,
    • - wobei die Fokussierelemente 6a mindestens 50% des von den Auskoppelelementen 6 ausgekoppelten Lichtes wenigstens teilweise in dessen Lichtausbreitungsrichtungen einschränken,
    • - wobei weiterhin die Auskoppelelemente 6 in ihrer Form sowie Anzahl pro Fläche und in ihrer Ausdehnung derart gewählt sind, dass
      • - jedes Auskoppelelement 6 jeweils in seinen horizontalen und vertikalen Abmessungen kleiner ist, als das Minimum aus Breite und Höhe der Subpixel des Bildgebers 5,
      • - in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des Lichtleiters 3 jeweils Teile oder die ganze Oberfläche mindestens zweier Auskoppelelemente 6 unterhalb eines jeden Subpixels des Bildgebers 5 angeordnet sind,
      • - in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des Lichtleiters 3 der Füllfaktor der Auskoppelelemente 6 maximal 50% der Großfläche des Lichtleiters 3 beträgt,
    • - wobei ferner eine Verteilung der Auskoppelelemente 6 und der Fokussierelemente 6a, sowie deren jeweilige Form auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des Lichtleiters 3 so vorgegeben ist, dass von den Leuchtmitteln 4 in den Lichtleiter 3 eingestrahltes und von den Auskoppelelementen 6 aus dem Lichtleiter 3 ausgekoppeltes und von den Fokussierelementen 6a in seinen Lichtausbreitungsrichtungen beeinflusstes Licht, die folgenden Bedingungen erfüllt:
      • - mindestens 80% der aus einer der Großflächen insgesamt ausgekoppelten Lichtmenge wird innerhalb eines relativen Winkelbereichs von insgesamt maximal 60°, bevorzugt 40°, bezogen auf eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen abgestrahlt,
      • - mehr als 50% der aus dem Lichtleiter 3 ausgekoppelten Lichtmenge werden entweder in Richtung von der Hintergrundbeleuchtung 2 weg oder in Richtung zu der Hintergrundbeleuchtung 2 hin abgestrahlt,
    • - wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung 2 aus- und die Leuchtmittel 4 eingeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Hintergrundbeleuchtung 2 eingeschaltet ist.
  • Die Auskoppelelemente 6 und/oder die Fokussierelemente 6a weisen in allen Ausgestaltungen maximale Abmessungen von 100 µm, bevorzugt zwischen 8 µm und 30 µm auf.
  • Weiterhin bestehen die Auskoppelelemente 6 und/oder die Fokussierelemente 6a aus Mikrolinsen und / oder Mikroprismen und / oder diffraktiven Strukturen (Gittern) und / oder dreidimensionalen Strukturelementen, insbesondere dann, wenn sie an einer Großfläche des Lichtleiters ausgebildet sind. Besonders für die Auskoppelemente 6 kommen beispielsweise auch noch Streuelemente in Frage. Für die Fokussierelemente sind auch die Lichtrichtung einschränkende Mikrolamellen denkbar. Fernerhin können sowohl für die Auskoppelelemente 6 als auch für die Fokussierelemente 6a Kombinationen aus den vorgenannten Varianten eingesetzt werden. Andere Ausgestaltungen sind möglich, wie zum Beispiel prismenartige dreidimensionale Strukturen.
  • Die Auskoppelelemente 6 wie auch die Fokussierelemente 6a, wenn vorhanden, können bei der Herstellung des Lichtleiters 3 entsprechend anpassbarer und vorgebbarer Bedingungen für die Auskopplung des Lichts grundsätzlich auf verschiedene Weise in oder auf dem Lichtleiter 3 verteilt werden. Bei den Auskoppelelementen 6 handelt es sich um lokal begrenzte Strukturänderungen im Volumen oder/und auf den Oberflächen des Lichtleiters 3. Ausdrücklich nicht unter den Begriff des Auskoppelelements 6 wie auch des Fokussierelements 6a fallen daher zusätzliche optische Schichten, die auf den Flächen des Lichtleiters 3 angebracht werden, d.h. z.B. Diffusionsschichten, Reflexionsschichten oder (duale) helligkeitsverstärkende oder auch polarisationsrecycelnde Schichten ((dual) brightness enhancement film - (D)BEF). Diese, nicht unter den Begriff des „Auskoppelelements“ fallenden zusätzlichen Schichten liegen normalerweise im Bereich der Großflächen jedoch nur lose auf und bilden mit dem Lichtleiter 3 keine physische Einheit. Hingegen bilden auf die Großflächen aufgebrachte Lacke, die sich mit dem Lichtleiter 3 durch chemische Reaktionen verbinden, eine physische Einheit, sind nicht mehr voneinander zu trennen; solche Lacke zählen daher nicht als zusätzliche Schicht im oben genannten Sinne.
  • Ferner ist es denkbar, dass im Falle von aus Mikrolinsen und / oder Mikroprismen und / oder dreidimensionalen Strukturelementen bestehenden Auskoppelelementen 6 und/oder Fokussierelementen 6a diese wenigstens teilweise mit einer Verspiegelungsschicht überzogen sind. Dabei kann es sich um eine Vollverspiegelung oder eine Teilverspiegelung, insbesondere um eine winkelabhängige Verspiegelung, handeln.
  • Wenn die Auskoppelelemente 6 und/oder die Fokussierelemente 6a auf mindestens einer der Großflächen des Lichtleiters angebracht sind, so werden diese vorteilhaft aus einem mit einem Werkzeug strukturierten Polymer (z.B. Lack, Polymer, Kunststoff wie PC oder PMMA etc.), Silikon oder Glas gebildet, dessen Struktur vermittels eines Werkzeuges eingeprägt wurde. Dies ist z.B. in Massenproduktion möglich, indem auf ein Lichtleitersubstrat ein UV-härtendes Material - z.B. ein Lack, ein Monomer etc. - aufgebracht wird, welches vermittels eines Werkzeuges strukturiert und durch UV-Strahlung ausgehärtet, z.B. polymerisiert wird. Andere durch Strahlung härtende Materialien können ebenfalls eingesetzt werden. Die Ausbildung der Aussparungen zur Realisierung der Auskoppelelemente lässt sich beispielsweise mechanisch, lithographisch oder drucktechnisch realisieren, oder aber auch materialauftragend, -umwandelnd, -abtragend oder - auflösend.
    Damit können z.B. Gitterstrukturen, Mikroprismen - entweder konvex mit Kunststoffanteil auf der Oberfläche nach außen zeigend, und / oder konkav als Einprägung bzw. Aussparung innerhalb der Oberflächenschicht des strukturierten Kunststoffs -, sonstige dreidimensionale Strukturelemente mit anderen Formen, oder auch Mikrolinsen kostengünstig und mit Massenfertigungstauglichkeit umgesetzt werden. Konkav ausgebildete und konvex ausgebildete Strukturen können gleichermaßen zum Einsatz kommen.
    Als Auskoppelelemente 6 im Volumen kommen z.B. auch Nanopartikel wie etwa Titandioxid in Frage.
  • Es ist möglich, dass Auskoppelelemente 6 und/oder Fokussierelemente 6a auf beiden Großflächen und zusätzlich optional im Volumen angebracht sind.
  • Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn an der Schmalseite des Lichtleiters 3 gegenüber Lichteinkoppelseite der Leuchtmittel 4 eine absorbierende Schicht angeordnet ist, damit dort auftreffendes Licht nicht wieder zurückgeworfen und unter Umständen in ungewünschte Winkel ausgekoppelt wird.
  • Die Erfindung wird, wie in den Zeichnungen 1, 2, 4 und 8 dargestellt, bevorzugt mit einem Bildschirm umgesetzt, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, und welcher mindestens folgende Komponenten umfasst:
    • - eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung 1a, sowie
    • - einen in Betrachtungsrichtung vor dem Lichtleiter 3 angeordneten transmissiven Bildgeber 5.
  • Im Folgenden wird als Bildgeber 5 ein LCD-Panel in Betracht gezogen. Dabei kann vorteilhaft oberhalb oder unterhalb des Lichtleiters 3 mindestens ein Polarisationsfilter (dieser polarisiert Licht i.d.R. linear und seine Polarisationsrichtung liegt parallel zur eingangsseitigen Polarisationsrichtung des LCD-Panels) angeordnet sein. Ist ein solcher Polarisationsfilter in Betrachtungsrichtung hinter dem Lichtleiter 3 vorgesehen, so wird vom LCD-Panel zurückgeworfenes Licht, welches nicht parallel zur eingangsseitigen Polarisationsrichtung des LCD-Panels polarisiert ist, absorbiert und somit nicht gestreut in bzw. durch den Lichtleiter 3 zurückgeworfen, was für die Qualität des Sichtmodus B2 von Vorteil ist. Liegt hingegen der besagte Polarisationsfilter in Betrachtungsrichtung vor dem Lichtleiter 3, so wird dort vom LCD-Panel zurückgeworfenes Licht, welches nicht parallel zur eingangsseitigen Polarisationsrichtung des LCD-Panels polarisiert ist, absorbiert. Dies bedeutet, dass vorteilhaft vom LCD-Panel kein oder nahezu kein Licht auf den Lichtleiter 3 zurückgeworfen wird, weil dieses im Lichtleiter 3 wiederum als Streulicht auf das Panel zurückgeworfen werden könnte, was den Sichtmodus B2 verschlechtern kann.
  • Das besagte LCD-Panel als Bildgeber 5 weist bevorzugt einen maximalen „Haze-Wert“ von höchstens 10% und/oder eine maximale, vordefinierte Streueigenschaft auf. Letztere könnte beispielsweise lauten, dass mindestens 90% des das LCD-Panel durchdringenden Lichtes beim Durchgang durch selbiges um höchstens 10° gestreut wird.
  • Vorteilhaft kann, wie in 7 gezeigt, die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1a im Zusammenspiel mit einem LCD-Panel als Bildgeber 5 zum Recycling von für das LCD-Panel eingangsseitig unpassend polarisiertem Licht derart ausgebildet werden, indem sie weiterhin folgendes umfasst:
    • - ein in Betrachtungsrichtung vor dem plattenförmigen Lichtleiter 3 gelegenes optisches Element 8, welches Licht einer ersten Polarisationsart transmittiert (diese Polarisationsart entspricht der eingangsseitigen Polarisation des besagten LCD-Panels) und Licht einer zweiten Polarisationsart reflektiert, (bei dem optischen Element 8 kann es sich beispielsweise um einen Wiregrid-Polarisator handeln),
    • - ein in Betrachtungsrichtung hinter dem plattenförmigen Lichtleiter 3 gelegenes optisches Element 9, welches in einer ersten Alternative als schaltbarer Spiegel ausgebildet ist und aus Richtung des Lichtleiters 3 herrührendes Licht wahlweise reflektiert, welches in einer zweiten Alternative permanent Licht gleichzeitig teilweise reflektiert und transmittiert, oder welches in einer dritten Alternative Licht polarisationsabhängig reflektiert und/oder transmittiert.
  • In diesem nutzbringenden Aufbau wird das Licht der zweiten Polarisationsart, welches ansonsten am eingangsseitigen Polarisationsfilter des LCD-Panels absorbiert würde und somit für die Leistungsbilanz nicht mehr zur Verfügung stünde, durch den Lichtleiter 3 hindurch auf das optische Element 9 zurückgeworfen. Selbiges optisches Element 9 wiederum sendet mindestens einen Teil des vom optischen Element 8 herrührenden und auf es auftreffenden Lichtes wieder in Richtung LCD-Panel zurück. Dabei wird aufgrund der Reflexion und/oder des Durchgangs durch den mit Auskoppelementen 6 und optional mit Fokussierelementen 6a bestückten Lichtleiter 3 wenigstens ein Teil dieses Lichtes anders polarisiert, so dass dieses durch den eingangsseitigen Polarisator des LCD-Panels hindurch dring und die Effizienz des Aufbaus steigert. Idealerweise ist in dieser Ausgestaltung der Lichtleiter 3 als nicht oder nahezu nicht doppelbrechend umgesetzt, damit das Polarisationsrecycling ohne sichtbare Farbmuster funktioniert.
  • Verschiedene Auskoppelelemente 6 können im Übrigen unterschiedliche Formen und / oder Größen aufweisen.
  • Ferner ist es für einige Anwendungen vorteilhaft, dass der besagte eingeschränkte Winkelbereich für die Betriebsart B2 asymmetrisch um die Flächennormale der Hintergrundbeleuchtung ausgebildet ist. Die asymmetrische Ausbildung erfolgt bevorzugt in einer der Vorzugsrichtungen. Dies ist insbesondere bei Anwendungen im Fahrzeug hilfreich, etwa wenn ein mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung zu kombinierender Bildschirm als sogenanntes Center-Information-Display im Armaturenbrett etwa in der Mitte zwischen Fahrer und Beifahrer angeordnet ist. Dann muss der in der Betriebsart B2 ausschließlich für den Beifahrer freigegebene, eingeschränkte Winkelbereich für die Sicht asymmetrisch gestaltet, also auf den Beifahrer gerichtet, sein. Die Vorzugsrichtung, in welcher die Asymmetrie ausgebildet ist, entspricht hier der Horizontalen.
    Es ist aber auch möglich, dass hier keine Asymmetrie ausgebildet ist. Dann würde der erfindungsgemäße Bildschirm 1 direkt vor dem Beifahrer angeordnet sein.
  • Die Hintergrundbeleuchtung 1a besteht beispielsweise aus einer für ein LCD typischen Backlight-Unit mit einem Lichtleiter, der von Leuchtmitteln mit Licht gespeist wird, einem Diffuser, mindestens einer Prismenfolie und ggf. einem polarisierenden Reflektor (3M DBEF™ oder Wiregrid-Polarisator) dessen Polarisationstransmission mit der Polarisationstransmission des eingangsseitigen Polarisators des LCD-Panels übereinstimmt sowie rückseitig einem Reflektor. Andere Ausgestaltungen sind möglich. Entsprechend kann also die Hintergrundbeleuchtung grundsätzlich aufgebaut sein wie ein LED-Backlight, beispielsweise als sogenanntes Side-light, Edgelight, Direct LED Backlight, edge LED Backlight, OLED oder als ein anderer Flächenstrahler
  • Auf der Oberseite des Bildgebers 5 und / oder auf mindestens einer der Großflächen des Lichtleiters 3 können Mittel zur Reflexminderung oder -steuerung, beispielsweise eine Antiglare- und / oder eine Antireflexbeschichtung, angeordnet sein.
  • In allen vorgenannten Ausgestaltungen können die besagten Leuchtmittel LEDs bzw. LED-Zeilen oder Laserdioden sein. Andere Varianten sind denkbar und liegen im Rahmen der Erfindung.
  • Ist ein besonders heller Modus für die Frontansicht gewünscht, dann können in der Betriebsart B1 die Leuchtmittel 4 gleichfalls eingeschaltet sein, was zeichnerisch nicht dargestellt ist.
  • Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1a und der damit umsetzbare Bildschirm lösen die gestellte Aufgabe: Es werden praktisch gut umsetzbare Lösungen erlaubt, um eine sichere Darstellung von Informationen durch einen wahlweise eingeschränkten Betrachtungswinkel zu realisieren, während in einer weiteren Betriebsart eine freie, im Betrachtungswinkel uneingeschränkte, Sicht möglich ist. Die Erfindung ist mit einfachen Mitteln preisgünstig realisierbar. In beiden Betriebsarten ist die native Auflösung der verwendeten Bildwiedergabeeinrichtung nutzbar. Außerdem wird nur ein geringer Lichtverlust durch die Lösung eingeführt.
  • Die vorangehend beschriebene Erfindung kann vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und / oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe oder beim Lesen von Emails auf mobilen Geräten. Die Erfindung kann -wie weiter oben beschriebenauch im PKW angewendet werden.

Claims (13)

  1. Beleuchtungseinrichtung (1a) für einen Bildschirm (1) mit einem transmissiven Bildgeber (5), wobei der Bildgeber (5) mit Pixeln, die ihrerseits aus Subpixeln zusammengesetzt sind, ausgebildet ist, und wobei die Beleuchtungseinrichtung (1a) in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend - eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung (2), die Licht in einen weiten Winkelbereich abstrahlt, - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung (2) gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter (3), welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens eine Vielzahl an Auskoppelelementen (6) sowie optional Fokussierelementen (6a) aufweist, wobei der Lichtleiter (3) für das von der Hintergrundbeleuchtung (2) ausgehende Licht zu mindestens 70% transparent ist, - seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters (3) angeordnete Leuchtmittel (4), - wobei die Auskoppelelemente (6) das von den Leuchtmitteln (4) herrührende und im Lichtleiter (3) aufgrund von Totalreflexion zwischen den Großfläche hin- und hergeworfene Licht dadurch auskoppeln, dass sie Funktionalflächen an Materialübergängen aufweisen, die eine solche Struktur, beispielweise eine solche Neigung, aufweisen, dass auf sie auftreffendes Licht in einem definierten relativen Winkelbereich durch eine der Großflächen ausgekoppelt wird, - wobei die Fokussierelemente (6a), wenn vorhanden, mindestens 50% des von den Auskoppelelementen (6) ausgekoppelten Lichtes wenigstens teilweise in dessen Lichtausbreitungsrichtungen einschränken, - wobei weiterhin die Auskoppelelemente (6) in ihrer Form sowie Anzahl pro Fläche und in ihrer Ausdehnung derart gewählt sind, dass - jedes Auskoppelelement (6) jeweils in seinen horizontalen und vertikalen Abmessungen kleiner ist, als das Minimum aus Breite und Höhe der Subpixel des Bildgebers (5), - in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des Lichtleiters (3) jeweils Teile oder die ganze Oberfläche mindestens zweier Auskoppelelemente (6) unterhalb eines jeden Subpixels des Bildgebers (5) angeordnet sind, - in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des Lichtleiters (3) der Füllfaktor der Auskoppelelemente (6) maximal 50% der Großfläche des Lichtleiters (3) beträgt, - wobei ferner eine Verteilung der Auskoppelelemente (6) und, wenn vorhanden, der Fokussierelemente (6a), sowie deren jeweilige Form auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des Lichtleiters (3) so vorgegeben ist, dass von den Leuchtmitteln (4) in den Lichtleiter (3) eingestrahltes und von den Auskoppelelementen (6) aus dem Lichtleiter (3) ausgekoppeltes und, wenn vorhanden, von den Fokussierelementen (6a) in seinen Lichtausbreitungsrichtungen beeinflusstes Licht, die folgenden Bedingungen erfüllt: - mindestens 80% der aus einer der Großflächen insgesamt ausgekoppelten Lichtmenge wird innerhalb eines relativen Winkelbereichs von insgesamt maximal 60°, bevorzugt 40°, bezogen auf eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen abgestrahlt, und - mehr als 50% der aus dem Lichtleiter (3) ausgekoppelten Lichtmenge werden entweder in Richtung von der Hintergrundbeleuchtung (2) weg oder in Richtung zu der Hintergrundbeleuchtung (2) hin abgestrahlt, - wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung (2) aus- und die Leuchtmittel (4) eingeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Hintergrundbeleuchtung (2) eingeschaltet ist.
  2. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau eine zur Flächennormalen senkrechte Vorzugsrichtung vorgegeben ist und diese der horizontalen Richtung bezüglich der Ausrichtung des Bildgebers (5) entspricht.
  3. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als die Hälfte des von den Leuchtmitteln (4) in den Lichtleiter (3) eingestrahlten und von den Auskoppelelementen (6) aus dem Lichtleiter (3) ausgekoppelten und, wenn vorhanden, von den Fokussierelementen (6a) in seinen Lichtausbreitungsrichtungen beeinflussten Lichtes bezogen auf die besagte eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen über die Fläche einen variierenden mittleren Abstrahlwinkel aufweist.
  4. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn Fokussierelemente (6a) auf einer der Großflächen vorhanden sind, mindestens ein Teil der Auskoppelelemente (6) auf der gegenüberliegenden Großfläche angeordnet sind, wobei optional der Fokus der Fokussierelemente in oder nahe der Ebene der besagten gegenüberliegenden Großfläche liegt.
  5. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelelemente (6) und/oder die Fokussierelemente (6a) maximale Abmessungen von 100 µm, bevorzugt zwischen 8 µm und 30 µm aufweisen.
  6. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelelemente (6) und/oder die Fokussierelemente (6a) aus Mikrolinsen und / oder Mikroprismen und / oder dreidimensionalen Strukturelementen und / oder diffraktiven Strukturen und / oder Streuelementen bestehen.
  7. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von aus Mikrolinsen und / oder Mikroprismen und / oder dreidimensionalen Strukturelementen bestehenden Auskoppelelementen (6) und/oder Fokussierelementen (6a) diese wenigstens teilweise mit einer Verspiegelungsschicht überzogen sind.
  8. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit innerhalb des Volumens des Lichtleiters (3) ausgebildeten Auskoppelelementen (6) und/oder Fokussierelementen (6a), dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelelemente als Hohlräume ausgebildet sind, welche bevorzugt die äußere Form von Mikrolinsen, Mikroprismen, diffraktiven Strukturen, Nanopartikeln und / oder dreidimensionalen Strukturelementen aufweisen.
  9. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelelemente (6) und/oder die Fokussierelemente (6a), wenn diese auf mindestens einer der Großflächen oder Grenzflächen des Lichtleiters (3) angebracht sind, aus einem mit einem Werkzeug, vorzugsweise mechanisch, lithographisch, drucktechnisch oder materialauftragend, materialabtragend, -umwandelnd oder -auflösend, strukturierten Polymer oder Glas gebildet sind.
  10. Bildschirm (1), der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend - eine Beleuchtungsanordnung (1a) gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, sowie - einen in Betrachtungsrichtung vor dem Lichtleiter (3) angeordneten transmissiven Bildgeber (5).
  11. Bildschirm (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Betrachtungsrichtung vor dem Bildgeber (5) ein weiterer Lichtleiter (5a) mit Mitteln zur Auskopplung von Licht angeordnet ist, der seitlich von Leuchtmitteln (4a) mit Licht gespeist werden kann, wobei der weitere Lichtleiter (5a) bevorzugt mit Auskoppelelementen (6) ausgebildet ist.
  12. Bildschirm (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildgeber (5) ein LCD-Panel ist und oberhalb oder unterhalb des Lichtleiters (3) ein Polarisationsfilter angeordnet ist.
  13. Bildschirm (1) nach Anspruch 10, 11 oder 12, weiterhin umfassend: - ein in Betrachtungsrichtung vor dem plattenförmigen Lichtleiter (3) gelegenes optisches Element (8), welches Licht einer ersten Polarisationsart transmittiert und Licht einer zweiten Polarisationsart reflektiert, - ein in Betrachtungsrichtung hinter dem plattenförmigen Lichtleiter (3) gelegenes optisches Element (9), welches in einer ersten Alternative als schaltbarer Spiegel ausgebildet ist und aus Richtung des Lichtleiters (3) herrührendes Licht wahlweise reflektiert, welches in einer zweiten Alternative permanent Licht gleichzeitig teilweise reflektiert und transmittiert, oder welches in einer dritten Alternative Licht polarisationsabhängig reflektiert und/oder transmittiert.
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