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Gebiet der Erfindung
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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.
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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.
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Stand der Technik
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Zusatzfolien, die auf Mikrolamellen basieren, wurden bereits für mobile Displays eingesetzt, um deren visuellen 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 braucht. Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes solcher Lamellenfolien ist ferner mit den einhergehenden Lichtverlusten verbunden.
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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.
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In der
CN 107734118 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.
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Die
US 2007/0030240 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.
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In der
CN 1987606 A wird wiederum ein Bildschirm beschrieben, der mittels zwei Hintergrundbeleuchtungen den Betrachtungswinkel eines Bildschirms kontrollierbar gestaltet.
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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 fokussierten Lichtauskopplung mit entsprechenden Winkelbedingungen werden nicht offenbart.
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Weiterhin offenbart die
CN 106195766 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.
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Ferner beschreibt die
US 2018/0267344 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 hindurchtreten, welches über Streuelemente verfügt. Somit ist eine starke Lichtfokussierung für einen Sichtschutz nicht optimal umsetzbar.
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Weiterhin offenbart die
WO 2017/065745 A1 eine Hintergrundbeleuchtung zum Erzielen eines Sichtschutzes. Dabei kommen zwei Lichtleiter zum Einsatz, die jeweils an ihren Unterseiten Prismen mit definierten Oberflächenneigungen und -form aufweisen. Je nach Ausgestaltung dieser Prismen und Einkopplung des Lichtes wahlweise in den ersten oder zweiten Lichtleiter werden dann bestimmte Winkelbereiche vor den Lichtleitern beleuchtet, oder nicht. Nachteilig ist hierbei, dass die erreichbaren Sichtschutzeffekte limitiert sind. Ebenso ist im freien Ansichtsmodus nur eine limitierte Homogenität möglich.
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Ferner beschreibt die
US 2019/0146137 A1 eine Hintergrundbeleuchtung und einen Bildschirm. Zur Erzielung einer wahlweise freien oder geschützten Ansicht enthält die Hintergrundbeleuchtung einen Lichtleiter mit einer Vielzahl von Strukturen zur Reflexion und Auskopplung von Licht. Charakteristisch dabei ist, dass die Lichteinfallsrichtung in den Lichtleiter bestimmt, ob das Licht in einen schmalen oder einen breiten Winkel aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird. Auch hier ist nachteilig, dass die erreichbaren Sichtschutzeffekte limitiert sind. Auch hier ist im freien Ansichtsmodus nur eine limitierte Homogenität möglich.
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Darüber hinaus offenbart die
WO 2017/089482 A1 der Anmelderin einen Bildschirm für eine freie und eine eingeschränkte Betriebsart. Dabei kommen innerhalb einer Hintergrundbeleuchtung zwei flächige Lichtquellen zum Einsatz, zwischen denen zum Wechsel der Betriebsart umgeschaltet wird. Zum Überblenden von Restlicht in der in der Sicht eingeschränkten Betriebsart wird hier ein in Betrachtungsrichtung vor dem Bildschirm angeordneter, zusätzlicher Lichtleiter verwendet. Nachteilig ist dabei, dass der vorgenannte zusätzliche Lichtleiter für den Betrachter im geschützten Modus -je nach Ausgestaltung- den Bildkontrast herabsetzen kann.
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Außerdem beschreibt die
DE 10 2019 002 764 A1 der Anmelderin einen Bildschirm mit einer Hintergrundbeleuchtung, in der wiederum zwei flächige Lichtquellen zum Einsatz kommen, und zwischen denen zum Wechsel der Betriebsart (Sichtschutz oder freier Modus) umgeschaltet wird. Charakteristisch in dieser Schrift ist, dass ein als flächige Lichtquelle verwendeter Lichtleiter hier aus der Großfläche herausragende Strukturelemente aufweist, um ein Ankleben einer benachbarten optischen Komponente zu vermeiden. Nachteilig ist hierbei, dass die Strukturelemente -je nach Ausgestaltung- die Güte des Sichtschutzes beeinträchtigen können.
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Schließlich offenbart die
US 2007/0008456 A1 die Aufteilung eines Lichtabstrahlwinkels in mindestens drei Bereiche, wobei in der Regel zwei Bereiche davon mit Licht beaufschlagt werden. Hieraus ergibt sich, dass ein so beleuchtetes Display aus mehr als einer Richtung sichtbar ist. Damit ist der Sichtschutz unzureichend.
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Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und / oder eine aufwändige sowie teure Herstellung erfordern und / oder die Auflösung im frei sichtbaren Modus reduzieren und / oder nur einen beschränkten Sichtschutz ermöglichen.
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Beschreibung der Erfindung
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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.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm mit einem transmissiven Bildgeber, wobei der Bildgeber mit Pixeln 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, welche Licht in einen eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt,
- - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung gelegenen, plattenförmigen ersten Lichtleiter, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist,
- - seitlich an Schmalseiten des ersten Lichtleiters angeordnete Leuchtmittel,
- - wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung ein- und die Leuchtmittel ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel eingeschaltet sind,
- - wobei ferner die Hintergrundbeleuchtung mindestens umfasst
- i. einen plattenförmigen zweiten Lichtleiter, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens eine Vielzahl an Auskoppelelementen aufweist, sowie
- ii. seitlich an Schmalseiten des zweiten Lichtleiters angeordnete Leuchtmittel, (zu den Leuchtmitteln gibt es selbstredend eine geeignete Ansteuerelektronik. Ferner kann in Betrachtungsrichtung hinter dem zweiten Lichtleiter ein Reflektor bzw. einen Spiegel und/oder vor den zweiten Lichtleiter z.B. ein Lamellenfilter und/oder ein Prismenraster zur weiteren Fokussierung des Lichtes angeordnet sein.),
- - wobei ferner die Auskoppelelemente das von den Leuchtmitteln herrührende und im zweiten Lichtleiter 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 Winkel durch eine der Großflächen ausgekoppelt wird,
- - und wobei ferner eine Verteilung der Auskoppelelemente und/oder deren jeweilige Form auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des zweiten Lichtleiters so vorgegeben ist, dass von den Leuchtmitteln in den zweiten Lichtleiter eingestrahltes und von den Auskoppelelementen aus dem zweiten Lichtleiter ausgekoppeltes und in seinen Lichtausbreitungsrichtungen beeinflusstes Licht, die folgenden Bedingungen erfüllt:
- - mindestens 80% der aus einer der Großflächen insgesamt ausgekoppelten Lichtmenge wird innerhalb eines eingeschränkten, 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 zweiten Lichtleiter ausgekoppelten Lichtmenge werden entweder in Richtung der Rückseite der des zweiten Lichtleiters (z.B. auf einen
Reflektor oder Spiegel) oder in Richtung der Vorderseite des zweiten Lichtleiters hin abgestrahlt,
- - wobei schließlich 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 Pixel oder, wenn vorhanden, der Subpixel des Bildgebers, und dass
- - in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des zweiten Lichtleiters jeweils Teile oder die ganze Oberfläche mindestens zweier Auskoppelelemente unterhalb eines jeden Pixels, oder, wenn vorhanden, eines jeden Subpixels des Bildgebers angeordnet sind.
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Die Pixel des Bildgebers können optional ihrerseits aus Subpixeln zusammengesetzt sein.
Bevorzugt ist jede Abmessung der besagten Auskoppelelemente in Höhe, Tiefe und Breite sogar um einen Faktor 1,3; 1,5 oder 2,0 kleiner als das Minimum aus Breite und Höhe der Subpixel des verwendeten Bildgebers. Das Bild wird auf diese Weise homogener und es lassen sich Überlagerungserscheinungen von Strukturmuster und Subpixelmuster u.U. vermeiden.
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Es handelt sich also bei dem zweiten Lichtleiter um einen gerichteten Lichtleiter.
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Idealerweise werden von dem zweiten Lichtleiter sogar über 90% oder über 95% der aus einer der Großflächen insgesamt ausgekoppelten Lichtmenge innerhalb eines eingeschränkten, relativen Winkelbereichs von insgesamt maximal 60°, bevorzugt 40°, bezogen auf eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen, abgestrahlt, so dass das Licht in einen eingeschränkten Winkelbereich emittiert wird.
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Kleine Lichtmengen von weniger als 1% bis 5% Maximal-Helligkeit können bei der Definition des eingeschränkten Winkelbereichs außer Betracht bleiben.
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Die plattenförmigen ersten und zweiten Lichtleiter weisen mit mindestens vier Schmalseiten und zwei Großflächen auf, wobei beide Lichtleiter für das von der Hintergrundbeleuchtung ausgehende Licht zu mindestens 70% transparent ist.
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Die seitlich an Schmalseiten der Lichtleiter angeordneten Leuchtmittel, befinden sich bevorzugt an einer oder beiden Lang- oder Kurzseiten des jeweiligen Lichtleiters.
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Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß auch gelöst von einer Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm mit einem transmissiven Bildgeber, wobei der Bildgeber mit Pixeln 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, welche Licht in einen eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt,
- - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung gelegenen, plattenförmigen ersten Lichtleiter, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist,
- - seitlich an Schmalseiten des ersten Lichtleiters angeordnete Leuchtmittel,
- - wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung ein- und die Leuchtmittel ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel eingeschaltet sind,
- - wobei die Hintergrundbeleuchtung mindestens umfasst
- i. einen plattenförmigen zweiten Lichtleiter, welcher auf oder oberhalb einer ersten Großfläche eine Vielzahl an Fokussierelementen und mindestens auf der dieser ersten Großfläche gegenüberliegenden zweiten Großfläche eine Vielzahl an Auskoppelelementen aufweist sowie,
- ii. seitlich an Schmalseiten des zweiten Lichtleiters angeordnete Leuchtmittel,
- - wobei die Auskoppelelemente das von den Leuchtmitteln herrührende und im zweiten Lichtleiter 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 Winkel durch eine der Großflächen ausgekoppelt wird,
- - wobei weiterhin die Fokussierelemente mindestens 50% des von den Auskoppelelementen ausgekoppelten Lichtes wenigstens teilweise in dessen Lichtausbreitungsrichtungen einschränken, und
- - wobei schließlich eine Verteilung der Auskoppelelemente und der Fokussierelemente, und/oder deren jeweilige Form auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des Lichtleiters so vorgegeben ist, dass von den Leuchtmitteln in den zweiten Lichtleiter eingestrahltes und von den Auskoppelelementen aus dem zweiten Lichtleiter ausgekoppeltes und 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 eingeschränkten, 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 zweiten Lichtleiter ausgekoppelten Lichtmenge werden entweder in Richtung der Rückseite der des zweiten Lichtleiters oder in Richtung der Vorderseite des zweiten Lichtleiters hin abgestrahlt.
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Wenn die Fokussierelemente oberhalb des zweiten Lichtleiters angeordnet sind, so sollten diese vorzugsweise auf einem dünnen, transparenten Trägersubstrat, wie z.B. einer PET- oder Polycarbonatfolie, aufgebracht sein. Dieses Trägersubstrat mit den Fokussierelementen würde dann unmittelbar auf dem zweiten Lichtleiter aufliegen, ohne aber mit diesem eine mechanische Einheit zu bilden. Mithin gibt es dann einen sehr kleinen, aber optisch wirksamen Luftspalt zwischen dem Trägersubstrat und dem zweiten Lichtleiter.
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Das besagte Trägersubstrat kann auf derjenigen Fläche, auf der nicht die Fokussierelemente angeordnet sind, zusätzlich auch noch eine winkelabhängige Verspiegelung umfassen, beispielsweise eine Verspiegelung, die Licht oberhalb bestimmter Grenzwinkel zurückwirft, das Licht aber ansonsten in das Trägersubstrat passieren lässt.
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Grundsätzlich könnte das Trägersubstrat jedoch auch an den zweiten Lichtleiter auch anliminiert werden, um mit ihm eine Einheit zu bilden. Dann muss aber die Bedingung erfüllt sein, dass der Kleber für den Laminierprozess nach Aushärten einen kleineren Brechungsindex aufweist, als das Material des zweiten Lichtleiters, um dessen Lichtleitereffekt nicht zu verschlechtern bzw. um nicht Licht ungewollt auszukoppeln.
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Im Folgenden beziehen sich die Begriffe „vertikal“ und „horizontal“ zunächst allgemein auf zwei senkrecht zueinander liegende Vorzugsrichtungen auf der Fläche der Hintergrundbeleuchtung oder einer Großfläche eines Lichtleiters, die im Betrieb je nach Orientierung des mit der Beleuchtungseinrichtung verwendeten, in der Regel fixierten Bildgebers, einer tatsächlich in Bezug auf die Position eines Betrachters und damit der Erdoberfläche horizontalen oder vertikalen Richtung entsprechen.
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Bevorzugt gilt jedoch, dass genau eine zur besagten Flächennormalen senkrechte Vorzugsrichtung vorgegeben ist und diese der horizontalen Richtung bezüglich der Ausrichtung des Bildgebers entspricht.
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Weiterhin kann die Hintergrundbeleuchtung mindestens ein isotropes oder anisotropes Prismenraster mit nach innen oder außen zeigenden Prismen und/oder ein Hologramm und/oder mindestens einen Lamellenfilter umfassen, um die Lichtfokussierung in den relativen Winkelbereich von insgesamt maximal 60°, bevorzugt 40°, zu unterstützen. Im Falle eines Prismenrasters kann dieses auf derjenigen Fläche, auf der nicht die Prismen angeordnet sind, zusätzlich auch noch eine winkelabhängige Verspiegelung umfassen, beispielsweise eine Verspiegelung, die Licht oberhalb bestimmter Grenzwinkel zurückwirft, das Licht aber ansonsten in die optische Schicht passieren lässt.
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Es ist auch möglich, dass mehr als die Hälfte des von den Leuchtmitteln in den zweiten Lichtleiter eingestrahlten und von den Auskoppelelementen aus dem zweiten 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. Das bedeutet, dass das Licht nicht über die gesamte Fläche des zweiten Lichtleiters primär senkrecht ausgekoppelt wird, sondern vielmehr, dass das ausgekoppelte Licht auf einen externen Fokuspunkt, der beispielsweise 50 cm oder 90 cm vom zweiten Lichtleiter entfernt liegt, fokussiert sein kann.
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Fokussierelemente auf oder oberhalb einer ersten Großfläche des zweiten Lichtleiters werden z.B. als Mikrolinsen oder Lentikulare ausgebildet.
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Allgemein gilt, dass die Auskoppelelemente und/oder die Fokussierelemente maximale Abmessungen von 100 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 30 µm, aufweisen.
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Die Auskoppelelemente zur Auskopplung von Licht an mindestens einer der Großflächen der Lichtleiter und/oder die Fokussierelemente bestehen bevorzugt aus Mikrolinsen und / oder Mikroprismen und / oder diffraktiven Strukturen und / oder dreidimensionalen Strukturelementen und / oder Streuelementen mit einer maximalen Ausdehnung in ihrer größten Dimension, die kleiner als 35 Mikrometer, bevorzugt kleiner als 15 Mikrometer, ist. Im Falle von diffraktiven Strukturen kann es sich beispielsweise um ein Hologramm bzw. ein Gitter/Beugungsgitter handeln. Die Auskoppelelemente, insbesondere im Falle von Mikroprismen, Mikrolinsen oder dreidimensionalen Strukturelementen, können auch reflektierend beschichtet sein, um die Effizienz zu erhöhen.
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Wenn die Auskoppelelemente oder auch die Fokussierelemente auf mindestens einer der Großflächen des Lichtleiters angebracht sind, so werden diese vorteilhaft aus einem mit einem Werkzeug strukturierten Kunststoff bzw. Polymer 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.
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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.
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Es ist möglich, dass Auskoppelelemente auf beiden Großflächen und zusätzlich optional im Volumen angebracht sind.
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Sie können auch als Hohlräume ausgestaltet werden, die dann im Volumen eines Lichtleiters ausgebildet sind. Die Hohlräume können luftleer sein, sind aber bevorzugt mit einem gasförmigen, flüssigen oder festen Material ausgefüllt. Das Material weist einen Brechungsindex auf, der von dem des für den Lichtleiter verwendeten Materials abweicht; bevorzugt ist er geringer. Durch die Befüllung mit Material und durch die Materialwahl kann man Einfluss auf die Lichtleitung bzw. -auskopplung nehmen. Alternativ oder ergänzend weicht auch der Haze-Wert des Materials bevorzugt von demjenigen des für den Lichtleiter verwendeten Materials ab, er ist bevorzugt höher. Vorteile dieser Ausgestaltungen sind höhere Effizienz bei der Lichtauskopplung.
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Alternativ und technisch einfacher können die Hohlräume auch gebildet werden, wenn man den Lichtleiter aus zwei miteinander verbundenen Substratschichten bildet, die Substratschichten sind dabei bevorzugt gleichartig. Die Verbindung kann chemisch beispielsweise durch Kleben erfolgen. Die Hohlräume sind dann als Materialaussparungen an mindestens einer der Grenzflächen der Substratschichten ausgebildet.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn eine Verteilung der Auskoppelelemente auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des ersten Lichtleiters so vorgegeben ist, dass von den Leuchtmitteln in den ersten Lichtleiter eingestrahltes und von den Auskoppelelementen aus dem ersten Lichtleiter ausgekoppeltes Licht die folgenden Bedingungen erfüllt:
- - mindestens 50% der auf einer der Großflächen zwischen einem Winkelbereich von -50° und +50° zur Flächennormalen der Großfläche ausgekoppelten Lichtmenge wird zwischen einem Winkelbereich von -20° und +20° bezogen auf eine oder zwei vorgegebene, zueinander und zur Flächennormalen senkrechte Vorzugsrichtungen abgestrahlt, und / oder mindestens 70% der auf einer der Großflächen zwischen einem Winkelbereich von -50° und +50° zur Flächennormalen der Großfläche ausgekoppelten Lichtmenge wird zwischen einem Winkelbereich von -30° und +30° bezogen auf die eine oder zwei Vorzugsrichtungen abgestrahlt, und
- - mindestens 50% der aus dem ersten Lichtleiter ausgekoppelten Lichtmenge werden in Richtung von der Hintergrundbeleuchtung weg oder zu ihr hin ausgekoppelt.
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Die Auskoppelelemente können bei der Herstellung des Lichtleiters entsprechend anpassbarer und vorgebbarer Bedingungen für die Auskopplung des Lichts grundsätzlich auf verschiedene Weise in oder auf dem jeweiligen 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 oder (duale) helligkeitsverstärkende oder auch polarisationsrecycelnde Schichten ((dual) brightness enhancement film - (D)BEF). Diese, nicht unter den Begriff des „Auskoppelelements“ fallenden zusätzlichen Schichten werden üblicherweise mit dem Lichtleiter nur an den Rändern verbunden, liegen 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.
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Die Struktur der Auskoppelelemente wie auch der Fokussierelemente kann vorgegeben werden, so dass die Wirkung eines jeden Auskoppelelements wie auch jedes Fokussierelements zumindest näherungsweise bekannt ist und Eigenschaften des jeweiligen Lichtleiters bzw. des aus dem Lichtleiter tretenden Lichts gezielt durch eine vorgebbare Verteilung der Auskoppelelemente wie auch der Fokussierelemente sowie deren jeweilige Form festgelegt werden können.
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Die geforderten, für die Erfindung wesentlichen Eigenschaften für die Auskoppelelemente wie auch der 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.
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Beispiele für mögliche hilfreiche dreidimensionale Formen der Auskoppelelemente sind beschrieben in der
US 2018/0088270 A1 , hier insbesondere in den Zeichnungen
3A,
4B,
5A,
9 oder
10 in Zusammenhang mit dem zugehörigen Beschreibungstext.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung können derartige Auskoppelemente 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 entsprechenden Lichtleiters verteilt sein, wobei sie einen durchschnittlichen Kippwinkel im Prisma von ca. 50 Grad aufweisen. Somit wird Licht in einem vorgebbaren Winkelbereich ausgekoppelt, wie für die Erfindung hilfreich.
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In der Beleuchtungseinrichtung besteht der Lichtleiter beispielsweise aus einem transparenten, thermoplastischen oder thermoelastischen Kunststoff bzw. Polymers 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.
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Vorteilhaft ist die Verteilung der Auskoppelelemente auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des Lichtleiters wie auch der Fokussierelemente so vorgegeben, dass das ausgekoppelte Licht auf mindestens 70% der Fläche des Lichtleiters eine Leuchtdichtehomogenität von 70% erreicht. Die Leuchtdichtehomogenität kann hierzu als LV min/LV max definiert werden, also als Verhältnis des kleinsten Wertes der (senkrecht gemessenen) Leuchtdichte zum größten Wert pro Flächeneinheit. Eine andere anwendbare Vorschrift zur Definition der Leuchtdichtehomogenität ist in dem „Uniformity Measurement Standard for Displays V1.2“ vom Deutschen Flachdisplay-Forum definiert.
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Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung in einem Bildschirm, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend
- - eine Beleuchtungsanordnung, wie vorstehend beschrieben, sowie
- - einen in Betrachtungsrichtung vor dem ersten Lichtleiter angeordneten transmissiven Bildgeber, beispielsweise ein LCD-Panel.
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Eine weitere sinnvolle Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bildschirms besteht darin, dass in Betrachtungsrichtung vor dem Bildgeber ein weiterer Lichtleiter (z.B. aus Glas 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, 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 2015/121398 A1 und der
WO 2017/089482 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.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass für die Betriebsart B1 in Abhängigkeit von vorgegebenen Grenzwinkeln σ, γ das ausgekoppelte Licht, welches aus dem ersten Lichtleiter in einem Winkel β austritt, an jedem Punkt der Oberfläche des ersten Lichtleiters, an dem Licht austritt, in Winkelbereichen, die den Bedingungen 80° > β > γ und / oder -80° < β < -σ, mit 10° < γ < 80° und 10° < σ < 80° genügen, bevorzugt γ = σ = 40°, gemessen senkrecht zur Oberfläche des ersten Lichtleiters und in mindestens einer der beiden Vorzugsrichtungen maximal 80%, bevorzugt 60% besonders bevorzugt maximal 50% von der Lichtstärke aufweist, die das Licht aufweist, welches von einem solchen Punkt der Oberfläche des erten Lichtleiters entlang der Normalen der Oberfläche austritt. Die Vorzugsrichtung ist dabei oft die vertikale Orientierung. Ein negativer Winkel wird dabei o.B.d.A. (ohne Beschränkung der Allgemeinheit) derjenigen Seite zugeordnet, auf der das Licht eingekoppelt wird, ein Winkel von -90° entspricht also einer Richtung, aus der eingekoppelt wird. Die Grenzwinkel σ, γ werden dabei fest vorgegeben, und zwar anhand der für die jeweilige Anwendung gewünschten optischen Leistung. Im Falle der besonders bevorzugten Grenzwinkel γ = σ = 40° gilt die Lichtstärkebedingung dann nur für Winkel zwischen -40° und -80° sowie 40° und 80°. Je kleiner die Grenzwinkel σ, γ jeweils sind, umso mehr wird das Licht in der bzw. den entsprechenden Vorzugsrichtungen zur Mittelsenkrechten konzentriert. Beispielsweise können im PKW, wo Fahrer und Beifahrer in der Betriebsart B1 in relativ gut zu definierenden Betrachtungswinkeln auf einen Bildschirm mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung schauen, die Grenzwinkel σ, γ eher kleiner als 40° gewählt werden. Demgegenüber können in einem Laptop aufgrund der Klappbarkeit des Bildschirms und des universalen Einsatzszenarios hinsichtlich der Betrachtungswinkel verschiedener Personen Werte um 40° oder größer sinnvoll sein. Die 80°-Grenze kann unter Umständen auch 70° betragen.
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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.
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Besonders vorteilhaft findet der erfindungsgemäße Bildschirm bzw. die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung Verwendung in einem Fahrzeug zur wahlweisen Darstellung von Bildinhalten lediglich für den Beifahrer (oder nur für den Fahrer) 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.
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Außerdem ist ein solcher Bildschirm insbesondere in einem mobilen Gerät zur wahlweisen Darstellung von Bildinhalten lediglich für einen Betrachter in der Betriebsart B2 oder für gleichzeitig mehrere Betrachter in der Betriebsart B1 verwendbar.
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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 sonstigen mobilen Geräten.
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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.
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Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden.
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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.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine Prinzipskizze zum Aufbau und zur Wirkungsweise eines Bildschirms mit einer Beleuchtungseinrichtung, hier in der Betriebsart B1 für einen freien Sichtmodus,
- 2 eine Prinzipskizze zum Aufbau und zur Wirkungsweise einer Beleuchtungseinrichtung, hier in der Betriebsart B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus,
- 2a eine Ausschnittvergrößerung zur Wirkungsweise eines zweiten Lichtleiters,
- 3 eine Prinzipskizze zum Aufbau und zur Wirkungsweise eines Bildschirms mit einer Beleuchtungseinrichtung, hier in der Betriebsart B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus in einer ersten Ausgestaltung,
- 4 eine Prinzipskizze zum Aufbau und zur Wirkungsweise eines Bildschirms mit einer Beleuchtungseinrichtung, hier in der Betriebsart B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus in einer zweiten Ausgestaltung, sowie
- 5a-5c beispielhafte Diagramme für die aus dem Lichtleiter ausgekoppelten Lichtmengen über ausgewählte Winkelbereiche.
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Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt eine Prinzipskizze zum Aufbau und zur Wirkungsweise eines Bildschirms 1 mit einer Beleuchtungseinrichtung 1a, hier dargestellt in der Betriebsart B1 für einen freien Sichtmodus.
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Diese Beleuchtungseinrichtung 1a für einen Bildschirm 1 mit einem transmissiven Bildgeber 1b, beispielsweise einem LCD-Panel, wobei der Bildgeber 1b mit Pixeln 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, umfasst
- - eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung 2, welche Licht in einen eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt,
- - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 2 gelegenen, plattenförmigen ersten Lichtleiter 3, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente 6 aufweist,
- - seitlich an Schmalseiten des ersten Lichtleiters 3 angeordnete Leuchtmittel 4,
- - wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung 2 ein- und die Leuchtmittel 4 ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel 4 eingeschaltet sind,
- - wobei ferner die Hintergrundbeleuchtung 2 mindestens umfasst
- i. einen plattenförmigen zweiten Lichtleiter 3a, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens eine Vielzahl an Auskoppelelementen 6a aufweist, sowie
- ii. seitlich an Schmalseiten des zweiten Lichtleiters 3a angeordnete Leuchtmittel 4a, (zu den Leuchtmitteln 4a gibt es selbstredend eine geeignete Ansteuerelektronik. Ferner kann in Betrachtungsrichtung hinter dem zweiten Lichtleiter 3a ein Reflektor bzw. einen Spiegel und/oder vor den zweiten Lichtleiter 3a z.B. ein Lamellenfilter und/oder ein Prismenraster zur weiteren Fokussierung des Lichtes angeordnet sein.),
- - wobei ferner die Auskoppelelemente 6a das von den Leuchtmitteln 4a herrührende und im zweiten Lichtleiter 3a 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 Winkel durch eine der Großflächen ausgekoppelt wird,
- - und wobei ferner eine Verteilung der Auskoppelelemente 6a und/oder deren jeweilige Form auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des zweiten Lichtleiters 3a so vorgegeben ist, dass von den Leuchtmitteln 4a in den zweiten Lichtleiter 3a eingestrahltes und von den Auskoppelelementen 6a aus dem zweiten Lichtleiter 3a ausgekoppeltes und in seinen Lichtausbreitungsrichtungen beeinflusstes Licht, die folgenden Bedingungen erfüllt:
- - mindestens 80% der aus einer der Großflächen insgesamt ausgekoppelten Lichtmenge wird innerhalb eines eingeschränkten, 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 zweiten Lichtleiter 3a ausgekoppelten Lichtmenge werden entweder in Richtung der Rückseite der des zweiten Lichtleiters 3a (z.B. auf einen Reflektor oder Spiegel) oder in Richtung der Vorderseite des zweiten Lichtleiters 3a hin abgestrahlt,
- - wobei schließlich die Auskoppelelemente 6a in ihrer Form sowie Anzahl pro Fläche und in ihrer Ausdehnung derart gewählt sind, dass
- - jedes Auskoppelelement 6a jeweils in seinen horizontalen und vertikalen Abmessungen kleiner ist als das Minimum aus Breite und Höhe der Pixel des Bildgebers 1 b, und dass
- - in Projektionsrichtungen parallel zur Flächennormalen des zweiten Lichtleiters 3a jeweils Teile oder die ganze Oberfläche mindestens zweier Auskoppelelemente 6a unterhalb eines jeden Pixels des Bildgebers 1 b angeordnet sind.
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Die Pixel des Bildgebers können optional ihrerseits aus Subpixeln zusammengesetzt sein.
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Es handelt sich also bei dem zweiten Lichtleiter 3a um einen gerichteten Lichtleiter.
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Idealerweise werden von dem zweiten Lichtleiter 3a sogar über 90% oder über 95% der aus einer der Großflächen insgesamt ausgekoppelten Lichtmenge innerhalb eines eingeschränkten, relativen Winkelbereichs von insgesamt maximal 60°, bevorzugt 40°, bezogen auf eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen, abgestrahlt, so dass das Licht in einen eingeschränkten Winkelbereich emittiert wird.
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Kleine Lichtmengen von weniger als 1% bis 5% Maximal-Helligkeit können bei der Definition des eingeschränkten Winkelbereichs außer Betracht bleiben.
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Die plattenförmigen ersten und zweiten Lichtleiter 3 und 3a weisen mit mindestens vier Schmalseiten und zwei Großflächen auf, wobei beide Lichtleiter 3 und 3a für das von der Hintergrundbeleuchtung ausgehende Licht zu mindestens 70% transparent sind.
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Die seitlich an Schmalseiten der Lichtleiter 3 bzw. 3a angeordneten Leuchtmittel 4 bzw. 4a, befinden sich bevorzugt an einer oder beiden Langseiten des jeweiligen Lichtleiters.
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Im Folgenden beziehen sich die Begriffe „vertikal“ und „horizontal“ zunächst allgemein auf zwei senkrecht zueinander liegende Vorzugsrichtungen auf der Fläche der Hintergrundbeleuchtung 2 oder einer Großfläche eines Lichtleiters 3 oder 3a, die im Betrieb je nach Orientierung des mit der Hintergrundbeleuchtung 2 verwendeten, in der Regel fixierten Bildgebers 1 b, einer tatsächlich in Bezug auf die Position eines Betrachters und damit der Erdoberfläche horizontalen oder vertikalen Richtung entsprechen.
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Bevorzugt gilt jedoch, dass genau eine zur besagten Flächennormalen senkrechte Vorzugsrichtung vorgegeben ist und diese der horizontalen Richtung bezüglich der Ausrichtung des Bildgebers 1b entspricht.
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Ferner zeigt 2 eine Prinzipskizze zum Aufbau und zur Wirkungsweise einer weiteren Beleuchtungseinrichtung 1a, hier in der Betriebsart B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus.
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Diese Beleuchtungseinrichtung 1a für einen Bildschirm 1 mit einem transmissiven Bildgeber 1b, wobei der Bildgeber 1b mit Pixeln 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, umfasst
- - eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung 2, welche Licht in einen eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt,
- - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 2 gelegenen, plattenförmigen ersten Lichtleiter 3, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente 6 aufweist,
- - seitlich an Schmalseiten des ersten Lichtleiters 3 angeordnete Leuchtmittel 4,
- - wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung 2 ein- und die Leuchtmittel 4 ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel 4 eingeschaltet sind,
- - wobei die Hintergrundbeleuchtung 2 mindestens umfasst
- i. einen plattenförmigen zweiten Lichtleiter 3a, welcher auf oder oberhalb einer ersten Großfläche eine Vielzahl an Fokussierelementen 6b und mindestens auf der dieser ersten Großfläche gegenüberliegenden zweiten Großfläche eine Vielzahl an Auskoppelelementen 6a aufweist sowie,
- ii. seitlich an Schmalseiten des zweiten Lichtleiters 3a angeordnete Leuchtmittel 4a,
- - wobei die Auskoppelelemente 6a das von den Leuchtmitteln 4a herrührende und im zweiten Lichtleiter 3a 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 Winkel durch eine der Großflächen ausgekoppelt wird,
- - wobei weiterhin die Fokussierelemente 6b mindestens 50% des von den Auskoppelelementen 6a ausgekoppelten Lichtes wenigstens teilweise in dessen Lichtausbreitungsrichtungen einschränken, und
- - wobei schließlich eine Verteilung der Auskoppelelemente 6a und der Fokussierelemente 6b, und/oder deren jeweilige Form auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des Lichtleiters 3a so vorgegeben ist, dass von den Leuchtmitteln 4a in den zweiten Lichtleiter 3a eingestrahltes und von den Auskoppelelementen 6a aus dem zweiten Lichtleiter 3a ausgekoppeltes und von den Fokussierelementen 6b in seinen Lichtausbreitungsrichtungen beeinflusstes Licht die folgenden Bedingungen erfüllt:
- - mindestens 80% der aus einer der Großflächen insgesamt ausgekoppelten Lichtmenge wird innerhalb eines eingeschränkten, 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 zweiten Lichtleiter 3a ausgekoppelten Lichtmenge werden entweder in Richtung der Rückseite der des zweiten Lichtleiters 3a oder in Richtung der Vorderseite des zweiten Lichtleiters 3a hin abgestrahlt.
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Dabei sind die Leuchtmittel 4a eingeschaltet und das im zweiten Lichtleiter 3a geleitete Licht wird durch die Auskoppelelemente 6a ausgekoppelt und von den hier vorhandenen Fokussierelementen 6b weiter in seinen Ausbreitungsrichtungen beeinflusst, d.h. parallelisiert oder fokussiert. Optional kommen hier noch ein Reflektor bzw. Spiegel 7 sowie ein Prismenraster 8 (oder auch ein Lamellenfilter) zur weiteren Lichtfokussierung zum Einsatz.
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Wenn die Fokussierelemente 6b oberhalb des zweiten Lichtleiters 3a angeordnet sind, so sollten diese vorzugsweise auf einem dünnen Trägersubstrat, wie z.B. einer PET- oder Polycarbonatfolie, aufgebracht sein. Dieses Trägersubstrat mit den Fokussierelementen 6b würde dann unmittelbar auf dem zweiten Lichtleiter 3a aufliegen, ohne aber mit diesem eine mechanische Einheit zu bilden.
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Allgemein kann die Hintergrundbeleuchtung 2 mindestens ein isotropes oder anisotropes Prismenraster 8 mit nach innen oder außen zeigenden Prismen und/oder ein Hologramm und/oder mindestens einen Lamellenfilter umfassen, um die Lichtfokussierung in den relativen Winkelbereich von insgesamt maximal 60°, bevorzugt 40°, zu unterstützen. Im Falle eines Prismenrasters kann dieses auf derjenigen Fläche, auf der nicht die Prismen angeordnet sind, zusätzlich auch noch eine winkelabhängige Verspiegelung umfassen, beispielsweise eine Verspiegelung, die Licht oberhalb bestimmter Grenzwinkel zurückwirft, das Licht aber ansonsten in die optische Schicht passieren lässt.
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Weiterhin gibt die 2a eine Ausschnittvergrößerung zur Wirkungsweise eines zweiten Lichtleiters 3a wieder. Wenn, wie hier dargestellt, Fokussierelemente 6b auf einer ersten Großfläche des zweiten Lichtleiters 3a vorhanden und diese z.B. als Mikrolinsen oder Lentikulare ausgebildet sind, so ist -wie oben beschrieben- mindestens ein Teil der Auskoppelelemente 6a auf der dieser ersten Großfläche gegenüberliegenden zweiten Großfläche des zweiten Lichtleiters 3a angeordnet, wobei optional der Fokus der Fokussierelemente 6b in oder nahe der Ebene der besagten gegenüberliegenden zweiten Großfläche liegt.
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Dabei ist es optional auch möglich, dass wenn wie in 8 gezeigt rückseitig ein Spiegel vorhanden ist, der Fokus der Fokussierelemente 6b unter Berücksichtigung des optischen Weges über den Spiegel 8 immer noch in oder nahe der Ebene der besagten gegenüberliegenden zweiten Großfläche liegt.
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Basierend auf den zu 2 geschilderten Gegebenheiten ist in 3 eine Prinzipskizze zum Aufbau und zur Wirkungsweise eines Bildschirms 1 mit einer Beleuchtungseinrichtung 1a, hier in der Betriebsart B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus in einer ersten Ausgestaltung, dargestellt. Dabei ist das Licht, welches aus der Hintergrundbeleuchtung 2 aus- und durch den ersten Lichtleiter 3 sowie nachfolgend durch den Bildgeber 1b, etwa ein LCD-Panel, hindurchtritt, im Wesentlichen in Form paralleler Strahlen, die hier in etwa senkrecht zur Oberfläche des Bildgebers 1b ausgerichtet sind, geformt.
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Es ist demgegenüber auch möglich, dass die in etwa parallelen Strahlen nicht senkrecht zur Oberfläche des Bildgebers 1b, sondern in einem Winkelbereich von 1° bis 45° oder mehr ausgerichtet sind, je nach Anwendungsfall.
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Die „wesentliche Form paralleler Strahlen“ bedeutet, dass mindestens die Hälfte des abgestrahlten Lichtes zu höchstens +/-20° von der parallelen Form abweicht.
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Die 4 zeigt wiederum eine Prinzipskizze zum Aufbau und zur Wirkungsweise eines Bildschirms 1 mit einer Beleuchtungseinrichtung 1a, hier in der Betriebsart B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus in einer zweiten Ausgestaltung, in welcher gilt, dass mehr als die Hälfte des von den Leuchtmitteln 4a in den zweiten Lichtleiter 3a eingestrahlten und von den Auskoppelelementen 6a aus dem zweiten Lichtleiter 3a ausgekoppelten und, wenn vorhanden, von den Fokussierelementen 6b in seinen Lichtausbreitungsrichtungen beeinflussten Lichtes bezogen auf die besagte eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen über die Fläche einen variierenden mittleren Abstrahlwinkel aufweist. Das bedeutet, dass das Licht nicht über die gesamte Fläche des zweiten Lichtleiters 3a primär senkrecht ausgekoppelt wird, sondern vielmehr, dass das ausgekoppelte Licht auf einen externen Fokuspunkt, der beispielsweise 50cm oder 90 cm vom zweiten Lichtleiter 3a entfernt liegen kann, fokussiert ist. Dies ist durch die dicken Pfeile angedeutet.
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Allgemein gilt, dass die Auskoppelelemente 6, 6a und/oder die Fokussierelemente 6b maximale Abmessungen von 100 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 30 µm, aufweisen.
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Die Auskoppelelemente 6, 6a zur Auskopplung von Licht und/oder die Fokussierelemente 6b an mindestens einer der Großflächen der Lichtleiter 3 bzw. 3a bestehen bevorzugt aus Mikrolinsen und / oder Mikroprismen und / oder diffraktiven Strukturen und / oder dreidimensionalen Strukturelementen und / oder Streuelementen mit einer maximalen Ausdehnung in ihrer größten Dimension, die kleiner als 35 Mikrometer, bevorzugt kleiner als 15 Mikrometer, ist. Im Falle von diffraktiven Strukturen kann es sich beispielsweise um ein Hologramm bzw. ein Gitter/Beugungsgitter handeln. Die Auskoppelelemente 6a, insbesondere im Falle von Mikroprismen, Mikrolinsen oder dreidimensionalen Strukturelementen, können zusätzlich reflektierend beschichtet sein, um die Effizienz zu erhöhen.
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Wenn die Auskoppelelemente 6a, 6a auf mindestens einer der Großflächen eines der Lichtleiter 3 bzw. 3a angebracht sind, so werden diese vorteilhaft aus einem mit einem Werkzeug strukturierten Kunststoff 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 6, 6a lässt sich beispielsweise mechanisch, lithographisch oder drucktechnisch realisieren, oder aber auch materialauftragend, -umwandelnd, -abtragend oder -auflösend.
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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.
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Es ist möglich, dass Auskoppelelemente 6, 6a auf beiden Großflächen und zusätzlich optional im Volumen angebracht sind.
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Sie können auch als Hohlräume ausgestaltet werden, die dann im Volumen eines Lichtleiters 3, 3a ausgebildet sind. Die Hohlräume können luftleer sein, sind aber bevorzugt mit einem gasförmigen, flüssigen oder festen Material ausgefüllt. Das Material weist einen Brechungsindex auf, der von dem des für den jeweiligen Lichtleiter 3, 3a verwendeten Materials abweicht; bevorzugt ist er geringer. Durch die Befüllung mit Material und durch die Materialwahl kann man Einfluss auf die Lichtleitung bzw. -auskopplung nehmen. Alternativ oder ergänzend weicht auch der Haze-Wert des Materials bevorzugt von demjenigen des für den Lichtleiter 3, 3a verwendeten Materials ab, er ist bevorzugt höher. Vorteile dieser Ausgestaltungen sind höhere Effizienz bei der Lichtauskopplung.
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Alternativ und technisch einfacher können die Hohlräume auch gebildet werden, wenn man den Lichtleiter 3, 3a aus zwei miteinander verbundenen Substratschichten bildet, die Substratschichten sind bevorzugt gleichartig. Die Verbindung kann chemisch beispielsweise durch Kleben erfolgen. Die Hohlräume sind dann als Materialaussparungen an mindestens einer der Grenzflächen der Substratschichten ausgebildet.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn eine Verteilung der Auskoppelelemente 6 auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des ersten Lichtleiters 3 so vorgegeben ist, dass von den Leuchtmitteln 4 in den ersten Lichtleiter 3 eingestrahltes und von den Auskoppelelementen 6 aus dem ersten Lichtleiter 3 ausgekoppeltes Licht die folgenden Bedingungen erfüllt:
- - mindestens 50% der auf einer der Großflächen zwischen einem Winkelbereich von -50° und +50° zur Flächennormalen der Großfläche ausgekoppelten Lichtmenge wird zwischen einem Winkelbereich von -20° und +20° bezogen auf eine oder zwei vorgegebene, zueinander und zur Flächennormalen senkrechte Vorzugsrichtungen abgestrahlt, und / oder mindestens 70% der auf einer der Großflächen zwischen einem Winkelbereich von -50° und +50° zur Flächennormalen der Großfläche ausgekoppelten Lichtmenge wird zwischen einem Winkelbereich von -30° und +30° bezogen auf die eine oder zwei Vorzugsrichtungen abgestrahlt, und
- - mindestens 50% der aus dem ersten Lichtleiter 3 ausgekoppelten Lichtmenge werden in Richtung von der Hintergrundbeleuchtung 2 weg oder zu ihr hin ausgekoppelt.
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Die Auskoppelelemente 6, 6a und auch die Fokussierelemente 6b können bei der Herstellung des Lichtleiters 3, 3a entsprechend anpassbarer und vorgebbarer Bedingungen für die Auskopplung des Lichts grundsätzlich auf verschiedene Weise in oder auf dem jeweiligen Lichtleiter 3, 3a verteilt werden. Bei den Auskoppelelementen 6, 6a handelt es sich um lokal begrenzte Strukturänderungen im Volumen oder/und auf den Oberflächen des Lichtleiters 3, 3a. 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 oder (duale) helligkeitsverstärkende oder auch polarisationsrecycelnde Schichten ((dual) brightness enhancement film - (D)BEF). Diese, nicht unter den Begriff des „Auskoppelelements“ fallenden zusätzlichen Schichten werden üblicherweise mit einem Lichtleiter nur an den Rändern verbunden, liegen 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.
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Die Struktur der Auskoppelelemente 6, 6a wie auch der Fokussierelemente 6b kann vorgegeben werden, so dass die Wirkung eines jeden Auskoppelelements 6, 6a wie auch jedes Fokussierelements 6b zumindest näherungsweise bekannt ist und Eigenschaften des jeweiligen Lichtleiters 3, 3a bzw. des aus dem Lichtleiter 3, 3a tretenden Lichts gezielt durch eine vorgebbare Verteilung der Auskoppelelemente 6, 6a wie auch der Fokussierelemente 6b sowie deren jeweilige Form festgelegt werden können.
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Die geforderten, für die Erfindung wesentlichen Eigenschaften für die Auskoppelelemente 6, 6a wie auch der Fokussierelemente 6b 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 6, 6a können beispielsweise mit einer Optik-Simulationssoftware wie etwa „LightTools“ der Firma Synopsis oder anderer Anbieter bestimmt und dann entsprechend physisch umgesetzt werden.
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Beispiele für mögliche hilfreiche dreidimensionale Formen der Auskoppelelemente
6,
6a sind beschrieben in der
US 2018/0088270 A1 , hier insbesondere in den Zeichnungen
3A,
4B,
5A,
9 oder
10 in Zusammenhang mit dem zugehörigen Beschreibungstext.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung können derartige Auskoppelemente 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 entsprechenden Lichtleiters verteilt sein, wobei sie einen durchschnittlichen Kippwinkel im Prisma von ca. 50 Grad aufweisen. Somit wird Licht in einem vorgebbaren Winkelbereich ausgekoppelt, wie für die Erfindung hilfreich.
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In der Beleuchtungseinrichtung besteht der Lichtleiter 3, 3a beispielsweise aus einem transparenten, thermoplastischen oder thermoelastischen Kunststoff bzw. Polymers oder aus Glas. So kann der Lichtleiter 3, 3a 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.
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Vorteilhaft ist die Verteilung der Auskoppelelemente 6, 6a wie auch der Fokussierelemente 6b auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens der Lichtleiter 3, 3a so vorgegeben, dass das ausgekoppelte Licht auf mindestens 70% der Fläche des jeweiligen Lichtleiters 3, 3a eine Leuchtdichtehomogenität von 70% erreicht. Die Leuchtdichtehomogenität kann hierzu als LV min/LV max definiert werden, also als Verhältnis des kleinsten Wertes der (senkrecht gemessenen) Leuchtdichte zum größten Wert pro Flächeneinheit. Eine andere anwendbare Vorschrift zur Definition der Leuchtdichtehomogenität ist in dem „Uniformity Measurement Standard for Displays V1.2“ vom Deutschen Flachdisplay-Forum definiert.
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In den 5a-5c sind schließlich beispielhafte Diagramme für die aus dem Lichtleiter 3a 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 wird innerhalb eines relativen Winkelbereichs von insgesamt maximal 60°, bezogen auf eine oder zwei vorgegebene, zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen abgestrahlt wird.
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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.
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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.
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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 Lichtabstrahlrichtung.
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In allen vorgenannten Ausgestaltungen können die besagten Leuchtmittel 4 und 4a LEDs bzw. LED-Zeilen oder Laserdioden sein. Andere Varianten sind denkbar und liegen im Rahmen der Erfindung.
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Besonders vorteilhaft findet der erfindungsgemäße Bildschirm 1 bzw. die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1a Verwendung in einem Fahrzeug zur wahlweisen Darstellung von Bildinhalten lediglich für den Beifahrer (oder nur für den Fahrer) 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.
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Außerdem ist ein solcher Bildschirm 1 insbesondere in einem mobilen Gerät zur wahlweisen Darstellung von Bildinhalten lediglich für einen Betrachter in der Betriebsart B2 oder für gleichzeitig mehrere Betrachter in der Betriebsart B1 verwendbar.
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Ein erfindungsgemäßer Bildschirm 1 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.
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Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 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 und es wird durch die Lösung nur ein möglichst geringer Lichtverlust eingeführt.
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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 beschrieben- auch im PKW angewendet werden.
