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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 Sehwinkelbereich eines Bildschirms von Nachteil ist. 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 betrachten 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 2007/030240 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.
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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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 und/oder die Bildqualität reduzieren.
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Beschreibung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu beschreiben, welches die Transmission von Licht winkelabhängig beeinflussen kann und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Homogenität des transmittierten Lichtes aufweist. Das optische Element soll preiswert umsetzbar sein, keine teuren Lamellenfilterbestandteile aufweisen und im Zusammenspiel mit weiteren Komponenten mit verschiedenartigen Bildschirmtypen verwendbar sein, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt werden soll. Schließlich soll mittels des optischen Elements auch ein permanenter Sichtschutz mit verbesserter Homogenität der Leuchtdichte ermöglicht werden. Außerdem soll eine Anordnung zur Beleuchtung beschrieben werden, welche eine verbesserte Homogenität ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem optischen Element, umfassend
- - ein platten- oder schalenförmiges, transparentes Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche,
- - eine Vielzahl von auf der zweiten Großfläche des Substrats S ausgebildeten Abbildungselementen L1, L2, L3, ...,
- - eine Vielzahl von auf oder nahe der ersten Großfläche des Substrats S ausgebildeten Blenden A1, A2, A3, ..., wobei die Anzahl der Blenden A1, A2, A3, ... nicht kleiner als die der Abbildungselemente L1, L2, L3, ... ist und wobei jede Blende A1, A2, A3, ... mindestens einen transparenten Bereich und einen opaken Bereich umfasst, (vorzugsweise liegt dabei pro Blende jeweils der transparente Bereich innerhalb des opaken Bereichs; dies ist aber nicht unbedingt nötig),
- - wobei jedem Abbildungselement L1, L2, L3, ... genau eine Blende A1, A2, A3, ... zugeordnet ist, so dass durch eine solche Blende A1, A2, A3, ... hindurchdringendes Licht von dem entsprechend zugeordneten Abbildungselement L1, L2, L3, ... mit einem richtungsabhängigen Transmissionsmaximum abgebildet wird,
- - wobei ferner das Substrat S entlang einer Vorzugsrichtung in verschiedene Bereiche B1, B2, B3, ... eingeteilt und für jeden Bereich B1, B2, B3, ... eine eigene Referenzrichtung wählbar ist, wobei ferner alle Referenzrichtungen paarweise verschieden sind und bis auf eine Toleranz von maximal 10 Grad in Richtung eines Betrachters 5 weisen, und wobei in jedem solchen Bereich B1, B2, B3, ... das -in der Regel einzige globale- Transmissionsmaximum für das das optische Element durchdringende Licht jeweils in Richtung der entsprechenden Referenzrichtung liegt, (die Transmission kann z.B. in einer die Vorzugsrichtung beinhaltenden Ebene senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung des Substrates S gemessen werden),
- - wodurch Licht, welches durch die Blenden A1, A2, A3, ... und hernach durch die Lichteintrittsfläche des Substrates S in das optische Element gelangt, nach Durchgang durch die zugeordneten Abbildungselemente L1, L2, L3, ... in seinem Ausbreitungswinkel beeinflusst wird.
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Die derartige Beeinflussung des Ausbreitungswinkels des Lichtes bedeutet in der Regel eine Verringerung des Ausbreitungswinkels.
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Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche des plattenförmigen Substrats befindet sich in der Regel aus Sicht eines Betrachters auf der Rückseite des Substrates und grenzt je nach Anwendungsfall des optischen Elements beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung, eine Lichtquelle bzw. Beleuchtungseinrichtung oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche in das Substrat ein.
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Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche und als Lichtaustrittsfläche ausgebildete zweite Großfläche des Substrates können in ihrer Funktion nicht vertauscht werden, d.h. der Lichteinfall erfolgt auf der Seite mit den Blenden A1, A2, A3, .... Dadurch wird das Licht zunächst räumlich eingeschränkt und dann wird mit Hilfe der Abbildungselemente L1, L2, L3, ... die Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen eingeschränkt.
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Die erste und die zweite Großfläche des plattenförmigen Substrates sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Sie können jedoch in besonderen Ausgestaltungen, etwa wenn besondere winkelabhängige Transmissionen des optischen Elements erreicht werden sollen, auch nicht-parallel, z.B. keilförmig oder sägezahnartig in einem definierten Winkel von bis zu 20 Grad zueinander angeordnet sein. Auch eine schalenförmige Ausgestaltung des Substrats ist möglich, beispielsweise zur Verwendung in gekrümmten Bildschirmen. Die Großflächen des Substrats weisen dann in der Regel eine leichte Krümmung entlang einer Richtung auf, in besonderen Fällen auch eine Doppelkrümmung.
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Die Blenden A1, A2, A3, ... weisen Öffnungsweiten W1, W2, W3, ... und Positionen P1, P2, P3, ... in einer Ebene parallel zur ersten Großfläche (im Falle eines plattenförmigen Substrates) bzw. zur Hauptausbreitungsrichtung des Substrates (im Falle eines schalenförmigen Substrates) auf.
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Die Blenden werden oft auch als Aperturen bezeichnet, allerdings ist dieser Begriff mitunter missverständlich, da damit auch gleichzeitig ihre Öffnungsweite als Aperturgröße bezeichnet wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Vorzugsrichtung senkrecht zu einer Kante des Substrats S, die aus Sicht eines Betrachters einer Schmalseite links oder rechts entspricht, und ist das Substrat S entlang der Vorzugsrichtung in verschiedene Bereiche B1, B2, B3, ... eingeteilt. Dabei ist für jeden Bereich B1, B2, B3, ... eine eigene Referenzrichtung wählbar, wobei alle Referenzrichtungen paarweise verschieden sind und mit einer Toleranz von wenigen bis maximal 10 oder sogar 15 Grad in Richtung eines Betrachters weisen. Dies bietet den Vorteil einer verbesserten optischen Abbildung aufgrund des optischen Elements, bei welcher ein Betrachter - bei Verwendung des optischen Elements mit einer Bildwiedergabeeinrichtung- einen homogeneren Eindruck beim Betrachten des Bildschirms erhält. Dabei können vergleichsweise hohe Halbwertsbreiten für die Leuchtdichte der Darstellung (gemessen über den Betrachtungswinkel) von wenigstens 30 Grad erzielt werden, ohne den Sichtschutzeffekt kompromittieren zu müssen.
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Übliche Lamellenfilter sind demgegenüber nicht nur teuer, sondern weisen eine inhärenten Parameterwiderspruch auf: Entweder ist die Halbwertsbreite der Transmission klein, d.h. der Betrachtungskomfort leidet wegen einer geringen Homogenität, und der Sichtschutzeffekt ist besser, oder die Halbwertsbreite ist größer mit einer etwas besseren Homogenität, jedoch auf Kosten eines verschlechterten Sichtschutzeffektes. Dieser Widerspruch kann durch die Erfindung vorteilhaft aufgelöst werden.
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Dass die Referenzrichtungen in Richtung eines Betrachters weisen, kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. So ist es beispielsweise denkbar, die Referenzrichtungen alle auf einen gleichen Punkt des Betrachters auszurichten, etwa auf die Nasenspitze. Es ist aber auch möglich, dass die Referenzrichtungen auf zumindest teilweise paarweise disjunkte Körperteile des Betrachters ausgerichtet sind, d.h. einige sind auf das gleiche Körperteil (und da auch nicht notwendigerweise auf den gleichen Punkt) ausgerichtet, und andere auf ein anderes Körperteil.
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Ein erfindungsgemäßes optisches Element kann beispielsweise kostengünstig hergestellt werden, indem für die Blenden A1, A2, A3, ... Fotomaterial auf einem Substrat S belichtet und entwickelt wird. Hernach wird auf der gegenüberliegenden Seite UV-härtender Lack flächig aufgetragen und durch die Blenden hindurch mit UV-Licht bestrahlt. Nach dessen Aushärtung wird verbliebener unausgehärteter Lack ausgewaschen. Somit wird ein optisches Element erhalten. Es gibt jedoch auch verschiedene andere Möglichkeiten, ein solches optisches Element zu produzieren.
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Für weitere Ausgestaltungsfälle ist es von Vorteil, wenn alle Referenzrichtungen bis auf eine Toleranz von maximal 8 Grad, bevorzugt 5 Grad, in Richtung eines Betrachters weisen.
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Die Abbildungselemente L1, L2, L3, ... können planar, sphärisch oder asphärisch, als Linsen aus Polymer oder Glas, als Fresnel-, Beugungsoptik bzw. diffraktive Elemente, Gradientenindexoptik, Metamaterialoptik, Flüssigkristalloptik und/oder plasmonische Optik ausgebildet sein. Andere Ausgestaltungen sind ebenso denkbar.
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Von der äußeren Form her ist es möglich, dass die Abbildungselemente L1, L2, L3, ... eben sind (insbesondere im Falle von Gradientenindexoptiken oder diffraktiven Elementen) und/oder Mikrolinsen und/oder Lentikularen entsprechen.
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Die Blenden A1, A2, A3, ... sind bevorzugt streifen-, kreis-, ellipsen- oder rechteckförmig ausgebildet. Andere Varianten liegen im Rahmen der Erfindung, etwa auch die Möglichkeit, dass eine oder mehrere Blenden A1, A2, A3, ... gleichzeitig mehr als nur einen transparenten Bereich innerhalb eines opaken Bereiches umfasst bzw. umfassen.
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Besonders bevorzugt sind Ausgestaltungen des optischen Elements, in denen bei Parallelprojektion entlang der Mittelsenkrechten auf dem Substrat S über die Fläche des optischen Elements 1a hinweg mindestens ein Teil der Flächenschwerpunkte der transparenten Bereiche der Blenden A1, A2, A3, ... gegenüber den Flächenschwerpunkten der Abbildungselemente L1, L2, L3, ... verschoben sind. Damit können die weiter oben beschriebenen, paarweise verschiedenen Referenzrichtungen, die jeweils mit der genannten Toleranz in Richtung eines Betrachters weisen, gut umgesetzt werden.
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Ein erfindungsgemäßes optisches Element kann vorteilhaft in einem Bildschirm, der in einem eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, angewendet werden. Dieser umfasst
- - ein vorbeschriebenes optisches Element,
- - eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nachgeordnete Bildwiedergabeeinheit, beispielsweise ein LCD- oder OLED-Panel.
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Die Wirkungsweise des eingeschränkten Sichtmodus aufgrund der Wirkung des optischen Elements ist offensichtlich.
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Ein erfindungsgemäßes optisches Element kann außerdem in einem weiteren Bildschirm, der in einem eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, angewendet werden. Dieser umfasst
- - eine transmissive Bildwiedergabeeinheit, beispielsweise ein LCD-Panel,
- - ein der Bildwiedergabeeinheit von einem Betrachter aus gesehen nachgeordnetes optisches Element, wie es vorstehend beschrieben wurde, und
- - eine flächige Lichtquelle, die hinter dem optischen Element angeordnet ist.
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Die Wirkungsweise des eingeschränkten Sichtmodus aufgrund der Wirkung des optischen Elements ist offensichtlich: Das von der flächigen Lichtquelle abgestrahlte Licht wird durch das optische Element in seinen Ausbreitungswinkel beeinflusst, so dass es bei Durchgang durch die transmissive Bildwiedergabeeinheit ein nur aus einem eingeschränkten Betrachtungswinkel wahrnehmbares Bild erzeugt.
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Ein erfindungsgemäßes optisches Element oder vorbeschriebener Bildschirm mit einem eingeschränkten Sichtmodus kann vorteilhaft in einem Fahrzeug verwendet werden, z.B. zur Windschutzscheibenreflexminimierung oder zur permanent sichtgeschützten Darstellung von Entertainment-Inhalten für den Beifahrer, die der Fahrer während der Fahrt nicht sehen darf. Weitere Anwendungsfälle gibt es beispielsweise im Zug oder im Flugzeug, etwa wenn andere Passagiere den Inhalt eines Bildschirms nicht erkennen dürfen, oder auch wenn sie von der Helligkeit eines Bildschirms in der Umgebung nicht gestört werden sollen.
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Ein erfindungsgemäßes optisches Element kann schließlich in einem Bildschirm, der in einer ersten Betriebsart B1 für einen eingeschränkten Sichtmodus und in einer zweiten Betriebsart B2 für einen freien Sichtmodus betrieben werden kann, eingesetzt werden. Dieser umfasst
- - eine transmissive Bildwiedergabeeinheit, beispielsweise ein LCD-Panel,
- - ein der Bildwiedergabeeinheit von einem Betrachter aus gesehen nachgeordnetes optisches Element,
- - eine flächige Lichtquelle, die hinter dem optischen Element angeordnet ist,
- - einen Lichtleiter, der zwischen Bildwiedergabeeinheit und optischem Element angeordnet ist, und der ausschließlich für die Betriebsart B2 mit Licht aus seitlich neben mindestens einer seiner Schmalseiten angeordneten Leuchtmitteln beaufschlagt wird.
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In der ersten Betriebsart B1 für einen eingeschränkten Sichtmodus wird somit das Licht der flächigen Lichtquelle in seinen Ausbreitungswinkeln durch das optische Element eingeschränkt und durchdringt hernach die transmissive Bildwiedergabeeinheit. Ein darauf dargestellter Bildinhalt ist somit lediglich aus einem eingeschränkten Betrachtungswinkel wahrnehmbar, mithin nur für einen oder wenige Betrachter. Demgegenüber wird in der zweiten Betriebsart B2 für einen freien Sichtmodus das Licht der Leuchtmittel in den Lichtleiter ein- und durch diesen auf einer seiner Großfläche wieder ausgekoppelt, so dass das ausgekoppelte Licht einen breiten Ausbreitungswinkel aufweist und die transmissive Bildwiedergabeeinheit durchdringt, wodurch ein darauf dargestellter Bildinhalt aus einem breiten Winkelbereich -mithin für mehrere Betrachtersichtbar ist.
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In der zweiten Betriebsart B2 kann die flächige Lichtquelle optional für ein helleres Bild zumindest in einem bestimmten Winkelbereich auch eingeschaltet sein, sie muss jedoch nicht gleichzeitig eingeschaltet werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß auch gelöst von einer Anordnung zur Beleuchtung, umfassend
- - ein platten- oder schalenförmiges Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche,
- - eine Vielzahl von auf der zweiten Großfläche des Substrats S ausgebildeten Abbildungselementen L1, L2, L3, ...,
- - eine Vielzahl von auf oder nahe der ersten Großfläche des Substrats S ausgebildeten selbstleuchtenden oder beleuchteten Flächen A1, A2, A3, ..., wobei die Anzahl der Flächen A1, A2, A3, ... nicht kleiner als die der Abbildungselemente L1, L2, L3, ... ist,
- - wobei jedem Abbildungselement L1, L2, L3, ... genau eine Fläche A1, A2, A3, ... zugeordnet ist, so dass von einer solchen Fläche A1, A2, A3, ... ausgehendes Licht von dem entsprechend zugeordneten Abbildungselement L1, L2, L3, ... mit einem richtungsabhängigen Leuchtdichtemaximum abgebildet wird,
- - wobei ferner das Substrat S entlang einer Vorzugsrichtung in verschiedene Bereiche B1, B2, B3, ... eingeteilt und für jeden Bereich B1, B2, B3, ... eine eigene Referenzrichtung wählbar ist, wobei ferner alle Referenzrichtungen paarweise verschieden sind und bis auf eine Toleranz von maximal 10 Grad in Richtung eines Betrachters weisen, und wobei in jedem solchen Bereich B1, B2, B3, ... das Leuchtdichtemaximum für das von den Flächen A1, A2, A3 herrührende und durch die Abbildungselemente L1, L2, L3 abgebildete Licht jeweils in Richtung der entsprechenden Referenzrichtung liegt,
- - wodurch Licht, welches von den Flächen A1, A2, A3, ... herrührt und hernach durch die Lichteintrittsfläche in das Substrat S gelangt, nach Durchgang durch die zugeordneten Abbildungselemente L1, L2, L3, ... in seinem Ausbreitungswinkel beeinflusst wird.
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Dabei können die Flächen (A1, A2, A3, ...) beispielsweise jeweils microLEDs, miniLEDs, QLEDS oder OLEDs entsprechen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung entsprechen die Flächen A1, A2, A3, ... einem Matrix-LED-Backlight und die Abbildungselemente L1, L2, L3, ... einem Mikrolinsenarray.
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Die weiter vorn beschriebenen Details zu Ausgestaltungen und Wirkungsweise gelten hier entsprechend unter der Prämisse, dass die transparenten Bereiche der Blenden A1, A2, A3, ... in der letztgenannten Anordnung den selbst leuchtenden oder beleuchteten Flächen A1, A2, A3 entsprechen. Daher werden diese Einzelheiten hier aus Redundanzgründen nicht wiederholt.
Weiterhin kann die vorbeschriebene Anordnung ebenso in den genannten Ausgestaltungen für Bildschirme eingesetzt werden, wobei prinzipiell eine solche Anordnung zugleich die beiden Komponenten optisches Element und flächige Lichtquelle ersetzt.
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Ein vorgenannter Bildschirm löst eine aktuelle Problemstellung im Fahrzeugbau: Dort darf der Fahrer bei eingeschaltetem Motor nicht durch Bildinhalte, wie etwa digitale Entertainmentprogramme, abgelenkt werden, während der Beifahrer selbige jedoch während der Fahrt betrachten möchte. Dazu empfiehlt sich die Betriebsart B1. Wenn Inhalte auch für den Fahrer sichtbar sein sollen oder dürfen, wird die Betriebsart B2 aktiviert.
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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 anhand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine Prinzipskizze für eine Ausgestaltung eines optischen Elements,
- 2 eine Skizze zur Erläuterung der Positionen und Öffnungsweiten eines optischen Elements, sowie
- 3 eine beispielhafte Darstellung zum Vergleich des über verschiedene Winkel gemessenen Transmissionsverhaltens eines optischen Elements mit dem eines Lamellenfilters im Stand der Technik.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder. In allen Zeichnungen sind ferner nur wenige ausgewählte Elemente und Strahlen dargestellt, obwohl in der physischen Ausgestaltung jeweils eine Vielzahl von Blenden, Abbildungselementen und Strahlen vorhanden ist.
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Die 1 zeigt eine Prinzipskizze für eine Ausgestaltung eines optischen Elements 1a. Dieses umfasst
- - ein platten- oder schalenförmiges Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche,
- - eine Vielzahl von auf der zweiten Großfläche des Substrats S ausgebildeten Abbildungselementen L1, L2, L3, ...,
- - eine Vielzahl von auf oder nahe der ersten Großfläche des Substrats S ausgebildeten Blenden A1, A2, A3, ..., wobei die Anzahl der Blenden A1, A2, A3, ... nicht kleiner als die der Abbildungselemente L1, L2, L3, ... ist und wobei jede Blende A1, A2, A3, ... mindestens einen transparenten Bereich und einen opaken Bereich umfasst,
- - wobei jedem Abbildungselement L1, L2, L3, ... genau eine Blende A1, A2, A3, ... zugeordnet ist, so dass durch eine solche Blende A1, A2, A3, ... hindurchdringendes Licht von dem entsprechend zugeordneten Abbildungselement L1, L2, L3, ... mit einem richtungsabhängigen Transmissionsmaximum abgebildet wird,
- - wobei ferner das Substrat S entlang einer Vorzugsrichtung in verschiedene Bereiche B1, B2, B3, ... eingeteilt und für jeden Bereich B1, B2, B3, ... eine eigene Referenzrichtung wählbar ist, wobei ferner alle Referenzrichtungen paarweise verschieden sind und bis auf eine Toleranz von maximal 10 Grad in Richtung eines Betrachters 5 weisen, und wobei in jedem solchen Bereich B1, B2, B3, ... das -in der Regel einzige globale- Transmissionsmaximum für das das optische Element 1a durchdringende Licht jeweils in Richtung der entsprechenden Referenzrichtung liegt, (die Transmission kann z.B. in einer die Vorzugsrichtung beinhaltenden Ebene senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung des Substrates S gemessen werden),
- - wodurch Licht, welches durch die Blenden A1, A2, A3, ... und hernach durch die Lichteintrittsfläche des Substrates S in das optische Element gelangt, nach Durchgang durch die zugeordneten Abbildungselemente L1, L2, L3, ... in seinem Ausbreitungswinkel beeinflusst wird.
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Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche des (hier) plattenförmigen Substrats S befindet sich in der Regel aus Sicht eines Betrachters 5 auf der Rückseite des Substrates und grenzt je nach Anwendungsfall des optischen Elements 1a beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung 1, eine Lichtquelle 2 bzw. Beleuchtungseinrichtung 2 oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche in das Substrat S ein.
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Die erste und die zweite Großfläche des hier plattenförmigen Substrates S sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Vorzugsrichtung senkrecht zu einer Kante des Substrats S, die aus Sicht eines Betrachters 5 einer Schmalseite links oder rechts entspricht, und ist das Substrat S entlang der Vorzugsrichtung in verschiedene Bereiche B1, B2, B3, ... eingeteilt. Dabei ist für jeden Bereich B1, B2, B3, ... eine eigene Referenzrichtung wählbar, wobei alle Referenzrichtungen paarweise verschieden sind und mit einer Toleranz von wenigen bis maximal 10 oder sogar 15 Grad in Richtung eines Betrachters 5 weisen. Dies bietet den Vorteil einer verbesserten optischen Abbildung aufgrund des optischen Elements 1a, bei welcher ein Betrachter 5 - bei Verwendung des optischen Elements 1a mit einer Bildwiedegabeeinrichtung 1- einen homogeneren Eindruck beim Betrachten des Bildschirms erhält. Dabei können vergleichsweise hohe Halbwertsbreiten für die Leuchtdichte der Darstellung (gemessen über den Betrachtungswinkel) von wenigstens 30 Grad erzielt werden, ohne den Sichtschutzeffekt kompromittieren zu müssen.
Übliche Lamellenfilter sind demgegenüber nicht nur teuer, sondern weisen eine inhärenten Parameterwiderspruch auf: Entweder ist Halbwertsbreite der Transmission klein, d.h. der Betrachtungskomfort leidet wegen einer geringen Homogenität, und der Sichtschutzeffekt ist besser, oder die Halbwertsbreite ist größer mit einer etwas besseren Homogentität, jedoch auf Kosten eines verschlechterten Sichtschutzeffektes. Dieser Widerspruch kann durch die Erfindung vorteilhaft aufgelöst werden.
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Die 1 gibt hier ausschnittweise 3 Bereiche (links, Mitte, rechts; d.h. B1, B2, B3) des optischen Elements 1a wieder, was durch die gestrichelten Linien zur Unterbrechung angedeutet ist. Ferner wurden nur ausgewählte Blenden A1-A4, A11-A14 sowie A21-A24 dargestellt, obwohl in der Realität eine Vielzahl solcher Blenden nötig ist. Gleiches gilt für die Darstellung der Abbildungselemente L1, ..., L11, ... L21, usw.
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Die Abbildungselemente L1, L2, L3, ... sind im Beispiel gemäß 1 sphärisch oder asphärisch als Linsen in Lentikularform umgesetzt.
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Die Blenden A1, A2, A3, ... sind hier rechteckförmig ausgebildet, wobei in jeder der Blenden A1, A2, A3, .. ein rechteckförmiger transparenter Bereich innerhalb eines opaken Bereiches liegt.
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Die 2 stellt eine Erläuterung der Positionen P1, P2, P3, ... und Öffnungsweiten W1, W2, W3, ... beispielhafter Blenden A1, A2, A3, ... eines beispielhaften optischen Elements 1a dar.
Aufgrund der verschiedenen Referenzrichtungen in den unterschiedlichen Bereichen B1, B2, B3, ... sind hier die Positionen P1, P2, P3, ... in der Regel für jede Blende A1, A2, A3, ... gegenüber den Positionen der ihnen jeweils entsprechend zugeordneten Abbildungselemente L1, L2, L3, ... bei Parallelprojektion in Richtung der Mittelsenkrechten des Substrates S leicht verschoben.
Dazu sollen in 2 die gestrichelten Linien andeuten, wo in etwa die Flächenmitte der Abbildungselement (hier: Lentikularlinsen) L1, L2, L3, ... bei Parallelprojektion in Richtung der Mittelsenkrechten des Substrates S angeordnet ist. Die Öffnungsweiten W1, W2, W3, ... der Blenden A1-A4 sind hier jeweils identisch und können beispielsweise in etwa einem Siebtel bis zu einem Viertel der Breite der Abbildungselemente L1-L4 entsprechen, also beispielsweise wenige bis einige zehn Mikrometer, betrachtet in einer Ebene parallel zur ersten Großfläche (im Falle eines plattenförmigen Substrates S).
Die Positionen P1, P2, P3, ... der Blenden A1-A4 (und aller weiterer Blenden in der Realität) ist jedoch im Sinne der vorgenannten Bereiche B1, B2, B3, ... gewählt, d.h. in 2 ist gut zu erkennen, dass bei Parallelprojektion in Richtung der Mittelsenkrechten des Substrates S die Positionen P1, P2, P3, ... für jede Blende A1, A2, A3, ... gegenüber den Positionen der ihnen jeweils entsprechend zugeordneten Abbildungselemente L1, L2, L3, ... (deren Mitten durch die gestrichelten Linien indiziert sind), verschoben sind. Diese Verschiebung ist hier der besseren Erkennbarkeit halber übertrieben dargestellt.
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Ein erfindungsgemäßes optisches Element 1a kann vorteilhaft in einem Bildschirm, der in einem eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, angewendet werden. Dieser umfasst
- - ein vorbeschriebenes optisches Element 1a
- - eine dem optischen Element 1a von einem Betrachter 5 aus gesehen nachgeordnete Bildwiedergabeeinheit 1, beispielsweise ein LCD- oder OLED-Panel.
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Auch hierzu kann die 1 herangezogen werden: Die Wirkungsweise des eingeschränkten Sichtmodus aufgrund der Wirkung des optischen Elements 1a ist offensichtlich: Das von der Bildwiedergabeeinheit 1 herrührende Licht wird aufgrund des optischen Elements 1a in seinen Ausbreitungsrichtungen beschränkt und primär nur für den Betrachter 5 sichtbar gemacht (siehe Referenzrichtungen, dargestellt als dicke Pfeile). Möglich Ausbreitungsrichtungen außerhalb der Referenzrichtungen werden nur mit wenig (höchstens wenige Prozent der Peak-Helligkeit) bis keinem Licht beaufschlagt (siehe gestrichelte dicke Pfeile), so dass beispielweise ein seitlich angeordneter Betrachter 6 nur sehr wenig oder kein Licht der Bildwiedergabeeinheit 1 wahrnimmt, mithin also zumindest kein gut sichtbares oder gar kein Bild wahrnimmt.
Dazu ist anzumerken, dass die Position der Betrachter 5 und 6 in einer abweichenden Ausgestaltung auch ausgetauscht werden könnte. Mit anderen Worten: Das optische Element 1 a könnte im Rahmen der Erfindung auch so gestaltet werden, dass der Betrachter 6 ein homogenes Bild und der der Betrachter 5 zumindest kein gut sichtbares oder gar kein Bild wahrnimmt.
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Ein erfindungsgemäßes optisches Element 1a kann außerdem in einem weiteren Bildschirm, der in einem eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, angewendet werden, was zumindest teilweise auch anhand der 1 erläutert werden kann. Dieser umfasst
- - eine -zeichnerisch hier nicht dargestellte- transmissive Bildwiedergabeeinheit, beispielsweise ein LCD-Panel, welche sich zwischen optischem Element 1a und dem Betrachter 5 befindet,
- - ein der Bildwiedergabeeinheit von einem Betrachter 5 aus gesehen nachgeordnetes optisches Element 1a, wie es vorstehend beschrieben wurde, und
- - eine flächige Lichtquelle 2, die hinter dem optischen Element 1a angeordnet ist.
Die Wirkungsweise des eingeschränkten Sichtmodus aufgrund der Wirkung des optischen Elements 1a ist offensichtlich: Das von der flächigen Lichtquelle 2 abgestrahlte Licht wird durch das optische Element 1a in seinen Ausbreitungswinkeln beeinflusst, so dass es bei Durchgang durch die -zeichnerisch nicht dargestellte- transmissive Bildwiedergabeeinheit ein nur aus einem eingeschränkten Betrachtungswinkel wahrnehmbares Bild erzeugt.
Schließlich zeigt 3 eine beispielhafte Darstellung zum Vergleich des über verschiedene Winkel gemessenen normierten Transmissionsverhaltens eines optischen Elements 1a (durchgezogene Linie) mit dem eines Lamellenfilters im Stand der Technik (gestrichelte Linie). Die Abszisse trägt dabei den jeweiligen Messwinkel und die Ordinate die normierte Transmission auf.
Zu sehen ist an der durchgehenden Kurve eine annähernde „Top-Hat“-Verteilung für das Transmissionsverhalten eines beispielhaften erfindungsgemäßen optischen Elements 1a, d.h. die Transmission bleibt über einen breiten Winkelbereich von ca. -17° bis +17° bei mindestens 80% stabil. Die Halbwertsbreite beträgt hier in Summe fast 40°. Damit ist eine gute Homogenität der Transmission gegeben, wodurch wiederum auch eine gute Homogenität bei der Beleuchtung bzw. Bildwiedergabe im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit erzielt wird.
Der beispielhafte Lamellenfilter aus dem Stand der Technik, dessen normiertes Transmissionsverhalten in 2 gestrichelt dargestellt ist, hat demgegenüber eine verringerte Halbwertsbreite von lediglich ca. 35°, weist ferner keine „Top-Hat“-ähnliche Verteilung auf und bietet im Winkelbereich von -30° bis -25° sowie +25° bis +30° auch einen schlechteren Sichtschutz (da die Transmission ist dort größer ist als bei dem erfindungsgemäßen optischen Element 1a).
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Die 1 kann auch zur Erläuterung einer Anordnung zur Beleuchtung herangezogen werden. Diese umfasst
- - ein platten- oder schalenförmiges Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche,
- - eine Vielzahl von auf der zweiten Großfläche des Substrats S ausgebildeten Abbildungselementen L1, L2, L3, ...,
- - eine Vielzahl von auf oder nahe der ersten Großfläche des Substrats S ausgebildeten selbstleuchtenden oder beleuchteten Flächen A1, A2, A3, ..., wobei die Anzahl der Flächen A1, A2, A3, ... nicht kleiner als die der Abbildungselemente L1, L2, L3, ... ist,
- - wobei jedem Abbildungselement L1, L2, L3, ... genau eine Fläche A1, A2, A3, ... zugeordnet ist, so dass von einer solchen Fläche A1, A2, A3, ... ausgehendes Licht von dem entsprechend zugeordneten Abbildungselement L1, L2, L3, ... mit einem richtungsabhängigen Leuchtdichtemaximum abgebildet wird,
- - wobei ferner das Substrat S entlang einer Vorzugsrichtung in verschiedene Bereiche B1, B2, B3, ... eingeteilt und für jeden Bereich B1, B2, B3, ... eine eigene Referenzrichtung wählbar ist, wobei ferner alle Referenzrichtungen paarweise verschieden sind und bis auf eine Toleranz von maximal 10 Grad in Richtung eines Betrachters 5 weisen, und wobei in jedem solchen Bereich B1, B2, B3, ... das Leuchtdichtemaximum für das von den Flächen A1, A2, A3 herrührende und durch die Abbildungselemente L1, L2, L3 abgebildete Licht jeweils in Richtung der entsprechenden Referenzrichtung liegt,
- - wodurch Licht, welches von den Flächen A1, A2, A3, ... herrührt und hernach durch die Lichteintrittsfläche in das Substrat S gelangt, nach Durchgang durch die zugeordneten Abbildungselemente L1, L2, L3, ... in seinem Ausbreitungswinkel beeinflusst wird.
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Dabei können die Flächen (A1, A2, A3, ...) beispielsweise jeweils microLEDs, miniLEDs, QLEDS oder OLEDs entsprechen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.
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Die weiter vorn beschriebenen Details zu Ausgestaltungen, Vorteilen und Wirkungsweise eines optischen Elements 1a gelten hier ebenso in übertragener Weise unter der Prämisse, dass die transparenten Bereiche der Blenden A1, A2, A3, ... in der letztgenannten Anordnung den selbst leuchtenden oder beleuchteten Flächen A1, A2, A3 entsprechen. Daher werden diese Einzelheiten hier aus Redundanzgründen nicht wiederholt.
Weiterhin kann die vorbeschriebene Anordnung zur Beleuchtung ebenso in den genannten Ausgestaltungen für Bildschirme eingesetzt werden, wobei prinzipiell eine solche Anordnung zugleich die beiden Komponenten optisches Element 1a und flächige Lichtquelle 2 ersetzt.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung löst die gestellte Aufgabe: Es wurde ein optisches Element beschrieben, welches die Transmission von Licht winkelabhängig beeinflussen kann und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Homogenität des transmittierten Lichtes aufweist. Das optische Element ist preiswert umsetzbar, weist keine teuren Lamellenfilterbestandteile auf und ist ferner im Zusammenspiel mit weiteren Komponenten mit verschiedenartigen Bildschirmtypen verwendbar, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt wird. Außerdem wird mittels des erfindungsgemäßen optischen Elements ein permanenter Sichtschutz mit verbesserter Homogenität der Leuchtdichte ermöglicht. Außerdem wird eine Anordnung zur Beleuchtung beschrieben werden, welche eine verbesserte Homogenität offenbart.
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Die vorangehend beschriebene Erfindung kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung 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 auch in Fahrzeugen, beispielsweise im PKW, oder auch in Flugzeugen und Bussen, wo jedem Passagiersitz ein eigener Bildschirm zugeordnet ist, angewendet werden. Weitere Anwendungsfälle liegen im Gebiet der Beleuchtung und Werbung, hierbei insbesondere zur Vermeidung von Licht-Smog.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bildwiedergabeeinheit
- 1a
- Optisches Element
- 2
- Flächige Lichtquelle
- 5
- Betrachter
- 6
- Betrachter
- A1, A2, A3, ...
- Blenden oder selbstleuchtende oder beleuchtete Flächen
- L1, L2, L3, ....
- Abbildungselemente
- S
- Substrat
- W1, W2, W3, ...
- Öffnungsweiten der Blenden A1, A2, A3, ...
- P1, P2, P3, ...
- Positionen der Blenden A1, A2, A3, ...
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5956107 A [0004]
- CN 107734118 A [0005]
- US 2007030240 A1 [0006]
- CN 1987606 A [0007]
- CN 106195766 A [0008]
- US 2018/0267344 A1 [0009]
- US 2007/0008456 A1 [0010]
