EP4314638A1 - Beleuchtungseinrichtung für einen freien und einen eingeschränkten sichtmodus - Google Patents

Beleuchtungseinrichtung für einen freien und einen eingeschränkten sichtmodus

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EP4314638A1
EP4314638A1 EP22717196.4A EP22717196A EP4314638A1 EP 4314638 A1 EP4314638 A1 EP 4314638A1 EP 22717196 A EP22717196 A EP 22717196A EP 4314638 A1 EP4314638 A1 EP 4314638A1
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EP
European Patent Office
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light
light guide
lighting device
decoupling
decoupling elements
Prior art date
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Pending
Application number
EP22717196.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
André HEBER
Markus Klippstein
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SiOptica GmbH
Original Assignee
SiOptica GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by SiOptica GmbH filed Critical SiOptica GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • G02F1/133626—Illuminating devices providing two modes of illumination, e.g. day-night

Definitions

  • US Pat. No. 5,956,107 A discloses a switchable light source with which a screen can be operated in a number of modes.
  • the disadvantage here is that all light extraction is based on scattering and thus only low efficiency and non-optimal light direction effects are achieved. In particular, the achievement of a focused cone of light is not disclosed in detail.
  • CN 107734118 A describes a screen that uses two background lights to make the viewing angle of a screen controllable.
  • the upper of the two backlights should emit focused light.
  • a lattice with opaque and transparent sections is mentioned in particular as a configuration for this.
  • the same presumably means that the light from the second backlight, which has to penetrate the first in the direction of an LCD panel, is also focused and the public viewing mode, which is actually intended for a wide viewing angle, suffers a significant narrowing of the angle.
  • US 2007/030240 A1 describes an optical element for controlling the light propagation direction of light originating from a backlight.
  • This optical element requires, for example, liquid crystals in the form of PDLCs, which is expensive on the one hand, and critical to safety on the other, particularly for end customer applications, since PDLC liquid crystals generally require voltages in excess of 60V for their circuitry.
  • CN 1987606 A in turn describes a screen that uses two backlights to control the viewing angle of a screen.
  • a "first light plate” is used, which must be wedge-shaped in order to enable the intended focused light output. Precise details of achieving the focused light extraction with the appropriate Winkelbe conditions are not disclosed.
  • US 2018/0267344 A1 describes a structure with two flat lighting modules.
  • the light from the lighting module located at the back in the viewing direction is focused by a separate structure. After focusing
  • US 2007/0008456 A1 discloses the division of a light emission angle into at least 3 areas, two areas of which are generally exposed to light. It follows from this that a privacy screen using a display illuminated in this way cannot be viewed from just one direction.
  • WO 2015/121398 A1 by the applicant describes a screen of the type described at the outset.
  • scattering particles are present in the volume of the corresponding light guide, which is essential for switching over the operating modes.
  • the scattering particles selected there made of a polymer usually have the disadvantage that light is coupled out from both large areas, which means that about half of the useful light is emitted in the wrong direction, namely towards the background lighting, and not in sufficient light there due to the structure Scope can be recycled.
  • the scattering particles made of polymer that are distributed in the volume of the light guide can, under certain circumstances, especially at higher concentrations, lead to scattering effects that reduce the visual protection effect in the protected operating mode.
  • US2020/012129 A1 discloses a lighting device and a screen that describe two lights for switching between a narrow and a wide viewing mode.
  • one of the light guides is formed with fibers.
  • the scattering decoupling structure of a light conductor is limited to certain strips in the projection direction. This is disadvantageous for homogeneous image illumination and usually also causes unwanted moiré effects in the structure, for example in interaction with the pixel columns or rows of an LCD panel above.
  • It is therefore the object of the invention to describe a lighting device which, in conjunction with a screen, can be used to reliably display information by means of a selectively restricted viewing angle viewing angle unrestricted view should be possible.
  • the invention should be implemented as inexpensively as possible with simple means.
  • the highest possible resolution, particularly preferably the native resolution of the screen used, should be visible in both operating modes.
  • the solution should only introduce the lowest possible loss of light and the restricted viewing angle should achieve the most comprehensive visual protection effect possible.
  • a lighting device for a screen that operates in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light from the lighting device has a restricted angle range compared to the free view mode is emitted, can be operated.
  • the lighting device includes a flat, extended backlight that emits light in the restricted angle range and a plate-shaped light guide located in front of the backlight in the viewing direction with two large areas and narrow sides that connect the large areas at their edges.
  • the light guide has decoupling elements on at least one of the large surfaces and/or within its volume and is transparent to at least 50%, but preferably at least 70%, for the light emanating from the background lighting.
  • Lighting means are arranged laterally on the narrow sides of the light guide, this also including lighting means being arranged only on one side of the light guide.
  • the background lighting is switched on and the lamps are switched off, whereas in the operating mode B1 at least the lamps are switched on.
  • the shape, number per area, the orientation and/or the extent of the decoupling elements is selected in such a way that the light guide - mediated by the decoupling elements or at least part of it - has an anisotropic scattering behavior for light, which the light guide through its penetrates large areas.
  • each decoupling element has at least one surface for defined decoupling of lightgnacflä, corresponding to the light from the
  • these functional surfaces are flat or at least have flat surface sections, but they can also be surfaces curved in one or two linearly independent directions.
  • An orientation vector is now defined for the functional surfaces, which is parallel to the large surface from which the light emerges, ie in a plane parallel to said large surface.
  • This orientation vector is a vector which maximizes the integral of the scalar product of this vector with a location-dependent normal vector of the function surface over the function surface.
  • the normal vector is of course constant at every location on the functional surface, but it varies for curved surfaces; it is then the normal vector of a tangential plane at the respective location.
  • the alignment vector v maximizes the integral / n v dA , where n is the normal vector of the functional surface A, which is location-dependent in coordinates x and y.
  • This direction vector now encloses an angle of up to 45° with a predetermined preferred direction.
  • the normal vector encloses an angle of between a minimum of 5° and a maximum of 85° with the relevant large area from which the light emerges, but the lower limit value is preferably 30° and/or the upper limit value is 60°.
  • the decoupling elements are designed in this way, the result is that the light guide in the preferred direction has a scattering behavior that is at least 1.2 times stronger than in a direction perpendicular to the preferred direction, and thus overall for light that passes through the light guide through both Penetrates through large areas, has an anisotropic scattering behavior.
  • any area that is smaller than the area in front of the flicker background lighting can be considered as the restricted angular area; however, what is preferably meant here is an angular range of +/-20° or 30° horizontally and/or vertically or as a cone around the surface normal or a selectable directional vector on the flinter basic lighting; small amounts of light from less than 1% to 5% maximum brightness can be ignored when defining the restricted angular range.
  • the lighting device can also contain a collimation film at a suitable point in the structure, for example a lens or prism grid above or below the plate-shaped light guide.
  • a collimation film at a suitable point in the structure, for example a lens or prism grid above or below the plate-shaped light guide.
  • the relevant part of the decoupling elements advantageously comprises at least 30% of all decoupling elements, preferably at least 50%, 70% or 90% of all decoupling elements.
  • the alignment vectors enclose an angle of up to 45° with the preferred direction on average for all decoupling elements, ie angles between ⁇ 45° and +45°.
  • the light guide preferably has a stronger scattering behavior in the preferred direction than in the opposite direction.
  • the cross section of the decoupling elements should be asymmetrical in a sectional plane which lies parallel to the preferred direction, provided the scattering behavior without decoupling elements is the same in the preferred direction and perpendicular to it; if stronger scattering behavior in the preferred direction is implemented elsewhere, decoupling elements with a symmetrical cross section can also be used.
  • An asymmetrical cross-section in the preferred direction is also a prerequisite in order to achieve different scattering behavior in the preferred direction and in the opposite direction.
  • the anisotropic scattering behavior of the decoupling elements is characterized based on the measurement of the scattering behavior with regard to at least two mutually perpendicular directions along which the scattering behavior is measured, a preferred direction and a direction perpendicular thereto.
  • the scattering behavior should be taken into account, which is caused by the decoupling elements when light passes approximately perpendicularly through a light guide.
  • the preferred direction corresponds to the vertical direction when an observer looks at the lighting device, so that the scattering behavior of the light guide is greater in the vertical direction than in the horizontal direction.
  • the terms “vertical” and “horizontal” refer generally to two mutually perpendicular directions on the surface of the background lighting or a large surface of a light guide, which during operation, depending on the orientation of the screen used with the lighting device, which is usually fixed, actually correspond to a horizontal or vertical direction in relation to the position of an observer and thus the earth's surface.
  • the horizontal direction then runs parallel to the connection between the eyes of a viewer, ie it ultimately depends on his or her orientation in space.
  • the ratio of the surface areas of the functional surfaces of said part of the decoupling elements to the surface area of a large area is particularly preferably set in such a way that the scattering behavior of the decoupling elements in the preferred direction is at least a factor of 2 or a factor of 3 greater than the direction perpendicular to the preferred direction is.
  • this anisotropy can vary across the surface of the slab light guide. The anisotropy is typically higher at points with a high density of the decoupling elements than at points with a low density.
  • the large area from which the light emerges is divided into sub-areas of a specified size, with the ratio of the surface area of the functional surfaces in one sub-area to the surface area of the respective sub-area being different for different sub-areas, so that the scattering behavior of the light guide over the large area from which the light emerges varies.
  • the light emitted by the flickering background lighting at least in the B2 operating mode is emitted in the horizontal direction in a limited angular range, so that said light experiences less scattering in the horizontal direction when passing through the light guide than in vertical direction.
  • light that is radiated into the restricted angular range is typically scattered at most slightly outside of said restricted angular range, which is beneficial to the visual protection effect. This is an essential advantage of the invention.
  • “Slightly” means, for example, that - due to the low scattering behavior - at an angle of, for example, 40° horizontally from the surface normal or another specified direction, measured along the horizontal direction, a maximum of 3% of the luminance due to scattering due to the light guide, which the lighting device emits at an angle of 0°.
  • “slight” means that in a solid angle range of +/-20 ° in the preferred direction and +/-10 ° in the direction perpendicular to the preferred direction, less than 10% of light are scattered.
  • the Flaze value should also be below 15%.
  • BTDF bidirectional transmittance distribution function
  • the measured BTDF is therefore integrated accordingly.
  • the measure for the vertical scattering S v ie, the vertical scattering behavior
  • the lower integration limit ie the angle from which light is considered scattered, should be selected to be larger than the usual 1.8° of the flaze measurement, since the BTDF measurement can be carried out with a laser beam that typically has a divergence of 4 ° has.
  • Table 1 gives exemplary values for the normalized scattering S H and S v (ie for the scattering behavior) for various measuring points P1 to P5 on the plate-shaped light guide:
  • the anisotropy S v / S H indicates how much stronger the scattering behavior is along the vertical direction. As described above, scattering is understood here to mean a deflection that is greater than 5°. The anisotropic scattering behavior in this example is obvious.
  • the decoupling elements can basically be distributed in different ways in or on the light guide during production of the light guide according to adaptable and predeterminable conditions for the decoupling of the light.
  • the decoupling elements are locally limited structural changes in the volume and/or on the surfaces of the light guide. Therefore, additional optical layers that are applied to the surfaces of the light guide, e.g. diffusion layers, reflection layers, (dual) brightness-enhancing, collimating (brightness enhancement film - BEF) or polarization-recycling layers, such as polarization-selective layers, are expressly not included in the concept of decoupling element Bragg mirrors ((dual) brightness enhancement film - (D)BEF) or wire grid polarizers.
  • decoupling elements The structure of the decoupling elements is specified as described above according to the criteria mentioned, with the effect of each decoupling element being at least approximately known and properties of the light guide or the light emerging from the light guide being specifically determined by a definable structure and distribution of the decoupling elements can be defined, whereby the relationship between the sum of the surface areas of the functional surfaces and the surface area of the overall surface of the large area from which the light is extracted is particularly important.
  • the required properties for the decoupling elements, which are essential for the invention, in terms of their number per unit area, their shape, their orientation and extent in three dimensions and their distribution over at least one of the large areas and/or within the volume of the light guide can, for example, be an optics simulation software such as "LightTools" from Synopsis or another provider and then physically implemented accordingly.
  • the distribution of the decoupling elements on at least one of the large areas and/or within the volume of the light guide is advantageously predetermined in such a way that the light decoupled achieves a luminance homogeneity of 70% on at least 70% of the area of the light guide.
  • the luminance homogeneity can be defined as Lv min /Lv max , i.e. as the ratio of the lowest luminance value to the highest value of an area.
  • Another applicable regulation for measuring the luminance homogeneity is defined in the "Uniformity Measurement Standard for Displays V1.3" by the "German Automotive OEM Work Group Displays".
  • the two operating modes B1 and B2 differ in that in operating mode B2 the flickering background lighting is switched on and the lamps (on the narrow sides of the light guide) are switched off, and in operating mode B1 at least the lamps (on the narrow sides of the light guide) are switched on. Since only light is taken into account, which was originally radiated from the light sources into the light guide and from this was then radiated again via the decoupling elements, with the radiation taking place almost exclusively via the decoupling elements.
  • decoupling elements it is possible for decoupling elements to be attached to both large areas and/or optionally in the volume.
  • the light guide preferably consists of a transparent, thermoplastic or thermoelastic polymer, eg plastic, or of glass.
  • the light guide or its substrate can comprise at least 40 percent by weight polymethyl methacrylate, preferably at least 60 percent by weight polymethyl methacrylate, based on its weight.
  • it can be polycarbonate (PC), for example.
  • said limited angle range is designed asymmetrically around the surface normal of the background lighting.
  • the asymmetrical design is preferably in one of the preferred directions. This is particularly helpful for applications in the vehicle, for example when a screen to be combined with the lighting device according to the invention is arranged as a so-called center information display in the dashboard approximately in the middle between the driver and front passenger.
  • the restricted angle range for the view that is only released for the front passenger in operating mode B2 must be designed asymmetrically, i.e. directed towards the front passenger.
  • the preferred direction in which the asymmetry is formed corresponds here to the horizontal.
  • the decoupling elements for decoupling light on at least one of the large surfaces of the light guide preferably consist of microlenses and/or microprisms and/or diffractive structures and/or three-dimensional structural elements and/or scattering elements with a maximum extension in their largest dimension that is smaller than 100 microns, preferably less than 50 microns.
  • diffractive structures it can be a hologram or a grating/diffraction grating, for example.
  • the outcoupling elements themselves can also have the external shape of microlenses, microprisms, scattering elements and/or diffractive structures. They can then be configured in particular as cavities, which are then formed in the volume of the light guide.
  • the cavities can be empty of air, but are preferably filled with a gaseous, liquid or solid material.
  • the material has a refractive index which differs from that of the material used for the light guide; it is preferably lower. By filling with material and by the choice of material, you can influence the light conduction or decoupling.
  • AI- 11 Alternatively or additionally, the haze value of the material also preferably deviates from that of the material used for the light guide, and is preferably higher. Advantages of these configurations are higher efficiency in light extraction.
  • the cavities can also be formed if the light guide is formed from two substrate layers connected to one another, the substrate layers preferably being of the same type.
  • the connection can be chemical, physical or by gluing.
  • the cavities are then formed as material recesses on at least one of the boundary surfaces of the substrate layers.
  • the decoupling elements are attached to at least one of the large areas of the light guide, they are advantageously formed from a plastic or glass structured with a tool, the structure of which was embossed using a tool.
  • a UV-curing material e.g. a lacquer, a monomer, etc. -
  • a light guide substrate which is structured using a tool and cured by UV radiation, e.g. polymerized.
  • UV radiation e.g. polymerized.
  • Other radiation curable materials can also be used.
  • the formation of the recesses for the realization of the decoupling elements can be realized, for example, mechanically, lithographically or by printing, or also by applying, converting, removing or dissolving material.
  • lattice structures, microprisms - either convex with a proportion of plastic on the surface pointing outwards and/or concave as an embossing or recess within the surface layer of the structured plastic - other three-dimensional structural elements with other shapes, or even microlenses can be used inexpensively and implemented with suitability for mass production.
  • Concave and convex structures can equally be used.
  • the background lighting consists, for example, of a flat radiator, preferably a further light guide with further light sources arranged on the side or on the back, and at least one light collimator integrated into the flat radiator and/or arranged in front of it, such as at least one prism foil and/or at least one privacy filter (lamella filter).
  • a 12 so-called focused backlight unit can be used as background lighting, in which light from a (different) light guide is already decoupled in a limited angular range and possibly also directed, deflected or reshaped.
  • the backlighting can basically be constructed like an LED backlight, for example as a so-called direct-lit LED backlight, edge LED backlight, OLED or as another surface emitter, on which e.g. at least one permanent privacy filter (with micro-lamellas ) is upset.
  • an LED backlight for example as a so-called direct-lit LED backlight, edge LED backlight, OLED or as another surface emitter, on which e.g. at least one permanent privacy filter (with micro-lamellas ) is upset.
  • these also include a transmissive screen arranged in front of the lighting device in the viewing direction as a screen, preferably in the form of an LCD panel, which, due to the lighting device, can be divided into at least two Operating modes B1 can be operated for a clear view mode and B2 for a restricted view mode.
  • the screen also has an anisotropic scattering behavior for light which penetrates the screen through its large areas.
  • the preferred direction in which the scattering behavior of the screen is stronger should then correspond to the preferred direction that also has the stronger scattering behavior in the light guide. This will often be the vertical direction.
  • anisotropically scattering layers can be arranged between the screen and the light guide, for example in order to conceal optical artefacts on the light guide, in which case the visual protection effect should be affected as little as possible or not at all.
  • Anisotropically scattering layers are known in the prior art, such as: holographic diffusers or binary (computer generated) holograms.
  • a further embodiment of the lighting device which has been expanded to include a screen consists in the fact that a further light guide (e.g. made of glass or plastic) with means for coupling out light is attached in front of the screen in the viewing direction is arranged, which can be fed with light from the side of lamps.
  • the decoupling agents used here are, for example, those described above, or those known in the prior art, such as nanoparticles such as titanium dioxide, barium sulfate, etc. in suitable sizes and quantities - such as in WO 2015/121398 A1 and WO 2017/089482 A1 describes - which are homogeneously distributed in the volume of the light guide.
  • any residual light that may still be unintentionally present in the B2 operating mode can be superimposed or outshined in the angular areas that are actually protected from view in such a way that contrast is no longer perceptible and the corresponding light sources for the additional light guide are colored for emission or white light trained.
  • the light sources can emit light in a color that does or does not appear in the image displayed by the transmissive screen. It is no longer possible to perceive the image from the angles that have not been released.
  • the lighting device according to the invention with a screen is particularly advantageous for use in a vehicle for selectively displaying image content only for the passenger in mode B2 or simultaneously for the driver and the passenger in mode B1.
  • the former is useful, for example, when the passenger is watching entertainment content that could distract the driver.
  • a lighting device according to the invention with a screen can also be used to enter or display confidential data, for example PIN numbers, e-mails, SMS or passwords, at ATMs, payment terminals or mobile devices.
  • confidential data for example PIN numbers, e-mails, SMS or passwords, at ATMs, payment terminals or mobile devices.
  • the lighting means mentioned can be LEDs or LED lines or laser diodes. Other variants are conceivable and are within the scope of the invention.
  • the desired restricted angular ranges for the B2 mode for a restricted view can be defined and implemented independently for the horizontal and vertical directions, respectively.
  • a larger angle (or possibly no restriction at all) in the vertical direction could make sense than in the horizontal direction, for example if people of different sizes should see an image at ATMs, while the side view should remain severely or completely restricted .
  • POS payment terminals on the other hand, due to 14 Safety regulations often restrict visibility in mode B2, both horizontally and vertically.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram for the decoupling of light, which is coupled into a light guide from the side, from the lower large surface of the light guide, on which the decoupling elements are located, with the light exiting the light guide on the upper large surface
  • Fig. 2 a schematic diagram for the decoupling of light that enters a
  • optical fiber is coupled in, from the upper large surface of the optical fiber, on which 15 the decoupling elements are located, with the light exiting the light guide on the upper large surface
  • FIG. 3 shows a basic sketch of the lighting device in a first embodiment in conjunction with a screen in mode B1 for a clear view mode
  • FIG. 4 shows a basic sketch of the lighting device in a first embodiment in conjunction with a screen in mode B2 for a limited view mode
  • FIG. 5A shows a schematic diagram from a top view of a light guide through which a light beam penetrates through its large areas, to illustrate the anisotropic scattering behavior.
  • FIGS. 5B-5C sectional representations through the light guide from FIG. 5A along two mutually orthogonal directions
  • FIGS. 6A-6C basic sketches of different configurations of a decoupling element
  • FIG. 7A a plan view of a decoupling element with a sketched beam path
  • FIG. 7B shows a sectional view through the decoupling element from FIG. 7A with indicated beam paths for light that penetrates the light guide and the decoupling elements, and penetrates the light guide and the decoupling elements.
  • Lamps 4 is coupled into a light guide 3, shown on the lower large surface of the light guide 3, on which the decoupling elements 6 are located.
  • the coupled light leaves the light guide 3 predominantly, ie more than 50%, on the upper large area.
  • the horizontal direction - which is here in the plane of the sheet 16 and runs from right to left, whereas the vertical direction points into the sheet - here the light is coupled out at a wide angle (greater than 60°) from the upper large surface of the light guide 3.
  • the location of the decoupling elements 6 is indicated by the number 6, but the actual decoupling elements 6 are not shown here because they are microscopically small.
  • Light from the lighting means 4, for example from LEDs is thus coupled into the light guide 3 from the side.
  • rays of the coupled light are thrown back into the light guide 3 on the outer wall until they finally (possibly repeatedly) hit a decoupling element 6 for the desired decoupling.
  • the decoupling is stylized by the thin rays.
  • the illustration in FIG. 1 is highly stylized for better visibility; in reality, a very large number of beam paths in the light guide 3 is implemented. In addition, light refractions at refractive index transition surfaces are not taken into account.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram for the decoupling of light, which is coupled into a light guide 3 from the side of lamps 4, from the upper large surface of the light guide 3, on which the decoupling elements 6 are located.
  • the light also leaves the light guide 3 here predominantly through the upper large area.
  • FIG. 1 applies here analogously.
  • the only technical difference here is the position and possibly the design of the decoupling elements 6, which now lie on the upper side of the light guide 3 and thus decouple the light directly upwards. In this case, the light that is coupled out does not have to pass through the light guide 3 again, in contrast to the situation according to FIG.
  • the lighting device 1a comprises a flat, extended backlight 2, which emits light in the restricted angular range, as well as a plate-shaped light guide 3 located in front of the backlight 2 in the viewing direction, with two large areas and narrow sides that connect the large areas at their edges.
  • the light guide 3 has decoupling elements 6 on at least one of the large surfaces and/or within its volume and is transparent to at least 50%, preferably 17%, for the light emanating from the background lighting 2 but at least 70%.
  • Lamps are arranged laterally on the narrow sides of the light guide, this also including lighting means being arranged only on one side of the light guide.
  • the background lighting is switched on and the lamps are switched off, whereas in the operating mode B1 at least the lamps are switched on.
  • the shape, number per area, the alignment and/or the extent of the decoupling elements 6 is selected in such a way that the light guide 3 - mediated by the decoupling elements 6 or at least a part thereof - has an anisotropic scattering behavior for light, which Light guide 3 penetrates through its large areas.
  • each decoupling element 6 has at least one functional surface 5 for defined decoupling of light, at which light is correspondingly decoupled from the light guide.
  • these functional surfaces 5 are flat or have at least flat surface sections, but they can also be surfaces curved in one or two linearly independent directions.
  • An orientation vector is now defined for the functional surfaces 5, which lies parallel to the large surface from which the light emerges, ie in a plane parallel to said large surface. This orientation vector is a vector which maximizes the integral of the scalar product of this vector with a location-dependent normal vector of the functional area 5 over the functional area 5 .
  • the normal vector is, of course, constant at every location on the functional surface 5, but it varies for curved surfaces; it is then the normal vector of a tangential plane at the respective location.
  • the orientation vector v maximizes the integral / n ⁇ v dA , where n is the normal vector, which is location-dependent in coordinates x and y, of the functional surface 5 , which is denoted here by “A”.
  • This alignment vector now encloses an angle of up to 45° with a predetermined preferred direction.
  • the normal vector encloses an angle of between a minimum of 5° and a maximum of 85° with the relevant large area from which the light emerges, but the lower limit value is preferably 30° and/or the upper limit value is 60°.
  • the calculated alignment vector is a measure of the rotation of the functional surface 5 of the decoupling element 6 in relation to the preferred direction, but does not necessarily correspond to the "average" of all surface normals that may be present on the functional surface 5 or their projection onto one of the large surfaces of the light guide 3. 18 If the decoupling elements 6 are configured in this way, the result is that the light guide 3 in the preferred direction has a scattering behavior that is at least a factor of 1, 2, preferably even at least a factor of 2 or a factor of 3 stronger than in a direction perpendicular to the preferred direction Direction, and thus overall for light, which penetrates the light guide 3 through both large areas, has an anisotropic scattering behavior.
  • the large area from which the light emerges can also be divided into sub-areas of a specified size, with the ratio of the surface areas of the functional surfaces in one sub-area to the surface area of the respective sub-area being different for different sub-areas, so that the scattering behavior of the light guide 3 over the large area from which the light emerges varies.
  • any area that is smaller than the half-space in front of the background lighting can be considered as the restricted angular area; however, what is preferably meant here is, for example, an angular range of +/-20 ° or 30° horizontally and/or vertically or as a cone around the surface normal or a selectable directional vector on the background lighting 2; small amounts of light from less than 1% to 5% maximum brightness can be ignored when defining the restricted angle range.
  • FIG. 4 shows a basic sketch of the lighting device in a first embodiment in conjunction with a screen in mode B2 for a restricted view mode. that compared to the light from the backlight 2, very little light is scattered horizontally.
  • the scattering behavior of the decoupling elements 6 on the light guide 3, which is anisotropic in the vertical direction compared to the horizontal direction and is stronger in the vertical direction, is explained in more detail below in connection with FIGS. 5A-5C.
  • the light emitted by the background lighting 2 at least in the operating mode B2 is emitted in the horizontal direction in a limited angular range, see above
  • the two operating modes B1 and B2 differ in that in operating mode B2 the backlight 2 is switched on and the lamps 4 (on the narrow sides or on a narrow side of the light guide 3) are switched off, and in operating mode B1 at least the lamps (on the narrow sides of the light guide) are switched on.
  • the illuminants 4 radiate light into the light guide 3 .
  • the decoupling elements 6 decouple the light from the light guide 3 , the emission taking place almost exclusively via the decoupling elements 6 .
  • the background lighting 2 consists, for example, of a flat radiator, preferably another light guide with additional light sources arranged on the side or on the back, and at least one light collimator integrated into the flat radiator and/or arranged in front of it, such as at least one prismatic film and/or or at least one privacy filter (e.g. a lamellar filter).
  • a flat radiator preferably another light guide with additional light sources arranged on the side or on the back
  • the background lighting 2 can basically be constructed like an LED backlight, for example as a so-called direct-lit LED backlight, edge-lit LED backlight, OLED or as another surface emitter on which e.g. at least one permanent privacy filter (e.g. with micro-lamellae) and/or another light collimator is applied or arranged.
  • an LED backlight for example as a so-called direct-lit LED backlight, edge-lit LED backlight, OLED or as another surface emitter on which e.g. at least one permanent privacy filter (e.g. with micro-lamellae) and/or another light collimator is applied or arranged.
  • the light guide 3 preferably consists of a transparent, thermoplastic or thermoelastic polymer, eg plastic, or of glass.
  • the light guide 3 can be made of polycarbonate.
  • Said part of the decoupling elements 6 advantageously comprises at least 30%, preferably at least 50%, particularly preferably more than 90% of the decoupling elements 6, which then differ in their shape, in their number per area, the orientation and/or in their extent are selected in such a way that they have an anisotropic scattering behavior for light that penetrates the light guide 3 through its large areas.
  • the alignment vectors enclose an angle of up to 45° with the preferred direction on average for all decoupling elements. 20
  • the light guide 3 can have a stronger scattering behavior in the preferred direction than in a direction perpendicular thereto.
  • the anisotropic scattering behavior of the decoupling elements 6 is characterized based on the measurement of the scattering behavior with regard to at least two mutually perpendicular directions along which the scattering behavior is measured, a preferred direction and a direction perpendicular thereto.
  • that scattering behavior should be taken into account, which is caused by the decoupling elements 6 in the case of an approximately vertical passage of light through a light guide 3 .
  • reference directions other than the perpendicular to the light guide 3 can also be considered.
  • the terms “vertical” and “horizontal” initially relate generally to a preferred direction and a direction perpendicular thereto on the surface of the background lighting or a large surface of a light guide.
  • the preferred direction when an observer looks at the lighting device 1a advantageously corresponds to the vertical direction and the direction perpendicular thereto to the vertical direction, with the scattering behavior of the decoupling elements 6 being greater in the vertical direction than in the horizontal direction.
  • the horizontal direction also corresponds to the Hori zontal on the earth's surface, at least for screens with such light guides that do not change their orientation in this regard.
  • the horizontal direction should be understood as that direction which runs parallel to a line connecting the eyes of a viewer, it being assumed that when the viewer or this line moves, the position of the screen being viewed also changes, such as in mobile devices.
  • the coordinate system of a mobile screen it is ultimately an arbitrary determination which direction is horizontal and which is vertical; both directions need only be orthogonal to each other.
  • FIG. 5A shows a schematic diagram from a top view of a light guide 3, through which a light beam penetrates through its large areas, to illustrate the anisotropic scattering behavior.
  • the dot in the circle stylizes a light beam incident perpendicularly from below onto the light guide 3, which penetrates the light guide 3 from large area to large area and, in doing so, also hits decoupling elements 6 (not shown in the drawing).
  • - 21 zontal direction compared to the longer dashed arrow in the vertical direction is intended to indicate here that due to the anisotropic scattering behavior of the corresponding decoupling elements 6, the scattering behavior in the horizontal direction is smaller than in the vertical direction.
  • 5B shows a sectional illustration through the light guide 3 in the direction perpendicular to the preferred direction, ie here in the horizontal direction.
  • 5C shows a sectional illustration through the light guide 3 in the preferred direction, ie here in the vertical direction.
  • the decoupling elements are not shown in each case.
  • Thick arrows symbolize the light guide 3 through both large areas - here the top and bottom - penetrating light, which is radiated from the background lighting 2, which is not shown here.
  • the dashed arrows indicate the maximum scattering angle range, which is noticeably larger in the preferred direction in FIG. 5C than in the direction perpendicular thereto in FIG. 5B.
  • the decoupling elements for decoupling light on at least one of the large areas of the light guide preferably consist of microlenses and/or microprisms and/or diffractive structures and/or three-dimensional structural elements and/or scattering elements with an extent in their largest dimension of at most 100 micrometers, preferably a maximum of 50 microns.
  • diffractive structures it can be a hologram or a grating/diffraction grating, for example.
  • 6A shows a basic sketch of an exemplary form of a decoupling element 6, here in the form of a microprism.
  • decoupling elements can be distributed homogeneously or preferably inhomogeneously (ie, for example--except for exceptions--in greater numbers per area with increasing distance from the illuminants 4) on one or both large areas and/or in the volume of the light guide 3 , e.g. as an air-filled recess.
  • Other forms of decoupling elements 6 are of course possible and are shown in FIGS. 6B and 6C.
  • the functional surface is the surface that points diagonally upwards.
  • the decoupling element 6 shown in FIG. 6A has a simplified form; the functional surface shown here is generally rounded at its upper and lower edges and can also have a curvature in one or two dimensions over the entire course, as shown Figures 6B and 6C show.
  • FIG. 7A shows a top view of a decoupling element 6, as shown by way of example in FIG. 6A, and can be designed as a recess, for example, on the light entry surface, ie that large surface of the light guide where the light emitted by the flicker background illumination enters it can. Rays of light - not shown here - strike the light entry surface from below, ie from below the plane of the page perpendicular to it.
  • the light is deflected by up to 45° in the direction of the preferred direction--here the upward-pointing vertical direction in the plane of the page. This can be seen better in FIG. 7B.
  • the functional surface 5 does not act perpendicularly to the preferred direction, which is why the scattering effect is significantly lower in this direction.
  • FIG. 7B shows a sectional illustration of the decoupling element from FIG. 7A, which is designed as a material cutout in the light guide, the material of which is identified by corresponding hatching.
  • the functional surface 5 Because of the functional surface 5, the light is deflected in the preferred direction--here the horizontal direction in the plane of the page--by refraction and also scattering, identified by the two arrows.
  • the functional surface 5 does not act perpendicularly thereto, i.e. also perpendicularly to the plane of the page; However, in principle, undesired scatter components arise perpendicularly to the preferred direction due to residual effects of the three-dimensional expansion of the decoupling element.
  • FIG. 7C shows the sectional view of another decoupling element, which has two functional surfaces 5 compared to the decoupling element in FIG. 7B.
  • This decoupling element 6 is also designed analogously as a recess in the material. The effect of the functional surfaces 5 corresponds to that in FIG. 7B.
  • these also include a transmissive image generator arranged in front of the lighting device 1a in the viewing direction as a screen 1, preferably in the form of an LCD panel, which due to the lighting device 1a can be operated in at least two operating modes B1 for a clear view mode and B2 for a restricted view mode. In some cases, this may also help, albeit the screen
  • the preferred direction should then be 23 in which the scattering behavior of the screen 1 is lower, correspond to that preferred direction which also has the lower scattering behavior in the light guide. This will often be the horizontal direction.
  • said lighting means 4 can be LEDs or LED lines or laser diodes. Other variants are conceivable and are within the scope of the invention.
  • the lighting device according to the invention described above and the screen that can be implemented with it solve the task: solutions that can be implemented easily in practice are permitted in order to implement a reliable display of information through an optionally restricted viewing angle, while in another operating mode a free, im Viewing angle unrestricted, view is possible.
  • the invention can be implemented inexpensively with simple means.
  • the native resolution of the screen used can be used in both operating modes.
  • only a small loss of light is introduced by the solution and the limited viewing angle achieves the most comprehensive privacy effect possible.
  • the invention described above can advantageously be used wherever confidential data is displayed and/or entered, such as when entering a PIN or for data display at ATMs or payment terminals or for entering passwords or when reading emails on mobile devices .
  • the invention can also be used in passenger cars. 24 Reference character list

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung (1a) für einen Bildschirm (1), die in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht von der Beleuchtungseinrichtung in einem gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann. Sie umfasst eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung (2), die Licht in den eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt, einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung (2) gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter (3) mit zwei Großflächen und Schmalseiten, die die Großflächen an deren Kanten verbinden, wobei der Lichtleiter (3) auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente (6) aufweist, wobei der Lichtleiter (3) für das von der Hintergrundbeleuchtung (2) ausgehende Licht zu mindestens 50% transparent ist, wobei jedes Auskoppelelement (6) mindestens eine Funktionsfläche zur definierten Auskopplung von Licht aufweist, an der Licht aus dem Lichtleiter (3) ausgekoppelt wird. Sie umfasst außerdem seitlich an Schmalseiten des Lichtleiters (3) angeordnete Leuchtmittel (4). In der Betriebsart ist B2 die Hintergrundbeleuchtung (2) ein- und sind die Leuchtmittel (4) ausgeschaltet, in der Betriebsart B1 sind mindestens die Leuchtmittel (4) eingeschaltet. Erfindungsgemäß weist mindestens ein Teil der Auskoppelelemente (6) eine spezielle Struktur auf, die im Ergebnis dazu führt, dass der Lichtleiter (3) in einer vorgegebenen Vorzugsrichtung ein um mindestens den Faktor 1,2 stärkeres Streuverhalten als in einer dazu senkrechten Richtung aufweist, insgesamt ist das Streuverhalten somit anisotrop.

Description

Titel
[0001] Beleuchtungseinrichtung für einen freien und einen eingeschränkten Sichtmo dus
Technisches Gebiet der Erfindung
[0002] In den letzten Jahren wurden große Fortschritte zur Verbreiterung des Sehwin kels bei LCDs erzielt. Allerdings gibt es oft Situationen, in denen dieser sehr große Seh bereich eines Bildschirms von Nachteil sein kann. Zunehmend werden auch Informatio- nen 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 Wer- bezwecke. Andererseits benötigen sie einen kleinen Betrachtungswinkel, wenn sie die Bildinformationen vertraulich behandeln wollen.
[0003] Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich im Fahrzeugbau: Dort darf der Fahrer bei eingeschaltetem Motor nicht durch Bildinhalte, wie etwa digitale Entertainmentpro gramme, abgelenkt werden, während der Beifahrer selbige jedoch auch während der Fahrt konsumieren möchte. Mithin wird ein Bildschirm benötigt, der zwischen den ent sprechenden Darstellungsmodi umschalten kann.
[0004] Zusatzfolien, die auf Mikro-Lamellen basieren, wurden bereits für mobile Dis plays eingesetzt, um deren optischen Datenschutz zu erreichen. Allerdings waren diese Folien nicht (um)schaltbar, sie mussten immer erst per Hand aufgelegt und danach wie- der entfernt werden. Auch muss man sie separat zum Display transportieren, wenn man sie nicht gerade braucht. Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes solcher Lamellen-Fo- lien ist ferner mit den einhergehenden Lichtverlusten verbunden.
- 1 - Stand der Technik
[0005] 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 sämtli che Lichtauskopplung auf Streuung beruht und damit nur geringe Effizienz sowie nicht- optimale Lichtrichtungseffekte erzielt werden. Insbesondere die Erzielung eines fokus sierten Lichtkegels wird nicht näher offenbart.
[0006] In der CN 107734118 A ist ein Bildschirm beschrieben, der mittels zwei Hinter grundbeleuchtungen den Betrachtungswinkel eines Bildschirms kontrollierbar gestaltet. Die obere der beiden Hintergrundbeleuchtungen soll hierzu fokussiertes Licht aussen- den. 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 Winkel- Schmälerung erleidet.
[0007] 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 si- cherheitskritisch ist, da PDLC-Flüssigkristalle in der Regel Spannungen höher als 60V für Ihre Schaltung benötigen.
[0008] In der CN 1987606 A wird wiederum ein Bildschirm beschrieben, der mittels zwei Hintergrundbeleuchtungen den Betrachtungswinkel eines Bildschirms kontrollierbar ge staltet. 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 Winkelbe dingungen werden nicht offenbart.
[0009] Ferner beschreibt die US 2018/0267344 A1 einen Aufbau mit zwei flachen Be leuchtungsmodulen. Hierbei wird das Licht des in Betrachtungsrichtung hinten liegenden Beleuchtungsmodules durch eine separate Struktur fokussiert. Nach der Fokussierung
- 2 - muss das Licht noch das vordere Beleuchtungsmodul passieren, welches über Streu elemente verfügt. Somit ist eine starke Lichtfokussierung für einen Sichtschutz nicht op timal umsetzbar.
[0010] Schließlich offenbart die US 2007/0008456 A1 die Aufteilung eines Lichtab- Strahlwinkels in mindestens 3 Bereiche, wobei in der Regel zwei Bereiche davon mit Licht beaufschlagt werden. Hieraus ergibt sich, dass ein Sichtschutz, bei dem ein so beleuchtetes Display verwendet wird, nicht allein aus einer Richtung betrachtbar sein kann.
[0011] Die WO 2015/121398 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm der ein- gangs beschriebenen Art. Dort sind für die Umschaltung der Betriebsarten essentiell Streupartikel im Volumen des entsprechenden Lichtleiters vorhanden. Die dort gewähl ten Streupartikel aus einem Polymerisat weisen jedoch in der Regel den Nachteil auf, dass Licht aus beiden Großflächen ausgekoppelt wird, wodurch etwa die Hälfte des Nutzlichtes in die falsche Richtung, nämlich zur Hintergrundbeleuchtung hin, abgestrahlt und dort aufgrund des Aufbaus nicht in hinreichendem Umfang recycelt werden kann. Überdies können die im Volumen des Lichtleiters verteilten Streupartikel aus Polymeri sat unter Umständen, insbesondere bei höherer Konzentration, zu Streueffekten führen, die den Sichtschutzeffekt in der geschützten Betriebsart vermindern.
[0012] Die US2020/012129 A1 offenbart eine Beleuchtungseinrichtung und einen Bild- schirm, welche zwei Lichter für die Umschaltung zwischen einem schmalen und einem breiten Betrachtungsmodus beschreiben. Dabei wird zum einen einer der Lichtleiter mit Fasern ausgebildet. Zum anderen wird die streuende Auskoppelstruktur eines Lichtlei ters in Projektionsrichtung auf bestimmte Streifen beschränkt. Dies ist für eine homo gene Bildausleuchtung nachteilig und verursacht in der Regel auch ungewollte Moire- Effekte im Aufbau, etwa im Zusammenspiel mit den Pixelspalten bzw. -zeilen eines dar über liegenden LCD-Panels.
[0013] Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil ge mein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und / oder ein aktives, zumindest jedoch ein spezielles, optisches Element zur Modi-Umschaltung be- nötigen und / oder eine aufwändige sowie teure Herstellung erfordern und / oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren. 3 Beschreibung der Erfindung
[0014] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungseinrichtung zu beschrei ben, durch welche in Zusammenwirkung mit einem Bildschirm eine sichere Darstellung von Informationen vermittels eines wahlweise eingeschränkten Betrachtungswinkels re- alisiert werden kann, wobei in einer weiteren Betriebsart eine freie, möglichst im Be trachtungswinkel uneingeschränkte Sicht möglich sein soll. Die Erfindung soll mit einfa chen 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 Licht- verlust eingeführt werden und der eingeschränkte Betrachtungswinkel soll einen mög lichst umfassenden Sichtschutzeffekt erzielen.
[0015] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm, die in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmo dus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht von der Beleuch- tungseinrichtung in einem gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkel bereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann. Dabei umfasst die Beleuchtungsein richtung eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung, die Licht in den einge schränkten Winkelbereich abstrahlt sowie einen in Betrachtungsrichtung vor der Hinter grundbeleuchtung gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter mit zwei Großflächen und Schmalseiten, die die Großflächen an deren Kanten verbinden. Der Lichtleiter weist auf mindestens einer der Großflächen und/oder innerhalb seines Volumens Auskoppelele mente auf und ist für das von der Hintergrundbeleuchtung ausgehende Licht zu mindes tens 50% transparent, bevorzugt jedoch zu mindestens 70%. Seitlich an den Schmal seiten des Lichtleiters sind Leuchtmittel angeordnet, wobei dies auch umfasst, dass nur an einer Seite des Lichtleiters Leuchtmittel angeordnet sind. In der Betriebsart B2 sind die Hintergrundbeleuchtung ein- und die Leuchtmittel ausgeschaltet, wohingegen in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel eingeschaltet sind. Die Form, Anzahl pro Fläche, die Ausrichtung und/oder die Ausdehnung der Auskoppelelemente ist derart ge wählt, dass der Lichtleiter - vermittelt über die Auskoppelelemente oder mindestens ei- nes Teils davon - ein anisotropes Streuverhalten für Licht aufweist, welches den Licht leiter durch seine Großflächen hindurch durchdringt.
[0016] Konkret heißt das, dass jedes Auskoppelelement mindestens eine Funktionsflä che zur definierten Auskopplung von Licht aufweist, an der entsprechend Licht aus dem
- 4 - Lichtleiter ausgekoppelt wird. Diese Funktionsflächen sind im einfachsten Fall plan oder weisen zumindest plane Flächenabschnitte auf, es kann sich aber auch um in einer oder zwei linear unabhängigen Richtungen gekrümmte Flächen handeln. Für die Funktions flächen wird nun ein Ausrichtungsvektor definiert, welcher parallel zu der Großfläche liegt, an der das Licht austritt, d.h. in einer zu besagter Großfläche parallelen Ebene. Dieser Ausrichtungsvektor ist ein Vektor, welcher das Integral aus dem Skalarprodukt dieses Vektors mit einem ortsabhängigen Normalenvektor der Funktionsfläche über die Funktionsfläche maximiert. Für plane Flächen ist der Normalenvektor selbstverständlich an jedem Ort der Funktionsfläche konstant, für gekrümmte Flächen variiert er jedoch, es handelt sich dann um den Normalenvektor einer T angentialebene an dem jeweiligen Ort.
Konkret maximiert der Ausrichtungsvektor v das Integral / n v dA , wobei n der in Ko ordinaten x und y ortsabhängige Normalenvektor der Funktionsfläche A ist. Dieser Aus richtungsvektor schließt nun mit einer vorgegebenen Vorzugsrichtung einen Winkel von bis zu 45° ein. Der Normalenvektor schließt dabei mit der betreffenden Großfläche, aus der das Licht austritt, einen Winkel zwischen minimal 5° und maximal 85° ein, bevorzugt jedoch liegt der untere Grenzwert bei 30° und/oder der obere Grenzwert bei 60°.
[0017] Sind die Auskoppelelemente solchermaßen ausgestaltet, führt dies dazu, dass der Lichtleiter in der Vorzugsrichtung ein um mindestens den Faktor 1 ,2 stärkeres Streu verhalten aufweist als in einer zur Vorzugsrichtung senkrechten Richtung, und damit insgesamt für Licht, welches den Lichtleiter durch beide Großflächen hindurch durch dringt, ein anisotropes Streuverhalten aufweist.
[0018] Als eingeschränkter Winkelbereich kann grundsätzlich jeder Bereich in Frage kommen, der kleiner als der Flalbraum vor der Flintergrundbeleuchtung ist; bevorzugt ist hier aber z.B. ein Winkelbereich von +/-20°oder 30° horizontal und/oder vertikal oder als Konus um die Flächennormale bzw. einen wählbaren Richtungsvektor auf der Flinter grundbeleuchtung gemeint; kleine Lichtmengen von weniger als 1% bis 5% Maximal- Helligkeit können bei der Definition des eingeschränkten Winkelbereichs außer Betracht bleiben.
[0019] Die Beleuchtungseinrichtung kann zusätzlich noch einen Kollimationsfilm an ei- ner geeigneten Stelle im Aufbau enthalten, beispielsweise ein Linsen- oder Prismenras ter ober- oder unterhalb des plattenförmigen Lichtleiters. 5 [0020] Vorteilhaft umfasst der betreffende Teil der Auskoppelelemente mindestens 30% aller Auskoppelelemente, bevorzugt mindestens 50%, 70% oder 90% aller Auskop pelelemente. Ergänzend oder alternativ schließen im Durchschnitt aller Auskoppelele mente die Ausrichtungsvektoren mit der Vorzugsrichtung einen Winkel mit einem Betrag von bis zu 45° ein, d. h. Winkel zwischen -45° und +45°.
[0021] Bevorzugt weist der Lichtleiter in der Vorzugsrichtung ein stärkeres Streuverhal ten als in entgegengesetzter Richtung auf. Dies wird durch entsprechend asymmetrisch geformte Auskoppelelemente erreicht. Genauer gesagt, sollte der Querschnitt der Aus koppelelemente in einer Schnittebene, welche parallel zur Vorzugsrichtung liegt, asym- metrisch sein, sofern das Streuverhalten ohne Auskoppelelemente in der Vorzugsrich tung und senkrecht dazu gleich ist; bei anderweitig realisiertem stärkeren Streuverhalten in Vorzugsrichtung können auch Auskoppelelemente mit symmetrischem Querschnitt verwendet werden. Ein asymmetrischer Querschnitt in Vorzugsrichtung ist ebenfalls Vo raussetzung, um auch in Vorzugsrichtung und entgegengesetzt dazu ein unterschiedli- ches Streuverhalten zu erreichen.
[0022] Das anisotrope Streuverhalten der Auskoppelelemente wird aufgrund der Mes sung des Streuverhaltens hinsichtlich mindestens zweier senkrecht aufeinander stehen der Richtungen charakterisiert, entlang derer das Streuverhalten gemessen wird, einer Vorzugsrichtung und einer dazu senkrechten Richtung. Dabei soll dasjenige Streuver- halten in Betracht gezogen werden, was bei etwa senkrechtem Durchgang von Licht durch einen Lichtleiter aufgrund der Auskoppelelemente hervorgerufen wird.
[0023] Vorteilhaft entspricht die Vorzugsrichtung beim Blick eines Betrachters auf die Beleuchtungseinrichtung der vertikalen Richtung, so dass das Streuverhalten des Licht leiters in der vertikalen Richtung größer ist als in der horizontalen Richtung. Die Begriffe „vertikal“ und „horizontal“ beziehen sich dabei zunächst allgemein auf zwei senkrecht zueinander liegende Richtungen auf der Fläche der Hintergrundbeleuchtung oder einer Großfläche eines Lichtleiters, die im Betrieb je nach Orientierung des mit der Beleuch tungseinrichtung verwendeten, in der Regel fixierten Bildschirms, einer tatsächlich in Be zug auf die Position eines Betrachters und damit der Erdoberfläche horizontalen oder vertikalen Richtung entsprechen. Die horizontale Richtung verläuft im allgemeinen Fall dann parallel zu der Verbindung zwischen den Augen eines Betrachters, d. h. auf dessen Orientierung im Raum kommt es letzten Endes an. 6 [0024] Besonders bevorzugt ist das Verhältnis der Flächeninhalte der Funktionsflächen des besagten Teils der Auskoppelelemente zum Flächeninhalt einer Großfläche so fest gelegt, dass das Streuverhalten der Auskoppelelemente in der Vorzugsrichtung mindes tens um den Faktor 2 oder den Faktor 3 größer als der zur Vorzugsrichtung senkrechten Richtung ist. Allerdings kann diese Anisotropie über die Fläche des plattenförmigen Lichtleiters hinweg variieren. An Stellen hoher Dichte der Auskoppelelemente ist die Anisotropie typischerweise höher als an Stellen mit niedriger Dichte. Dazu ist die Groß fläche, aus der das Licht tritt, in Teilbereiche vorgegebener Größe eingeteilt, wobei das Verhältnis der Flächeninhalt der Funktionsflächen in einem Teilbereich zum Flächenin- halt des jeweiligen Teilbereichs für verschiedene Teilbereiche unterschiedlich ist, so dass das Streuverhalten des Lichtleiters über die Großfläche, aus der das Licht austritt, variiert.
[0025] In einer favorisierten Ausgestaltung der Beleuchtungseinrichtung wird das von der Flintergrundbeleuchtung mindestens in der Betriebsart B2 abgestrahlte Licht in der horizontalen Richtung in einen eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt, so dass das besagte Licht beim Durchgang durch den Lichtleiter in horizontaler Richtung eine gerin gere Streuung erfährt als in vertikaler Richtung. Dadurch wird Licht, dass in den einge schränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, typischerweise höchstens geringfügig au ßerhalb des besagten eingeschränkten Winkelbereichs gestreut, was dem Sichtschutz- effekt zuträglich ist. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung.
[0026] Unter „geringfügig“ ist beispielsweise zu verstehen, dass - aufgrund des gerin gen Streuverhaltens- in einem Winkel von beispielsweise horizontal 40° von der Flä chennormalen oder einer anderen vorgegebenen Richtung, gemessen entlang der hori zontalen Richtung, maximal 3% der Leuchtdichte durch Streuung aufgrund des Lichtlei- ters hinzukommt, die die Beleuchtungseinrichtung in einem Winkel von 0° abstrahlt. In einer anderen Ausgestaltung, die mit der ersten Ausgestaltung kombiniert werden kann, bedeutet „geringfügig“, dass in einem Raumwinkelbereich von +/-200 in der Vorzugsrich tung und +/-100 in der zur Vorzugsrichtung senkrechten Richtung weniger als 10 % des Lichts gestreut werden. Vorzugsweise sollte auch der Flaze-Wert unter 15 % liegen. [0027] Es kann aber auch genau das Gegenteil der Fall sein: Falls die Fokussierung des von der Flintergrundbeleuchtung herrührenden Lichtes in einen horizontalen einge schränkten Winkelbereich zu stark ist, kann ein stärkeres Streuverhalten in der horizon talen Richtung (verglichen mit der vertikalen Richtung) durch gezieltes Auffächern des 7 Lichtes hilfreich sein. Überdies kann das anisotrope Streuverhalten mindestens eines Teils der (oder aller) Auskoppelelemente hilfreich sein, um sichtbare Überlagerungen (z.B. Moire- Effekte), die im Zusammenspiel der Komponenten der Beleuchtungseinrich tung untereinander und/oder mit einem Bildschirm auftreten können. [0028] Für die Quantifizierung des Streuverhaltens entlang zweier Vorzugsachsen wird die „Bidirectional transmittance distribution function“ (BTDF) genutzt. Die BTDF quanti fiziert, wie Licht mit einem bestimmten Einfallswinkel (H^Vj) transmittiert wird. Als ge streutes Licht wird alles gezählt, was stärker als 5° abgelenkt wird. Um das Maß für die horizontale Streuung SH (d.h., das horizontale Streuverhalten) zu bestimmen, wird daher die gemessene BTDF entsprechend integriert. Analog wird das Maß für die vertikale Streuung Sv (d.h., das vertikale Streuverhalten) bestimmt. Die untere Integrations grenze, d.h. der Winkel, ab dem Licht als gestreut gilt, sollte größer als die üblichen 1 ,8° der Flaze-Messung gewählt werden, da die BTDF Messung mit einem Laserstrahl durch geführt werden kann, der typischerweise eine Divergenz von 4° hat. [0029] Im Folgenden sind die Integrale für die Bestimmung der Maße SH sowie Sv an gegeben:
Darin sind Fl der Winkel in der horizontalen Richtung, V der Winkel in der vertikalen Richtung, unter denen die T ransmission gemessen wird, sowie H, und V, jeweils die Win kel, unter denen ein Lichtstrahl auf das zu messende Objekt einfällt (hier jeweils 0°). Die erfindungsgemäß geforderte Anisotropie des Streuverhaltens Sv / SH lässt sich daher in diesem Ansatz wie folgt formulieren: S / SH 1 bzw. für häufige Anwendungsfälle
[0030] Die folgende Tabelle 1 gibt beispielhafte Werte für die normierte Streuung SH sowie Sv (d.h. für das Streuverhalten) für verschiedene Messpunkte P1 bis P5 auf dem plattenförmigen Lichtleiter:
- 8 - Tabelle 1 : Beispielhafte normierte Werte für die Streuung SH sowie Sv.
[0031] Die Anisotropie Sv / SH gibt an, wie viel stärker das Streuverhalten entlang der vertikalen Richtung ist. Wie vorstehend beschrieben wird hier unter Streuung eine Ab- lenkung verstanden, die größer als 5° ist. Das anisotrope Streuverhalten in diesem Bei spiel ist offensichtlich.
[0032] Die Auskoppelelemente können bei der Herstellung des Lichtleiters entspre chend anpassbaren und vorgebbaren Bedingungen für die Auskopplung des Lichts grundsätzlich auf verschiedene Weise in oder auf dem Lichtleiter verteilt werden. Bei den Auskoppelelementen handelt es sich um lokal begrenzte Strukturänderungen im Volumen oder/und auf den Oberflächen des Lichtleiters. Ausdrücklich nicht unter den Begriff des Auskoppelelements fallen daher zusätzliche optische Schichten, die auf den Flächen des Lichtleiters angebracht werden, d.h. z.B. Diffusionsschichten, Reflexions schichten, (duale) helligkeitsverstärkende, kollimierende ( brightness enhancement film - BEF) oder auch polarisationsrecycelnde Schichten, wie beispielweise polarisationsse lektive Braggspiegel ((dual) brightness enhancement film - (D)BEF) oder Drahtgitterpo larisatoren. Diese, nicht unter den Begriff des „Auskoppelelements“ fallenden zusätzli chen Schichten werden -wenn überhaupt- mit dem Lichtleiter nur an den Rändern ver bunden, liegen im Bereich der Großflächen meistens jedoch nur lose auf und bilden mit dem Lichtleiter keine physische Einheit. Hingegen bilden auf die Großflächen aufge brachte Lacke, die sich mit dem Lichtleiter durch chemische Reaktionen oder andere Kräfte (z.B. van der Waals-Kräfte) verbinden, eine physische Einheit, sind nicht mehr voneinander zu trennen; solche Lacke zählen daher nicht als zusätzliche Schicht im oben genannten Sinne. 9 [0033] Die Struktur der Auskoppelelemente wird wie oben beschrieben nach den ge nannten Kriterien vorgegeben, wobei die Wirkung eines jeden Auskoppelelements zu mindest näherungsweise bekannt ist und Eigenschaften des Lichtleiters bzw. des aus dem Lichtleiter tretenden Lichts gezielt durch eine vorgebbare Struktur und Verteilung der Auskoppelelemente festgelegt werden können, wobei es insbesondere auf das Ver hältnis der Summe der Flächeninhalte der Funktionsflächen zum Flächeninhalt der Ge samtfläche der Großfläche, aus der Licht ausgekoppelt wird, ankommt.
[0034] Die geforderten, für die Erfindung wesentlichen Eigenschaften für die Auskop pelelemente hinsichtlich ihrer Anzahl pro Flächeneinheit, ihrer Form, ihrer Ausrichtung 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 an derer Anbieter bestimmt und dann entsprechend physisch umgesetzt werden.
[0035] Vorteilhaft ist die Verteilung der Auskoppelelemente auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb des Volumens des Lichtleiters so vorgegeben, dass das ausgekoppelte Licht auf mindestens 70% der Fläche des Lichtleiters eine Leucht dichtehomogenität von 70% erreicht. Die Leuchtdichtehomogenität kann hierzu als Lvmin/Lvmax definiert werden, also als Verhältnis des kleinsten Wertes der Leuchtdichte zum größten Wert einer Fläche. Eine andere anwendbare Vorschrift zur Messung der Leuchtdichtehomogenität ist in dem „Uniformity Measurement Standard for Displays V1.3“ von der „German Automotive OEM Work Group Displays“ definiert.
[0036] Die beiden Betriebsarten B1 und B2 unterscheiden sich schließlich dadurch, dass in der Betriebsart B2 die Flintergrundbeleuchtung ein- und die Leuchtmittel (an den Schmalseiten des Lichtleiters) ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 min destens die Leuchtmittel (an den Schmalseiten des Lichtleiters) eingeschaltet sind. Da bei wird nur Licht berücksichtigt, was ursprünglich von den Leuchtmitteln in den Lichtlei ter eingestrahlt und von diesem anschließend wieder über die Auskoppelelemente ab gestrahlt wurde, wobei die Abstrahlung nahezu ausschließlich über die Auskoppele- mente erfolgt.
[0037] Es ist möglich, dass Auskoppelelemente auf beiden Großflächen und / oder zu sätzlich optional im Volumen angebracht sind.
- 10 - [0038] Der Lichtleiter besteht vorzugsweise aus einem transparenten, thermoplasti schen oder thermoelastischen Polymer, z.B. Kunststoff, oder aus Glas. Beispielsweise kann der Lichtleiter bzw. sein Substrat mindestens 40 Gewichtsprozent Polymethylme- thacrylat, bevorzugt mindestens 60 Gewichtsprozent Polymethylmethacrylat, bezogen auf sein Gewicht, umfassen. Alternativ kann es sich beispielsweise um Polycarbonat (PC) handeln.
[0039] Ferner ist es für einige Anwendungen vorteilhaft, dass der besagte einge schränkte Winkelbereich asymmetrisch um die Flächennormale der Hintergrundbe leuchtung ausgebildet ist. Die asymmetrische Ausbildung erfolgt bevorzugt in einer der Vorzugsrichtungen. Dies ist insbesondere bei Anwendungen im Fahrzeug hilfreich, etwa wenn ein mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung zu kombinierender Bild schirm als sogenanntes Center-Information-Display im Armaturenbrett etwa in der Mitte zwischen Fahrer und Beifahrer angeordnet ist. Dann muss der in der Betriebsart B2 ausschließlich für den Beifahrer freigegebene, eingeschränkte Winkelbereich für die Sicht asymmetrisch gestaltet, also auf den Beifahrer gerichtet, sein. Die Vorzugsrich tung, in welcher die Asymmetrie ausgebildet ist, entspricht hier der Horizontalen.
[0040] Die Auskoppelelemente zur Auskopplung von Licht an mindestens einer der Großflächen des Lichtleiters bestehen bevorzugt aus Mikrolinsen und / oder Mikropris men und / oder diffraktiven Strukturen und / oder dreidimensionalen Strukturelementen und /oder Streuelementen mit einer maximalen Ausdehnung in ihrer größten Dimension, die kleiner als 100 Mikrometer, bevorzugt kleiner als 50 Mikrometer, ist. Im Falle von diffraktiven Strukturen kann es sich beispielsweise um ein Hologramm bzw. ein Git ter/Beugungsgitter handeln.
[0041] Die Auskoppelemente selbst können aber auch allein die äußere Form von Mik- rolinsen, Mikroprismen, Streuelementen und / oder diffraktiven Strukturen aufweisen. Sie können dann insbesondere als Hohlräume ausgestaltet werden, die dann im Volu men des 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 Ma- terials abweicht; bevorzugt ist er geringer. Durch die Befüllung mit Material und durch die Materialwahl kann man Einfluss auf die Lichtleitung bzw. -auskopplung nehmen. AI- 11 ternativ oder ergänzend weicht auch der Haze-Wert des Materials bevorzugt von dem jenigen des für den Lichtleiter verwendeten Materials ab, ist bevorzugt höher. Vorteile dieser Ausgestaltungen sind höhere Effizienz bei der Lichtauskopplung.
[0042] Alternativ und technisch einfacher können die Hohlräume auch gebildet werden, wenn man den Lichtleiter aus zwei miteinander verbundenen Substratschichten bildet, die Substratschichten sind bevorzugt gleichartig. Die Verbindung kann chemisch, physi kalisch oder durch Kleben erfolgen. Die Hohlräume sind dann als Materialaussparungen an mindestens einer der Grenzflächen der Substratschichten ausgebildet.
[0043] Wenn die Auskoppelelemente auf mindestens einer der Großflächen des Licht- leiters angebracht sind, so werden diese vorteilhaft aus einem mit einem Werkzeug strukturierten Kunststoff oder Glas gebildet, dessen Struktur vermittels eines Werkzeu ges eingeprägt wurde. Dies ist z.B. in Massenproduktion möglich, indem auf ein Licht leitersubstrat ein UV-härtendes Material - z.B. ein Lack, ein Monomer etc. - aufgebracht wird, welches vermittels eines Werkzeuges strukturiert und durch UV-Strahlung ausge- härtet, 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 druck technisch realisieren, oder aber auch materialauftragend, -umwandelnd, -abtragend o- der -auflösend. [0044] Damit können z.B. Gitterstrukturen, Mikroprismen - entweder konvex mit Kunst stoffanteil 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 ausge- bildete und konvex ausgebildete Strukturen können gleichermaßen zum Einsatz kom men.
[0045] Die Hintergrundbeleuchtung besteht beispielsweise aus einem flächigen Strah ler, vorzugsweise einem weiteren Lichtleiter mit seitlich oder auf der Rückseite angeord neten weiteren Leuchtmitteln, sowie mindestens einem in den flächigen Strahler inte- grierten und / oder davor angeordneten Lichtkollimator, wie etwa mindestens einer Pris menfolie und / oder mindestens einem Privacyfilter (Lamellenfilter). Außerdem kann eine 12 sogenannte fokussierte Backlight-Einheit als Hintergrundbeleuchtung zum Einsatz kom men, bei welcher Licht aus einem (anderen) Lichtleiter bereits in einen eingeschränkten Winkelbereich ausgekoppelt und ggf. noch gerichtet, umgelenkt bzw. überformt wird.
[0046] Entsprechend kann also die Hintergrundbeleuchtung grundsätzlich aufgebaut sein wie ein LED-Backlight, beispielsweise als sogenanntes Direct-Iit LED Backlight, edge LED Backlight, OLED oder als ein anderer Flächenstrahler, auf welchen z.B. min destens ein permanenter Privacy-Filter (mit Mikrolamellen) aufgebracht ist.
[0047] Für alle vorbeschriebenen Varianten der Beleuchtungseinrichtung ist es von be sonderem Vorteil, wenn diese weiterhin einen in Betrachtungsrichtung vor der Beleuch- tungseinrichtung angeordneten transmissiven Bildschirm als Bildschirm, vorzugsweise in Form eines LCD-Panels, umfassen, welcher aufgrund der Beleuchtungseinrichtung in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen einge schränkten Sichtmodus betrieben werden kann.
[0048] In einigen Fällen kann es hierbei auch hilfreich sein, wenn auch der Bildschirm ein anisotropes Streuverhalten für Licht aufweist, welches den Bildschirm durch seine Großflächen hindurch durchdringt. Dabei sollte dann die Vorzugsrichtung, in welcher das Streuverhalten des Bildschirms stärker ist, der Vorzugsrichtung entsprechen, die auch bei dem Lichtleiter das stärkere Streuverhalten aufweist. Dies wird häufig die vertikale Richtung sein. Überdies ist es möglich, dass zwischen dem Bildschirm und dem Licht- leiter anisotrop streuende Schichten angeordnet sind, etwa um optische Artefakte auf dem Lichtleiter zu kaschieren, wobei wiederum der Sichtschutzeffekt möglichst wenig oder gar nicht beeinflusst werden soll. Anisotrop streuende Schichten sind im Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise: holographische Diffusoren oder binäre (computer generierte) Hologramme. [0049] Auf der Oberseite des Bildschirms und / oder auf mindestens einer der Großflä chen des Lichtleiters wie auch auf mindestens einem der Privacyfilter, wenn vorhanden, können Mittel zur Reflexminderung oder -Steuerung, beispielsweise eine Antireflexbe schichtung, angeordnet sein.
[0050] Eine weitere Ausgestaltung der um einen Bildschirm erweiterten Beleuchtungs- einrichtung besteht darin, dass in Betrachtungsrichtung vor dem Bildschirm ein weiterer Lichtleiter (z.B. aus Glas oder Kunststoff) mit Mitteln zur Auskopplung von Licht ange- 13 ordnet ist, der seitlich von Leuchtmitteln mit Licht gespeist werden kann. Die hier einge setzten Mittel zur Auskopplung sind beispielsweise die weiter oben beschriebenen, oder aber solche wie im Stand der Technik bekannt, etwa Nanopartikel wie Titandioxid, Bari umsulfat 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 Licht leiters 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 Die entsprechenden Leuchtmittel für den wei- teren Lichtleiter sind zur Abstrahlung farbigen oder weißen Lichts ausgebildet. Dabei können die Leuchtmittel Licht in einer Farbe abstrahlen, welche im von dem transmissi- ven Bildschirm dargestellten Bild vorkommt oder nicht vorkommt. Keinerlei Bildwahrneh mung aus den nicht freigegebenen Winkeln mehr möglich ist.
[0051] Besonders vorteilhaft findet die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem Bildschirm Verwendung in einem Fahrzeug zur wahlweisen Darstellung von Bild inhalten lediglich für den Beifahrer in der Betriebsart B2 bzw. gleichzeitig für den Fahrer und den Beifahrer in der Betriebsart B1. Ersteres ist z.B. hilfreich, wenn der Beifahrer sich Unterhaltungsinhalte anschaut, die den Fahrer ablenken könnten.
[0052] Eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem Bildschirm kann gleichsam verwendet werden zur Eingabe oder Anzeige von vertraulichen Daten, bei spielweise von PIN-Geheimnummern, E-Mails, SMS oder Passwörtern, an Geldautoma ten, Zahlungsterminals oder mobilen Geräten.
[0053] 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.
[0054] 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 un terschiedlicher Größe ein Bild sehen sollen, während der Seiteneinblick stark oder kom plett eingeschränkt bleiben soll. Für POS-Zahlterminals sind hingegen auf Grund von 14 Sicherheitsbestimmungen oftmals Sichteinschränkungen im Modus B2 sowohl in hori zontaler als in vertikaler Richtung notwendig.
[0055] Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vor beschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden. [0056] 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. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0057] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Be zugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merk male offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Kompo nenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbei- spiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Kompo nenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Kom- ponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für ei nes der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausfüh rungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugs- Zeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:
[0058] Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Auskopplung von Licht, das seitlich in einen Lichtleiter eingekoppelt wird, aus der unteren Großfläche des Lichtleiters, auf welcher sich die Auskoppelemente befinden, wobei das Licht an der oberen Großfläche den Lichtleiter verlässt, [0059] Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Auskopplung von Licht, das seitlich in einen
Lichtleiter eingekoppelt wird, aus der oberen Großfläche des Lichtleiters, auf welcher 15 sich die Auskoppelemente befinden, wobei das Licht an der oberen Großfläche den Lichtleiter verlässt,
[0060] Fig. 3 eine Prinzipskizze der Beleuchtungseinrichtung in einer ersten Aus gestaltung im Zusammenspiel mit einem Bildschirm im Modus B1 für einen freien Sicht- modus,
[0061] Fig. 4 eine Prinzipskizze der Beleuchtungseinrichtung in einer ersten Aus gestaltung im Zusammenspiel mit einem Bildschirm im Modus B2 für einen einge schränkten Sichtmodus,
[0062] Fig. 5A eine Prinzipskizze durch Draufsicht auf einen Lichtleiter, welcher durch seine Großflächen von einem Lichtstrahl durchdrungen wird, zur Veranschauli chung des anisotropen Streuverhaltens,
[0063] Fig. 5B-5C Schnittdarstellungen durch den Lichtleiter aus Fig. 5A entlang zweier zueinander orthogonalen Richtungen,
[0064] Fig. 6A-6C Prinzipskizzen zu verschiedenen Ausgestaltungen eines Auskop- pelelements,
[0065] Fig 7A eine Draufsicht auf ein Auskoppelelement mit skizziertem Strahlverlauf,
[0066] Fig. 7B eine Schnittdarstellung durch das Auskoppelelement aus Fig. 7A mit angedeuteten Strahlverläufen für Licht, das den Lichtleiter und die Auskoppelelemente durchdringt, und [0067] Fig. 7C eine Schnittdarstellung durch ein anderes Auskoppelelement mit ange deuteten Strahlverläufen für Licht, das den Lichtleiter und die Auskoppelelemente durch dringt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen [0068] In Fig. 1 ist eine Prinzipskizze zur Auskopplung von Licht, das seitlich von
Leuchtmitteln 4 in einen Lichtleiter 3 eingekoppelt wird, auf der unteren Großfläche des Lichtleiters 3, auf welcher sich die Auskoppelemente 6 befinden, dargestellt. Das aus gekoppelte Licht verlässt den Lichtleiter 3 jedoch überwiegend, d. h. zu mehr als 50 %, an der oberen Großfläche. In der horizontalen Richtung - welche hier in der Blattebene 16 liegt und von rechts nach links verläuft, wohingegen die vertikale Richtung in das Blatt hinein zeigt - wird hier das Licht in einen breiten Winkel (größer als 60°) aus der oberen Großfläche des Lichtleiters 3 ausgekoppelt. Der Ort der Auskoppelelemente 6 ist durch die Ziffer 6 angedeutet, jedoch sind die eigentlichen Auskoppelelemente 6 hier nicht ein- gezeichnet, weil sie mikroskopisch klein sind. Es wird also Licht von den Leuchtmitteln 4, z.B. von LEDs, seitlich in den Lichtleiter 3 eingekoppelt. Auf Grund von Totalreflexion werden Strahlen des eingekoppelten Lichts (fett gezeichnete Strahlen) an der Außen wand wieder zurück in den Lichtleiter 3 geworfen, bis sie schließlich (ggf. zum wieder holten Mal) auf ein Auskoppelelement 6 zur gewünschten Auskopplung treffen. Die Aus- kopplung ist durch die dünnen Strahlen stilisiert. Die Darstellung in Fig. 1 ist zur besseren Erkennbarkeit stark stilisiert; in der Realität wird eine sehr große Vielzahl an Strahlen gängen im Lichtleiter 3 umgesetzt. Außerdem sind Lichtbrechungen an Brechzahlüber gangsflächen nicht berücksichtigt.
[0069] Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze zur Auskopplung von Licht, das seitlich von Leuchtmitteln 4 in einen Lichtleiter 3 eingekoppelt wird, aus der oberen Großfläche des Lichtleiters 3, auf welcher sich die Auskoppelemente 6 befinden. Das Licht verlässt den Lichtleiter 3 hier auch überwiegend durch die obere Großfläche. Es gelten hier sinnge mäß die Ausführungen zu Fig. 1. Technisch verschieden ist hier lediglich die Lage und ggf. die Ausgestaltung der Auskoppelelemente 6, die nun auf der Oberseite des Licht- leiters 3 liegen und somit das Licht direkt nach oben auskoppeln. Dabei muss das aus gekoppelte Licht den Lichtleiter 3 nicht noch ein weiteres Mal passieren, im Gegensatz zu den Gegebenheiten gemäß Fig. 1.
[0070] Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine Beleuchtungseinrichtung 1a, welche in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht von der Beleuchtungseinrichtung in einem gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben wer den kann. Dabei umfasst die Beleuchtungseinrichtung 1a eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung 2, die Licht in den eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt so wie einen in Betrachtungsrichtung vorder Hintergrundbeleuchtung 2 gelegenen, platten- förmigen Lichtleiter 3 mit zwei Großflächen und Schmalseiten, die die Großflächen an deren Kanten verbinden. Der Lichtleiter 3 weist auf mindestens einer der Großflächen und/oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente 6 auf und ist für das von der Hintergrundbeleuchtung 2 ausgehende Licht zu mindestens 50% transparent, bevorzugt 17 jedoch zu mindestens 70%. Seitlich an den Schmalseiten des Lichtleiters sind Leucht mittel angeordnet, wobei dies auch umfasst, dass nur an einer Seite des Lichtleiters Leuchtmittel angeordnet sind. In der Betriebsart B2 sind die Hintergrundbeleuchtung ein- und die Leuchtmittel ausgeschaltet, wohingegen in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel eingeschaltet sind.
[0071] Die Form, Anzahl pro Fläche, die Ausrichtung und/oder die Ausdehnung der Auskoppelelemente 6 ist derart gewählt, dass der Lichtleiter 3 - vermittelt über die Aus koppelelemente 6 oder mindestens eines Teils davon - ein anisotropes Streuverhalten für Licht aufweist, welches den Lichtleiter 3 durch seine Großflächen hindurch durch- dringt.
[0072] Konkret heißt das, dass jedes Auskoppelelement 6 mindestens eine Funktions fläche 5 zur definierten Auskopplung von Licht aufweist, an der entsprechend Licht aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird. Diese Funktionsflächen 5 sind im einfachsten Fall plan oder weisen zumindest plane Flächenabschnitte auf, es kann sich aber auch um in einer oder zwei linear unabhängigen Richtungen gekrümmte Flächen handeln. Für die Funktionsflächen 5 wird nun ein Ausrichtungsvektor definiert, welcher parallel zu der Großfläche liegt, an der das Licht austritt, liegt, d.h. in einer zu besagter Großfläche parallelen Ebene. Dieser Ausrichtungsvektor ist ein Vektor, welcher das Integral aus dem Skalarprodukt dieses Vektors mit einem ortsabhängigen Normalenvektor der Funk- tionsfläche 5 über die Funktionsfläche 5 maximiert. Für plane Flächen ist der Normalen vektor selbstverständlich an jedem Ort der Funktionsfläche 5 konstant, für gekrümmte Flächen variiert er jedoch, es handelt sich dann um den Normalenvektor einer Tangen tialebene an dem jeweiligen Ort. Konkret maximiert der Ausrichtungsvektor v das Integ ral / n - v dA , wobei n der in Koordinaten x und y ortsabhängige Normalenvektor der Funktionsfläche 5, die hier mit „A“ bezeichnet wird, ist. Dieser Ausrichtungsvektor schließt nun mit einer vorgegebenen Vorzugsrichtung einen Winkel von bis zu 45° ein. Der Normalenvektor schließt dabei mit der betreffenden Großfläche, aus der das Licht austritt, einen Winkel zwischen minimal 5° und maximal 85° ein, bevorzugt jedoch liegt der untere Grenzwert bei 30° und/oder der obere Grenzwert bei 60°. Der berechnete Ausrichtungsvektor ist ein Maß für die Verdrehung der Funktionsfläche 5 des Auskop pelelements 6 gegenüber der Vorzugsrichtung, entspricht jedoch nicht zwingend dem „Durchschnitt“ aller ggf. auf der Funktionsfläche 5 vorhandenen Flächennormalen bzw. deren Projektion auf eine die Großflächen des Lichtleiters 3. 18 [0073] Sind die Auskoppelelemente 6 solchermaßen ausgestaltet, führt dies dazu, dass der Lichtleiter 3 in der Vorzugsrichtung ein um mindestens den Faktor 1 ,2, bevorzugt sogar mindestens um den Faktor 2 oder den Faktor 3 stärkeres Streuverhalten aufweist als in einer zur Vorzugsrichtung senkrechten Richtung, und damit insgesamt für Licht, welches den Lichtleiter 3 durch beide Großflächen hindurch durchdringt, ein anisotropes Streuverhalten aufweist.
[0074] Die Großfläche, aus der Licht tritt, kann auch in Teilbereiche vorgegebener Größe eingeteilt sein, wobei das Verhältnis der Flächeninhalte der Funktionsflächen in einem Teilbereich zum Flächeninhalt des jeweiligen Teilbereichs für verschiedene Teil bereiche unterschiedlich ist, so dass das Streuverhalten des Lichtleiters 3 über die Groß fläche, aus der das Licht austritt, variiert.
[0075] In Fig.3 ist eine Prinzipskizze einer solchen Beleuchtungseinrichtung 1 a in einer ersten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einem Bildschirm 1 im Modus B1 für einen freien Sichtmodus gezeigt. Als eingeschränkter Winkelbereich kann grundsätzlich jeder Bereich in Frage kommen, der kleiner als der Halbraum vor der Hintergrundbeleuchtung ist; bevorzugt ist hier aber z.B. ein Winkelbereich von +/-200 oder 30° horizontal und/oder vertikal oder als Konus um die Flächennormale bzw. einen wählbaren Richtungsvektor auf der Hintergrundbeleuchtung 2 gemeint; kleine Lichtmengen von weniger als 1% bis 5% Maximal-Helligkeit können bei der Definition des eingeschränkten Winkelbereichs außer Betracht bleiben.
[0076] Die Prinzipskizzen in den Zeichnungen Fig.3 und 4 sind Schnittdarstellungen.
[0077] Demgegenüber stellt Fig.4 eine Prinzipskizze der Beleuchtungseinrichtung in ei ner ersten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einem Bildschirm im Modus B2 für ei nen eingeschränkten Sichtmodus dar. Die dicken Pfeile signalisieren das im Winkelbe reich eingeschränkte Licht, während die gestrichelten dünnen Pfeile symbolisieren, dass im Vergleich zum Licht aus der Hintergrundbeleuchtung 2 nur sehr wenig Licht horizontal gestreut wird. Das im Ergebnis anisotrope und in vertikaler Richtung gegenüber der ho rizontalen Richtung stärkere Streuverhalten der Auskoppelelemente 6 auf dem Lichtlei ter 3 wird weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 5A - 5C näher erläutert.
[0078] In einer favorisierten Ausgestaltung der Beleuchtungseinrichtung 1a wird das von der Hintergrundbeleuchtung 2 mindestens in der Betriebsart B2 abgestrahlte Licht in der horizontalen Richtung in einen eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt, so
- 19 - dass das besagte Licht beim Durchgang durch den Lichtleiter 3 in horizontaler Richtung eine geringere Streuung erfährt als in vertikaler Richtung, wie in Fig.4 angedeutet. Dadurch wird Licht, dass in den eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, nur geringfügig außerhalb des besagten eingeschränkten Winkelbereichs gestreut. [0079] Die beiden Betriebsarten B1 und B2 unterscheiden sich schließlich dadurch, dass in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung 2 ein- und die Leuchtmittel 4 (an den Schmalseiten oder an einer Schmalseite des Lichtleiters 3) ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel (an den Schmalseiten des Licht leiters) eingeschaltet sind. Die Leuchtmittel 4 strahlen Licht in den Lichtleiter 3 ein. An- schließend koppeln die Auskoppelelemente 6 das Licht aus dem Lichtleiter 3 aus, wobei die Abstrahlung nahezu ausschließlich über die Auskoppelemente 6 erfolgt.
[0080] Die Hintergrundbeleuchtung 2 besteht beispielsweise aus einem flächigen Strahler, vorzugsweise einem weiteren Lichtleiter mit seitlich oder auf der Rückseite an geordneten weiteren Leuchtmitteln, sowie mindestens einem in den flächigen Strahler integrierten und/oder davor angeordneten Lichtkollimator, wie etwa mindestens einer Prismenfolie und/oder mindestens einem Privacyfilter (z.B. einem Lamellenfilter).
[0081] Entsprechend kann also die Hintergrundbeleuchtung 2 grundsätzlich aufgebaut sein wie ein LED-Backlight, beispielsweise als sogenanntes direct-lit LED Backlight, edge-lit LED Backlight, OLED oder als ein anderer Flächenstrahler, auf welchen z.B. mindestens ein permanenter Privacy-Filter (z.B. mit Mikrolamellen) und / oder ein ande rer Lichtkollimator aufgebracht oder angeordnet ist.
[0082] Der Lichtleiter 3 besteht vorzugsweise aus einem transparenten, thermoplasti schen oder thermoelastischen Polymer, z.B. Kunststoff, oder aus Glas. Beispielsweise kann der Lichtleiter 3 aus Polycarbonat bestehen. [0083] Vorteilhaft umfasst der besagte Teil der Auskoppelelemente 6 mindestens 30%, bevorzugt mindestens 50%, besonders bevorzugt mehr als 90% der Auskoppelelemente 6, die dann in ihrer Form, in ihrer Anzahl pro Fläche, die Ausrichtung und/oder in ihrer Ausdehnung derart gewählt sind, dass sie ein anisotropes Streuverhalten für Licht auf weisen, dass den Lichtleiter 3 durch seine Großflächen hindurch durchdringt. Alternativ oder ergänzend schließen im Durchschnitt aller Auskoppelelemente die Ausrichtungs vektoren mit der Vorzugsrichtung einen Winkel mit einem Betrag von bis zu 45° ein. 20 Insbesondere kann der Lichtleiter 3 in der Vorzugsrichtung ein stärkeres Streuverhalten als in einer dazu senkrechten Richtung aufweisen.
[0084] Das anisotrope Streuverhalten der Auskoppelelemente 6 wird aufgrund der Messung des Streuverhaltens hinsichtlich mindestens zweier senkrecht aufeinander ste- hender Richtungen charakterisiert, entlang derer das Streuverhalten gemessen wird, ei ner Vorzugsrichtung und einer dazu senkrechten Richtung. Dabei soll insbesondere das jenige Streuverhalten in Betracht gezogen werden, was bei etwa senkrechtem Durch gang von Licht durch einen Lichtleiter 3 aufgrund der Auskoppelelemente 6 hervorgeru fen wird. Es können aber auch andere Referenzrichtungen als die Senkrechte auf dem Lichtleiter 3 in Betracht gezogen werden.
[0085] Die Begriffe „vertikal“ und „horizontal“ beziehen sich dabei zunächst allgemein auf eine Vorzugsrichtung und eine dazu senkrechte Richtung auf der Fläche der Hinter grundbeleuchtung oder einer Großfläche eines Lichtleiters. Vorteilhaft entspricht die Vor zugsrichtung beim Blick eines Betrachters auf die Beleuchtungseinrichtung 1a der verti- kalen Richtung und die dazu senkrechte Richtung der vertikalen Richtung, wobei das Streuverhalten der Auskoppelelemente 6 in der vertikalen Richtung größer ist als in der horizontalen Richtung. In der Regel entspricht die horizontale Richtung auch der Hori zontalen auf der Erdoberfläche, zumindest bei Bildschirmen mit solchen Lichtleitern, die ihre diesbezügliche Orientierung nicht ändern. Allgemein soll jedoch die horizontale Richtung als diejenige Richtung verstanden werden, welche parallel zu einer die Augen eines Betrachters verbindenden Linie verläuft, wobei davon ausgegangen wird, dass sich bei Bewegung des Betrachters bzw. dieser Linie auch die Position des betrachteten Bildschirms ändert, wie beispielsweise bei mobilen Endgeräten. In Bezug auf das Koor dinatensystem eines mobilen Bildschirms ist es letzten Endes eine willkürliche Festle- gung, welche Richtung horizontal und welche vertikal ist; beide Richtungen müssen nur orthogonal zueinander sein.
[0086] Diesbezüglich zeigt Fig.5A eine Prinzipskizze durch Draufsicht auf einen Licht leiter 3, welcher durch seine Großflächen von einem Lichtstrahl durchdrungen wird, zur Veranschaulichung des anisotropen Streuverhaltens. Mit dem Punkt im Kreis ist ein senkrecht von unten auf den Lichtleiter 3 einfallender Lichtstrahl stilisiert, der den Licht leiter 3 von Großfläche zu Großfläche durchdringt und dabei auch auf - zeichnerisch nicht dargestellte - Auskoppelelemente 6 trifft. Der kurze gestrichelte Pfeil in der hori-
- 21 zontalen Richtung im Vergleich zum längeren gestrichelten Pfeil in der vertikalen Rich tung soll hier indizieren, dass aufgrund des anisotropen Streuverhaltens der entspre chenden Auskoppelelemente 6 das Streuverhalten in horizontaler Richtung kleiner ist als in vertikaler Richtung. [0087] Fig. 5B zeigt eine Schnittdarstellung durch den Lichtleiter 3 in der Richtung senk recht zur Vorzugsrichtung, d.h. hier in horizontaler Richtung. Fig. 5C hingegen zeigt eine Schnittdarstellung durch den Lichtleiter 3 in der Vorzugsrichtung, d.h. hier in vertikaler Richtung Die Auskoppelelemente sind jeweils nicht eingezeichnet. Dicke Pfeile symbo lisieren jeweils das den Lichtleiter 3 durch beide Großflächen - hier die Ober- und die Unterseite - hindurchdringende Licht, welches von der hier nicht eingezeichneten Hin tergrundbeleuchtung 2 abgestrahlt wird. Die gestrichelten Pfeile deuten den maximalen Streuwinkelbereich an, welcher in der Vorzugsrichtung in Fig. 5C erkennbar größer als in der dazu senkrechten Richtung in Fig. 5B ist.
[0088] Die Auskoppelelemente zur Auskopplung von Licht an mindestens einer der Großflächen des Lichtleiters bestehen bevorzugt aus Mikrolinsen und/oder Mikropris men und/oder diffraktiven Strukturen und/oder dreidimensionalen Strukturelementen und/oder Streuelementen mit einer Ausdehnung in ihrergrößten Dimension von maximal 100 Mikrometer, bevorzugt maximal 50 Mikrometer. Im Falle von diffraktiven Strukturen kann es sich beispielsweise um ein Hologramm bzw. ein Gitter/Beugungsgitter handeln. [0089] Dazu gibt Fig.6A eine Prinzipskizze zu einer beispielhaften Form eines Auskop pelelements 6 wieder, hier in der Form eines Mikroprismas. Diese Art von Auskoppele- menten kann homogen, oder bevorzugt inhomogen (d.h. beispielsweise -bis auf Aus nahmen- mit steigendem Abstand von den Leuchtmitteln 4 in größerer Anzahl pro Flä che) auf einer oder beiden Großflächen und/oder im Volumen des Lichtleiters 3 verteilt sein, z.B. als mit Luft gefüllte Aussparung. Andere Formen von Auskoppelementen 6 sind selbstverständlich möglich und in Fig. 6B und Fig. 6C dargestellt. Die Funktionsflä che ist jeweils die schräg nach oben weisende Fläche. Das in Fig. 6A dargestellte Aus koppelelement 6 weist eine simplifizierte Form auf, in der Regel ist die hier plan darge stellte Funktionsfläche an ihren oberen und unteren Kanten eher abgerundet und kann auch im gesamten Verlauf eine Krümmung in ein oder zwei Dimensionen aufweisen, wie es die Fig. 6B und 6C zeigen. Typische Abmessungen liegen zwischen 1 gm und 100 gm in jeder Raumdimension, bevorzugt zwischen 2 pm und 40 pm, wobei die Höhe - in der Zeichenebene die vertikale Richtung - bevorzugt nicht größer als 20 pm beträgt. 22 [0090] Fig. 7A zeigt in Draufsicht ein Auskoppelelement 6, wie es in Fig. 6A beispielhaft gezeigt ist und beispielsweise an der Lichteintrittsfläche, d.h. derjenigen Großfläche des Lichtleiters, bei der das von der Flintergrundbeleuchtung abgestrahlte Licht in diesen hineintritt, als Aussparung ausgebildet sein kann. Lichtstrahlen - hier nicht eingezeich- net - treffen von unten, d.h. von unterhalb der Blattebene senkrecht zu dieser auf die Lichteintrittsfläche. Aufgrund der Ablenkung an der Funktionsfläche 5 wird das Licht um bis zu 45° in Richtung der Vorzugsrichtung - hier die nach oben weisende Vertikalrich tung in der Blattebene - abgelenkt, dies ist besser in Fig. 7B zu erkennen. Senkrecht zur Vorzugsrichtung wirkt die Funktionsfläche 5 nicht, weshalb in dieser Richtung der Streueffekt deutlich geringer ist.
[0091] Fig. 7B zeigt eine Schnittdarstellung des Auskoppelelements aus Fig. 7A, wel ches als Materialaussparung im Lichtleiter, dessen Material durch eine entsprechende Schraffur gekennzeichnet ist, ausgebildet ist. Aufgrund der Funktionsfläche 5 wird das Licht in Vorzugsrichtung - hier die horizontale Richtung in der Blattebene - durch Bre- chung und auch Streuung umgelenkt, gekennzeichnet durch die beiden Pfeile. Senk recht dazu, d.h. senkrecht auch zur Blattebene, wirkt die Funktionsfläche 5 nicht; es entstehen jedoch prinzipiell unerwünschte Streuanteile senkrecht zur Vorzugsrichtung aufgrund von Restwirkungen der dreidimensionalen Ausdehnung des Auskoppelele ments. [0092] Fig. 7C schließlich zeigt die Schnittdarstellung eines anderen Auskoppelements, welches gegenüber dem Auskoppelelement in Fig. 7B zwei Funktionsflächen 5 aufweist. Auch dieses Auskoppelelement 6 ist analog als Aussparung im Material ausgebildet. Die Wirkung der Funktionsflächen 5 entspricht derjenigen in Fig. 7B.
[0093] Für alle vorbeschriebenen Varianten der Beleuchtungseinrichtung 1a ist es von besonderem Vorteil, wenn diese weiterhin einen in Betrachtungsrichtung vor der Be leuchtungseinrichtung 1a angeordneten transmissiven Bildgeber als Bildschirm 1 , vor zugsweise in Form eines LCD-Panels, umfassen, welcher aufgrund der Beleuchtungs einrichtung 1a in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann. [0094] In einigen Fällen kann es hierbei auch hilfreich sein, wenn auch der Bildschirm
1 ein anisotropes Streuverhalten für Licht aufweist, welches den Bildschirm 1 durch seine Großflächen hindurch durchdringt. Dabei sollte dann diejenige Vorzugsrichtung, 23 in welcher das Streuverhalten des Bildschirms 1 geringer ist, derjenigen Vorzugsrichtung entsprechen, die auch bei dem Lichtleiter das geringere Streuverhalten aufweist. Dies wird häufig die horizontale Richtung sein.
[0095] Auf der Oberseite des Bildschirms 1 und / oder auf mindestens einer der Groß- flächen des Lichtleiters 3 wie auch auf mindestens einem der Privacyfilter, wenn vorhan den, können Mittel zur Reflexminderung oder -Steuerung, beispielsweise eine Antiglare- und / oder eine Antireflexbeschichtung, angeordnet sein.
[0096] In allen vorgenannten Ausgestaltungen können die besagten Leuchtmittel 4 LEDs bzw. LED-Zeilen oder Laserdioden sein. Andere Varianten sind denkbar und lie- gen im Rahmen der Erfindung.
[0097] 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 ei nen 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 Betriebs arten ist die native Auflösung des verwendeten Bildschirms nutzbar. Außerdem wird nur ein geringer Lichtverlust durch die Lösung eingeführt und der eingeschränkte Betrach tungswinkel erzielt einen möglichst umfassenden Sichtschutzeffekt. [0098] Die vorangehend beschriebene Erfindung kann vorteilhaft überall da angewen det 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 Erfin dung kann -wie weiter oben beschrieben- auch im PKW angewendet werden. 24 Bezuqszeichenliste
1 Bildschirm
1a Beleuchtungseinrichtung
2 Hintergrundbeleuchtung
3 Lichtleiter
4 Leuchtmittel
5 Funktionsfläche
6 Auskoppelelement 25

Claims

Patentansprüche
Beleuchtungseinrichtung (1a) für einen Bildschirm (1 ), die in mindestens zwei Be triebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sicht modus, in welchem Licht von der Beleuchtungseinrichtung in einem gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, umfassend eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung (2), die Licht in den einge schränkten Winkelbereich abstrahlt, einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung (2) gelegenen, plat tenförmigen Lichtleiter (3) mit zwei Großflächen und Schmalseiten, die die Groß flächen an deren Kanten verbinden, wobei der Lichtleiter (3) auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente (6) aufweist, wobei der Lichtleiter (3) für das von der Hintergrundbeleuchtung (2) aus gehende Licht zu mindestens 50% transparent ist, wobei jedes Auskoppelelement (6) mindestens eine Funktionsfläche zur definierten Auskopplung von Licht auf weist, an der Licht aus dem Lichtleiter (3) ausgekoppelt wird, seitlich an Schmalseiten des Lichtleiters (3) angeordnete Leuchtmittel (4), wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung (2) ein- und die Leucht mittel (4) ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel (4) eingeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen Teil der Auskoppelelemente (6) ein zu der Großfläche, an der das Licht austritt, paralleler Ausrichtungsvektor einer jeden Funktionsfläche mit einer Vorzugsrichtung einen Winkel mit einem Betrag von bis zu 45° ein schließt, wobei der Ausrichtungsvektor ein Vektor ist, welcher das Integral aus dem Skalarprodukt dieses Vektors mit einem ortsabhängigen Normalenvektor der Funktionsfläche über die Funktionsfläche maximiert, und wobei jeder Normalen vektor mit der betreffenden Großfläche einen Winkel zwischen 5° und 85° ein schließt, wodurch der Lichtleiter (3) in der Vorzugsrichtung ein um mindestens den
- 26 - Faktor 1 ,2 stärkeres Streuverhalten aufweist als in einer zur Vorzugsrichtung senk rechten Richtung, und damit insgesamt für Licht, welches den Lichtleiter (3) durch beide Großflächen hindurch durchdringt, ein anisotropes Streuverhalten aufweist.
2. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Auskoppelemente (6) mindestens 30% aller Auskoppelelemente um fasst und/oder dass im Durchschnitt aller Auskoppelelemente die Ausrichtungs vektoren mit der Vorzugsrichtung einen Winkel mit einem Betrag von bis zu 45° einschließen.
3. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (3) in der Vorzugsrichtung ein stärkeres Streuverhalten auf weist als in entgegengesetzter Richtung.
4. Beleuchtungseinrichtung (1 a) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsrichtung beim Blick eines Betrachters auf die Beleuchtungseinrichtung (1a) der der vertikalen Richtung entspricht, so dass das Streuverhalten des Licht- leiters (3) in der vertikalen Richtung größer ist als in der horizontalen Richtung, wobei die horizontale Richtung parallel zu einer Linie zwischen den Augen des Betrachters verläuft.
5. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass das das Verhältnis der Flächeninhalte der Funktionsflächen des besagten Teils der Auskoppelelemente zum Flächeninhalt einer Großfläche so festgelegt ist, dass das Streuverhalten der Auskoppelelemente (6) in der Vorzugs richtung mindestens um den Faktor 2 oder den Faktor 3 größer als in der zur Vor zugsrichtung senkrechten Richtung ist.
6. Beleuchtungseinrichtung (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Großfläche, aus der das Licht tritt, in Teilbereiche vorgegebener
Größe eingeteilt ist und das Verhältnis der Flächeninhalte der Funktionsflächen in einem Teilbereich zum Flächeninhalt des jeweiligen Teilbereichs für verschiedene Teilbereiche unterschiedlich ist, so dass das Streuverhalten des Lichtleiters (3) über die Großfläche, aus der das Licht austritt, variiert.
- 27 -
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