用于具有自由看视模式和受限看视模式的显示屏的照明装置的制作方法

1.近年来，在扩大lcd的可视角度方面已取得了长足的进步。然而，经常存在如下的情况，其中显示屏的非常大的观看范围可能是不利的。诸如银行数据或其他私人信息以及敏感数据之类的信息越来越多地可在笔记本电脑和平板电脑等移动设备上获得。因此，用户需要对允许谁查看此类敏感数据进行监控；用户必须能够在较宽的视角之间进行选择，以便在其显示屏上与他人分享的信息，例如，在观看假期照片或阅读广告时；另一方面，则用户需要很窄的视角，以使显示的信息不公开。
2.在汽车制造中会遇到类似的问题：在这里，当发动机运行时，驾驶员不能被诸如数字娱乐节目之类的图像内容分散注意力，而前排座位的乘客则希望在乘车时观看图像内容。因此，需要一种可以在相应的显示运行方式之间切换的显示屏。


背景技术：

3.基于微型叶片的附加薄膜已经用于移动式显示器，以为其提供光学的数据保护。然而，这样的薄膜不能(来回)切换，其必须总是被用手放上，然后再移开。另外，它们在不使用时必须与显示屏分开携带。一个主要的缺点是伴随使用这种叶片薄膜的光损失。
4.文献us2009/0067156公开了配置照明系统和显示屏设备的大量构思。其中在图3a和3b中所示的变型特别是使用了两个由楔形光导组成的背景照明器(所谓的背光灯)和lcd面板，其中，后部背光灯40用于强制产生较宽的照明角度，前部背光灯38用于强制产生很窄的照明角度。但是，尚不清楚背光灯38以什么方式产生很窄的照明角而不会将源自背光灯40的具有宽照明角的光在通过背光灯38时明显转换成具有很窄照明角的光。
5.关于us2009/0067156的图5所示的实施例，应当注意，两个光导46和48分别产生“窄光”，即具有窄照明角的光。将光导48中的光仅借助复杂地利用棱镜结构可实现的分光镜50转换为“宽光”，即具有宽照明角的光。这种转换极大地降低了光强度，因为首先以窄的照明角度辐射的光(唯一可用的光)随后散布成宽的照明角度，通常散入半空间。由此，根据参数而定，亮度(就光密度而言)将降低5倍或更高。因此，这种方案几乎没有实际意义。
6.在根据us2009/0067156的图7的实施例中，将紫外线转换成可见光的磷层是绝对必要的。这种耗费很大，并且在想要从背光灯获得足够的光来照亮lcd面板以便可以读取的目的，需要非常高的紫外线强度。因此，该实施例既昂贵又复杂，仅屏蔽紫外线辐射是不可行的。
7.us5,956,107a公开了一种可切换的发光机构，利用该发光机构能够以多种运行方式运行显示屏。此处的缺点是光的耦合输出完全通过散射来实现，这产生了低效率和不是最佳的光指向效应。特别是没有详细公开获得聚焦的光锥的方式。
8.在cn107734118a中介绍了一种显示屏，该显示屏允许通过两个背景照明器控制显示屏的视角。为此，两个背景照明器中的上面那个用于辐射聚焦的光。作为对此所用的设计被称为带有不透明和透明的分段的光栅。但是，可能的结果是，第二背景照明器的光(其必须朝向lcd面板的方向穿透第一背景照明器的光)也被聚焦，因此，用于宽视角的公共看视
模式受到明显的角度限制。
9.us2007/030240a1介绍了一种用于控制从背景照明器发出的光的光传播方向的光学元件。例如，需要pdlc形式的液晶，该光学元件一方面是昂贵的，并且对于另一方面，特别是对于终端用户应用而言，这在安全方面是有争议的，因为通常pdlc液晶需要60v以上的电压进行切换。
10.在cn1987606a中再次介绍了一种显示屏，该显示屏允许通过两个背景照明器控制其视角。在此，特别是使用“第一灯板”，该第一灯板必须呈楔形，以实现预期的聚焦的光输出。没有公开实现聚焦的光耦合输出的更详细细节和相应的角度条件。
11.此外，cn106195766a公开了用于在两种照明运行方式之间切换的两个发光机构。在此，使用了用于将聚焦的光耦合输出的锯齿形的耦合输出结构。此处的缺点是，锯齿形的耦合输出结构包含竖向的干扰侧面，该干扰侧面阻碍或甚至阻止了看视保护运行方式所需的很强的光聚焦。
12.此外，us2018/0267344a1介绍了一种包括两个平面照明模块的组件。在此，来自后照明模块的光(沿观察方向观察)由单独的结构聚焦。聚焦后，光线必须通过前照明模块，该模块具有散射元件。因此，无法最佳地实现足以看视保护的聚焦的光。
13.de112010004660t5介绍了一种带有可切换的背光灯的lcd装置。在此，来自后部背光灯的光被前部背光灯转换。
14.最后，us2007/0008456a1公开了将光辐射角分成至少三个范围，其中通常两个范围接收光。由此，以这种方式照亮的受看视保护的显示器可能无法仅从一个方向观看。
15.通常，上述方法和装置具有以下缺点：它们显著降低了基本显示屏的亮度和/或需要有源的或至少专用的光学元件以在运行方式之间进行运行方式切换，和/或需要复杂且昂贵的制造，和/或降低自由看视模式下的分辨率。
16.申请人的wo2015/121398a1介绍了开头所述类型的显示屏。为了在运行方式之间进行切换，该显示屏实质上具有在各个光导的型体中提供散射颗粒的特征。然而，通常，在那里选择的由聚合产物组成的散射颗粒具有共同的缺点，即光从两个大表面耦合输出来，从而大约一半的有用光沿错误的方向辐射，即朝着背景照明器辐射并且由于这种结构，而无法充分再循环。此外，分布在光导的型体中的聚合物的散射颗粒、尤其是较高浓度的散射颗粒可能会导致散射效应，从而可能会降低保护运行方式下的看视保护效果。


技术实现要素：

17.因此，本发明的目的是，介绍一种照明装置，通过该照明装置与显示屏相配合下，可以通过可选地受限的视角来实现信息的安全呈现，并且在另一运行方式中，能够实现自由的、尽可能在看视角度方面不受限制的看视。本发明应当通过简单的手段尽可能低廉地实现。在两种运行方式下，应该都可以看到尽可能高的分辨率，尤其是所用显示屏的原始分辨率。此外，本发明的解决方案应该引起尽可能小的光损失。
18.根据本发明，该目的通过一种用于具有透射式图像发生器的显示屏的照明装置来实现，该图像发生器具有自身由子像素组成的像素，并且其中该照明装置能够以至少两种运行方式运行，即对应自由看视的运行方式b1和对应受限看视的运行方式b2，包括：
19.平面延伸的背景照明器，其在宽角度范围内辐射光(“宽”是指大于90
°
或大于
120
°
，这可以相对于垂直于背景照明器面法线的一个或两个优先方向进行定义)，
20.沿观察方向看位于背景照明器的前面的板状的光导，并且在大表面中的至少一个上和/或在其型体内，具有大量耦合输出元件以及可选地还有聚焦元件，其中，光导对背景照明器发出的光的至少70％是透明的，
21.沿侧向布置在光导的至少一个窄边上的发光机构，
22.其中，耦合输出元件将从发光机构发出并且由于全反射而在大表面之间来回投射的光以如下方式耦合输出，所述耦合输出元件在材料过渡部具有功能面(在此例如可以是光导材料和空气之间的折射率变化，或者可替代地是反射层或所设置的光栅)，所述功能面具有如下的结构、例如如下的倾斜度，使得打到功能面上的光以限定的角度耦合输出通过大表面，
23.其中，聚焦元件(如果存在的话)对由耦合输出元件耦合输出的光的至少50％至少部分地在其光传播方向上进行限制，
24.其中，耦合输出元件还在其形状以及单位面积数量和在其伸展上以如下方式选择，使得：
25.每个耦合输出元件在其水平和垂直尺寸方面都小于图像生成器子像素的宽度和高度中的最小值(优选甚至小于图像生成器子像素的宽度和高度中的最小值的一半；通过这种方式，图像变得更加均匀，并且必要时可以避免结构图案和子像素图案的重叠现象)，
26.在平行于光导的面法线的投影方向上，至少两个耦合输出元件的表面的一部分或全部布置在图像生成器的每个子像素下方(优选甚至多于两个、例如三个、四个或更多个耦合输出元件分别部分地或完全地在平行于光导的面法线的投影中，布置在图像生成器的每个子像素的下方)；
27.在平行于光导面法线的投影方向上，耦合输出元件的填充系数最大为光导的大表面的50％(由此确保：来自背景照明器的尚未足够聚焦的光可以不受影响地穿透光导)，
28.其中，此外耦合输出元件和聚焦元件(如果存在的话)以及其相应的形状在大表面的至少一个上和/或在光导的型体内的分布以如下方式设定，使得被影响从发光机构进入光导并且再通过耦合输出元件从光导耦合输出来以及从聚焦元件(如果存在的话)进入其光传播方向的光满足以下条件：
29.从大表面之一合计耦合输出的光量的至少80％在相对于一个或两个指定的相互垂直的优先方向在合计最大60
°
、优选40
°
的相对角度范围内辐射(例如针对中心聚焦的光方向在介于
‑
20
°
和+20
°
之间的水平角度范围内；针对侧面倾斜的光方向在介于
‑
30
°
和+10
°
之间的水平角度范围内)，
30.从光导中耦合输出的光量的50％以上沿远离背景照明器的方向或朝向背景照明器的方向辐射，
31.其中，在运行方式b2中，背景照明器以及发光机构被关闭，并且其中，在运行方式b1中，至少背景照明器被接通。
32.在照明装置中，光导例如由透明聚合物(例如合成材料)或玻璃组成。例如，光导或其基底可以包含相对于其重量至少40重量％的聚甲基丙烯酸甲酯，优选至少60重量％的聚甲基丙烯酸甲酯。可替代地，该材料可以是聚碳酸酯(pc)，cop(环烯烃聚合物)或pmmi(聚醚醚酮)。其他实施例也是可行的。
33.对于耦合输出元件或聚焦元件在其每单位面积的数量、其在三维上的形状和伸展以及其在至少一个大表面上和/或在光导的型体内的分布方面对于本发明关键的所需特性例如可以借助光学仿真软件(例如synopsis公司的“lighttools”或其他供应商的软件)来确定，然后以物理的方式实施。
34.在us2018/0088270a1中，在这里特别是在图3a、4b、5a、9或10中，结合相关的说明文字，介绍了耦合输出元件的可行有用的三维形式的示例。
35.在现有技术中，没有诸如反射器、bef、dbef、棱镜箔和/或层状滤光片之类的辅助层就不能实现光导的上述辐射特性。在此，特殊的辐射特性尤其用于获得足够的光输出效率以及按照受限运行方式b2的聚焦的光，因为在这种运行方式下，典型地，要求配备有本发明照明装置的显示屏仅在很窄的角度范围内是可视的。
36.在此，优先方向可以相当于外部参考系中的上述竖直方向或水平方向。
37.在许多应用情形中，恰好规定出一个垂直于面法线的优先方向，并且参考图像生成器的取向，该优先方向相当于水平方向。
38.耦合输出元件和/或聚焦元件的最大尺寸优选为100μm，更优选为8μm至30μm。
39.如果在光导的大表面之一上设置有聚焦元件，则优选地，至少一部分耦合输出元件布置在相对置的大表面上。在这种情况下，聚焦元件的焦点可选地位于所述相对的大表面的平面中或附近。如果每个聚焦元件的焦点位于相应的耦合输出元件中，则聚焦元件的光取向变得特别高效。
40.此外，优选地，聚焦元件还优选例如通过调整聚焦元件的尺寸、形式和/或聚焦位置以如下方式实施，使得来自平面背景照明器并穿透光导的光几乎不遭受其强度的损失(即总和最大为半空间的20％)。
41.理想地，以这样的方式实现光导，使得由发光机构辐射到光导中并通过耦合输出元件从光导中耦合输出并由聚焦元件(如果有的话)在其光传播方向施加影响的光的一半以上关于一个或两个指定的、相互垂直的优先方向在整个表面上具有变化的平均出射角。因此，平均耦合输出角在光导的整个面上变化。然后，与图像生成器相配合地，将观看者感知的图像聚焦给同一观看者上。如果如现有技术中常见的那样，通过平行的微型叶片将光集束，则情况并非如此。
42.此外，耦合输出元件和/或聚焦元件由微透镜和/或微棱镜和/或衍射结构(光栅)和/或三维结构元件组成，特别是如果它们被构造在光导的大表面上的话。特别是对于耦合输出元件，例如也可以考虑散射元件。对于聚焦元件，也可以考虑限制光方向的微型叶片。此外，前述变型方案的组合可以用作耦合输出元件和/或聚焦元件。其他可能的配置是例如棱镜状的三维结构。
43.在光导的制造中，原则上能够以各种方式将耦合输出元件以及聚焦元件(如果有的话)分布在光导内或光导上，以满足光耦合输出的适应性和可设定性的条件。耦合输出元件是指光导在型体中或/和表面上的局部受限的结构变化。因此，耦合输出元件和聚焦元件的概念明确地不覆盖施加在光导表面上的任何附加光学层，例如扩散层、反射层或(双)亮度增强或偏振再循环的层((dual)brightness enhancement film
‑
(d)bef)或棱镜层(例如befs)。这些未被“耦合输出元件”概念涵盖的附加层通常仅分散地置于大表面上，但不会与光导形成物理单元。相反，施加于大表面上的并通过化学反应与光导结合的漆料形成物理
单元，并且不能彼此分离；这种漆料因此不算作按照上述方式的附加层。
44.可以规定耦合输出元件的结构，使得至少每个耦合输出元件的作用至少大致已知，并且可以通过耦合输出元件的给定分布来确定光导或光出射光导的特性及其各自的形状。
45.此外，可行的是，在耦合输出元件和/或聚焦元件由微透镜和/或微棱镜和/或三维结构元件组成的情况下，其至少部分地被反射层覆盖。该层可以具有全部或部分反射，尤其是与角度相关的反射。
46.替代地，如果在光导的型体内的耦合输出元件被构造为空腔，则其优选具有微透镜、微棱镜、衍射结构、纳米颗粒和/或三维结构元件的外形。在此可以再次进行组合和/或其他配置，例如像棱镜一样的三维结构。
47.空腔填充有气态、液态或固态的材料，这些材料的折射率不同于、优选地小于用于光导的材料的折射率，或者将空腔排空空气。
48.此外，空腔可以填充有气态、液态或固态材料，该材料的雾度值不同于、优选高于用于光导的材料的雾度值。
49.最后，光导可以由两个通过界面彼此结合的、优选相同类型的基材层形成。在此，空腔形成为至少一个界面上的材料凹部，优选形成为具有微透镜、微棱镜、三维结构元件或衍射结构的外形。
50.在衍射结构的情况下，这些可以涉及的是例如全息图或光栅/衍射光栅。
51.如果耦合输出元件和/或聚焦元件设置在光导的大表面的至少一个上，则耦合输出元件和/或聚焦元件有利地由利用工具设定结构的聚合物(例如，漆料、合成材料、例如pc或pmma等)或由玻璃构成，其结构已借助工具压铸而成。这例如在批量生产中是可行的，例如通过将紫外线固化材料(例如漆料或单体等)施加到光导基材上，通过工具构造所述材料并通过紫外线对其进行固化辐射，例如聚合。也可以使用通过辐射固化的其他材料。可以例如通过机械的方式、通过平版方式或印刷技术、或者也可以通过材料的施加、转化、去除或溶解来完成用于实现耦合输出元件的凹部的成型。
52.以此方式，例如光栅结构、微棱镜能够要么凸形地在表面上有合成材料部分向外伸出，和/或凹形地作为结构化的合成材料表面层中的压痕或凹部、其他形状的其他三维结构元件、或者微透镜以低成本且适合大量生产的方式实现。凹凸结构可以等同地使用。
53.也适合作为该型体内的耦合输出元件的是例如纳米颗粒，例如二氧化钛。
54.可行的是，在两个大表面上以及可选地也在该型体内施加耦合输出元件和/或聚焦元件。
55.此外，会有利的是，将吸收层设置在光导的与发光机构的光入射侧相对的窄边上，使得入射到那里的光不会再次返回并且可能以不希望的角度耦合输出。
56.优选地，本发明以如下的显示屏实现，该显示屏可以在至少两种运行方式下运行，即对应自由看视模式的运行方式b1和对应受限看视模式的运行方式b2，并且该显示屏至少包括以下组件：
57.根据本发明的照明结构，以及
58.沿观察方向布置在光导前面的透射式图像生成器。
59.在以下讨论中考虑的图像生成器是lcd面板。在这里，会有利的是，在光导上方或
下方至少布置一个偏振滤光片(通常，该滤光片会线性偏振光，并且其偏振方向平行于lcd面板的输入侧偏振方向)。如果沿观察方向在光导后面设置偏振滤光器，于是由lcd面板反射的、未平行于lcd面板输入侧偏振方向偏振的光将被吸收，因此不会散射地反射回到光导中或穿过光导，这对于看视模式b2的品质是有利的。相反，如果所述偏振滤光片沿观察方向布置在光导的前面，则在那里由lcd面板反射的、未平行于lcd面板输入侧偏振方向偏振的光将被吸收。这意味着，有利的是，没有或几乎没有光被lcd面板反射回光导，因为在如果该光在光导中在此作为散射光返回面板，这可能会使看视模式b2变差。
60.作为图像发生器的所述lcd面板优选地具有10％的最大雾度值和/或最大的预定散射特性。最大的预定散射特性可能例如是穿过lcd面板的光的至少90％以最大10
°
散射。
61.有利地，根据本发明的照明装置可以与lcd面板一起被配置为图像产生器，用于再循环以在输入侧不适合lcd面板的方式偏振的光，该照明装置还包括：
62.沿观察方向看位于板状光导前面的光学元件，其透射第一偏振类型的光(该偏振类型对应于所述lcd面板的输入侧偏振)并反射第二偏振类型的光，
63.沿观察方向看位于板状光导后面的光学元件，在第一替代方案中，该光学元件被配置为可切换镜，并且可选地反射来自光导方向的光，或者在第二替代方案中，该光学元件以持久设置的方式同时地部分地反射和透射光，或者在第三种替代方案中根据偏振来反射和/或透射光。
64.在这种有用的结构中，第二偏振类型的光(其原本会被lcd的输入侧偏振滤光片吸收并因此无法用于功率汇总)通过光导返回到光学元件。所述光学元件又将源自光学元件并入射到该光学元件上的光的至少一部分返回至lcd面板。由于配备有耦合输出元件和/或聚焦元件的光导的反射和/或透过，因此该光的至少一部分将以不同的方式偏振，从而使其通过lcd面板的入射侧偏振器，从而提高了结构的效率。理想情况下，在这种配置中，光导不表现出或几乎不表现出双折射，因此偏振再循环在没有可见颜色图案的情况下进行。
65.该配置的其他形式设置有至少一个延迟元件和/或部分反射镜。
66.除此之外，耦合输出元件可以根据不同的形状和/或大小而变化。
67.此外，在一些应用中有利的是，将针对运行方式b2的所述受限角度范围围绕背景照明器的面法线不对称地设置。优选地，不对称设置在优先方向之一上实现。这对于在车辆中使用特别有用，例如如果在仪表板上大约在驾驶员和前排乘客之间的中间位置布置了与根据本发明的照明装置组合的显示屏来作为中央信息显示器的话。于是，必须将在运行方式b2下仅针对前排乘客开放的、受限的看视角度范围非对称地设计，即指向乘客。在此，形成不对称的优先方向对应于水平方向。
68.背景照明器例如由对于lcd典型的背光灯单元组成，该背光灯单元具有从发光机构、漫射器、至少一个棱镜箔以及可能的偏振反射器(3m dbef
tm
或线栅偏振器)馈入光的光导，偏振反射器的偏振透射率与lcd面板的输入侧的偏振透射率一致，并且在背侧与反射镜一致。其他构造也是可行的。相应地，背景照明器可以基本上像led背光灯一样地构造，例如像所谓的侧光灯、边缘光灯、直接led背光灯、边缘led背光灯、oled或其他面式辐射器。
69.用于减少或控制反射的机构(例如防眩和/或防反射层)可以布置在图像发生器的上侧和/或光导的大表面的至少一个上。
70.根据本发明的具有显示屏的照明装置可应用于车辆内部的特定优点，用于在运行
方式b2中仅对于前排乘客或在运行方式b1中同时对于驾驶员和前排乘客可选地呈现图像内容。运行方式b2很有用，例如，乘客正在观看娱乐内容，这可能会分散驾驶员的注意力。
71.根据本发明的显示屏还可以用于输入或读取机密数据，例如在自动提款机、支付终端或移动设备上的pin号、电子邮件、文本消息或密码。
72.在前面提到的所有实施例中，所述发光机构可以是led、led带或激光二极管。其他变型也是可行的，并且落入本发明的范围内。
73.根据本发明的显示屏的另一个设计方案在于，沿观察方向在图像生成器的前面布置有另一光导(例如由玻璃、聚合物或合成材料制成)，其具有用于耦合输出光的机构，该机构可以被沿侧向从发光机构馈入光。此处使用的用于耦合输出的机构例如是上述的耦合输出元件，或者是现有技术中已知的，例如具有合适的尺寸和数量的纳米粒子(例如二氧化钛，硫酸钡等)，如在wo2015/121398a1和wo2017/089482a1中介绍那样，其在光导的型体中均匀分布。通过该设计方案，在运行方式b2中无意地留下的残余光都可以被叠加或覆盖照射(
ü
berstrahlen)到实际上要防止眼睛接触的角度范围内，以致不能察觉到对比度并且因此没有图像从未释放的角度可见。在此，耦合输出元件也能够以空腔的形式构造或构造在界面上，这在车辆内部应用的情况下例如确保信息仅显示给前排乘客而不显示给驾驶员，方式为：辐射被限制在相应的部分空间。
74.适当的发光机构设计用于辐射彩色光或白色光。发光机构可以发出不会出现在透射式图像生成器呈现的图像中的颜色的光。
75.备选地，发光机构可以辐射出现在由透射式图像呈现的图像中或在色谱中接近于这种颜色的颜色的光。最后，可以考虑的是，发光机构辐射大致相当于在透射式图像生成器呈现的图像中出现的颜色的互补颜色的颜色的光。
76.术语“彩色光”特别是指非白色的可见光，即例如红色、绿色、蓝色、绿松石、青色、品红色或黄色的光。此外，该光可以可选地以不同的亮度辐射。此外，可行的是，例如在颜色和/或亮度方面，随时间调制由发光机构发出的光的色度。另外，发光机构可以利用不同的单个发光机构来实现，例如led行中的rgb
‑
led，其同时或以时间和/或空间上错开地或者以不同的颜色和/或不同的亮度辐射光。
77.此外，对应受限看视的模式b2的期望的受限角度范围可以针对水平方向和竖直方向彼此独立地定义和实现。例如，竖直方向的角度大于水平方向的角度(或者根本没有限制)会是合理的，例如对于不同身高的人都应当看到自动提款机上的显示器，而看视从侧面是要保持高度或完全限制的情况。相反，由于安全法规的限制，pos付款终端经常需要在模式b2下在水平和竖直方向上限制看视。
78.原则上，即使上述参数在一定范围内变化，本发明的性能也不会受到影响。
79.应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，前面提到的特征和下面将要解释的特征不仅适用于所述的组合，还适用于其他组合或作为独立的特征。
附图说明
80.下面，将参考附图更详细地解释本发明，附图还示出本发明的主要特征。其中：
81.图1示出在对应自由看视模式的运行方式b1中，与图像生成器相配合的根据本发明的照明装置的原理图，
82.图2示出在对应受限看视模式的运行方式b2中，与图像生成器相配合的根据本发明的照明装置的原理图，
83.图3示出用于理解图像发生器的子像素在光导的耦合输出元件上的平行投影的示意图，
84.图4示出在另一设计方案中在对应受限看视模式的运行方式b2中与图像生成器相配合的根据本发明的照明装置的原理图，
85.图5a
‑
5c示出在选定角度范围内从光导耦合输出的光量的示例图，
86.图6以又一个包含聚焦元件的设计方案示出在对应受限看视模式b2下与图像生成器相配合的根据本发明的照明装置的原理图，
87.图7示出在其中将不合适类型的偏振光至少部分地再循环的示例结构的简图，以及
88.图8示出用于定义水平方向的简图。
89.附图并非按比例绘制并仅示出原理。
具体实施方式
90.图1示出本发明的用于具有透射式图像生成器5的显示屏1的照明装置1a的原理图，其中，图像生成器5具有自身由子像素组成的像素，并且照明装置1a能够以至少两种运行方式运行一对应自由看视模式的运行方式b1和对应受限看视模式的运行方式b2。本发明的照明装置1a包括：
91.平面伸展的背景照明器2，其可在宽角度范围内(“宽”表示大于90
°
或甚至大于120
°
的角度，其可以相对于垂直于背景照明器的面法线的一个或两个优先方向进行定义)发光，
92.沿观察方向位于背景照明器2的前面的板状的光导3，该光导在大表面之一上具有大量或者说多个耦合输出元件6(其中仅一部分被示出并且这部分也是夸大示出的)，光导3对于背景照明器2发出的光至少70％是透明的，
93.沿侧向或者说在侧部布置在光导3的至少一个窄边上的发光机构4，
94.其中，耦合输出元件6将从发光机构4发出的并由于全反射而在光导3的大表面之间来回反射的光以如下方式耦合输出，使得其在材料过渡部上具有功能面(在此，例如可能会涉及到光导材料
‑
空气的折射率变化，但可替换地涉及反射层或施加的光栅)，所述功能面具有如下的结构(例如倾斜度)，使入射在其上的光以规定的角度通过其中一个大表面耦合输出，
95.其中，耦合输出元件6在其形状、单位面积数量及其伸展方面以如下方式选择，使得：
96.每个耦合输出元件6分别在其水平和竖直尺寸方面小于图像生成器5的子像素的宽度和高度中的最小值(优选地甚至小于图像生成器的子像素的宽度和高度中的最小值的一半)；以这种方式，图像变得更加均匀，并且可以避免结构图案和子像素图案重叠的现象)，
97.在平行于光导3的面法线的投影方向上，至少两个耦合输出元件6的部分或全部表面分别布置在图像生成器5的每个子像素下方(优选甚至两个以上的耦合输出元件、例如三
个，四个或更多个分别部分地或全部地在平行于光导的面法线的投影方向上，布置在图像生成器的每个子像素下方)，
98.在平行于光导3的面法线的投影方向上，耦合输出元件6的填充系数最大为光导3的大表面的50％(由此确保了：来自背景照明器的足够的未聚焦的光可以不受影响地穿透光导3，其中，明确地使得源自背景照明器2的光可以穿透耦合输出元件6)，
99.其中，此外在光导3的大表面中的至少一个上和/或在光导3的型体内耦合输出元件6的分布及其各自的形式被以如下方式设定，使得从发光机构4射入光导3并通过耦合输出元件6从光导3耦合输出的光满足以下条件：
100.从大表面之一耦合输出的总光量的至少80％在相对于一个或两个指定的或者说预设的相互垂直的优先方向总计最大60
°
、优选40
°
的相对角度范围内出射(例如对于中心聚焦的光方向，介于
‑
20
°
和+20
°
之间的水平角度范围；对于侧向倾斜的光方向，在
‑
30
°
和+10
°
之间的水平角度范围)，
101.从光导3耦合输出的光量的50％以上沿背离背景照明器2的方向或朝向背景照明器2的方向出射，
102.其中，在运行方式b2中，背景照明器2以及发光机构4被切断，并且在运行方式b1中，至少背景照明器2被接通。
103.在此，优先方向在光导3上或在背景照明器2的表面上的平面内彼此垂直地延伸。在运行中，例如在付款终端或汽车中时，显示屏1相对于其外部环境固定，并且例如术语“竖直”和“水平”优先方向与显示屏1的“纵向”或“横向”方向无关地对应于优先方向，该术语实际是指环境的外部坐标系。“竖直”对应于显示屏1上从上到下的方向，而“水平”对应从左到右的方向，如图8中以方向“h”对应“水平”示出。
104.在照明装置1a中，光导3例如由透明合成材料或玻璃组成。例如，相对于其重量，光导或其基底可以包含至少40重量％的聚甲基丙烯酸甲酯，优选至少60重量％的聚甲基丙烯酸甲酯。可替代地，该材料可以是聚碳酸酯(pc)、cop(环烯烃聚合物)或pmmi(聚甲基丙烯酰甲亚胺)。其他实施例也是可行的。
105.对于耦合输出元件6的对本发明关键的、在其每单位面积的数量、其在三维上的形状和伸展以及其在至少一个大表面上和/或在一定型体内的分布方面的所需特性可以例如借助光学仿真软件，例如由synopsis公司提供的“lighttools”或其他供应商提供的软件来确定，然后相应地进行物理实现。
106.可以规定或者说预设耦合输出元件6的结构，使得每个耦合输出元件6的作用至少大致已知，并且可以有针对性地通过耦合输出元件6给定的分布及其相应的形状来确定光导3的特性或从光导3射出的光的特性。
107.在us2018/0088270a1中，特别是在附图3a、4b、5a、9或10中，结合所附的说明文字介绍了耦合输出元件6的可行的三维形式的示例。
108.在示例性实施例中，如图5a所示，多个这样的耦合输出元件6(例如，每平方分米几百万个)可以均匀地或以变化的密度(特别是密度随着与发光机构4的间距增加而增加)分布在光导3的下部大表面上，其中，耦合输出元件6在棱镜中的平均倾斜角约为50
°
。由此，光以聚焦的方式耦合输出，如本发明所需那样。
109.在现有技术中，如果没有诸如反射器、bef、dbef、棱镜膜和/或叶片滤光片之类的
辅助层，就不能实现光导3的上述辐射特性。在此，特殊的辐射特性特别用于获得足够的光输出效率并用于在受限运行方式b2中将光聚焦，因为在这种运行方式下，通常需要配备有本发明照明装置1a的显示屏1仅在很窄的角度范围内可见。
110.在此，优先方向可以等于外部参考系中的上述竖直或水平方向。
111.在许多应用情形中，规定恰好一个垂直于面法线的优先方向。该优先方向对应于与图像生成器5的方向相关的水平方向。
112.在根据图1的第一不受限的运行方式中，在此恰好背景照明器2被接通。如黑色箭头所示，背景照明器在很大的角度范围内辐射光。该光穿过诸如lcd面板的透射式图像生成器5。因此，从宽角度范围可见在图像生成器5上呈现的图像。
113.相反，图2示出对应受限看视模式的运行方式b2中与图像生成器5相配合的根据本发明照明装置的原理图。在此，背景照明器2被切断，而发光机构4被接通，从而将光耦合到光导3中。
114.沿侧向被发光机构4耦合输入到光导3中的光被耦合输出到光导3的、其上设有耦合输出元件6的下部大表面，并通过光导的上部大表面离开光导3。根据本发明，光在水平方向上以限制角度从光导3的上部大表面耦合输出。然而，在附图中，耦合输出元件6仅被粗略地勾勒出轮廓，因为它们实际上必须是微观小尺寸的并且以大量存在。
115.即光从发光机构4(例如led)沿侧向横向耦合到光导3中。由于全反射，耦合进来的光线被外壁反射回到光导3中，直到最终(必要时重复地)打到耦合输出元件6上，以进行所希望的耦合输出。进入受限的角度范围内的耦合输出通过所绘的射束示出，这些射束在这里基本上是平行的。为清楚起见，图2的显示方式为了更好辨识而大大示意化；实际上，光导3有非常多的光路。
116.图3是用于更好地理解图像发生器5的子像素到光导的耦合输出元件6上的平行投影的示意图。以红色、绿色、蓝色的rgb标记以高度简化的方式表示子像素。在图的右侧部分，可以看到，如果投影平行于光导3的面法线，则至少两个(不同的)耦合输出元件6的整个表面或相应部分布置在图像生成器5的每个子像素下方。
117.此外，在图3中可以看出，耦合输出元件6在其形状、单位面积的数量和伸展方面以如下方式选择，每个耦合输出元件6在所述平行投影中，在其水平和竖直尺寸方面，小于图像生成器5的子像素的宽度和高度中的最小值。
118.在此，在图3中以高度示意化的方式绘制的耦合输出元件6例如对应于棱镜状的三维结构。
119.理想地，光导3以这样的方式来实现，即，使得由发光机构4辐射到光导3中并由耦合输出元件6从光导3耦合输出并受到聚焦元件6a(如果存在的话)影响的光的一半以上相对于一个或两个指定的、相互垂直的优先方向在整个面上具有变化的平均出射角。因此，平均耦合输出角在整个光导3的面上可变，如图4的示例所示。然后，在与图像生成器5相配合下，观看者感知的图像会聚焦给同一观看者上。如果通过像现有技术中那样的平行的微叶片将光集束，或者将光如图1所示地耦合输出，就不是这样的情况了。
120.在图5a
‑
5c中示出针对选定角度范围从光导耦合输出的光量的示例图。在此，横坐标对应于水平或竖直的光辐射角，纵坐标对应于以各个角度辐射的标准化光量(百分比)。在所有三个示例中，始终适用的是，从一个大表面耦合输出来的总光量的至少80％在一个
或两个指定的相互垂直的优先方向最大60
°
的相对角度范围内辐射。
121.在根据图5a的示例中，100％的光线(这实际上仅以百分之几的公差实现)在
‑
30
°
到+30
°
的角度范围内，即在总计60
°
的角度范围出射。
122.在图5b的示例中，超过90％的光在
‑
30
°
至+30
°
的角度范围内、即60
°
的角度范围内出射，这在实践中具有更大的可能性。
123.在图5c的示例中，100％的光线(这实际上仅以百分之几的公差实现)在
‑
10
°
至+50
°
的角度范围内，即总共60
°
角度范围内出射。这对应于侧向倾斜的光方向。
124.如果在光导3的大表面之一上设置聚焦元件6a，则优选地至少一部分耦合输出元件6布置在相对的大表面上。在这种情况下，聚焦元件6a的焦点可选地位于所述相对的大表面的平面内或附近。如果每个聚焦元件6a的焦点位于相应的耦合输出元件6中，则通过聚焦元件6a进行的光对准变得特别高效。
125.此外，聚焦元件6a优选地例如通过其尺寸、形状和/或焦点位置来以如下方式实现，使得从平面延伸的背景照明器2发出并通过光导3的光在其强度方面几乎不减弱(即，在整个半空间内最多减少20％)。
126.为此，图6示出具有透射式型图像生成器5的本发明的用于显示屏1的照明装置1a的原理图，其中图像生成器5构造有自身又由子像素组合的像素，并且照明装置1a能够以至少两种运行方式进行操作，即对应自由看视模式的运行方式b1，对应受限看视模式的运行方式b2。根据本发明的照明装置1a包括：
127.平面延伸的背景照明器2，其可在宽角度范围内辐射光，
128.沿观察方向在背景照明器2的前面的板状的光导3，其在大表面中的至少一个上和/或在其型体之内，具有大量耦合输出元件6(仅示出其一部分，以夸大的方式示出)和聚焦元件6a，其中光导3对于由背景照明器2发出的光的至少70％是透明的，
129.沿侧向布置在光导3的至少一个窄边上的发光机构4，
130.耦合输出元件6将来自发光机构4的并且由于全反射而在大表面之间来回抛射或者说投射的光以如下方式耦合输出，使得：所述耦合输出元件在材料过渡部具有功能面(在此例如可以是光导材料和空气之间的折射率变化，或者可替代地是反射层或所设置的光栅)，所述功能面具有如下的结构、例如如下的倾斜度，使得打到功能面上的光以限定的角度耦合输出通过大表面，
131.其中，聚焦元件对由耦合输出元件6耦合输出的光的至少50％至少部分地在其光传播方向上进行限制，
132.其中，耦合输出元件6还在其形状以及单位面积数量和在其伸展上以如下方式选择，使得：
133.每个耦合输出元件6在其水平和垂直尺寸方面都小于图像生成器5的子像素的宽度和高度中的最小值，
134.在平行于光导的面法线的投影方向上，至少两个耦合输出元件6的表面的一部分或全部布置在图像生成器5的每个子像素下方；
135.在平行于光导3的面法线的投影方向上，耦合输出元件6的填充系数最大为光导3的大表面的50％，
136.其中，此外，耦合输出元件6和聚焦元件6a以及其相应的形状在大表面的至少一个
上和/或在光导3的型体内的分布以如下方式设定，使得被影响从发光机构4进入光导3并且再通过耦合输出元件6从光导3中耦合输出来以及从聚焦元件6a进入其光传播方向的光满足以下条件：
137.从大表面之一合计耦合输出的光量的至少80％在相对于一个或两个指定的相互垂直的优先方向在合计最大60
°
、优选40
°
的相对角度范围内辐射，
138.从光导3中耦合输出的光量的50％以上沿远离背景照明器2的方向或朝向背景照明器2的方向辐射，
139.其中，在运行方式b2中，背景照明器以及发光机构4被关闭，并且其中，在运行方式b1中，至少背景照明器2被接通。
140.在所有设计方案中，耦合输出元件6和/或聚焦元件6a具有100μm的最大尺寸，优选在8μm和30μm之间的尺寸。
141.此外，耦合输出元件6和/或聚焦元件6a由微透镜和/或微棱镜和/或衍射结构(光栅)和/或三维结构元件组成，特别是如果它们被构造在光导的大表面上的话。特别是对于耦合输出元件6，例如也可以考虑散射元件。对于聚焦元件，也可以考虑限制光方向的微型叶片。此外，前述变型方案的组合可以用作耦合输出元件6和/或聚焦元件6a。其他可能的配置是例如棱镜状的三维结构。
142.在光导3的制造中，原则上能够以各种方式将耦合输出元件6以及聚焦元件6a(如果有的话)分布在光导3内或光导3上，以满足光耦合输出的适应性和可设定性的条件。耦合输出元件6是指光导在型体中或/和表面上的局部受限的结构变化。因此，耦合输出元件6和聚焦元件6a的概念明确地不覆盖施加在光导3的表面上的任何附加光学层，例如扩散层、反射层或(双)亮度增强或偏振再循环的层((dual)brightness enhancement film
‑
(d)bef)。这些未被“耦合输出元件”概念涵盖的附加层通常仅分散地置于大表面上，但不会与光导3形成物理单元。相反，施加于大表面上的并通过化学反应与光导3结合的漆料形成物理单元，并且不能彼此分离；这种漆料因此不算作按照上述方式的附加层。
143.此外，可以考虑的是，在由微透镜和/或微棱镜和/或三维结构元件构成的耦合输出元件6和/或聚焦元件6a的情况下，输出元件和/或聚焦元件至少部分地被涂覆反射层。在此，可以涉及的是全反射或部分反射、特别是与角度相关的反射。
144.如果耦合输出元件6和/或聚焦元件6a设置在光导的大表面的至少一个上，则耦合输出元件和/或聚焦元件有利地由利用工具设定结构的聚合物(例如，漆料、合成材料、例如pc或pmma等)或由玻璃构成，其结构已借助工具压铸而成。这例如在批量生产中是可行的，例如通过将紫外线固化材料(例如漆料或单体等)施加到光导基材上，通过工具构造所述材料并通过紫外线对其进行固化辐射，例如聚合。也可以使用通过辐射固化的其他材料。可以例如通过机械的方式、通过平版印刷或印刷技术、或者也可以通过材料的施加、转化、去除或溶解来完成用于实现耦合输出元件的凹部的成型。
145.以此方式，例如光栅结构、微棱镜能够要么凸形地在表面上有合成材料部分向外伸出，和/或凹形地作为结构化的合成材料表面层中的压痕或凹部、其他形状的其他三维结构元件、或者微透镜以低成本且适合大量生产的方式实现。凹凸结构可以等同地使用。
146.也适合作为该型体内的耦合输出元件6的是例如纳米颗粒，例如二氧化钛。
147.可行的是，在两个大表面上以及可选地也在该型体内施加耦合输出元件6和/或聚
焦元件6a。
148.此外，会有利的是，将吸收层设置在光导3的与发光机构4的光入射侧相对的窄边上，使得入射到那里的光不会再次返回并且可能以不希望的角度耦合输出。
149.如图1、图2、图4和图8所示，本发明优选地利用如下的显示屏实现，其能够以至少两种运行方式运行，即对应自由看视模式的运行方式b1和对应受限看视模式的运行方式b2，以及至少包含以下组件：
150.根据本发明的照明装置1a，以及
151.沿观察方向布置在光导3前面的透射式图像发生器5。
152.在以下讨论中考虑的图像生成器5是lcd面板。在这里，会有利的是，在光导3上方或下方至少布置一个偏振滤光片(通常，该滤光片会线性偏振光，并且其偏振方向平行于lcd面板的输入侧偏振方向)。如果沿观察方向在光导3后面设置偏振滤光器，于是由lcd面板反射的、未平行于lcd面板输入侧偏振方向偏振的光将被吸收，因此不会散射地反射回到光导3中或穿过光导3，这对于看视模式b2的品质是有利的。相反，如果所述偏振滤光片沿观察方向布置在光导3的前面，则在那里由lcd面板反射的、未平行于lcd面板输入侧偏振方向偏振的光将被吸收。这意味着，有利的是，没有或几乎没有光被lcd面板反射回光导3，因为在如果该光在光导3中在此作为散射光返回面板，这可能会使看视模式b2变差。
153.作为图像发生器5的所述lcd面板优选地具有10％的最大雾度值和/或最大的预定散射特性。最大的预定散射特性可能例如是穿过lcd面板的光的至少90％以最大10
°
散射。
154.有利地，如图7所示，根据本发明的照明装置1a可以与lcd面板一起被配置为图像产生器5，用于再循环以在输入侧不适合lcd面板的方式偏振的光，该照明装置还包括：
155.沿观察方向看位于板状光导3前面的光学元件8，其透射第一偏振类型的光(该偏振类型对应于所述lcd面板的输入侧偏振)并反射第二偏振类型的光(光学元件8例如可以是线栅偏振器)，
156.沿观察方向看位于板状光导3后面的光学元件9，在第一替代方案中，该光学元件被配置为可切换镜，并且可选地反射来自光导3的方向的光，或者在第二替代方案中，该光学元件以持久设置的方式同时地部分地反射和透射光，或者在第三种替代方案中根据偏振来反射和/或透射光。
157.在这种有用的结构中，第二偏振类型的光(其原本会被lcd的输入侧偏振滤光片吸收并因此无法用于功率汇总)通过光导3返回到光学元件8。所述光学元件8又将源自光学元件7并入射到该光学元件上的光的至少一部分返回至lcd面板。由于配备有耦合输出元件6和/或聚焦元件6a的光导3的反射和/或透过，因此该光的至少一部分将以不同的方式偏振，从而使其通过lcd面板的入射侧偏振器，从而提高了结构的效率。理想情况下，在这种配置中，光导不表现出或几乎不表现出双折射，因此偏振再循环在没有可见颜色图案的情况下进行。
158.另外，不同的耦合输出元件6可以具有不同的形状/或尺寸。
159.此外，在一些应用中有利的是，将针对运行方式b2的所述受限角度范围围绕背景照明器的面法线不对称地设置。优选地，不对称设置在优先方向之一上实现。这对于在车辆中使用特别有用，例如如果在仪表板上大约在驾驶员和前排乘客之间的中间位置布置了与根据本发明的照明装置组合的显示屏来作为中央信息显示器的话。于是，必须将在运行方
式b2下仅针对前排乘客开放的、受限的看视角度范围非对称地设计，即指向乘客。在此，形成不对称的优先方向对应于水平方向。
160.但也可行的是，在这里不设计不对称性。于是，根据本发明的显示屏1则会直接布置在前排乘客的前面。
161.背景照明器1a例如由对于lcd典型的背光灯单元组成，该背光灯单元具有从发光机构、漫射器、至少一个棱镜箔以及可能的偏振反射器(3m dbef
tm
或线栅偏振器)馈入光的光导，偏振反射器的偏振透射率与lcd面板的输入侧的偏振透射率一致，并且在背侧与反射镜一致。其他构造也是可行的。相应地，背景照明器可以基本上像led背光灯一样地构造，例如像所谓的侧光灯、边缘光灯、直接led背光灯、边缘led背光灯、oled或其他面式辐射器。
162.在图像发生器5的上侧和/或光导3的大表面的至少一个上可以布置用于减少或控制反射的机构(例如防眩和/或防反射层)。
163.在前面提到的所有实施例中，所述发光机构可以是led、led行/排/带或激光二极管。其他变型也是可行的，并且落在本发明的范围内。
164.如果正视图需要特别明亮的运行方式，则发光机构4也可以在运行方式b1中接通，这在图中未示出。
165.上述的根据发明的照明装置1a和能够以其实现的显示屏解决了本发明的目的。它提供了一种可行的解决方案，能够以可选的受限视角安全地显示信息，而在另一种运行方式中则能够以不受限制的视角提供自由看视。本发明可以通过简单的手段并以低成本实现。在两种运行方式下，都可以使用所用图像生成器的原始分辨率。此外，该解决方案引起的光损失很小。
166.上述本发明可以在显示和/或输入私人数据的任何地方使用，例如在输入pin或密码、在自动提款机或支付终端上显示数据或在移动设备上阅读电子邮件时，都具有优势。如上所述，本发明也可以用在汽车中。