DE102024106632B3 - Optical element and lighting device and screen with such an optical element - Google Patents

Optical element and lighting device and screen with such an optical element

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DE102024106632B3 DE102024106632.6A DE102024106632A DE102024106632B3 DE 102024106632 B3 DE102024106632 B3 DE 102024106632B3 DE 102024106632 A DE102024106632 A DE 102024106632A DE 102024106632 B3 DE102024106632 B3 DE 102024106632B3
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element (10) mit einer Lichteintrittsseite und einer Lichtaustrittsseite, umfassend mindestens aus einem transparenten Material mit einer ersten Brechzahl (N1) bestehende erste Bereiche (E1) und aus einem opaken Material und/oder transparenten und/oder streuenden oder reflektierendem Material mit einer zweiten Brechzahl (N2) bestehende zweite Bereiche (E2), wobei die ersten Bereiche (E1) in einem ein- oder zweidimensionalen Muster in die zweiten Bereiche (E2) eingebettet sind, wobei die erste Brechzahl (N1) im gesamten für ein menschliches Auge sichtbaren Wellenlängenbereich größer ist als die zweite Brechzahl (N2), wodurch das an der Lichtaustrittsseite des optischen Elements (10) aus diesem austretende Licht gegenüber dem an der Lichteintrittsseite auf das optische Element (10) auftreffende Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen verändert ist, und wodurch ferner mindestens ein Teil des an der Lichteintrittsseite des optischen Elements (10) in erste Bereiche (E1) einfallenden Lichtes nach Durchgang durch das optische Element (10) gebündelt ist.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zu seiner Herstellung eines solchen optischen Elements (10) sowie eine Beleuchtungseinrichtung und Bildschirme mit einem solchen optischen Element (10).
The invention relates to an optical element (10) with a light entry side and a light exit side, comprising first regions (E1) consisting of at least one transparent material with a first refractive index (N1) and second regions (E2) consisting of an opaque material and/or transparent and/or scattering or reflective material with a second refractive index (N2), wherein the first regions (E1) are embedded in the second regions (E2) in a one- or two-dimensional pattern, wherein the first refractive index (N1) is greater than the second refractive index (N2) over the entire wavelength range visible to the human eye, whereby the light exiting the optical element (10) at the light exit side is changed in its propagation directions compared to the light incident on the optical element (10) at the light entry side, and whereby furthermore at least a portion of the light incident on the first regions (E1) at the light entry side of the optical element (10) after passing through the optical element (10) is bundled.
The invention further comprises a method for producing such an optical element (10) as well as a lighting device and screens with such an optical element (10).

Description

Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte zur Verbreiterung des Sehwinkels bei LCDs erzielt. Allerdings gibt es oft Situationen, in denen dieser sehr große Sehbereich eines Bildschirms von Nachteil sein kann. Vor allem stellt ein breiter Sehbereich, wenn er nicht wirklich benötigt wird, eine Energie- und Ressourcenverschwendung dar.In recent years, great strides have been made in widening the viewing angle of LCDs. However, there are often situations where this very wide viewing angle of a screen can be a disadvantage. In particular, a wide viewing angle represents a waste of energy and resources when it's not really needed.

Stand der TechnikState of the art

In der US 5 993 940 A wird der Einsatz einer Folie beschrieben, die auf ihrer Oberfläche gleichmäßig angeordnete, kleine Prismenstreifen hat, um einen Privacy-Modus zu erzielen. Entwicklung und Herstellung sind recht aufwendig.In the US 5 993 940 A The use of a film with evenly spaced, small prism strips on its surface is described to achieve a privacy mode. Development and production are quite complex.

Die US 2012/0235891 A1 beschreibt ein sehr aufwendiges Backlight in einem Bildschirm. Dort kommen gemäß 1 und 15 nicht nur mehrere Lichtleiter zum Einsatz, sondern auch weitere komplexe optische Elemente wie etwa Mikrolinsenelemente 40 und Prismenstrukturen 50, die das Licht von der hinteren Beleuchtung auf dem Weg zur vorderen Beleuchtung umformen. Dies ist teuer und aufwendig umzusetzen und ebenso mit Lichtverlust verbunden. Gemäß der Variante nach 17 in der US 2012/0235891 A1 produzieren beide Lichtquellen 4R und 18 Licht mit einem schmalen Beleuchtungswinkel, wobei das Licht von der hinteren Lichtquelle 18 erst aufwändig in Licht mit einem großen Beleuchtungswinkel, umgewandelt wird. Diese komplexe Umwandlung ist - wie weiter oben schon bemerkt - stark helligkeitsmindernd.The US 2012/0235891 A1 describes a very complex backlight in a screen. 1 and 15 Not only are several light guides used, but also other complex optical elements such as microlens elements 40 and prism structures 50, which transform the light from the rear illumination on its way to the front illumination. This is expensive and complex to implement and also involves light loss. According to the variant according to 17 in the US 2012/0235891 A1 Both light sources 4R and 18 produce light with a narrow illumination angle, with the light from the rear light source 18 first undergoing a complex conversion into light with a wide illumination angle. This complex conversion, as already mentioned above, significantly reduces brightness.

Gemäß der JP 2007-155783 A werden spezielle, aufwändig zu berechnende und herzustellende optische Oberflächen 19 genutzt, die dann Licht je nach Lichteinfallswinkel in verschiedene schmale oder breite Bereiche ablenken. Diese Strukturen ähneln Fresnel-Linsen. Ferner sind Störflanken vorhanden, die Licht in unerwünschte Richtungen ablenken. Somit bleibt unklar, ob wirklich sinnvolle Lichtverteilungen erreicht werden können.According to the JP 2007-155783 A Special optical surfaces 19 are used, which are complex to calculate and manufacture, and which then deflect light into different narrow or wide areas depending on the angle of incidence. These structures resemble Fresnel lenses. Furthermore, there are interference edges that deflect light in undesirable directions. Thus, it remains unclear whether truly meaningful light distributions can be achieved.

In der US 2013/0308185 A1 wird ein spezieller, mit Stufen ausgebildeter Lichtleiter beschrieben, der Licht auf einer Großfläche in verschiedene Richtungen abstrahlt, je nachdem, aus welcher Richtung er von einer Schmalseite aus beleuchtet wird. Im Zusammenspiel mit einem transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung, z.B. einem LC-Display, kann somit ein zwischen freiem und eingeschränktem Sichtmodus schaltbarer Bildschirm erzeugt werden. Nachteilig ist hierbei u.a., dass der eingeschränkte Sichteffekt entweder nur für links/rechts oder aber für oben/unten, nicht aber für links/rechts/oben/unten gleichzeitig erzeugt werden kann, wie es etwa für bestimmte Zahlungsvorgänge nötig ist. Hinzu kommt, dass auch im eingeschränkten Sichtmodus aus geblockten Einblickwinkeln immer noch ein Restlicht sichtbar ist.In the US 2013/0308185 A1 describes a special light guide with steps that emits light over a large area in different directions depending on the direction from which it is illuminated from a narrow side. In conjunction with a transmissive image display device, e.g. an LC display, a screen can be created that can be switched between free and restricted view mode. A disadvantage of this is that the restricted view effect can only be created for left/right or up/down, but not for left/right/up/down simultaneously, as is necessary for certain payment transactions. In addition, even in restricted view mode, residual light is still visible from blocked viewing angles.

Die DE 10 2022 134 518 B3 der Anmelderin beschreibt ein optisches Element, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Beleuchtungseinrichtung. Hierbei werden Brechzahlunterschiede zur Erzeugung von totaler interner Reflexion von Licht unter bestimmten Winkeln genutzt. Diese Schrift legt nicht nahe, lichteingangs- und -ausgangsseitig die verwendeten Strukturen mit unterschiedlichen Umrissformen auszugestalten.The DE 10 2022 134 518 B3 The applicant's patent describes an optical element, a method for its manufacture, and an illumination device. Differences in refractive indices are used to generate total internal reflection of light at specific angles. This document does not suggest designing the structures used with different contours on the light input and output sides.

Die WO 2022/078942 A1 der Anmelderin beschreibt ein optisches Element und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Hierbei werden wiederum Brechzahlunterschiede zur Erzeugung von totaler interner Reflexion von Licht unter bestimmten Winkeln genutzt. Auch diese Schrift legt nicht nahe, lichteingangs- und -ausgangsseitig die verwendeten Strukturen mit unterschiedlichen Umrissformen auszugestalten.The WO 2022/078942 A1 The applicant's patent describes an optical element and a method for its manufacture. Here, differences in refractive indices are used to generate total internal reflection of light at specific angles. This document also does not suggest designing the structures used with different contours on the light input and output sides.

Die DE 10 2020 008 062 A1 der Anmelderin beschreibt ein optisches Element mit variabler Transmission, ein zugehöriges Verfahren und einen Bildschirm mir einem solchen optischen Element. Hierbei werden erneut Brechzahlunterschiede zur Erzeugung von totaler interner Reflexion von Licht unter bestimmten Winkeln genutzt. Diese Schrift legt nicht ebenfalls nahe, lichteingangs- und -ausgangsseitig die verwendeten Strukturen mit unterschiedlichen Umrissformen auszugestalten.The DE 10 2020 008 062 A1 The applicant's patent describes an optical element with variable transmission, a corresponding method, and a display screen with such an optical element. Here, differences in refractive index are again used to generate total internal reflection of light at specific angles. This document also does not suggest designing the structures used with different contours on the light input and output sides.

Schließlich offenbart DE 10 2021 110 010 A1 der Anmelderin ein optisches Element zur Beeinflussung von Lichtrichtungen und solche Elemente nutzende Anordnungen. Hierbei ist jedoch durch die Verwendung flexibler Blenden, die in der Regel als LCD-Shutter ausgebildet sind, ein relativ hoher Lichtverlust zu verzeichnen.Finally, DE 10 2021 110 010 A1 The applicant's patent application describes an optical element for influencing light directions and arrangements using such elements. However, the use of flexible apertures, which are usually designed as LCD shutters, results in a relatively high loss of light.

Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist der Nachteil gemein, dass sie nicht die wahlweise Optimierung der Leuchtdichtekurve eines Bildschirms ermöglichen.The aforementioned methods and arrangements have the disadvantage that they do not allow the optional optimization of the luminance curve of a screen.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein flächig ausgedehntes optisches Element zu entwickeln, welches einfallendes Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen definiert beeinflussen kann, wobei weiterhin mindestens ein Teil des an der Lichteintrittsseite des optischen Elements einfallenden Lichtes nach Durchgang durch das optische Element gebündelt sein soll. Das optische Element soll preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sein, um eine Effizienzsteigerung in der Leuchtdichteverteilung zu erzielen.It is therefore an object of the invention to develop a planar optical element that can influence incident light in a defined manner in its propagation directions, wherein at least a portion of the light incident on the light entry side of the optical element is bundled after passing through the optical element. The optical element should be inexpensive. be feasible and, in particular, universally usable with different screen types in order to achieve an increase in efficiency in luminance distribution.

Ferner soll das optische Element grundsätzlich die Möglichkeit bieten, eine Top-Hat-Lichtverteilung zu erzielen. Damit ist gemeint, dass die Helligkeit in einem Winkelbereich von wenigstens +/-5 Grad um den mittleren Emissionswinkel herum nicht mehr als 15 Prozent abnimmt.Furthermore, the optical element should generally offer the possibility of achieving a top-hat light distribution. This means that the brightness decreases by no more than 15 percent within an angular range of at least +/-5 degrees around the mean emission angle.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem flächig ausgedehnten optischen Element mit einer Lichteintrittsseite und einer Lichtaustrittsseite, umfassend

  • - mindestens aus einem transparenten Material mit einer ersten Brechzahl N1 bestehende erste Bereiche E1 und aus einem opaken Material und/oder transparenten und/oder reflektierendem oder streuenden Material mit einer zweiten Brechzahl N2 bestehende zweite Bereiche E2, wobei die ersten Bereiche E1 in einem ein- oder zweidimensionalen (bevorzugt, aber nicht notwendigerweise periodischen) Muster in die zweiten Bereiche E2 eingebettet sind, wobei die erste Brechzahl N1 im gesamten für ein menschliches Auge sichtbaren Wellenlängenbereich größer ist als die zweite Brechzahl N2,
  • - wobei die ersten Bereiche E1 jeweils an der Lichtaustrittsseite einen größeren Querschnitt als an der Lichteintrittsseite aufweisen, und wobei ferner die ersten Bereiche E1 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element jeweils an der Lichteinfallsseite und an der Lichtausfallsseite unterschiedliche Umrissformen aufweisen, die nicht durch Größenskalierung zur Kongruenz zu bringen sind,
  • - so dass an der Lichteintrittsseite des optischen Elements auf dieses auftreffende Licht, welches in erste Bereiche E1 des optischen Elements einfällt, dort je nach geometrischer Einfallsrichtung, Polarisation und dem Verhältnis der ersten Brechzahl N1 zu der zweiten Brechzahl N2
    1. a) innerhalb eines ersten Bereiches E1 ungehindert propagiert oder totalreflektiert wird und hernach an der Lichtaustrittsseite des entsprechenden ersten Bereiches E1 wieder ausgekoppelt wird, oder
    2. b) von dem ersten Bereich E1 in einen angrenzenden zweiten Bereich E2 eindringt und, wenn es im zweiten Bereich E2 nicht absorbiert wird, in einem zweiten Bereich E2 propagiert, bis es auf der Lichtaustrittsseite aus einem zweiten Bereich E2 ausgekoppelt oder in einen oder mehrere nächste erste und/oder zweite Bereiche E1, E2 eingekoppelt wird (und so weiter),
  • - und so dass in einer ersten Alternative, in welcher die zweiten Bereiche E2 aus einem transparenten Material bestehen, Licht, das an der Lichteintrittsseite des optischen Elements in zweite Bereiche E2 des optischen Elements einfällt, dieses durchdringt und auf der Lichtaustrittsseite aus dem optischen Element ausgekoppelt wird,
  • - und so dass in einer zweiten Alternative, in welcher die zweiten Bereiche E2 mindestens teilweise ein opakes Material umfassen, Licht, das an der Lichteintrittsseite des optischen Elements in zweite Bereiche E2 des optischen Elements einfällt, mindestens teilweise absorbiert wird,
  • - und so dass in einer dritten Alternative, in welcher die zweiten Bereiche E2 mindestens teilweise ein reflektierendes und/oder streuendes Material umfassen, Licht, das an der Lichteintrittsseite des optischen Elements in zweite Bereiche E2 des optischen Elements einfällt, mindestens teilweise reflektiert und/oder gestreut wird,
  • - wodurch das an der Lichtaustrittsseite des optischen Elements aus diesem austretende Licht gegenüber dem an der Lichteintrittsseite auf das optische Element auftreffende Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen verändert ist,
  • - und wobei ferner mindestens ein Teil des an der Lichteintrittsseite des optischen Elements in erste Bereiche E1 einfallenden Lichtes nach Durchgang durch das optische Element gebündelt ist.
This object is achieved according to the invention by a planar optical element with a light entry side and a light exit side, comprising
  • - first regions E1 consisting of at least one transparent material with a first refractive index N1 and second regions E2 consisting of an opaque material and/or transparent and/or reflective or scattering material with a second refractive index N2, wherein the first regions E1 are embedded in the second regions E2 in a one- or two-dimensional (preferably, but not necessarily periodic) pattern, wherein the first refractive index N1 is greater than the second refractive index N2 over the entire wavelength range visible to the human eye,
  • - wherein the first regions E1 each have a larger cross-section on the light exit side than on the light entry side, and wherein, furthermore, the first regions E1, when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element, each have different outline shapes on the light incidence side and on the light exit side, which cannot be brought into congruence by scaling,
  • - so that on the light entry side of the optical element, light incident on the latter, which enters first regions E1 of the optical element, is reflected there depending on the geometric direction of incidence, polarization and the ratio of the first refractive index N1 to the second refractive index N2
    1. a) is propagated or totally reflected unhindered within a first area E1 and is then coupled out again at the light exit side of the corresponding first area E1, or
    2. b) penetrates from the first region E1 into an adjacent second region E2 and, if it is not absorbed in the second region E2, propagates in a second region E2 until it is coupled out of a second region E2 on the light exit side or coupled into one or more next first and/or second regions E1, E2 (and so on),
  • - and so that in a first alternative, in which the second regions E2 consist of a transparent material, light which is incident on the light entry side of the optical element into second regions E2 of the optical element, penetrates the latter and is coupled out of the optical element on the light exit side,
  • - and so that in a second alternative, in which the second regions E2 at least partially comprise an opaque material, light incident on the light entry side of the optical element into second regions E2 of the optical element is at least partially absorbed,
  • - and so that in a third alternative, in which the second regions E2 at least partially comprise a reflective and/or scattering material, light incident on the light entry side of the optical element into second regions E2 of the optical element is at least partially reflected and/or scattered,
  • - whereby the light emerging from the optical element at the light exit side is changed in its propagation directions compared to the light incident on the optical element at the light entry side,
  • - and wherein furthermore at least a part of the light incident on the light entry side of the optical element into first regions E1 is bundled after passing through the optical element.

Mit „geometrischer Einfallsrichtung“ eines Lichtstrahles in die ersten Bereiche ist insbesondere dessen Richtungsvektor gemeint, der den horizontalen und vertikalen Einfallswinkel auf die Lichteintrittsfläche - auch als „untere Oberfläche“ bezeichnet - eines ersten Bereichs beschreibt und neben dem Polarisationszustand ganz wesentlich für die weitere Propagation des Lichtes in dem ersten Bereich E1 bzw. an den Grenzflächen zu zweiten Bereichen E2 ist.The “geometric direction of incidence” of a light beam into the first regions refers in particular to its direction vector, which describes the horizontal and vertical angle of incidence onto the light entry surface – also referred to as the “lower surface” – of a first region and, in addition to the polarization state, is essential for the further propagation of the light in the first region E1 or at the interfaces to second regions E2.

Mit der „periodischen Abfolge“ der ersten und zweiten Bereiche E1, E2 ist nicht gemeint, dass diese immer gleich breit und/oder hoch sein müssen, sondern dass sich die ersten und zweiten Bereiche lediglich stets abwechseln. Ihre Größe kann jedoch variieren.The "periodic sequence" of the first and second areas E1, E2 does not mean that they always have to be the same width and/or height, but rather that the first and second areas simply alternate. Their size can vary, however.

Generell gilt: Je kleiner der Brechzahlunterschied zwischen der ersten Brechzahl N1 und der zweiten Brechzahl N2 ist, desto schmaler ist die Lichtverteilung des das optische Element aus den ersten Bereichen E1 verlassenden Lichtes. Es soll hier zum klaren physikalischen Verständnis noch einmal festgehalten werden, dass mit „Brechzahl“ entweder die erste oder zweite Brechzahl N1, N2 für eine ausgewählte Wellenlänge, z.B. 580 nm, oder aber die jeweilige Dispersionskurve über den gesamten mit dem menschlichen Auge sichtbaren Wellenlängenbereich gemeint ist. Im Falle der Dispersionskurve bedeutet der Brechzahlunterschied den jeweiligen Wert, der bei einer ausgewählten sichtbaren Wellenlänge λ der Differenz zwischen den beiden Brechzahlen N1, N2 entspricht.In general, the smaller the difference in refractive index between the first refractive index N1 and the second refractive index N2, the narrower the light distribution of the light leaving the optical element from the first areas E1. For a clear physical understanding, a It should be noted that "refractive index" refers to either the first or second refractive index N1, N2 for a selected wavelength, e.g., 580 nm, or the respective dispersion curve over the entire wavelength range visible to the human eye. In the case of the dispersion curve, the refractive index difference refers to the respective value that corresponds to the difference between the two refractive indices N1, N2 at a selected visible wavelength λ.

Die Grenzflächen der ersten Bereiche E1 und der zweiten Bereiche E2 des optischen Elements können bei Betrachtung in Schnittrichtung senkrecht zur Lichtaustrittsseite des optischen Elements trapezförmig (insbesondere, aber nicht ausschließlich, trapezförmig mit gleich langen Schenkeln des Trapezes), trichterförmig, mindestens teilweise oder ganz parabelförmig, parallelogrammförmig, und/oder in Stufenform ausgebildet sein. Ferner ist es möglich, dass die besagten Grenzflächen in Schnittrichtung allgemein die Form eines Polynomes n-ten grades aufweisen. Überdies sind auch Mischformen aus den vorgenannten Möglichkeiten in ein- und derselben Grenzfläche möglich, etwa wenn beispielsweise innerhalb einer Grenzfläche auf eine anteilige Stufenform ein parabelförmiger Anteil folgt.The interfaces of the first regions E1 and the second regions E2 of the optical element, when viewed in the cutting direction perpendicular to the light exit side of the optical element, can be trapezoidal (in particular, but not exclusively, trapezoidal with equally long sides of the trapezoid), funnel-shaped, at least partially or entirely parabolic, parallelogram-shaped, and/or step-shaped. Furthermore, it is possible for said interfaces to generally have the shape of an nth-degree polynomial in the cutting direction. Furthermore, mixed forms of the aforementioned possibilities are also possible in one and the same interface, for example if, within an interface, a partial step shape is followed by a parabolic portion.

Durch vorbeschriebene Ausbildungsformen der ersten und zweiten Bereiche E1, E2 wird eine gezielte Beeinflussung der Ausbreitungsrichtungen des aus dem optischen Element austretenden Lichtes vorgenommen: Je nach Ausgestaltung findet eine stärkere oder schwächere Fokussierung des Lichtes über die Fläche statt. Außerdem ist es möglich, etwa durch parallelogrammförmige Grenzflächen zwischen ersten und zweiten Bereichen E1, E2 eine Peak-Verschiebung durch die damit einhergehende Verkippung der Grenzflächen zwischen den ersten und zweiten Bereichen E1, E2 zu erzielen. Die Trapezform wiederum hat überdies den Vorteil, dass die Winkelverteilung gut fokussiert wird.The previously described configurations of the first and second regions E1, E2 allow for a targeted influence on the propagation directions of the light emerging from the optical element: Depending on the design, the light is focused more or less strongly across the surface. Furthermore, it is possible, for example, to achieve a peak shift by using parallelogram-shaped interfaces between the first and second regions E1, E2 through the associated tilting of the interfaces between the first and second regions E1, E2. The trapezoidal shape, in turn, has the additional advantage of ensuring a good focus of the angular distribution.

Vorteilhaft -aber nicht ausschließlich- gilt, dass der Betrag des Brechzahlunterschieds zwischen der ersten Brechzahl N1 und der zweiten Brechzahl N2 kleiner als 0,25 ist.It is advantageous - but not exclusive - that the difference in refractive index between the first refractive index N1 and the second refractive index N2 is less than 0.25.

Wenn im Rahmen der zweiten Alternative opakes Material in zweiten Bereichen E2 vorhanden ist, so kann dieses optional aus einem ursprünglich transparenten Material mit der zweiten Brechzahl N2 bestehen, welches jedoch mit absorbierenden Partikeln versetzt ist, wodurch insgesamt eine opake Wirkung zustande kommt.If, in the context of the second alternative, opaque material is present in second areas E2, this can optionally consist of an originally transparent material with the second refractive index N2, which, however, is mixed with absorbing particles, resulting in an overall opaque effect.

Das opake Material kann beispielsweise aus einem Lack oder Polymer als transparentem Anteil bestehen, welches für den opaken Anteil beispielsweise mit Graphitpartikeln, die eine Größe von weniger als 500 nm in Richtung ihrer größten Ausdehnung aufweisen, oder mit Nanopartikeln aus schwarzem Kohlenstoff, die eine Größe von weniger als 200 nm aufweisen, beispielsweise mit Rußpartikeln, versetzt ist. Alternativ oder in Kombination kann der opake Anteil des opaken Materials auch Farbstoffe oder Gemische von Farbstoffen enthalten. Ein geeigneter Farbstoff ist beispielsweise Sudanschwarz, der im sichtbaren Bereich sämtliches Licht absorbiert. Üblicherweise beträgt der Masseanteil der absorbierenden Partikel höchstens 50%, bevorzugt weniger als 20%, besonders bevorzugt weniger als 10%.The opaque material can, for example, consist of a lacquer or polymer as the transparent portion, which is mixed with, for example, graphite particles with a size of less than 500 nm in the direction of their greatest dimension, or with black carbon nanoparticles with a size of less than 200 nm, for example with soot particles, for the opaque portion. Alternatively, or in combination, the opaque portion of the opaque material can also contain dyes or mixtures of dyes. A suitable dye, for example, is Sudan black, which absorbs all light in the visible range. Typically, the mass fraction of the absorbing particles is at most 50%, preferably less than 20%, particularly preferably less than 10%.

Wenn im Rahmen der dritten Alternative reflektierendes oder streuendes Material in zweiten Bereichen E2 vorhanden ist, so besteht dies beispielsweise aus einem Gemisch aus einem Lack und Partikeln, wobei die Partikeln nunmehr reflektierend und/oder streuend sind. Bei den Partikel kann es sich beispielsweise um weißstreuende Partikel, wie Titandioxid (TiO2) oder um reflektierende Partikel wie Silberpartikel oder Chrompartikel mit weniger als 500 nm Größe handeln.If, in the context of the third alternative, reflective or scattering material is present in second regions E2, this consists, for example, of a mixture of a paint and particles, whereby the particles are now reflective and/or scattering. The particles can be, for example, white-scattering particles such as titanium dioxide (TiO2) or reflective particles such as silver particles or chromium particles with a size of less than 500 nm.

Die dritte Alternative hat folgende allgemeine Vorteile: Licht geht in der Lichtbilanz -bis auf allgemeine Verluste- nicht aufgrund permanenter Absorption verloren. Im Vergleich zur ersten Alternative, bei der die zweiten Bereiche E2 mit einem transparenten Material gefüllt sind, verhindert man hiermit eine Art von „Crosstalk“ von Lichtstrahlen und unterdrückt somit eine Art Überblend-Effekt, etwa wenn das optische Element zusammen mit einer Bildwiedergabeeinheit verwendet und eine Zuordnung von deren Pixeln zu ersten Bereichen E1 des optischen Elements vorgenommen wird, weil in der dritten Alternative Licht von Pixeln, die nicht einem bestimmten ersten Bereich E1 zugeordnet sind, nicht einfach durch einen zweiten Bereich E2 transmittiert (erste Alternative), sondern reflektiert oder gestreut wird, wodurch es außerdem nicht, wie in der zweiten Alternative, aufgrund von Absorption nicht mehr zur Verfügung stehen würde.The third alternative has the following general advantages: apart from general losses, light is not lost in the light balance due to permanent absorption. Compared to the first alternative, in which the second regions E2 are filled with a transparent material, this prevents a type of "crosstalk" of light rays and thus suppresses a type of blending effect, for example when the optical element is used together with an image display unit and its pixels are assigned to first regions E1 of the optical element. This is because in the third alternative, light from pixels that are not assigned to a specific first region E1 is not simply transmitted through a second region E2 (first alternative), but is reflected or scattered, which also means that it would no longer be unavailable due to absorption, as in the second alternative.

Falls ein solches optisches Element der dritten Alternative in einer Anordnung mit einem Backlight angewendet wird, so kann ein (großer) Teil des an der Lichteintrittsfläche des optischen Elements auf selbiges auftreffenden Lichtes, der an zweiten Bereichen E2 reflektiert oder gestreut wird, z.B. in einer darunter liegenden Lichtquelle, also dem besagten Backlight, recycelt werden.If such an optical element of the third alternative is used in an arrangement with a backlight, a (large) part of the light incident on the light entry surface of the optical element, which is reflected or scattered at second areas E2, can be recycled, e.g., in an underlying light source, i.e. the said backlight.

Ferner können die ersten Bereiche E1 und die zweiten Bereiche E2 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element streifenförmig abwechselnd über die Fläche des optischen Elements verteilt angeordnet sein. Demgegenüber sieht eine andere Ausgestaltung vor, dass die ersten Bereiche bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element jeweils an der Lichteinfallsseite oder der Lichtausfallsseite punkt-, kreis-, oval-, rechteckförmig, hexagonal oder anders zweidimensional geformt über die Fläche des optischen Elements verteilt angeordnet und die zweiten Bereiche dazu jeweils komplementär geformt sind. Damit würde die Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen jeweils in mindestens zwei Ebenen, die senkrecht zu der Oberfläche des optischen Elements stehen, wirksam sein. Praktisch ist die Wirkung eines solchen optischen Elements in der Regel derart, dass die Lichtausbreitungsrichtungen für transmittiertes Licht in Winkeln nahe der Mittelsenkrechten des optischen Elementes bzw. parallel dazu fokussiert sind. Mit „nahe“ ist in diesem Falle gemeint, dass die Abweichungen von der Mittelsenkrechten bzw. der Parallelen hierzu - je nach Ausgestaltung - weniger als 20° oder 30° betragen.Furthermore, the first regions E1 and the second regions E2 can be arranged in strip-like fashion, distributed alternately over the surface of the optical element when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element. In contrast, another embodiment provides that the first regions, when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element, are arranged in a point-like, circular, oval, rectangular, hexagonal, or other two-dimensional shape distributed over the surface of the optical element, on the light incidence side or the light exit side, and that the second regions are each shaped complementarily thereto. This would restrict the light propagation directions in at least two planes that are perpendicular to the surface of the optical element. In practice, the effect of such an optical element is generally such that the light propagation directions for transmitted light are focused at angles close to the perpendicular bisector of the optical element or parallel to it. By "close" in this case, we mean that the deviations from the perpendicular bisector or the parallel to it are less than 20° or 30°, depending on the embodiment.

Andere Formen der ersten und zweiten Bereiche E1, E2 sind ebenso möglich. Wichtig für die Erhaltung der Funktionsweise der Erfindung ist dabei stets, dass die ersten und zweiten Bereiche E1, E2 optisch unmittelbar aneinander angrenzen, so dass ein optischer Brechzahlsprung von der ersten Brechzahl N1 zur zweiten Brechzahl N2 (bzw. umgekehrt) möglichst ohne Luftspalt gegeben ist.Other shapes of the first and second regions E1, E2 are also possible. To maintain the functionality of the invention, it is always important that the first and second regions E1, E2 are optically directly adjacent to one another, so that an optical refractive index jump from the first refractive index N1 to the second refractive index N2 (or vice versa) occurs, if possible, without an air gap.

Es ist wie vorbeschrieben möglich, dass die ersten Bereiche E1 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element jeweils an der Lichteinfallsseite und an der Lichtausfallsseite des optischen Elements unterschiedliche Umrissformen aufweisen, die nicht durch Größenskalierung zur Kongruenz zu bringen sind. Entsprechendes gilt dann auch für die zweiten Bereiche E2.As described above, it is possible that the first regions E1, when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element, exhibit different contour shapes on the light incidence side and the light exit side of the optical element, which cannot be made congruent by scaling. The same applies to the second regions E2.

Für besondere Ausgestaltungen ist es denkbar, dass auf mindestens einem Teil der ersten Bereiche E1 und/oder der zweiten Bereiche E2, vorteilhaft auf allen ersten Bereichen E1 und/oder allen zweiten Bereichen E2, an deren Lichtaustrittsseite eine Linsenstruktur aufgebracht ist, bevorzugt eine konvexe Linsenstruktur.For special embodiments, it is conceivable that a lens structure, preferably a convex lens structure, is applied to at least a part of the first regions E1 and/or the second regions E2, advantageously to all first regions E1 and/or all second regions E2, on whose light exit side a lens structure is applied.

Die Erfindung verbessert den Stand der Technik auch dahingehend, das mit derartigen optischen Elementen eine Top-Hat-Verteilung erreicht werden kann, da aufgrund der Totalreflexion mehr Nutzlicht in die gewünschten Winkelbereiche transmittiert wird, als - wie im Stand der Technik üblich - ohne die Totalreflexion.The invention also improves the state of the art in that a top-hat distribution can be achieved with such optical elements, since due to the total reflection more useful light is transmitted into the desired angular ranges than - as is usual in the state of the art - without the total reflection.

Für besondere Ausgestaltungen ist es möglich, dass auf dem optischen Element mindestens ein erster Bereich E1 ausgebildet ist, der bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element in seiner kürzesten Ausdehnung mindestens zwanzigmal so groß ist, wie die kürzeste Ausdehnung aller zweiten Bereiche E2 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element, so dass innerhalb des besagten mindestens einen ersten Bereiches E1 außer an dessen Rändern und bis auf Parallelversätze keine Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen des aus dem optischen Element an der Lichtaustrittsseite austretenden Lichtes gegenüber dem auf das optische Element auf die Lichteintrittsseite auftreffenden Lichtes vorliegt.For special embodiments, it is possible for at least one first region E1 to be formed on the optical element, which, when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element, is at least twenty times as large in its shortest extent as the shortest extent of all second regions E2 when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element, so that within said at least one first region E1, except at its edges and except for parallel offsets, there is no restriction of the propagation directions of the light emerging from the optical element on the light exit side compared to the light incident on the optical element on the light entry side.

Außerdem ist es möglich, dass zusätzlich zu den ersten Bereichen E1 und den zweiten Bereichen E2 weitere dritte, vierte etc. Bereiche mit anderen Parametern hinsichtlich Form und/oder Brechzahl als die der ersten Bereiche E1 und die zweiten Bereiche E2 ausgebildet sind, so dass Licht, welches diese weiteren dritten, vierten Bereiche durchdringt und aus dem optischen Element austritt, andere Beschränkungen der Ausbreitungsrichtungen erfährt als in den ersten Bereichen E1.Furthermore, it is possible that, in addition to the first regions E1 and the second regions E2, further third, fourth, etc. regions are formed with different parameters in terms of shape and/or refractive index than those of the first regions E1 and the second regions E2, so that light which penetrates these further third, fourth regions and exits from the optical element experiences different restrictions of the propagation directions than in the first regions E1.

Es ist zu erwähnen, dass das optische Element der zweiten oder dritten Alternative in besonderen Ausgestaltungen als sehr exaktes, wellenlängenselektives Farbfilter ausgebildet werden kann: Wenn sich die Dispersionskurven beider Brechzahlen N1, N2 in Abhängigkeit von der Wellenlänge schneiden, dann würde bei opaken zweiten Bereichen E2 gemäß der zweiten Alternative bei denjenigen Wellenlängen, wo die zweite Brechzahl N2 größer als die erste Brechzahl N1 ist, der entsprechende Wellenlängenbereich effizient ausgelöscht, also nicht aus dem optischen Element ausgekoppelt, während die Wellenlängenbereiche, für welche die erste Brechzahl N1 größer als die zweite Brechzahl N2 ist, aus dem optischen Element ausgekoppelt würden. Je nach Ausgestaltung der Dispersionskurven wäre dann ein solches optisches Element mit wellenlängenselektiver Wirkung mit schräg gerichtetem Licht zu betreiben, weil in jedem Falle der Grenzwinkel der Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen ersten und zweiten Bereichen E1, E2 genutzt werden muss, um die Spektren zu trennen. In einer beispielhaften Weiterbildung würden dann mit einem solchen wellenlängenselektiven Farbfilter zwei Spektren, beispielsweise eines in einem schmalen UV-Bereich und eines in einem weißen, spektral weiten Bereich getrennt.It should be noted that the optical element of the second or third alternative can, in special embodiments, be designed as a very precise, wavelength-selective color filter: If the dispersion curves of both refractive indices N1, N2 intersect as a function of the wavelength, then, in the case of opaque second regions E2 according to the second alternative, at those wavelengths where the second refractive index N2 is greater than the first refractive index N1, the corresponding wavelength range would be efficiently extinguished, i.e., not coupled out of the optical element, while the wavelength ranges for which the first refractive index N1 is greater than the second refractive index N2 would be coupled out of the optical element. Depending on the configuration of the dispersion curves, such an optical element with wavelength-selective effect would then have to be operated with obliquely directed light, because in any case, the critical angle of total reflection at the interfaces between the first and second regions E1, E2 must be used to separate the spectra. In an exemplary further development, such a wavelength-selective color filter would then be used to separate two spectra, for example one in a narrow UV range and one in a white, spectrally wide range.

Weiterhin kann es hilfreich sein, dass zur Optimierung des Effekts unterhalb und/oder oberhalb des optischen Elements ein Polarisator, optional ein reflektierender Polarisator, angeordnet ist. Die Kontrolle der Polarisation durch einen Polarisator erhöht die Effizienz der Nutzung der Brechzahlübergänge. Weiterhin kann die p-Polarisation des ein- oder ausfallenden Lichtes genutzt werden, um die Fresnel-Reflektionen zu minimieren, d.h. die Beschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen zu optimieren.Furthermore, it can be helpful to place a polarizer, optionally a reflective polarizer, below and/or above the optical element to optimize the effect. Controlling polarization with a polarizer increases the efficiency of using the refractive index transitions. Furthermore, the p-polarization of the incoming or outgoing light can be used to minimize Fresnel reflections, ie, To optimize the restriction of light propagation directions.

Die Erfindung umfasst fernerhin auch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements wie vorstehend beschrieben, umfassend die folgenden Schritte:

  • - in einer ersten Alternative Abformung zweiter Bereiche E2 auf einem Substrat S, wobei die entsprechenden Strukturen mit einem Werkzeug, welches die inverse Form der Strukturen der zweiten Bereiche E2 aufweist, in ein prägbares Material mit der zweiten Brechzahl N2 -welche für den ausgehärteten Zustand gilt- eingeprägt und hernach ausgehärtet werden, z.B. in einem Nanoimprint- oder in einem variothermen oder isothermen Spritzguss-/Spritzpräge-Verfahren,
  • - in einer zweiten Alternative Abformung erster Bereiche E1 auf einem Substrat S, wobei die entsprechenden Strukturen mit einem Werkzeug, welches die inverse Form der Strukturen der ersten Bereiche E1 aufweist, in ein erstes, prägbares Material mit der ersten Brechzahl N1 -welche für den ausgehärteten Zustand gilt- eingeprägt und hernach ausgehärtet werden, z.B. in einem Nanoimprint- oder in einem variothermen oder isothermen Spritzguss-/Spritzpräge-Verfahren,
  • - in der ersten Alternative Befüllen der Zwischenräume der zweiten Bereiche E2 mit einem Material mit der ersten Brechzahl N1 -welche für den ausgehärteten Zustand gilt-, wodurch die ersten Bereiche E1 entstehen,
  • - in der zweiten Alternative Befüllen der Zwischenräume der ersten Bereiche E1 mit einem Material mit der zweiten Brechzahl N2 -welche für den ausgehärteten Zustand gilt-, wodurch die zweiten Bereiche E2 entstehen, (das Befüllen kann in beiden Alternativen in einem oder in mehreren Schritten geschehen, wobei zwischen solchen Befüllungsschritten ggf. auch ein oder mehrere Zwischenaushärteschritte folgen kann),
  • - Aushärten des zweiten Materials, z.B. durch Bestrahlung mit UV-Licht, wenn das zweite Material UV-lichthärtend ist, oder durch Auskühlung, wenn es sich um ein Spritzguss- oder -prägeverfahren handelt,
  • - Optionales Versiegeln der ersten und zweiten Bereiche E1, E2 auf ihrer nicht dem Substrat S zugewandten Seite durch Aufbringen eines Lackes und oder einer Deckschicht.
The invention further includes a method for producing an optical element as described above, comprising the following steps:
  • - in a first alternative, molding of second regions E2 on a substrate S, wherein the corresponding structures are embossed into an embossable material with the second refractive index N2 - which applies to the cured state - using a tool having the inverse shape of the structures of the second regions E2, and are subsequently cured, e.g. in a nanoimprint or in a variothermal or isothermal injection molding/injection compression molding process,
  • - in a second alternative, molding of first regions E1 on a substrate S, wherein the corresponding structures are embossed into a first, embossable material with the first refractive index N1 - which applies to the cured state - using a tool which has the inverse shape of the structures of the first regions E1, and are subsequently cured, e.g. in a nanoimprint or in a variothermal or isothermal injection molding/injection compression molding process,
  • - in the first alternative, filling the spaces between the second regions E2 with a material having the first refractive index N1 -which applies to the cured state-, whereby the first regions E1 are formed,
  • - in the second alternative, filling the spaces between the first regions E1 with a material having the second refractive index N2 - which applies to the cured state -, thereby creating the second regions E2 (in both alternatives, the filling can be carried out in one or more steps, whereby one or more intermediate curing steps can also follow between such filling steps, if necessary),
  • - Curing of the second material, e.g. by irradiation with UV light if the second material is UV-curing, or by cooling if it is an injection moulding or embossing process,
  • - Optional sealing of the first and second areas E1, E2 on their side not facing the substrate S by applying a varnish and/or a cover layer.

Hierbei ist noch anzumerken, dass für ein Nanoimprint-Verfahren je nach gewählter Alternative des Herstellungsfahrens das prägbare Material mit der zweiten bzw. ersten Brechzahl N2 bzw. N1 -welche für den ausgehärteten Zustand gilt- auf ein Substrat S (z.B. Glas oder Polymer) als separates (in der Regel flüssiges) Material aufgebracht wird, welches hernach z.B. mit UV-Licht ausgehärtet wird. Demgegenüber stellt das Material des Substrates S bei einem variothermen oder isothermen Spritzguss-/Spritzpräge-Verfahren gleichzeitig das Material dar, in welches die Strukturen, d.h. die zweiten oder ersten Bereiche E2, E1, eingeprägt und dann durch Abkühlen ausgehärtet werden. Andere Herstellungsverfahren sind möglich. Grundsätzlich sind beide Alternativen des Herstellungsfahrens nutzbar, wobei die erste Alternative des Herstellungsfahrens bevorzugt für die erste Alternative des optischen Elements zum Einsatz kommen kann, d.h. wenn die Materialien der ersten und der zweiten Bereiche E1, E2 transparent sind. Insbesondere die zweite Alternative des Herstellungsfahrens ist flexibel für alle Alternativen der Ausgestaltung des optischen Elements einsetzbar.It should also be noted that for a nanoimprint process, depending on the manufacturing process alternative selected, the embossable material with the second or first refractive index N2 or N1—which applies to the cured state—is applied to a substrate S (e.g., glass or polymer) as a separate (usually liquid) material, which is then cured, for example, with UV light. In contrast, in a variothermal or isothermal injection molding/injection-compression molding process, the material of the substrate S simultaneously represents the material into which the structures, i.e., the second or first regions E2, E1, are embossed and then cured by cooling. Other manufacturing processes are possible. In principle, both manufacturing process alternatives can be used, although the first manufacturing process alternative can preferably be used for the first optical element alternative, i.e., when the materials of the first and second regions E1, E2 are transparent. In particular, the second alternative of the manufacturing process can be used flexibly for all alternatives of the design of the optical element.

Das vorgenannte Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements kann dabei je nach tatsächlicher Ausgestaltung als Sheet-to-Sheet, Roll-to-Plate oder Roll-to-Roll-Setup hergestellt werden. Hierdurch wird auch die Befüllung, etwa mit einem Lack, vereinfacht, wobei insbesondere in der ersten Alternative mit einem transparenten Lack gearbeitet werden kann, was das Verfahren günstiger und einfacher gestaltet.Depending on the actual design, the aforementioned process for manufacturing an optical element can be implemented as a sheet-to-sheet, roll-to-plate, or roll-to-roll setup. This also simplifies filling, for example, with a varnish. In particular, the first alternative allows for the use of a transparent varnish, which makes the process more cost-effective and simpler.

Weiterhin umfasst die Erfindung einen ersten Bildschirm, umfassend

  • - eine Bildwiedergabeeinheit,
  • - ein optisches Element wie vorstehend beschrieben, wobei das optische Element in Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor oder hinter der Bildwiedergabeeinheit angeordnet ist, wobei bevorzugt bei Parallelprojektion aus senkrechter Richtung auf die Bildwiedergabeeinheit jeweils die zweiten Bereiche E2 vor nicht (oder im Wesentlichen nicht) Licht abstrahlenden Flächenabschnitten der Bildwiedergabeeinheit liegen.
Furthermore, the invention comprises a first screen comprising
  • - an image display unit,
  • - an optical element as described above, wherein the optical element is arranged in front of or behind the image display unit in the viewing direction of a viewer, wherein preferably in the case of parallel projection from a perpendicular direction onto the image display unit, the second regions E2 are in front of surface sections of the image display unit which do not (or substantially do not) emit light.

Bei nicht Licht abstrahlenden Flächenabschnitten der Bildwiedergabeeinheit kann es sich beispielsweise um die Black-Matrix-Bereiche eines OLED-, microLED- oder LCD-Panels oder um ausgeschaltete Pixel (gegebenenfalls einschließlich der jeweiligen Black-Matrix-Bereiche eines OLED-, LCD- oder microLED- Panels handeln). Andere Ausgestaltungen sind möglich.Non-light-emitting surface sections of the image display unit can, for example, be the black matrix areas of an OLED, microLED, or LCD panel or deactivated pixels (possibly including the respective black matrix areas of an OLED, LCD, or microLED panel). Other configurations are possible.

Vorteilhaft kann die Erfindung auch so umgesetzt werden, dass das optische Element in Betrachtungsrichtung eines Betrachters derart vor oder hinter der Bildwiedergabeeinheit angeordnet ist, dass bei Parallelprojektion aus senkrechter Richtung auf die Bildwiedergabeeinheit jeweils die ersten Bereiche E1 des optischen Elements vor Licht abstrahlenden Flächenabschnitten, also insbesondere Pixeln (Farbsubpixel, Vollfarbpixel, monochrome oder andere Arten von Pixeln) der Bildwiedergabeeinheit liegen.Advantageously, the invention can also be implemented in such a way that the optical element is arranged in front of or behind the image display unit in the viewing direction of a viewer in such a way that In the case of parallel projection from a vertical direction onto the image display unit, the first regions E1 of the optical element are located in front of light-emitting surface sections, i.e. in particular pixels (color subpixels, full-color pixels, monochrome or other types of pixels) of the image display unit.

An dieser Stelle zeigt sich ein besonderer Vorteil der Erfindung: Sie erlaubt verlustarm eine Fokussierung des von einem Bildschirm abgestrahlten Lichtes auf einen gewünschten Betrachtungs- bzw. Winkelbereich. Somit kann vermittels der Erfindung eine definierte Verteilung der Leuchtdichtekurve in einer Dimension oder in zwei Dimensionen erzielt werden. Ist die Leuchtdichtekurve eher breit, kann man die von der Bildwiedergabeeinheit wiedergegebenen Inhalte aus einem breiten Winkel sehen, wobei dennoch über die Variation von Parametern des optischen Elements zur Erzielung der gewünschten Leuchtdichtekurve verglichen mit dem Stand der Technik eine bessere Effizienz erreicht werden kann.This is where a particular advantage of the invention becomes apparent: It allows the light emitted by a screen to be focused on a desired viewing or angular range with minimal loss. Thus, the invention can achieve a defined distribution of the luminance curve in one or two dimensions. If the luminance curve is rather broad, the content displayed by the image display unit can be viewed from a wide angle, while still allowing greater efficiency to be achieved compared to the prior art by varying the parameters of the optical element to achieve the desired luminance curve.

Bei dem ersten Bildschirm ist es von Vorteil, wenn das optische Element auf die Bildwiedergabeeinheit optisch gebondet oder laminiert ist.In the first screen, it is advantageous if the optical element is optically bonded or laminated to the image display unit.

Für den Fall, dass ein erfindungsgemäßes optisches Element in Betrachtungsrichtung vor einer Bildwiedergabeeinheit angeordnet ist, um deren Lichtausbreitungsrichtungen zu beschränken, kann optional auf der Bildwiedergabeeinheit noch eine Optik vorhanden sein, die das von den jeweiligen Pixeln der Bildwiedergabeeinrichtung abgestrahlte Licht im Wesentlichen auf den Flächen bündeln, die ersten Bereichen E1 gegenüber liegen. Dies ist beispielsweise möglich mit Mikrolinsenrastern oder Lentikularen, die in etwa die Perioden der Pixelbreiten (oder ggf. Pixelhöhen) aufweisen. Die Periode der ersten Bereiche E1 sollte dann im besten Falle mit der Periode der Pixelbreiten bzw. -höhen, oder ganzzahligen Vielfachen davon, übereinstimmen.In the event that an optical element according to the invention is arranged in front of an image display unit in the viewing direction in order to limit its light propagation directions, an optical system can optionally be present on the image display unit, which essentially focuses the light emitted by the respective pixels of the image display device onto the surfaces opposite the first regions E1. This is possible, for example, with microlens grids or lenticular lenses that have approximately the periods of the pixel widths (or, if applicable, pixel heights). The period of the first regions E1 should then ideally correspond to the period of the pixel widths or heights, or integer multiples thereof.

Darüber hinaus beinhaltet die Erfindung auch eine Beleuchtungseinrichtung, umfassend

  • - eine Hintergrundbeleuchtung,
  • - ein in Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor der Hintergrundbeleuchtung angeordnetes optisches Element, wie vorstehend beschrieben.
Auch hier erlaubt die Erfindung eine definierte Fokussierung des von der Beleuchtungseinrichtung abgesandten Lichtes auf einen gewünschten Betrachtungsbereich, d.h. auf eine definierte Leuchtdichtekurve, sinngemäß wie weiter oben zum ersten Bildschirm beschrieben.Furthermore, the invention also includes a lighting device comprising
  • - a backlight,
  • - an optical element arranged in front of the backlight in the viewing direction of a viewer, as described above.
Here too, the invention allows a defined focusing of the light emitted by the illumination device onto a desired viewing area, ie onto a defined luminance curve, in the same way as described above for the first screen.

Ferner kann die Beleuchtungseinrichtung derart ausgestaltet sein, dass auf der Lichteintrittsseite des optischen Elements mindestens eine Teilverspiegelung auf den ersten und/oder zweiten Bereichen E1, E2 angebracht ist. Damit kann die Effizienz der Beleuchtungseinrichtung noch weiter gesteigert werden.Furthermore, the illumination device can be configured such that at least one partial mirror coating is applied to the first and/or second regions E1, E2 on the light entry side of the optical element. This allows the efficiency of the illumination device to be further increased.

Schließlich umfasst die Erfindung einen zweiten Bildschirm, umfassend

  • - eine Beleuchtungseinrichtung wie vorstehend beschrieben, und
  • - eine in Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor der Beleuchtungseinrichtung angeordnete transmissive zweite Bildwiedergabeeinheit, wie etwa ein LCD-Panel.
Finally, the invention comprises a second screen comprising
  • - a lighting device as described above, and
  • - a transmissive second image display unit, such as an LCD panel, arranged in front of the illumination device in the viewing direction of a viewer.

In letzterem Falle würde das optische Element üblicherweise direkt in eine Beleuchtungseinrichtung für eine transmissive Bildwiedergabeeinheit, wie etwa ein LCD-Panel, integriert werden.In the latter case, the optical element would typically be integrated directly into an illumination device for a transmissive image display unit, such as an LCD panel.

Generell gilt bei allen optischen Elementen, dass die Rauigkeit Ra an den Grenzflächen zwischen ersten und zweiten Bereichen E1, E2 mit verschiedenen Brechzahlen N1, N2 bevorzugt kleiner gleich 20 nm sein sollte. Andere Ausgestaltungen, auch mit höheren Werten der Rauigkeit Ra, sind jedoch möglich.In general, for all optical elements, the roughness Ra at the interfaces between first and second regions E1, E2 with different refractive indices N1, N2 should preferably be less than or equal to 20 nm. However, other designs, even with higher values of the roughness Ra , are possible.

Ein Bildschirm, der mindestens ein optisches Element wie vorstehend beschrieben, und eine Bildwiedergabeeinheit umfasst, kann beispielsweise in einem Monitor oder einem mobilen Gerät eingesetzt werden. Außerdem ist es ggf. auch möglich, eine Bildwiedergabeeinheit nachträglich mit einem ersten optischen Element umzurüsten, indem dieses vor der Bildwiedergabeeinheit angeordnet wird.A screen comprising at least one optical element as described above and an image display unit can be used, for example, in a monitor or a mobile device. Furthermore, it may also be possible to retrofit an image display unit with a first optical element by arranging it in front of the image display unit.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für Anwendungen, bei denen keine Luftschichten bzw. -spalte erlaubt sind, d.h. bei denen sich alle Schichten laminieren lassen müssen, ohne die optische Performance zu gefährden. Ein weiterer Vorteil, etwa gegenüber der Verwendung von Parabolspiegeln zur Lichtfokussierung ist, dass die in der Erfindung eingesetzten Strukturen grundsätzlich ohne jegliche spiegelnde Beschichtung auskommen können, da sie primär durch die Brechzahldifferenz ihre vorteilhaften Leistungen entfalten.The invention is particularly advantageous for applications where no air layers or gaps are permitted, i.e., where all layers must be laminated without compromising optical performance. A further advantage, compared to the use of parabolic mirrors for light focusing, is that the structures used in the invention can essentially operate without any reflective coating, since they primarily achieve their advantageous performance through the difference in refractive index.

Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden.In principle, the performance of the invention is maintained if the parameters described above are varied within certain limits.

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.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below are not only available in the combinations indicated, but also in other combinations or can be used alone without departing from the scope of the present invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale 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 Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:

  • 1 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines optischen Elements in einer beispielhaften ersten Ausgestaltung,
  • 2 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines optischen Elements in einer beispielhaften zweiten Ausgestaltung,
  • 3 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines optischen Elements in der beispielhaften ersten Ausgestaltung, kombiniert mit Pixeln und einer Blackmatrix einer Bildwiedergabeeinheit,
  • 4 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines optischen Elements in der beispielhaften zweiten Ausgestaltung, kombiniert mit Pixeln und einer Blackmatrix einer Bildwiedergabeeinheit,
  • 5 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines optischen Elements in einer beispielhaften dritten Ausgestaltung,
  • 6 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines optischen Elements in einer beispielhaften vierten Ausgestaltung, kombiniert mit Pixeln und einer Blackmatrix einer Bildwiedergabeeinheit,
  • 7a die Prinzipskizze (Perspektivansicht) eines optischen Elements in der beispielhaften fünften Ausgestaltung, kombiniert mit Pixeln und einer Blackmatrix einer Bildwiedergabeeinheit,
  • 7b die Prinzipskizze (Perspektivansicht) eines optischen Elements in der beispielhaften sechsten Ausgestaltung, kombiniert mit Pixeln und einer Blackmatrix einer Bildwiedergabeeinheit, sowie
  • 8 beispielhafte Simulationsergebnisse für verschiedene Parameter beispielhafter optischer Elemente in der ersten Ausgestaltung im Vergleich mit einem Referenzwert.
The invention will now be explained in more detail using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings, which also disclose features essential to the invention. These exemplary embodiments are merely illustrative and are not to be interpreted as limiting. For example, a description of an exemplary embodiment with a plurality of elements or components should not be interpreted as meaning that all of these elements or components are necessary for implementation. Rather, other exemplary embodiments may also contain alternative elements and components, fewer elements or components, or additional elements or components. Elements or components of different exemplary embodiments may be combined with one another unless otherwise stated. Modifications and variations described for one of the exemplary embodiments may also be applicable to other exemplary embodiments. To avoid repetition, identical or corresponding elements in different figures are designated by the same reference numerals and are not explained more than once. They show:
  • 1 the schematic diagram (sectional view) of an optical element in an exemplary first embodiment,
  • 2 the schematic diagram (sectional view) of an optical element in an exemplary second embodiment,
  • 3 the schematic diagram (sectional view) of an optical element in the exemplary first embodiment, combined with pixels and a black matrix of an image display unit,
  • 4 the schematic diagram (sectional view) of an optical element in the exemplary second embodiment, combined with pixels and a black matrix of an image display unit,
  • 5 the schematic diagram (sectional view) of an optical element in an exemplary third embodiment,
  • 6 the schematic diagram (sectional view) of an optical element in an exemplary fourth embodiment, combined with pixels and a black matrix of an image display unit,
  • 7a the schematic diagram (perspective view) of an optical element in the exemplary fifth embodiment, combined with pixels and a black matrix of an image display unit,
  • 7b the schematic diagram (perspective view) of an optical element in the exemplary sixth embodiment, combined with pixels and a black matrix of an image display unit, and
  • 8 exemplary simulation results for various parameters of exemplary optical elements in the first embodiment in comparison with a reference value.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder. Außerdem sind der besseren Übersichtlichkeit geschuldet in der Regel jeweils nur wenige Lichtstrahlen dargestellt, obwohl in der Realität eine Vielzahl von diesen vorhanden ist.The drawings are not to scale and merely represent schematic diagrams. Furthermore, for clarity, only a few light rays are shown, although in reality there are many.

Die 1 zeigt eine Prinzipskizze eines optischen Elements 10 in einer beispielhaften ersten Ausgestaltung in Schnittdarstellung und als vergrößerter Ausschnitt. Das dort gezeigte flächig (die Fläche liegt hier gedanklich senkrecht zur Papierebene) ausgedehnte optische Element 10 mit einer Lichteintrittsseite (hier: untere Fläche) und einer Lichtaustrittsseite (hier: obere Fläche) umfasst

  • - mindestens aus einem transparenten Material mit einer ersten Brechzahl N1 bestehende erste Bereiche E1 und aus einem opaken Material und/oder transparenten und/oder reflektierendem oder streuenden Material mit einer zweiten Brechzahl N2 bestehende zweite Bereiche E2, wobei die ersten Bereiche E1 in einem ein- oder zweidimensionalen (bevorzugt, aber nicht notwendigerweise periodischen) Muster in die zweiten Bereiche E2 eingebettet sind, wobei die erste Brechzahl N1 im gesamten für ein menschliches Auge sichtbaren Wellenlängenbereich größer ist als die zweite Brechzahl N2,
  • - wobei die ersten Bereiche E1 jeweils an der Lichtaustrittsseite einen größeren Querschnitt als an der Lichteintrittsseite aufweisen, und wobei ferner (zeichnerisch nicht dargestellt) die ersten Bereiche E1 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element 10 jeweils an der Lichteinfallsseite und an der Lichtausfallsseite unterschiedliche Umrissformen aufweisen, die nicht durch Größenskalierung zur Kongruenz zu bringen sind,
  • - so dass an der Lichteintrittsseite des optischen Elements 10 auf dieses auftreffende Licht, welches in erste Bereiche E1 des optischen Elements 10 einfällt, dort je nach geometrischer Einfallsrichtung, Polarisation und dem Verhältnis der ersten Brechzahl N1 zu der zweiten Brechzahl N2
    1. a) innerhalb eines ersten Bereiches E1 ungehindert propagiert oder totalreflektiert wird und hernach an der Lichtaustrittsseite des entsprechenden ersten Bereiches E1 wieder ausgekoppelt wird, oder
    2. b) von dem ersten Bereich E1 in einen angrenzenden zweiten Bereich E2 eindringt und, wenn es im zweiten Bereich E2 nicht absorbiert wird, in einem zweiten Bereich E2 propagiert, bis es auf der Lichtaustrittsseite aus einem zweiten Bereich E2 ausgekoppelt oder in einen oder mehrere nächste erste und/oder zweite Bereiche E1, E2 eingekoppelt wird (und so weiter),
  • - und so dass in einer ersten Alternative, in welcher die zweiten Bereiche E2 aus einem transparenten Material bestehen, Licht, das an der Lichteintrittsseite des optischen Elements 10 in zweite Bereiche E2 des optischen Elements 10 einfällt, dieses durchdringt und auf der Lichtaustrittsseite aus dem optischen Element 10 ausgekoppelt wird,
  • - und so dass in einer zweiten Alternative, in welcher die zweiten Bereiche E2 mindestens teilweise ein opakes Material umfassen, Licht, das an der Lichteintrittsseite des optischen Elements 10 in zweite Bereiche E2 des optischen Elements 10 einfällt, mindestens teilweise absorbiert wird,
  • - und so dass in einer dritten Alternative, in welcher die zweiten Bereiche E2 mindestens teilweise ein reflektierendes und/oder streuendes Material umfassen, Licht, das an der Lichteintrittsseite des optischen Elements 10 in zweite Bereiche E2 des optischen Elements 10 einfällt, mindestens teilweise reflektiert und/oder gestreut wird,
  • - wodurch das an der Lichtaustrittsseite des optischen Elements 10 aus diesem austretende Licht gegenüber dem an der Lichteintrittsseite auf das optische Element 10 auftreffende Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen verändert ist,
  • - und wobei ferner mindestens ein Teil des an der Lichteintrittsseite des optischen Elements 10 in erste Bereiche E1 einfallenden Lichtes nach Durchgang durch das optische Element 10 gebündelt ist.
The 1 shows a schematic diagram of an optical element 10 in an exemplary first embodiment in a sectional view and as an enlarged detail. The optical element 10 shown therein is flat (the surface is notionally perpendicular to the plane of the paper) and has a light entry side (here: lower surface) and a light exit side (here: upper surface).
  • - first regions E1 consisting of at least one transparent material with a first refractive index N1 and second regions E2 consisting of an opaque material and/or transparent and/or reflective or scattering material with a second refractive index N2, wherein the first regions E1 are embedded in the second regions E2 in a one- or two-dimensional (preferably, but not necessarily periodic) pattern, wherein the first refractive index N1 is greater than the second refractive index N2 over the entire wavelength range visible to the human eye,
  • - wherein the first regions E1 each have a larger cross-section on the light exit side than on the light entry side, and wherein furthermore (not shown in the drawing) the first regions E1, when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element 10, each have different outline shapes on the light incidence side and on the light exit side, which cannot be brought into congruence by scaling,
  • - so that on the light entry side of the optical element 10, the light incident on the optical element 10, which is incident in first areas E1 of the optical element 10, is reflected there depending on the geometric direction of incidence, polarization and the behavior nis of the first refractive index N1 to the second refractive index N2
    1. a) is propagated or totally reflected unhindered within a first area E1 and is then coupled out again at the light exit side of the corresponding first area E1, or
    2. b) penetrates from the first region E1 into an adjacent second region E2 and, if it is not absorbed in the second region E2, propagates in a second region E2 until it is coupled out of a second region E2 on the light exit side or coupled into one or more next first and/or second regions E1, E2 (and so on),
  • - and so that in a first alternative, in which the second regions E2 consist of a transparent material, light which is incident on the light entry side of the optical element 10 into second regions E2 of the optical element 10, penetrates the latter and is coupled out of the optical element 10 on the light exit side,
  • - and so that in a second alternative, in which the second regions E2 at least partially comprise an opaque material, light incident on the light entry side of the optical element 10 into second regions E2 of the optical element 10 is at least partially absorbed,
  • - and so that in a third alternative, in which the second regions E2 at least partially comprise a reflective and/or scattering material, light incident on the light entry side of the optical element 10 into second regions E2 of the optical element 10 is at least partially reflected and/or scattered,
  • - whereby the light emerging from the optical element 10 at the light exit side is changed in its propagation directions compared to the light incident on the optical element 10 at the light entry side,
  • - and wherein furthermore at least a part of the light incident on the light entry side of the optical element 10 into first regions E1 is bundled after passing through the optical element 10.

Mit „geometrischer Einfallsrichtung“ eines Lichtstrahles in die ersten Bereiche E1 ist insbesondere dessen Richtungsvektor gemeint, der den horizontalen und vertikalen Einfallswinkel auf die Lichteintrittsfläche - auch als „untere Oberfläche“ bezeichnet - eines ersten Bereichs E2 beschreibt und neben dem Polarisationszustand ganz wesentlich für die weitere Propagation des Lichtes in dem ersten Bereich E1 bzw. an den Grenzflächen zu zweiten Bereichen E2 ist.The “geometric direction of incidence” of a light beam into the first regions E1 refers in particular to its direction vector, which describes the horizontal and vertical angle of incidence onto the light entry surface – also referred to as the “lower surface” – of a first region E2 and, in addition to the polarization state, is essential for the further propagation of the light in the first region E1 or at the interfaces to second regions E2.

Mit der „periodischen Abfolge“ der ersten und zweiten Bereiche E1, E2 ist nicht gemeint, dass diese immer gleich breit und/oder hoch sein müssen, sondern dass sich die ersten und zweiten Bereiche lediglich stets abwechseln. Ihre Größe kann jedoch variieren. In 1 (und auch 2 sowie weiteren Zeichnungen) sind jeweils nur zwei erste Bereiche E1 sowie drei zweite Bereiche E2 (oder ggf. weniger) dargestellt. In der physischen Ausgestaltung eines optischen Elements 10 sind jedoch deutlich mehr solcher erster und zweiter Bereiche E1, E2 vorhanden.The "periodic sequence" of the first and second areas E1, E2 does not mean that they must always be the same width and/or height, but rather that the first and second areas simply alternate. Their size can, however, vary. 1 (and also 2 and other drawings), only two first regions E1 and three second regions E2 (or possibly fewer) are shown. However, in the physical design of an optical element 10, significantly more such first and second regions E1, E2 are present.

Generell gilt: Je kleiner der Brechzahlunterschied zwischen der ersten Brechzahl N1 und der zweiten Brechzahl N2 ist, desto schmaler ist die Lichtverteilung des das optische Element 10 aus den ersten Bereichen E1 verlassenden Lichtes. Es soll hier zum klaren physikalischen Verständnis noch einmal festgehalten werden, dass mit „Brechzahl“ entweder die erste oder zweite Brechzahl N1, N2 für eine ausgewählte Wellenlänge, z.B. 580 nm, oder aber die jeweilige Dispersionskurve über den gesamten mit dem menschlichen Auge sichtbaren Wellenlängenbereich gemeint ist. Im Falle der Dispersionskurve bedeutet der Brechzahlunterschied den jeweiligen Wert, der bei einer ausgewählten sichtbaren Wellenlänge λ der Differenz zwischen den beiden Brechzahlen N1, N2 entspricht.In general, the smaller the refractive index difference between the first refractive index N1 and the second refractive index N2, the narrower the light distribution of the light leaving the optical element 10 from the first regions E1. For clarity of physics, it should be noted again here that "refractive index" refers to either the first or second refractive index N1, N2 for a selected wavelength, e.g., 580 nm, or the respective dispersion curve across the entire wavelength range visible to the human eye. In the case of the dispersion curve, the refractive index difference refers to the respective value that corresponds to the difference between the two refractive indices N1, N2 at a selected visible wavelength λ.

Die Grenzflächen der ersten Bereiche E1 und der zweiten Bereiche E2 des optischen Elements 10 können bei Betrachtung in Schnittrichtung senkrecht zur Lichtaustrittsseite des optischen Elements 10 verschiedene Ausgestaltungen annehmen. In der beispielhaften ersten Ausgestaltung gemäß 1 sind diese trapezförmig, z.B. trichterförmig ausgestaltet. Demgegenüber sind in 2, welche eine beispielhafte zweite Ausgestaltung des optischen Elements 10 zeigt, die Grenzflächen in etwa parabelförmig (genauer gesagt als Ausschnitte von Parabeln) ausgebildet.The interfaces of the first regions E1 and the second regions E2 of the optical element 10 can assume different configurations when viewed in the sectional direction perpendicular to the light exit side of the optical element 10. In the exemplary first configuration according to 1 These are trapezoidal, e.g. funnel-shaped. In contrast, in 2 , which shows an exemplary second embodiment of the optical element 10, the interfaces are formed in an approximately parabolic shape (more precisely as sections of parabolas).

Durch vorbeschriebene Ausbildungsformen der ersten und zweiten Bereiche E1, E2 wird eine gezielte Beeinflussung der Ausbreitungsrichtungen des aus dem optischen Element 10 austretenden Lichtes vorgenommen: Je nach Ausgestaltung findet eine stärkere oder schwächere Fokussierung des Lichtes über die Fläche statt. Die Trapez- und Parabelform hat den Vorteil, dass die Winkelverteilung gut fokussiert wird.The previously described configurations of the first and second areas E1, E2 allow for a targeted influence on the propagation directions of the light emerging from the optical element 10: Depending on the configuration, the light is focused more or less strongly across the surface. The trapezoidal and parabolic shapes have the advantage of providing good focus for the angular distribution.

Vorteilhaft, aber nicht ausschließlich, gilt, dass der Betrag des Brechzahlunterschieds zwischen der ersten Brechzahl N1 und der zweiten Brechzahl N2 kleiner als 0,25 ist.Advantageously, but not exclusively, the difference in refractive index between the first refractive index N1 and the second refractive index N2 is less than 0.25.

Wenn im Rahmen der zweiten Alternative opakes Material in zweiten Bereichen E2 vorhanden ist, so kann dieses optional aus einem ursprünglich transparenten Material mit der zweiten Brechzahl N2 bestehen, welches jedoch mit absorbierenden Partikeln versetzt ist, wodurch insgesamt eine opake Wirkung zustande kommt.If, in the context of the second alternative, opaque material is present in second areas E2, this can optionally consist of an originally transparent material with the second refractive index N2, which, however, is mixed with absorbing particles, resulting in an overall opaque effect.

Weiterhin zeigt 3, korrespondierend zu 1, die Prinzipskizze (in Schnittdarstellung und als Ausschnitt) eines optischen Elements 10 in der beispielhaften ersten Ausgestaltung, kombiniert mit Pixeln 1 und einer sogenannten „Blackmatrix“ 2 einer Bildwiedergabeeinheit. In der realen Ausgestaltung sind deutlich mehr Pixel 1 vorhanden. Die Blackmatrix 2 ist hier übertrieben groß dargestellt, um deren Wirkung zu unterstreichen, nämlich dass von dort kein Licht aktiv abgestrahlt wird. Im linken ersten Bereich E1 ist zu erkennen, dass aufgrund der Funktionsweise des optischen Elements 10 die von einem direkt darunter liegenden linken Pixel 1 abgestrahlten beispielhaften Strahlen S1 und S2 näher zum Lot hin gerichtet werden. Im rechten Pixel 1, oberhalb dessen sich ein erster Bereich E1 befindet, wird ein schräg in den ersten Bereich E1 einfallender beispielhafter Lichtstrahl S3 weiter vom Lot weggebrochen und dringt in einen benachbarten zweiten Bereich E2 ein. Je nach Alternative kann er dort propagieren (z.B. in der ersten Alternative mit transparentem Material für die zweiten Bereiche E2) und würde dann z.B. an der Lichtaustrittsseite ausgekoppelt oder alternativ über Totalreflexion weitergeleitet, wird absorbiert (z.B. in der zweiten Alternative mit opakem Material für die zweiten Bereiche E2), oder er wird gestreut bzw. reflektiert in der (z.B. in der dritten Alternative mit reflektierendem und/oder streuendem Material für die zweiten Bereiche E2).Furthermore, 3 , corresponding to 1 , the schematic diagram (in a sectional view and as a detail) of an optical element 10 in the exemplary first embodiment, combined with pixels 1 and a so-called “black matrix” 2 of an image display unit. In the actual embodiment, there are significantly more pixels 1. The black matrix 2 is shown exaggeratedly large here to underline its effect, namely that no light is actively emitted from there. In the left first area E1 it can be seen that due to the functioning of the optical element 10 the exemplary beams S1 and S2 emitted by a left pixel 1 directly below are directed closer to the vertical. In the right pixel 1, above which a first area E1 is located, an exemplary light beam S3 incident obliquely into the first area E1 is refracted further away from the vertical and penetrates into an adjacent second area E2. Depending on the alternative, it can propagate there (e.g. in the first alternative with transparent material for the second areas E2) and would then be coupled out at the light exit side or alternatively passed on via total reflection, is absorbed (e.g. in the second alternative with opaque material for the second areas E2), or it is scattered or reflected in the (e.g. in the third alternative with reflective and/or scattering material for the second areas E2).

Ferner gibt 4, korrespondierend zu 2, die Prinzipskizze (in Schnittdarstellung und als Ausschnitt) eines optischen Elements 10 in der beispielhaften zweiten Ausgestaltung, kombiniert mit Pixeln 1 und einer sogenannten „Blackmatrix“ 2 einer Bildwiedergabeeinheit, wieder. Im rechten Pixel 1, oberhalb dessen sich ein erster Bereich E1 befindet, wird ein schräg in den ersten Bereich E1 einfallender beispielhafter Lichtstrahl S3 weiter vom Lot weggebrochen und dringt in einen benachbarten zweiten Bereich E2 ein. Je nach Alternative kann er dort propagieren (z.B. in der ersten Alternative mit transparentem Material für die zweiten Bereiche E2), wird absorbiert (z.B. in der zweiten Alternative mit opakem Material für die zweiten Bereiche E2), oder er wird gestreut bzw. reflektiert in der (z.B. in der dritten Alternative mit reflektierendem und/oder streuendem Material für die zweiten Bereiche E2). Die zu 3 gegebenen sonstigen Erläuterungen zu den beispielhaften Strahlen S1 und S2 sind hier sinngemäß anwendbar und werden daher hier nicht wiederholt.Furthermore, 4 , corresponding to 2 , the schematic diagram (in sectional view and as a detail) of an optical element 10 in the exemplary second embodiment, combined with pixels 1 and a so-called "black matrix" 2 of an image display unit. In the right pixel 1, above which a first region E1 is located, an exemplary light beam S3 incident obliquely into the first region E1 is refracted further away from the normal and penetrates into an adjacent second region E2. Depending on the alternative, it can propagate there (e.g. in the first alternative with transparent material for the second regions E2), is absorbed (e.g. in the second alternative with opaque material for the second regions E2), or it is scattered or reflected (e.g. in the third alternative with reflective and/or scattering material for the second regions E2). The 3 The other explanations given for the exemplary beams S1 and S2 are applicable here mutatis mutandis and are therefore not repeated here.

Insofern es sich bei der Ausgestaltung um die zwei Alternative mit opakem Material handelt, kann dieses beispielsweise aus einem Lack oder Polymer als transparentem Anteil bestehen, welches für den opaken Anteil beispielsweise mit Graphitpartikeln, die eine Größe von weniger als 500 nm in Richtung ihrer größten Ausdehnung aufweisen, oder Nanopartikeln aus schwarzem Kohlenstoff, die eine Größe von weniger als 200 nm aufweisen, beispielsweise mit Rußpartikeln, versetzt ist.Insofar as the design involves the two alternatives with opaque material, this can, for example, consist of a lacquer or polymer as the transparent part, which is mixed with, for example, graphite particles having a size of less than 500 nm in the direction of their greatest extent, or nanoparticles of black carbon having a size of less than 200 nm, for example with soot particles, for the opaque part.

Wenn im Rahmen der dritten Alternative reflektierendes oder streuendes Material in zweiten Bereichen E2 vorhanden ist, so besteht dies beispielsweise aus einem Gemisch aus einem Lack und Partikeln, wobei die Partikeln nunmehr reflektierend und/oder streuend sind. Bei den Partikel kann es sich beispielsweise um weißstreuende Partikel, wie Titandioxid (TiO2) oder um reflektierende Partikel wie Silberpartikel oder Chrompartikel mit weniger als 500 nm Größe handeln.If, in the context of the third alternative, reflective or scattering material is present in second regions E2, this consists, for example, of a mixture of a paint and particles, whereby the particles are now reflective and/or scattering. The particles can be, for example, white-scattering particles such as titanium dioxide (TiO2) or reflective particles such as silver particles or chromium particles with a size of less than 500 nm.

Falls ein solches optisches Element der dritten Alternative in einer Anordnung mit einem Backlight angewendet wird, so kann ein (großer) Teil des an der Lichteintrittsfläche des optischen Elements 10 auf selbiges auftreffenden Lichtes, der an zweiten Bereichen E2 reflektiert oder gestreut wird, z.B. in einer darunter liegenden Lichtquelle, als dem besagten Backlight, recycelt werden.If such an optical element of the third alternative is used in an arrangement with a backlight, a (large) part of the light incident on the light entry surface of the optical element 10, which is reflected or scattered at second areas E2, can be recycled, e.g., in an underlying light source, as the said backlight.

Ferner können die ersten Bereiche E1 und die zweiten Bereiche E2 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element 10 streifenförmig abwechselnd über die Fläche des optischen Elements 10 verteilt angeordnet sein, wie z.B. für die beispielhaften ersten und zweiten Ausgestaltungen gemäß 1 bis 4.Furthermore, the first regions E1 and the second regions E2 can be arranged in strip-like manner distributed alternately over the surface of the optical element 10 when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element 10, as for example for the exemplary first and second embodiments according to 1 until 4 .

Darüber hinaus zeigt 5 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung und als Ausschnitt) eines optischen Elements 10 in einer beispielhaften dritten Ausgestaltung. Hierbei gelten für Anordnung und Wirkungsweise der ersten und zweiten Bereiche E1, E2 die Ausführungen zur Zeichnung 1. Allerdings befinden sich hier zwischen einem transparenten Substrat S (z.B. aus Glas oder Polymer bestehend) und dem ersten optischen Element 10 transparente und opake Abschnitte 4, 5, wobei in Projektionsrichtung parallel zur Flächenmittelsenkrechten zwischen dem Substrat S und ersten Bereichen E1 transparente Abschnitte 4 und zwischen dem Substrat S und zweiten Bereichen E2 opake Abschnitte 5 angeordnet sind. Diese dritte Ausgestaltung stellt sicher, dass auf der Lichteintrittsseite des optischen Elements 10 nur Licht durch die ersten Bereiche E1 eintritt.In addition, 5 the schematic diagram (sectional view and as a detail) of an optical element 10 in an exemplary third embodiment. The arrangement and mode of operation of the first and second regions E1, E2 are governed by the explanations in the drawing. 1 However, here, between a transparent substrate S (e.g., made of glass or polymer) and the first optical element 10, there are transparent and opaque sections 4, 5, wherein, in the projection direction, transparent sections 4 are arranged parallel to the surface center perpendicular between the substrate S and first regions E1, and opaque sections 5 are arranged between the substrate S and second regions E2. This third embodiment ensures that on the light entry side of the optical element 10, only light enters through the first regions E1.

Weiterhin gibt 6 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung und als Ausschnitt) eines optischen Elements 10 in einer beispielhaften vierten Ausgestaltung, kombiniert mit Pixeln 1 und einer Blackmatrix 2 einer Bildwiedergabeeinheit, wieder. Hierbei sind ferner auf der Lichtaustrittsseite des optischen Elements 10 in Projektionsrichtung parallel zur Flächenmittelsenkrechten ausschließlich auf den zweiten Bereichen E2 opake Abschnitte 3 vorhanden. Diese Ausgestaltung dient der Optimierung der Lichtrichtung und vermeidet Übersprechen, etwa durch beispielhafte Strahlen S3, wie in 3 gezeigt.Furthermore, there are 6 the principle sketch (sectional view and as a detail) of an opti optical element 10 in an exemplary fourth embodiment, combined with pixels 1 and a black matrix 2 of an image display unit. Furthermore, on the light exit side of the optical element 10 in the projection direction parallel to the surface center perpendicular, opaque sections 3 are present exclusively in the second regions E2. This embodiment serves to optimize the light direction and avoids crosstalk, for example by exemplary rays S3, as in 3 shown.

Eine besonders vorteilhafte, beispielhafte fünfte Ausgestaltung eines optischen Elements 10, wiederum kombiniert mit Pixeln 1 (welche hier vereinfacht kreisförmig dargestellt sind und Farbsubpixel, Vollfarbpixeln, monochromen oder anderen Arten von Pixeln entsprechen können) und einer Blackmatrix 2 einer Bildwiedergabeeinheit, ist als Prinzipskizze (hier als Perspektivansicht und im Ausschnitt) in 7a gezeigt. Dabei ist vorgesehen, dass die ersten Bereiche E1 (welche im Schnitt eine Trichterform aufweisen) bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element 10 jeweils an der Lichteinfallsseite oder der Lichtausfallsseite jeweils kreisförmig geformt über die Fläche des optischen Elements 10 verteilt angeordnet und die zweiten Bereiche E2 (zeichnerisch nicht dargestellt) dazu jeweils komplementär geformt sind. Damit wird die Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen jeweils in mindestens zwei Ebenen, die senkrecht zu der Oberfläche des optischen Elements 10 stehen, wirksam. Praktisch ist die Wirkung eines solchen optischen Elements 10 in der Regel derart, dass die Lichtausbreitungsrichtungen für von den Pixeln 1 abgestrahltes (oder transmittiertes) Licht in jedem Winkel nahe der Mittelsenkrechten des optischen Elementes 10 bzw. parallel dazu fokussiert sind. Mit „nahe“ ist in diesem Falle gemeint, dass die Abweichungen von der Mittelsenkrechten bzw. der Parallelen hierzu - je nach Ausgestaltung - weniger als 20° oder 30° betragen.A particularly advantageous, exemplary fifth embodiment of an optical element 10, again combined with pixels 1 (which are shown here in a simplified circular manner and can correspond to color subpixels, full-color pixels, monochrome or other types of pixels) and a black matrix 2 of an image display unit, is shown as a schematic diagram (here as a perspective view and in detail) in 7a shown. It is provided that the first regions E1 (which have a funnel shape in section) are arranged, when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element 10, in a circular shape on the light incidence side or the light exit side, distributed over the surface of the optical element 10, and the second regions E2 (not shown in the drawing) are each shaped complementarily thereto. This restricts the light propagation directions in at least two planes that are perpendicular to the surface of the optical element 10. In practice, the effect of such an optical element 10 is generally such that the light propagation directions for light emitted (or transmitted) by the pixels 1 are focused at any angle close to the perpendicular bisector of the optical element 10 or parallel thereto. By "close" in this case is meant that the deviations from the perpendicular bisector or the parallel thereto - depending on the design - are less than 20° or 30°.

Eine vorteilhafte, beispielhafte sechste Ausgestaltung ist in Abwandlung zu 7a in 7b dargestellt. Die Änderung zu 7a besteht darin, dass die Pixel 1 gemäß 7b nunmehr in Rechteckform dargestellt sind. In der praktischen Umsetzung sind auch vollkommen andere Formen bzw. Umrisse der Pixel 1 möglich, etwa Chevron-Strukturen aus IPS/-FFS-Zellen oder verschiedenartige Größen und Formen für R, G, B - Farbsubpixel, etwa im Falle von OLED-Panels als Bildwiedergabeeinrichtungen.An advantageous, exemplary sixth embodiment is in modification to 7a in 7b The change to 7a is that the pixels 1 according to 7b are now shown in rectangular form. In practical implementation, completely different shapes or outlines of pixels 1 are also possible, such as chevron structures made of IPS/FFS cells or various sizes and shapes for R, G, and B color subpixels, such as in the case of OLED panels as image display devices.

Die Erfindung verbessert den Stand der Technik auch dahingehend, das mit derartigen optischen Elementen 10, eine Top-Hat-Verteilung erreicht werden kann, da aufgrund der Totalreflexion mehr Nutzlicht in die gewünschten Winkelbereiche transmittiert wird, als - wie im Stand der Technik üblich - ohne die Totalreflexion.The invention also improves the prior art in that with such optical elements 10, a top-hat distribution can be achieved, since due to the total reflection more useful light is transmitted into the desired angular ranges than - as is usual in the prior art - without the total reflection.

Hierzu gibt 8 beispielhafte Simulationsergebnisse für verschiedene Parameterkonfigurationen beispielhafter optischer Elemente 10 in der ersten Ausgestaltung im Vergleich mit einem Referenzwert.There is 8 exemplary simulation results for various parameter configurations of exemplary optical elements 10 in the first embodiment in comparison with a reference value.

Dabei können über die Variation der Eingangsparameter verschiedene definierte Verteilungen der Transmission des optischen Elements 10 erreicht werden, so z.B. auch einen sogenannte Top-Hat Verteilung (siehe Beispiel 1). Die Graphen sind auf den Betrachtungswinkel 0° der Referenz normiert und zeigen die relative Leuchtdichte in den verschiedenen horizontalen Betrachtungswinkeln. Grundsätzlich wurden hier die Verhältnisse nach 1 zu Grunde gelegt (d.h., Trapez- bzw. Trichterform der Grenzflächen der ersten und zweiten Bereiche E1, E2 im Schnitt). Die simulierten Parameter lauten wie folgt:By varying the input parameters, various defined distributions of the transmission of the optical element 10 can be achieved, for example, a so-called top-hat distribution (see example 1). The graphs are normalized to the 0° viewing angle of the reference and show the relative luminance at the various horizontal viewing angles. Basically, the ratios were calculated according to 1 (i.e., trapezoidal or funnel shape of the interfaces of the first and second areas E1, E2 in section). The simulated parameters are as follows:

Referenz: Lambertsche Lichtquelle (z.B. OLED), jeweils mit einem optischen Element, bei welchem jedoch N1=N2 gilt.Reference: Lambertian light source (e.g. OLED), each with one optical element, but where N1=N2 applies.

Beispiel 1:

  1. a. Dicke des optischen Elements 10: 70 µm
  2. b. Breite der ersten Bereiche E1 an der Lichteintrittsseite: 10 µm
  3. c. Betrag des Grenzwinkels zwischen ersten und zweiten Bereichen E1, E2: 8°
  4. d. Versatz zwischen dem Ende eines ersten Bereiche E1 und einer Kante eines darunter angenommenen Pixels 1 einer Bildwiedergabeeinheit: 0.0 µm
  5. e. Differenz N2 zu N1: 0.140
Example 1:
  1. a. Thickness of optical element 10: 70 µm
  2. b. Width of the first areas E1 on the light entrance side: 10 µm
  3. c. Amount of the critical angle between the first and second areas E1, E2: 8°
  4. d. Offset between the end of a first area E1 and an edge of an assumed pixel 1 of an image display unit: 0.0 µm
  5. e. Difference N2 to N1: 0.140

Beispiel 2:

  1. a. Dicke des optischen Elements 10: 60 µm
  2. b. Breite der ersten Bereiche E1 an der Lichteintrittsseite: 14 µm
  3. c. Betrag des Grenzwinkels zwischen ersten und zweiten Bereichen E1, E2: 8°
  4. d. Versatz zwischen dem Ende eines ersten Bereiche E1 und einer Kante eines darunter angenommenen Pixels 1 einer Bildwiedergabeeinheit: 5.0 µm
  5. e. Differenz N2 zu N1: 0.120
Example 2:
  1. a. Thickness of optical element 10: 60 µm
  2. b. Width of the first areas E1 on the light entrance side: 14 µm
  3. c. Amount of the critical angle between the first and second areas E1, E2: 8°
  4. d. Offset between the end of a first area E1 and an edge of an assumed pixel 1 of an image display unit: 5.0 µm
  5. e. Difference N2 to N1: 0.120

Beispiel 3:

  1. a. Dicke des optischen Elements 10: 60 µm
  2. b. Breite der ersten Bereiche E1 an der Lichteintrittsseite: 15 µm
  3. c. Betrag des Grenzwinkels zwischen ersten und zweiten Bereichen E1, E2: 7°
  4. d. Versatz zwischen dem Ende eines ersten Bereiche E1 und einer Kante eines darunter angenommenen Pixels 1 einer Bildwiedergabeeinheit: 5.0 µm
  5. e. Differenz N2 zu N1: 0.140
Example 3:
  1. a. Thickness of optical element 10: 60 µm
  2. b. Width of the first areas E1 on the light entrance side: 15 µm
  3. c. Amount of the critical angle between the first and second areas E1, E2: 7°
  4. d. Offset between the end of a first area E1 and an edge of an assumed pixel 1 of an image display unit: 5.0 µm
  5. e. Difference N2 to N1: 0.140

Diese Parameter sind beispielhaft gewählt und müssen ggf. bei Verwendung einer konkreten Bildwiedergabeeinheit jeweils an die Größe der Pixel bzw. Subpixel angepasst werden.These parameters are selected as examples and may need to be adjusted to the size of the pixels or subpixels when using a specific image display unit.

Aus 8 ist ersichtlich, dass verschiedene optische Elemente 10 das Licht unterschiedlich stark fokussieren. Dies ist von großem Vorteil, wenn man die Lichtausbeute von Bildschirmen erhöhen möchte, etwa weil bei bestimmten Anwendungsfällen kein Betrachtungswinkel größer als +/-40° sinnvoll oder nötig ist. Die Beispiele 1 bis 3 gemäß 8 erhöhen die zentrale Leuchtdichte um einen Faktor 4 bis 7. Entsprechend geringer kann der Stromverbrauch eines Bildschirms, der aus einer Bildwiedergabeeinrichtung mit einem optischen Element 10 besteht, ausfallen, was sich auch positiv auf die Lebensdauer des Bildschirms auswirkt.Out of 8 It is evident that different optical elements 10 focus the light to different degrees. This is of great advantage if one wishes to increase the light output of screens, for example, because in certain applications a viewing angle greater than +/-40° is not sensible or necessary. Examples 1 to 3 according to 8 increase the central luminance by a factor of 4 to 7. The power consumption of a screen consisting of an image display device with an optical element 10 can be correspondingly lower, which also has a positive effect on the service life of the screen.

An dieser Stelle zeigt sich erneut ein besonderer Vorteil der Erfindung: Sie erlaubt verlustarm eine Fokussierung des von einem Bildschirm abgestrahlten Lichtes auf einen gewünschten Betrachtungsbereich. Somit kann vermittels der Erfindung eine definierte Verteilung der Leuchtdichtekurve in ein- oder zwei Dimensionen erzielt werden. Ist die Leuchtdichtekurve eher breit, kann man die von der Bildwiedergabeeinheit wiedergegebenen Inhalte aus einem breiten Winkel sehen, wobei dennoch über die Variation von Parametern des optischen Elements 10 zur Erzielung der gewünschten Leuchtdichtekurve verglichen mit dem Stand der Technik eine bessere Effizienz erreicht werden kann.At this point, a particular advantage of the invention becomes apparent again: It allows the light emitted by a screen to be focused onto a desired viewing area with minimal loss. Thus, the invention can achieve a defined distribution of the luminance curve in one or two dimensions. If the luminance curve is rather broad, the content displayed by the image display unit can be viewed from a wide angle, while still allowing greater efficiency to be achieved compared to the prior art by varying the parameters of the optical element 10 to achieve the desired luminance curve.

Weiterhin umfasst die Erfindung einen ersten Bildschirm, umfassend

  • - eine Bildwiedergabeeinheit,
  • - ein optisches Element 10 wie vorstehend beschrieben, wobei das optische Element 10 in Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor oder hinter der Bildwiedergabeeinheit angeordnet ist, wobei bei Parallelprojektion aus senkrechter Richtung auf die Bildwiedergabeeinheit jeweils die zweiten Bereiche E2 vor nicht (oder im Wesentlichen nicht) Licht abstrahlenden Flächenabschnitten der Bildwiedergabeeinheit, also z.B. einer Blackmatrix 2, liegen.
Furthermore, the invention comprises a first screen comprising
  • - an image display unit,
  • - an optical element 10 as described above, wherein the optical element 10 is arranged in front of or behind the image display unit in the viewing direction of a viewer, wherein in the case of parallel projection from a perpendicular direction onto the image display unit, the second regions E2 are in front of surface sections of the image display unit which do not (or substantially do not) emit light, for example a black matrix 2.

Eine solche Konfiguration ist weiter vorn zu den 3 und 4 beschrieben worden. Dabei gilt vorteilhaft weiterhin, dass das optische Element 10 in Betrachtungsrichtung eines Betrachters derart vor oder hinter der Bildwiedergabeeinheit angeordnet ist, dass bei Parallelprojektion aus senkrechter Richtung auf die Bildwiedergabeeinheit jeweils die ersten Bereiche E1 des optischen Elements 10 vor Licht abstrahlenden Flächenabschnitten 1, also insbesondere Pixeln (Farbsubpixel, Vollfarbpixel, monochrome oder andere Arten von Pixeln) der Bildwiedergabeeinheit liegen.Such a configuration is further ahead of the 3 and 4 It is also advantageous that the optical element 10 is arranged in front of or behind the image display unit in the viewing direction of a viewer in such a way that, in the case of parallel projection from a perpendicular direction onto the image display unit, the first regions E1 of the optical element 10 are in front of light-emitting surface sections 1, i.e. in particular pixels (color subpixels, full-color pixels, monochrome or other types of pixels) of the image display unit.

Bei nicht Licht abstrahlenden Flächenabschnitten 2 der Bildwiedergabeeinheit kann es sich beispielsweise um die Black-Matrix-Bereiche 2 eines OLED-, microLED- oder LCD-Panels oder um ausgeschaltete Pixel (gegebenenfalls einschließlich der jeweiligen Black-Matrix-Bereiche eines OLED-, LCD- oder microLED- Panels handeln). Andere Ausgestaltungen sind möglich.Non-light-emitting surface sections 2 of the image display unit can, for example, be the black matrix areas 2 of an OLED, microLED, or LCD panel or deactivated pixels (possibly including the respective black matrix areas of an OLED, LCD, or microLED panel). Other configurations are possible.

Für den ersten Bildschirm kann es von Vorteil sein, wenn das optische Element 10 auf die Bildwiedergabeeinheit optisch gebondet oder laminiert ist.For the first screen, it may be advantageous if the optical element 10 is optically bonded or laminated to the image display unit.

Darüber hinaus beinhaltet die Erfindung auch eine Beleuchtungseinrichtung, umfassend

  • - eine Hintergrundbeleuchtung,
  • - ein in Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor der Hintergrundbeleuchtung angeordnetes optisches Element 10, wie vorstehend beschrieben, und vorzugsweise in der ersten, besonders bevorzugt in der dritten Alternative.
Auch hier erlaubt die Erfindung eine definierte Fokussierung des von der Beleuchtungseinrichtung abgesandten Lichtes auf einen gewünschte Betrachtungsbereich, d.h. auf eine definierte Leuchtdichtekurve, sinngemäß wie weiter oben zum ersten Bildschirm beschrieben.Furthermore, the invention also includes a lighting device comprising
  • - a backlight,
  • - an optical element 10 arranged in front of the background illumination in the viewing direction of a viewer, as described above, and preferably in the first, particularly preferably in the third alternative.
Here too, the invention allows a defined focusing of the light emitted by the illumination device onto a desired viewing area, ie onto a defined luminance curve, in the same way as described above for the first screen.

Schließlich umfasst die Erfindung einen zweiten Bildschirm, umfassend

  • - eine Beleuchtungseinrichtung wie vorstehend beschrieben, und
  • - eine in Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor der Beleuchtungseinrichtung angeordnete transmissive zweite Bildwiedergabeeinheit, wie etwa ein LCD-Panel.
Finally, the invention comprises a second screen comprising
  • - a lighting device as described above, and
  • - a transmissive second image display unit, such as an LCD panel, arranged in front of the illumination device in the viewing direction of a viewer.

In letzterem Falle würde ein optisches Element 10 typischerweise direkt in eine Beleuchtungseinrichtung für eine transmissive Bildwiedergabeeinheit, wie etwa ein LCD-Panel, integriert werden.In the latter case, an optical element 10 would typically be integrated directly into an illumination device for a transmissive image display unit, such as an LCD panel.

Ein erster oder zweiter Bildschirm, der mindestens ein optisches Element wie vorstehend beschrieben, und eine Bildwiedergabeeinheit umfasst, kann beispielsweise in einem Monitor oder einem mobilen Gerät eingesetzt werden. Außerdem ist es auch möglich, eine Bildwiedergabeeinheit nachträglich mit einem optischen Element umzurüsten, indem dieses vor der Bildwiedergabeeinheit angeordnet wird, um dessen Effizienz zu steigern.A first or second screen comprising at least one optical element as above described, and comprising an image display unit, can be used, for example, in a monitor or a mobile device. Furthermore, it is also possible to retrofit an image display unit with an optical element by placing it in front of the image display unit to increase its efficiency.

Die vorstehend beschriebene Erfindung löst die gestellte Aufgabe: Es wurden optische Elemente beschrieben, welche einfallendes Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen definiert beeinflussen können, wobei weiterhin mindestens ein Teil des an der Lichteintrittsseite eines solchen optischen Elements einfallenden Lichtes nach Durchgang durch das optische Element gebündelt ist. Derartige optische Elemente sind preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar, um eine Effizienzsteigerung in der Leuchtdichteverteilung zu erzielen. Ferner bieten sie grundsätzlich die Möglichkeit, eine Top-Hat-Lichtverteilung zu erzielen.The invention described above solves the stated problem: Optical elements have been described that can influence incident light in a defined manner in its propagation directions, wherein at least a portion of the light incident on the light entry side of such an optical element is focused after passing through the optical element. Such optical elements can be implemented inexpensively and, in particular, can be universally used with various screen types to achieve increased efficiency in luminance distribution. Furthermore, they fundamentally offer the possibility of achieving a top-hat light distribution.

Claims (8)

Flächig ausgedehntes optisches Element (10) mit einer Lichteintrittsseite und einer Lichtaustrittsseite, umfassend - mindestens aus einem transparenten Material mit einer ersten Brechzahl (N1) bestehende erste Bereiche (E1) und aus einem opaken Material und/oder transparentem und/oder reflektierendem oder streuendem Material mit einer zweiten Brechzahl (N2) bestehende zweite Bereiche (E2), wobei die ersten Bereiche (E1) in einem ein- oder zweidimensionalen Muster in die zweiten Bereiche (E2) eingebettet sind, wobei die erste Brechzahl (N1) im gesamten für ein menschliches Auge sichtbaren Wellenlängenbereich größer ist als die zweite Brechzahl (N2), - wobei die ersten Bereiche (E1) jeweils an der Lichtaustrittsseite einen größeren Querschnitt als an der Lichteintrittsseite aufweisen, und wobei ferner die ersten Bereiche (E1) bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element (10) jeweils an der Lichteinfallsseite und an der Lichtausfallsseite unterschiedliche Umrissformen aufweisen, die nicht durch Größenskalierung zur Kongruenz zu bringen sind, - so dass an der Lichteintrittsseite des optischen Elements (10) auf dieses auftreffende Licht, welches in erste Bereiche (E1) des optischen Elements (10) einfällt, dort je nach geometrischer Einfallrichtung, Polarisation und dem Verhältnis der ersten Brechzahl (N1) zu der zweiten Brechzahl (N2) a) innerhalb eines ersten Bereiches (E1) ungehindert propagiert oder totalreflektiert wird und hernach an der Lichtaustrittsseite des entsprechenden ersten Bereiches (E1) wieder ausgekoppelt wird, oder b) von dem ersten Bereich (E1) in einen angrenzenden zweiten Bereich (E2) eindringt und, wenn es im zweiten Bereich E2 nicht absorbiert wird, in einem zweiten Bereich (E2) propagiert, bis es auf der Lichtaustrittsseite aus einem zweiten Bereich (E2) ausgekoppelt oder in einen oder mehrere nächste erste und/oder zweite Bereiche (E1, E2) eingekoppelt wird, - und so dass in einer ersten Alternative, in welcher die zweiten Bereiche (E2) aus einem transparenten Material bestehen, Licht, das an der Lichteintrittsseite des optischen Elements (10) in zweite Bereiche (E2) des optischen Elements (10) einfällt, diese durchdringt und auf der Lichtaustrittsseite aus dem optischen Element (10) ausgekoppelt wird, - und so dass in einer zweiten Alternative, in welcher die zweiten Bereiche (E2) mindestens teilweise ein opakes Material umfassen, Licht, das an der Lichteintrittsseite des optischen Elements (10) in zweite Bereiche (E2) des optischen Elements (10) einfällt, mindestens teilweise absorbiert wird, - und so dass in einer dritten Alternative, in welcher die zweiten Bereiche (E2) mindestens teilweise ein reflektierendes und/oder streuendes Material umfassen, Licht, das an der Lichteintrittsseite des optischen Elements (10) in zweite Bereiche (E2) des optischen Elements (10) einfällt, mindestens teilweise reflektiert und/oder gestreut wird, - wodurch das an der Lichtaustrittsseite des optischen Elements (10) aus diesem austretende Licht gegenüber dem an der Lichteintrittsseite auf das optische Element (10) auftreffende Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen verändert ist, - und wobei ferner mindestens ein Teil des an der Lichteintrittsseite des optischen Elements (10) in erste Bereiche (E1) einfallenden Lichtes nach Durchgang durch das optische Element (10) gebündelt ist.A planar optical element (10) with a light entry side and a light exit side, comprising - first regions (E1) consisting of at least one transparent material with a first refractive index (N1) and second regions (E2) consisting of an opaque material and/or transparent and/or reflective or scattering material with a second refractive index (N2), wherein the first regions (E1) are embedded in the second regions (E2) in a one- or two-dimensional pattern, wherein the first refractive index (N1) is greater than the second refractive index (N2) across the entire wavelength range visible to the human eye, - wherein the first regions (E1) each have a larger cross-section on the light exit side than on the light entry side, and wherein, when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element (10), the first regions (E1) each have different outline shapes on the light entry side and on the light exit side, which cannot be made congruent by scaling, - such that, at the light entrance side of the optical element (10), light incident thereon, which enters first regions (E1) of the optical element (10), is propagated there, depending on the geometric direction of incidence, polarization, and the ratio of the first refractive index (N1) to the second refractive index (N2), a) propagated unhindered within a first region (E1) or is totally reflected and is subsequently coupled out again at the light exit side of the corresponding first region (E1), or b) penetrates from the first region (E1) into an adjacent second region (E2) and, if it is not absorbed in the second region E2, propagates in a second region (E2) until it is coupled out of a second region (E2) on the light exit side or coupled into one or more next first and/or second regions (E1, E2), - and such that, in a first alternative, in which the second regions (E2) consist of a transparent material, light which at the light entry side of the optical element (10) is incident on second regions (E2) of the optical element (10), penetrates these regions, and is coupled out of the optical element (10) on the light exit side, - and such that, in a second alternative, in which the second regions (E2) at least partially comprise an opaque material, light incident on the light entry side of the optical element (10) on second regions (E2) of the optical element (10) is at least partially absorbed, - and such that, in a third alternative, in which the second regions (E2) at least partially comprise a reflective and/or scattering material, light incident on the light entry side of the optical element (10) on second regions (E2) of the optical element (10) is at least partially reflected and/or scattered, - whereby the light exiting the optical element (10) on the light exit side is less than the light incident on the optical element (10) is changed in its propagation directions, - and wherein furthermore at least a portion of the light incident on the light entry side of the optical element (10) into first regions (E1) is bundled after passing through the optical element (10). Optisches Element (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzflächen der ersten Bereiche (E1) und der zweiten Bereiche (E2) bei Betrachtung in Schnittrichtung senkrecht zur Lichtaustrittsseite des optischen Elements (10) trapezförmig, trichterförmig, mindestens teilweise oder ganz parabelförmig, parallelogrammförmig, und/oder in Stufenform ausgebildet sind.Optical element (10) according to Claim 1 , characterized in that the interfaces of the first regions (E1) and the second regions (E2) are trapezoidal, funnel-shaped, at least partially or completely parabolic, parallelogram-shaped, and/or step-shaped when viewed in the sectional direction perpendicular to the light exit side of the optical element (10). Optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bereiche (E1) und die zweiten Bereiche (E2) bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element (10) streifenförmig abwechselnd über die Fläche des optischen Elements (10) verteilt angeordnet sind.Optical element (10) according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the first regions (E1) and the second regions (E2) are arranged in strip-like fashion and distributed alternately over the surface of the optical element (10) when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element (10). Optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bereiche (E1) jeweils an der Lichteinfallsseite oder der Lichtausfallsseite bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element (10) einen punkt-, kreis-, oval-, rechteckförmigen oder hexagonalen Umriss aufweisen und über die Fläche des optischen Elements (10) verteilt angeordnet und die zweiten Bereiche (E2) dazu jeweils komplementär geformt sind.Optical element (10) according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the first areas (E1) each have a point-, circle-, oval-, rectangular-shaped area on the light incidence side or the light exit side when viewed in parallel projection perpendicular to the optical element (10). have a rectangular or hexagonal outline and are arranged distributed over the surface of the optical element (10) and the second regions (E2) are each shaped complementarily thereto. Erster Bildschirm, umfassend - eine Bildwiedergabeeinheit, - ein optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das optische Element (10) in Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor der Bildwiedergabeeinheit bevorzugt derart angeordnet ist, dass bei Parallelprojektion aus senkrechter Richtung auf die Bildwiedergabeeinheit jeweils die zweiten Bereiche (E2) vor nicht Licht abstrahlenden Flächenabschnitten (2) der Bildwiedergabeeinheit liegen.First screen, comprising - an image display unit, - an optical element (10) according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the optical element (10) is preferably arranged in front of the image display unit in the viewing direction of a viewer in such a way that, in the case of parallel projection from a vertical direction onto the image display unit, the second regions (E2) are in front of non-light-emitting surface sections (2) of the image display unit. Erster Bildschirm, umfassend - eine Bildwiedergabeeinheit, - ein optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das optische Element in Betrachtungsrichtung eines Betrachters bevorzugt derart vor oder hinter der Bildwiedergabeeinheit angeordnet ist, dass bei Parallelprojektion aus senkrechter Richtung auf die Bildwiedergabeeinheit jeweils die ersten Bereiche (E1) des optischen Elements (10) vor Licht abstrahlenden Flächenabschnitten (1) der Bildwiedergabeeinheit liegen.First screen, comprising - an image display unit, - an optical element (10) according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the optical element is preferably arranged in front of or behind the image display unit in the viewing direction of a viewer in such a way that, in the case of parallel projection from a vertical direction onto the image display unit, the first regions (E1) of the optical element (10) are in front of the light-emitting surface sections (1) of the image display unit. Beleuchtungseinrichtung, umfassend - eine Hintergrundbeleuchtung, - ein in Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor der Hintergrundbeleuchtung angeordnetes optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.Lighting device, comprising - a background light, - an optical element (10) according to one of the Claims 1 until 4 . Zweiter Bildschirm, umfassend - eine Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 7, - eine in Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor der Beleuchtungseinrichtung angeordnete transmissive zweite Bildwiedergabeeinheit.Second screen, comprising - a lighting device according to Claim 7 , - a transmissive second image display unit arranged in front of the illumination device in the viewing direction of a viewer.
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