DE102020008055A1 - Optisches Element mit variabler Transmission und Bildschirm mit einem solchen optischen Element - Google Patents

Optisches Element mit variabler Transmission und Bildschirm mit einem solchen optischen Element Download PDF

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André HEBER
Andreas Bregulla
Yannick Bourgin
Markus Klippstein
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SiOptica GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element (1), umfassend, mindestens eine, bevorzugt mehr als fünf, Schichten (S1, S2, ...), wobei jede Schicht (S1, S2, ...) Material mit einer Vielzahl Licht absorbierender elektrischer Absorptionsdipole umfasst, welche mindestens in einem ersten Zustand parallel zu einer wählbaren Vorzugsrichtung ausgerichtet sind oder um diese herum fluktuieren, wobei die besagte Vorzugsrichtung einen Winkel zwischen 0° und 45° zur Flächennormale der Schicht S1 einschließt, so dass Licht, welches das optische Element durchdringt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber den Schichten (S1, S2, ...) und seinen Polarisationseigenschaften transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird.Dabei können optional die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole in jeder Schicht (S1, S2, ...) in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Absolutwert und/oder ihrer Dichte variiert werden, um die jeweilige Schicht (S1, S2, ...) in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können.Im Zusammenspiel mit mindestens einem Polarisationsfilter (P) und/oder Mitteln zur Variation der Polarisationseigenschaften von Licht, wie etwa Flüssigkristallen, kann das optische Element (1) weitergebildet werden, um in Kombination mit einer Bildwiedergabeeinrichtung einen zu- und abschaltbaren Sichtschutzeffekt zu ermöglichen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • In den letzten Jahren wurden große Fortschritte zur Verbreiterung des Sehwinkels bei LCDs erzielt. Allerdings gibt es oft Situationen, in denen dieser sehr große Sehbereich eines Bildschirms von Nachteil sein kann. Zunehmend werden auch Informationen auf mobilen Geräten wie Notebooks und Tablet-PCs verfügbar, wie Bankdaten oder andere, persönliche Angaben, und sensible Daten. Dem entsprechend brauchen die Menschen eine Kontrolle darüber, wer diese sensiblen Daten sehen darf; sie müssen wählen können zwischen einem weiten Betrachtungswinkel, um Informationen auf ihrem Display mit anderen zu teilen, z.B. beim Betrachten von Urlaubsfotos oder auch für Werbezwecke. Andererseits benötigen sie einen kleinen Betrachtungswinkel, wenn sie die Bildinformationen vertraulich behandeln wollen.
  • Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich im Fahrzeugbau: Dort darf der Fahrer bei eingeschaltetem Motor nicht durch Bildinhalte, wie etwa digitale Entertainmentprogramme, abgelenkt werden, während der Beifahrer selbige jedoch auch während der Fahrt konsumieren möchte. Mithin wird ein Bildschirm benötigt, der zwischen den entsprechenden Darstellungsmodi umschalten kann.
  • Stand der Technik
  • Zusatzfolien, die auf Mikro-Lamellen basieren, wurden bereits für mobile Displays eingesetzt, um deren visuellen Datenschutz zu erreichen. Allerdings waren diese Folien nicht (um)schaltbar, sie mussten immer erst per Hand aufgelegt und danach wieder entfernt werden. Auch muss man sie separat zum Display transportieren, wenn man sie nicht gerade braucht. Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes solcher Lamellen-Folien ist ferner mit den einhergehenden Lichtverlusten verbunden.
  • Die US 6,765,550 B2 beschreibt einen solchen Sichtschutz durch Mikro-Lamellen. Größter Nachteil ist hier die mechanische Entfernung bzw. der mechanische Anbau des Filters sowie der Lichtverlust im geschützten Modus.
  • 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 aufwändig.
  • In der WO 2012/033583 A1 wird die Umschaltung zwischen freier und eingeschränkter Sicht vermittels der Ansteuerung von Flüssigkristallen zwischen sogenannten „chromonischen“ Schichten erzeugt. Hierbei entsteht ein Lichtverlust und der Aufwand ist recht hoch.
  • Die US 2012/0235891 A1 beschreibt ein sehr aufwändiges 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 aufwändig umzusetzen und ebenso mit Lichtverlust verbunden. Gemäß der Variante nach 17 in der US 2012/0235891 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die WO 2015/121398 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm mit zwei Betriebsarten, bei dem für die Umschaltung der Betriebsarten Streupartikel im Volumen des entsprechenden Lichtleiters vorhanden sind. Die dort gewählten Streupartikel aus einem Polymerisat weisen jedoch in der Regel den Nachteil auf, dass Licht aus beiden Großflächen ausgekoppelt wird, wodurch etwa die Hälfte des Nutzlichtes in die falsche Richtung, nämlich zur Hintergrundbeleuchtung hin, abgestrahlt und dort aufgrund des Aufbaus nicht in hinreichendem Umfang recycelt werden kann. Überdies können die im Volumen des Lichtleiters verteilten Streupartikel aus Polymerisat unter Umständen, insbesondere bei höherer Konzentration, zu Streueffekten führen, die den Sichtschutzeffekt in der geschützten Betriebsart vermindern.
  • Der Ansatz der Technologie der „Elektrischen Doppelbrechung (EDB)“ beruht auf der Idee, die schaltbaren Flüssigkeitskristalle eines zusätzlich aufgebrachten LC-Panels zur „Filterung“ aller nicht in einem bestimmten Abstrahlwinkel aus der bildgebenden Schicht austretenden Lichtstrahlen zu nutzen. Nachteile dieser Technologie sind ein hoher zusätzlicher Energie- und Kostenaufwand und der schwer veränderbare +/-40° Sweet Spot. Der Absorptionsgrad der LC-Strukturen ist ebenfalls unzureichend, da die Abschwächung der Lichtintensität für Betrachtungswinkel größer des Sweetspots wieder ansteigt, so dass die Lichtintensität für Betrachtungswinkel größer als +/-40° bis zu 3% von der maximalen Lichtintensität beträgt.
  • Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und/oder ein aufwändiges und teures optisches Element zur Modi-Umschaltung benötigen und/oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren und/oder visuelle Artefakte bei sehr hoch auflösenden Displays aufweisen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu beschreiben, bei dem Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung und seinen Polarisationseigenschaften -nicht aber in Abhängigkeit seiner Position- transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird. Ferner soll durch das optische Element die Transmission von Licht winkelabhängig (optional senkrecht) beeinflusst werden, wobei hier zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Dabei sollen insbesondere Winkeleinschränkungen in der Transmission in bestimmte Richtungen umschaltbar sein.
  • Das optische Element bzw. darauf basierende Systeme sollen preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sein, um eine Umschaltung zwischen einem - mindestens in der horizontalen Richtung bestehenden- Sichtschutz und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt werden soll.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem optischen Element, umfassend,
    • - mindestens eine, bevorzugt mehr als fünf, Schichten S1, S2, ..., (eine Schicht S1, S2, ... kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise einer Moleküllage entsprechen; es kann sich aber auch um eine mechanisch separate Lage eines geeigneten Materials handeln),
    • - wobei jede Schicht S1, S2, ... Material mit einer Vielzahl Licht absorbierender elektrischer Absorptionsdipole umfasst, welche mindestens in einem ersten Zustand parallel zu einer wählbaren Vorzugsrichtung ausgerichtet sind oder um diese herum fluktuieren, wobei die besagte Vorzugsrichtung einen Winkel zwischen 0° und 45° zur Flächennormale der Schicht S1 einschließt,
    • - so dass Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber den Schichten S1, S2, ... und seinen Polarisationseigenschaften transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird.
  • Die Extinktion (also die Absorption) des Lichtes ist von der absoluten Zahl der Absorptionsdipole (und somit inhärent auch von der Schichtdicke der Absorptionsdipole) und der Ausrichtung zwischen Absorptionsdipol und elektrischem Feld des einfallenden Lichtes zueinander abhängig. Je nach Implementierung kann die Dichte der besagten elektrischen Absorptionsdipole, deren Stärke oder die Brechzahl in den Schichten S1, S2, ... variieren. Bei einem passiven, also nicht schaltbaren optischen Element kann die Volumendichte der Absorptionsdipole gegen 100% gehen.
  • Für die Modellierung der Transmission wird angenommen, dass die absorbierenden Absorptionsdipole parallel zur Einfallsebene orientiert sind. Der Filter absorbiert lediglich die Polarisation, die in der Einfallsebene des Lichts polarisiert -p-polarisiertes Licht- ist. Licht, welches senkrecht zur Einfallsebene polarisiert -s-polarisiertes Licht- ist, wird komplett transmittiert. Diese Eigenschaft ist essentiell bei allen Ausgestaltungen der Erfindung und stellt einen wesentlichen erfinderischen Mittel-Wirkungs-Zusammenhang dar. Im Folgenden wird die Transmission von p-polarisiertem Licht mit einer eingestrahlten Intensität I0(α) modelliert. Die Transmission von Licht durch eine absorbierende Schicht wird durch das Lambert-Beer'sches Gesetz beschrieben: I ( α ) = I 0 ( α ) e − d ( α ) N σ a b s ( α )
    Figure DE102020008055A1_0001
  • Hierin ist α der Propagationsrichtung relativ zur Flächennormale, d(α) die optische Weglänge in Abhängigkeit der Ausbreitungsrichtung, N die Anzahl von absorbierenden Molekülen und σabs(α) der Absorptionsquerschnitt in Abhängigkeit des Einfallswinkels. Mit Hilfe des Snellschen Brechungsgesetzes kann aus dem Einfallswinkel β der Propagationswinkel im Medium α berechnet werden. Daraus ergibt sich dann aus der Gleichung des Dipols und der Änderung des optischen Weges: I ( α ) = I 0 ( α ) e − d / N σ a b s sin ( α ) 2
    Figure DE102020008055A1_0002
  • Je nach Anwendungsfall ist jede der Schichten (S1, S2, ...) in ihrer Struktur periodisch oder nicht-periodisch aufgebaut.
  • Ferner kann ein erfindungsgemäßes optisches Element durch Lamination einer Vielzahl von Polymerfolienpolarisatoren und/oder durch Fotoausrichtung von Molekülen oder Partikeln, die dann jeweils eine oder mehrere Schichten S1, S2, ... bilden, hergestellt werden. Andere Herstellungsmöglichkeiten liegen jedoch im Rahmen des Möglichen.
  • Die im Stand der Technik beschriebenen Mikrolamellenfilter (auch „View Control Filter - VCF“ oder „Light Control Filter - LCF“ genannt) machen sich die geometrische Optik zu nutze. Durch die abwechselnde periodische Anordnung von transparenten und absorbieren Schichten wird hier (nahezu) alles einfallende Licht absorbiert, dass sich unter großen Winkeln relativ zu einer definierten Richtung ausbreitet. Es wird dort die Position der Absorber kontrolliert.
  • Demgegenüber ändert sich bei den erfindungsgemäßen optischen Elementen die Transmission von Licht mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen, da sich hierbei der Absorptionsquerschnitt der Moleküle mit der Ausbreitungsrichtung ändert. Es wird somit bei der Erfindung nicht die Position, sondern vielmehr die Orientierung (Ausrichtung) der Absorber kontrolliert.
  • Mit anderen Worten: Die Erfindung basiert auf einer richtungsabhängigen Absorption der Lichtstrahlen bei der Passage durch ein erfindungsgemäßes optisches Element, und zwar unabhängig von der Position der Lichtstrahlen.
  • Dies gilt sowohl für nicht schaltbare erfindungsgemäße optische Elemente wie vorstehend beschrieben, als auch für im Folgenden beschriebene, schaltbare Ausgestaltungen.
  • Für eine Schaltbarkeit der optischen Wirkung des erfindungsgemäßen optischen Elements, also für ein schaltbares optisches Element, können die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole in jeder Schicht (S1, S2, ...) in ihrer Ausrichtung (Orientierung) und/oder ihrem Absolutwert und/oder ihrer Dichte variiert werden, um die jeweilige Schicht (S1, S2, ...) in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können.
  • Mögliche Ausgestaltungen eines schaltbaren optischen Elements bzw. jeder Schicht S1, S2, ... darin basieren beispielsweise auf Flüssigkristallen oder Fluorophoren, welche in einer sogenannten „Vertical alignment cell“ oder in einer Flüssigkristallzelle mit homogener Ausrichtung an den Oberflächen angeordnet und darin zwischen mindestens zwei Zuständen gedreht werden können. Dabei werden die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole auch gedreht und können somit mindestens zwei Wirkungszustände annehmen. Es ist insbesondere in derartigen Ausgestaltungen denkbar, dass mehr als zwei Zustände, z.B. drei oder acht Zustände, mit jeweils unterschiedlichen optischen Wirkungen erzielt werden. Andere Ausgestaltungen der Flüssigkristallzellen sind ebenfalls denkbar.
  • Bei derartigen aktiven, also schaltbaren optischen Elementen sind Volumendichten der Absorptionsdipole zwischen 0.1 % and 90% basierend auf Flüssigkristallen denkbar.
  • Alternativ sind Ausgestaltungen eines schaltbaren optischen Elements bzw. jeder Schicht S1, S2, ... darin denkbar, bei denen die Absorptionsdipole in einer Flüssigkeit eingebettet sind, welche einem Elektro-Wetting-Verfahren ausgesetzt sind. Auf diese Weise lässt sich insbesondere, aber nicht allein, die Dichte der Absorptionsdipole variieren.
  • Generell kann sich vorteilhaft in Betrachtungsrichtung vor oder hinter dem optischen Element ein Polarisationsfilter befinden.
  • Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung, indem sie in einem schaltbaren Lichtfilter umgesetzt wird. Dieser umfasst in einer ersten Ausgestaltung:
    • - zwei nicht-schaltbare erfindungsgemäße optische Elemente, bei denen die Vorzugsrichtungen der Absorptionsdipole sich um weniger als 10° voneinander unterscheiden,
    • - eine zwischen den optischen Elementen angeordnete schaltbare Flüssigkristallschicht, die in Abhängigkeit von einem auf sie wirkenden elektrischen Feld EF1 oder EF2 die Polarisationseigenschaften durch sie hindurchdringenden Lichtes beeinflusst,
    • - optional einen oberhalb oder unterhalb der optischen Elemente angeordneten Polarisationsfilter P,
    • - Mittel zum wahlweisen Erzeugen der besagten elektrischen Felder EF1 und EF2, beispielsweise durch transparente ITO-Elektroden E1 und E2,
    • - so dass bei Vorhandensein des besagten Polarisationsfilters P in einer ersten Betriebsart B1H oder B1V bei einem elektrischen Feld EF1 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei diese Absorption ausschließlich in horizontaler (Betriebsart B1H) oder in vertikaler (Betriebsart B1V) Richtung gilt und parallel zur Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters P liegt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist,
    • - so dass bei Abwesenheit eines Polarisationsfilters P in einer zweiten Betriebsart B3 bei einem elektrischen Feld EF1 unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel in den schaltbaren Lichtfilter einfällt, zu mindestens 24% transmittiert wird,
    • - und so dass schließlich in einer weiteren Betriebsart B2 bei einem elektrischen Feld EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies gleichzeitig sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
  • Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter der ersten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung entweder zwischen einem zweiseitigen und einem vierseitigen Sichtschutz (z.B. Oben/unten B1V vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2), wenn ein Polarisationsfilter P vorhanden ist, oder, wenn kein Polarisationsfilter P vorhanden ist, die Umschaltung entweder zwischen einer in alle Richtungen freien Betrachtung und einem vierseitigen Sichtschutz (z.B. freie Sicht B3 vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2).
  • Dabei ist es möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, aufweisen.
  • Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung der beiden optischen Elemente bedeuten, dass die Betriebsart B2 vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand eine der Betriebsarten B1H, B1V oder B3 vorliegt.
  • Eine zweite Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters umfasst
    • - zwei schaltbare optische Elemente, wobei für jedes der optischen Elemente die beiden besagten Zustände durch an beide optische Elemente anliegende elektrische Felder EF1 oder EF2 erzeugt werden (d.h., EF1 und EF2 liegen gleichzeitig an beiden optischen Elementen an),
    • - optional einen oberhalb oder unterhalb der optischen Elemente angeordneten Polarisationsfilter P (Dieser ist nicht notwendig, kann aber die Leistungsfähigkeit des schaltbaren Lichtfilters verbessern. Die Polarisation des Polarisationsfilters P und die des einfallenden Lichtes müssen kongruent sein.),
    • - eine zwischen den optischen Elementen angeordnete Schicht zur Rotation der Polarisationsrichtung des die besagte Schicht durchdringenden Lichts um 90 Grad, z.B. bestehend aus uniaxial-gedrehtem (analog zu einer TN-Zelle im feldfreien Zustand) und/oder aus optisch aktivem Material,
    • - Mittel zum Erzeugen besagter elektrischer Felder EF1 oder EF2 (typischerweise stellt eines der Felder EF1 oder EF2 einen feldfreien Zustand dar),
    • - so dass in einer Betriebsart B3 bei Anliegen des elektrischen Feldes EF1 unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert wird, wobei in dieser Betriebsart B3 die Absorptionsdipole der beiden optischen Elemente senkrecht zueinander ausgerichtet sind, und die Absorptionsdipole des Polarisators P, wenn vorhanden, parallel zu dem ihm nächstliegenden schaltbaren optischen Element zueinander ausgerichtet sind,
    • - und so dass in einer zweiten Betriebsart B2 bei Anliegen des elektrischen Feldes EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies gleichzeitig sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist, wobei in dieser Betriebsart B2 die Absorptionsdipole von Polarisator P, wenn vorhanden, und zu dem ihm nächstliegenden schaltbaren optischen Element senkrecht und von den beiden optischen Elementen jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.
  • Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter dieser zweiten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einer in alle Richtungen freien Betrachtung und einem vierseitigen Sichtschutz (freie Sicht B3 vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2).
  • Eine dritte Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters umfasst
    • - ein nicht schaltbares, erfindungsgemäßes optisches Element,
    • - einen Polarisationsfilter P der dem optischen Element vor oder nachgeordnet ist,
    • - eine zwischen dem optischen Element und dem Polarisationsfilter P angeordnete Flüssigkristallschicht, die in Abhängigkeit von einem auf sie wirkenden elektrischen Feld EF1 oder EF2 die Polarisationseigenschaften des durch sie hindurchdringenden Lichtes beeinflusst,
    • - Mittel zum wahlweisen Erzeugen der besagten elektrischen Felder EF1 und EF2,
    • - so dass in einer Betriebsart B1V oder B1H bei Anliegen des elektrischen Feldes EF1 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei diese Absorption ausschließlich in horizontaler (Betriebsart B1H) oder ausschließlich in vertikaler Richtung (Betriebsart B1V) gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist,
    • - und so dass in einer zweiten Betriebsart B1H oder B1V bei Anliegen des elektrischen Feldes EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies entweder ausschließlich in vertikaler (Betriebsart B1V) oder ausschließlich in horizontaler Richtung (Betriebsart B1 H) gilt, so dass die Absorptionsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Betriebsart B1 jeweils um 90 Grad gedreht ist, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
  • Die Konfiguration dieser dritten Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters kann durch Rotation des Polarisationsfilters P um 90 Grad zwischen den Betriebsarten B1V und B1H wechseln.
  • Auch hier ist es möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, aufweisen.
    Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung des optischen Elements und des Polarisationsfilters P bedeuten, dass die Betriebsart B1H vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand die Betriebsart B1V vorliegt.
    Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter dieser dritten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einem Sichtschutz in der vertikalen und einem Sichtschutz in der horizontalen Richtung (oben/unten geschützt B1V vs. links/rechts geschützt B1H). Etwa in einem Laptop würde dies bedeuten, dass ein Nutzer die Inhalte in der Betriebsart B1V mit weiteren Personen, die neben dem Nutzer befindlich und im Wesentlichen mit gleicher Augenhöhe angeordnet sind, gemeinsam anschauen kann, während in der Betriebsart B1H die seitlich benachbarten Personen den Bildinhalt nicht sehen können.
  • Der schaltbare Lichtfilter dieser dritten Ausgestaltung kann in seinem Aufbau variiert werden.
    In der folgenden Tabelle 1 sind einige wesentliche Aufbauvarianten gegeben. Dabei ist jeweils die erstgenannte Komponente in Betrachtungsrichtung oben liegend und die anderen folgen darunter. Die Abkürzung „L/R“ bedeutet in diesem Falle, dass die optische Wirkung in horizontaler Wirkung (mit der weiter oben bereits definierten horizontalen Richtung) aktiv ist. Für den Polarisationsfilter P bedeutet dies, dass er horizontal (linear) polarisiertes Licht transmittiert und vertikales Licht (im Wesentlichen) absorbiert. Entsprechend bedeutet „O/U“ für den Polarisationsfilter P, dass er vertikal (linear) polarisiertes Licht transmittiert und horizontal Licht (im Wesentlichen) absorbiert
    Für den resultierenden Effekt dieses schaltbaren Filters im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit, die vor oder hinter dem schaltbaren Filter angeordnet sein kann, bedeutet die Abkürzung „L/R“ hingegen, dass der Sichtschutzeffekt horizontal wirkt, dass also ein Einblick von links und rechts gehindert wird. Dies entspricht schließlich der Betriebsart B1H des schaltbaren Filters.
    Analog bedeutet „O/U“ für den schaltbaren Filter im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit, dass der Sichtschutzeffekt vertikal wirkt, dass also ein Einblick von oben und unten gehindert wird. Dies entspricht der Betriebsart B1V des schaltbaren Filters. Tabelle 1:
    Aufbau Feldfrei (z.B. EF1 bedeutet kein elektrisches Feld ist anliegend): Effekt im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit Feld anliegend (z.B. EF2 bedeutet ein elektrisches Feld ist anliegend): Effekt im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit
    Polarisationsfilter P (L/R) Flüssigkristallschicht 3 optisches Element 1 Sichtschutzeffekt (L/R) - B1H Sichtschutzeffekt (O/U) - B1V
    Polarisationsfilter P (O/U) Flüssigkristallschicht 3 optisches Element 1 Sichtschutzeffekt (O/U) - B1V Sichtschutzeffekt (L/R) - B1H
    optisches Element 1 Flüssigkristallschicht 3 Polarisationsfilter P (L/R) Sichtschutzeffekt (O/U) - B1V Sichtschutzeffekt (L/R) - B1H
    optisches Element 1 Flüssigkristallschicht 3 Polarisationsfilter P (O/U) Sichtschutzeffekt (L/R) - B1H Sichtschutzeffekt (O/U) - B1V
  • Es sei hier nochmals darauf hingewiesen, dass der Sichtschutzeffekt „O/U“ in vielen praktischen Fällen eine normale Betrachtung für mehrere Betrachter erlaubt, wenn diese in etwa aus gleicher Höhe seitlich auf die Bildwiedergabeeinheit schauen.
  • Weiters umfasst eine vierte Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters
    • - ein schaltbares optisches Element,
    • - einen oberhalb oder unterhalb des optischen Elementes angeordneten Polarisationsfilter P,
    • - Mittel zum Erzeugen elektrischer Felder EF1 oder EF2, wobei für das optische Element mindestens zwei Zustände durch das jeweils anliegende elektrische Feld EF1 oder EF2 erzeugt werden,
    • - so dass in einer Betriebsart B3, bei welcher die Absorptionsdipole der Schichten (S1, S2, ..) des schaltbaren optischen Elements parallel zur Substratoberfläche des schaltbaren optischen Elements und senkrecht zur Transmissionsrichtung des Polarisators ausgerichtet sind, unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel zum optischen Element in dieses einfällt, zu mindestens 25% transmittiert wird,
    • - und so dass in einer Betriebsart B1H oder B1V, bei welcher die Absorptionsdipole der Schichten (S1, S2, ..) des schaltbaren optischen Elements entlang der besagten Vorzugsrichtung ausgerichtet sind, unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies entweder in vertikaler (Betriebsart B1V) oder horizontaler in Richtung (Betriebsart B1H) gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
  • Auch hierbei ist es wiederum möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer Null, z.B. 0,5 V/m, aufweisen.
  • Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung des optischen Elements und des Polarisationsfilters P bedeuten, dass die Betriebsart B3 vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand eine der Betriebsarten B1H oder B1V vorliegt.
  • Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter dieser vierten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einem Sichtschutz in der vertikalen bzw. der horizontalen Richtung und keinem Sichtschutzeffekt (oben/unten geschützt B1V bzw. links/rechts geschützt B1H vs. kein Sichtschutz B3).
  • Für besondere Anwendungsfälle kann ein schaltbarer Lichtfilter -unabhängig welcher vorgenannten Ausgestaltung- in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen den jeweils möglichen Betriebszuständen ermöglicht wird. Im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit würde dies heißen, dass beispielsweise nur ein Teil der Bildfläche zwischen einem Sichtschutz (z.B. Betriebsart B1H oder B2) und keinem Sichtschutzeffekt (z.B. Betriebsart B3, ggf. auch B1V) für freie Sicht umgeschaltet werden kann, während der dazu komplementäre Teil der Bildfläche permanent in einem Sichtschutzmodus (z.B. Betriebsart B1H oder B2) oder in keinem Sichtschutzmodus (z.B. Betriebsart B3, ggf. auch B1V) befindlich ist.
  • Es können sogar mehrere, voneinander geometrisch getrennte, solche Segmente vorhanden sein, die separat oder gemeinsam zwischen den Betriebsarten umgeschaltet werden können.
  • Wie vorstehend schon angemerkt, erlangt die Erfindung besondere Bedeutung durch Kombination eines vorbeschriebenen schaltbaren Lichtfilters mit einer Bildwiedergabeeinheit zu einem Bildschirm.
  • Ein solcher Bildschirm, der in mindestens einem ersten Betriebszustand B1V und/oder B3 für einen in der horizontalen Richtung freien Sichtmodus und in mindestens einem zweiten Betriebszustand B1H und/oder B2 für einen in der horizontalen Richtung eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfasst
    • - einen wie vorstehend beschriebenen schaltbaren Lichtfilter einer der vier genannten Ausgestaltungen, und
    • - eine dem schaltbaren Lichtfilter von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.
  • Vorteilhaft entspricht die Bildwiedergabeeinheit einem LCD-Panel, dessen einer Polarisationsfilter dem Polarisationsfilter P entspricht. Dabei kann es sich um den vorder- oder rückseitigen Polarisator im LCD-Aufbau handeln.
  • Außerdem kann vorteilhaft der schaltbare Lichtfilter zwischen dem LCD-Panel und dessen Hintergrundbeleuchtung angeordnet sein, um zwischen einem ersten Betriebszustand B3 (oder B1V) für einen freien Sichtmodus und einem zweiten Betriebszustand B1H bzw. B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus umzuschalten, weil das Licht der Hintergrundbeleuchtung aufgrund des schaltbaren Lichtfilters in horizontaler Richtung einmal fokussiert (B2 bzw. B1H) und einmal nicht fokussiert (B3 bzw. B1V) wird. Mit „Fokussierung“ ist dabei nicht eine Fokussierung nach Art von Linsen gemeint, sondern eine Einengung des Abstrahlbereichs bzw. Transmissionsbereiches über die Winkel.
  • Bei der Bildwiedergabeeinheit kann es sich alternativ um ein OLED, ein SED-Display, ein FED-Display, in microLED-Display oder ein VFD Display handeln, vor welchem ein schaltbarer Lichtfilter angeordnet ist. Da der schaltbare Lichtfilter unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.
  • Ein solcher Bildschirm findet vorteilhaft Verwendung in einem mobilen Gerät, einem Kraft-, Luft- oder Wasserfahrzeug, in einem Zahlterminal oder in einem Zugangssystem.
  • Dabei kann zwischen den genannten Betriebsarten umgeschaltet werden, um sensitive Daten zu schützen, d.h. für nur einen Betrachter wahrnehmbar darzustellen, oder alternativ Bildinhalte gleichzeitig für mehrere Betrachter darzustellen.
  • Ferner kann es ein schaltbares oder nicht schaltbares optisches Element in den weiter vorn beschriebenen Ausgestaltungen zusammen mit einem statischen Bild oder auch einer dynamischen Bildwiedergabeeinheit wie etwa einem LCD-Panel verwendet werden, beispielsweise um Werbeinhalte nur in einem eingeschränkten Sichtbereich sichtbar zu machen.
  • Die Anwendungsvielfalt des erfindungsgemäßen optischen Elements endet jedoch nicht bei Anwendungen zur Darstellung von Bildinhalten mit oder ohne Sichtschutzeffekte. Vielmehr sind weitere Anwendungen möglich, etwa, wenn spezielle Eigenschaften einer Beleuchtungseinrichtung gewünscht sind. Denkbar sind Ausgestaltungen des optischen Elements, bei denen definierte Polarisationskontraste erzeugt werden. Diese wiederum können im Rahmen der optischen Sensorik eingesetzt werden.
  • Insofern umfasst die Erfindung auch ein Messgerät zur optischen Detektion von Eigenschaften der Oberfläche und/oder des Volumens eines Objektes O, umfassend
    • - mindestens ein Modul M1, M2, .. bestehend in dieser Reihenfolge aus einer ersten Linse oder einem ersten Linsenraster L1 mit Mikrolinsen, einem schaltbaren oder nicht schaltbaren erfindungsgemäßen optischen Element wie weiter oben beschrieben, und einer zweiten Linse oder einem zweiten Linsenraster L2,
    • - eine Lichtquelle LS,
    • - einen optischen Detektor D,
    • - optional einen Strahlteiler ST,
    • - optional abbildende Optiken L3 und L4,
    • - optional polarisationsrotierende Schichten 4,
    • - wobei in einer ersten Alternative für eine optische Detektion in Transmission das Messgerät in der Reihenfolge Lichtquelle LS, erstes Modul M1, Objekt O, zweites Modul M2 sowie optischer Detektor D aufgebaut ist, und
    • - wobei in einer zweiten Alternative für eine optische Detektion in Reflektion das Messgerät in der Reihenfolge Lichtquelle LS, Strahlteiler ST, erstes Modul M1 sowie Objekt O, aufgebaut ist, wobei hier der optische Detektor D zum Empfang von durch den Strahlteiler ST ausgekoppelten optischen Signalen geeignet neben den vorgenannten Komponenten angeordnet ist,
    • - so dass der optische Detektor D polarisationsmaskierte optische Informationen detektieren kann, wobei für die Linse oder jede Mikrolinse des dem jeweils dem optischen Detektor D zugewandten Linsenrasters L1 des entsprechenden Moduls M1 oder M2 eine Polarisationsinformation vorliegt.
  • Ein solches Messgerät erlaubt vielseitige Anwendungen zur Messung etwa von Oberflächen, Rauigkeiten, Krümmungen, Depolarisationen oder auch im Bereich von „Machine Vision“. Andere Anwendungen sind denkbar. Grundsätzlich wird dabei insbesondere die richtungs- und/oder polarisationsabhängige Abschwächung des Lichtes genutzt, um optische Unterschiede sichtbar zu machen.
  • Optional kann die Messung mit dem erfindungsgemäßen Messgerät auch konfokal durchgeführt werden, beispielsweise um Streueigenschaften von Partikeln zu ermitteln.
  • Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden.
  • 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.
  • Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigt
    • 1a die Prinzipskizze eines nicht schaltbaren optischen Elements,
    • 1 b die Prinzipskizze eines schaltbaren optischen Elements in einem ersten Zustand,
    • 1c die Prinzipskizze eines schaltbaren optischen Elements in einem zweiten Zustand,
    • 2 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters in einer ersten Ausgestaltung mit einem Polarisationsfilter P,
    • 3 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters in einer ersten Ausgestaltung ohne Polarisationsfilter,
    • 4a bis 4c Skizzen zur Beeinflussung des Lichtes aufgrund eines schaltbaren Lichtfilters gemäß der 3,
    • 5 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters in einer zweiten Ausgestaltung,
    • 6 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters in einer dritten Ausgestaltung,
    • 7 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters in einer vierten Ausgestaltung,
    • 8 die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Durchlicht arbeitet, unter Nutzung eines optischen Elements,
    • 9 die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Reflektion arbeitet, unter Nutzung eines optischen Elements,
    • 10 die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Durchlicht arbeitet, in einer zweiten Ausgestaltung unter Nutzung eines optischen Elements, sowie
    • 11-15 optische Simulationen zur Veranschaulichung der optischen Wirkung eines optischen Elements.
  • Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder.
  • Die 1a zeigt die Prinzipskizze eines beispielhaften nicht schaltbaren optischen Elements 1, welches im Rahmen der Erfindung liegt. Selbiges umfasst
    • - mindestens eine Schicht S1,
    • - wobei diese Schicht S1 Material mit einer Vielzahl Licht absorbierender elektrischer Absorptionsdipole (die hier vereinfacht als kleine vertikale Striche dargestellt sind) umfasst, welche mindestens in einem ersten Zustand parallel zu einer wählbaren Vorzugsrichtung ausgerichtet sind (hier senkrecht zur Oberfläche der Schicht S1) oder um diese herum fluktuieren, wodurch die besagte Vorzugsrichtung einen Winkel zwischen 0° und 45° zur Flächennormale der Schicht S1 einschließt,
    • - so dass Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber der Schicht S1 und seinen Polarisationseigenschaften transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird.
  • Ein erfindungsgemäßes optisches Element 1 kann beispielsweise durch Lamination einer Vielzahl von Polymerfolienpolarisatoren und/oder durch Fotoausrichtung von Molekülen oder Partikeln hergestellt werden. Je nach Implementierung kann die Dichte der besagten elektrischen Absorptionsdipole in der Schicht S1 variieren. Bei einem passiven Polarisator kann die Volumendichte gegen 100% gehen.
  • Das erfindungsgemäße optische Element 1 stellt für linear polarisiertes Licht einen Sichtschutzfilter dar. Daher ist hier ein Polarisator P vorgesehen, der von unten einfallendes Licht parallel linear zur Zeichnungsoberfläche polarisiert. Der Polarisator P ändert jedoch nicht die Lichtausbreitungs-richtungen. Zwei mögliche Lichtausbreitungsrichtungen sind mittels der beiden dicken Pfeile eingezeichnet. Aufgrund der Wirkung der Absorptionsdipole wird nun das Licht durch das optische Element 1 absorbiert, welches eine (schräge) Richtung von etwa über 30 Grad gegenüber der Mittelsenkrechten auf die Schicht S1 aufweist. Schließlich bleibt im Wesentlichen nur noch das senkrecht auf das optische Element 1 einfallende Licht nach Durchgang durch selbiges übrig, wie mit dem einzelnen Pfeil oben in der Zeichnung dargestellt.
  • Je nach Anwendungsfall ist jede der Schichten (S1, S2, ...) in ihrer Struktur periodisch oder nicht-periodisch aufgebaut.
  • Die Extinktion (also die Absorption) des Lichtes ist von den Schichtdicken der Absorptionsdipole abhängig. Dazu zeigen die Zeichnungen 11 bis 15 optische Simulationen zur Veranschaulichung der optischen Wirkung eines optischen Elements 1.
  • Die 11 zeigt ein Diagramm zur normierten Transmission des Lichts beim Durchgang durch ein optisches Element 1 gemäß 1, hier über horizontale Messwinkel von -90° bis +90° aufgetragen. Die starke Absorptionswirkung bei Winkeln über +/-25° ist deutlich sichtbar. Die Simulationen basieren auf einer angenommenen Schichtdicke eines optischen Elements 1 von d=0.5mm, einer Brechzahl des Materials von n=1.5, der Molarität M=0.01 mol m-3 sowie einer beispielhaften molaren Extinktion von ε=12700 m2 mol-1.
  • In 12 sind die Verhältnisse nach 11 auf der Ordinate logarithmisch für den für die Nutzung wesentlichen Wertebereich aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass bei derartigen Parametern bei +/-25° die Transmission schon auf etwa ein Prozent und bei +/-40° schon auf nur rund 0,001 Prozent verringert wird. In 13 wurden die für 11 angenommen Voraussetzungen hinsichtlich der Brechzahl n für Werte n=1,0; 1,3; 1,5 sowie n=1,7 berechnet. Es ist zu erkennen, dass die Transmission im Winkel umso eingeschränkter wird, je geringer die Brechzahl des Materials der Schicht S1 ist.
  • Weiterhin zeigt die 14 eine Variation der normierten Transmission durch ein optisches Element 1 gemäß der Verhältnisse nach 11 hinsichtlich der Dicke eines optischen Elements 1. Dabei wurden Schichtdicken von d=0,1 mm; 0,2 mm; 0,3 mm; 0,4 mm sowie 0,5 mm berechnet. Wie zu erwarten sorgt demzufolge eine größere Schichtdicke für eine stärkere Einschränkung der Transmission über die Winkel.
  • Schließlich zeigt 15 die winkelabhängige, normierte Transmission für drei ausgewählte Parametersätze (1. n=1,0 und d=0,2 mm; 2. n=1,5 und d=0,5 mm; 3. n=1,7 und d=0,65 mm). Alle drei Parametersätze erzeugen sehr ähnliche optische Wirkungen.
  • Die demgegenüber im Stand der Technik bekannten Mikrolamellenfilter (auch „View Control Filter - VCF“ oder „Light Control Filter - LCF“ genannt) machen sich die geometrische Optik zu nutze. Durch die abwechselnde periodische Anordnung von transparenten und absorbieren Schichten wird (nahezu) alles Licht absorbiert, dass sich unter großen Winkeln relativ zu einer definierten Richtung ausbreitet. Es wird dort die Position der Absorber kontrolliert.
  • Demgegenüber ändert sich bei den erfindungsgemäßen optischen Elementen die Transmission von Licht mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen, da sich hierbei der Absorptionsquerschnitt der Moleküle mit der Ausbreitungsrichtung ändert. Es wird somit bei der Erfindung nicht die Position, sondern vielmehr insbesondere die Orientierung der Absorber kontrolliert.
  • Mit anderen Worten: Die Erfindung basiert auf einer richtungsabhängigen Absorption der Lichtstrahlen bei der Passage durch ein erfindungsgemäßes optisches Element, und zwar grundsätzlich unabhängig von der Position der Lichtstrahlen.
  • Dies gilt sowohl für nicht schaltbare erfindungsgemäße optische Elemente wie vorstehend beschrieben, als auch für im Folgenden beschriebene, schaltbare Ausgestaltungen.
  • Für eine Schaltbarkeit der optischen Wirkung des optischen Elements 1, also für ein schaltbares optisches Element 1, können die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole in jeder Schicht (S1, S2, ...) in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Absolutwert variiert werden, um die jeweilige Schicht (S1, S2, ...) in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können.
  • Mögliche Ausgestaltungen eines schaltbaren optischen Elements bzw. jeder Schicht S1, S2, ... darin basieren beispielsweise auf Flüssigkristallen oder Fluorophoren, welche in einer sogenannten „Vertical alignment cell“ oder in einer Flüssigkristallzelle mit homogener Ausrichtung an den Oberflächen angeordnet und darin zwischen mindestens zwei Zuständen gedreht werden können. Dabei werden die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole auch gedreht und können somit mindestens zwei Wirkungszustände annehmen. Es ist insbesondere in derartigen Ausgestaltungen denkbar, dass mehr als zwei Zustände, z.B. drei oder acht Zustände, mit jeweils unterschiedlichen optischen Wirkungen erzielt werden. Andere Ausgestaltungen der Flüssigkristallzellen sind ebenfalls denkbar.
  • Dazu zeigt 1b die Prinzipskizze eines schaltbaren optischen Elements in einem ersten Zustand und 1c die Prinzipskizze eines schaltbaren optischen Elements in einem zweiten Zustand.
  • Für diesen beispielhaften Fall soll angenommen werden, dass das einfallende Licht p-polarisiert, also parallel zur Einfallsebene polarisiert (siehe 1b) ist. Sind die transparenten Elektroden E1, E2 ungeladen, d.h. sie erzeugen das elektrische Feld EF1 mit 0 V/m (feldfrei), dann richten sich die hier als Punkte gezeigten Flüssigkristallmoleküle (welche hier beispielsweise als Schichten S1, S2 und S3 ausgebildet sind) entlang der Oberfläche der Elektroden E1, E2 aus. Dies kann durch geeignete Kombination von Oberflächenfunktionalisierung und Flüssigkristallen erreicht werden und ist im Stand der Technik bekannt. Für Licht, welches sich in der Zeichenebene ausbreitet und s-polarisiert ist, sind Polarisation des Lichts und Absorptionsdipole der Flüssigkristalle immer senkrecht zueinander orientiert. Daher findet keine Absorption statt, so dass die oberhalb und unterhalb der Substrate S gezeigte Lichtausbreitungsrichtungen mit s-Polarisation das schaltbare optische Element 1 ungehindert durchdringen.
  • Werden, wie in 1c gezeigt, die Elektroden E1 und E2 geladen, d.h. sie erzeugen das elektrische Feld EF2 > 0 V/m, so drehen sich die ich Flüssigkristalle in den Schichten S1, S2 und S3. Übersteigt die Spannung und damit die Feldstärke EF2 einen gewissen Schwellwert, so sind Flüssigkristallmoleküle und damit -wenn vorhanden- auch Farbstoffmoleküle parallel zu den Feldlinien des elektrischen Feldes EF2 ausgerichtet. Dadurch wird Licht in Abhängigkeit des Winkels α, der Winkel zwischen Ausbreitungsrichtung des Lichts und Flächennormale der Oberfläche der Schicht S1, absorbiert. Die Absorption steigt mit dem Winkel α an. Die Extinktion des elektrischen Feldes des Lichts ist proportional zu sin(α).
  • Grundsätzlich ist eine Kontrolle der Ausrichtung der Farbstoffmoleküle von Vorteil, um dadurch die Achse des Sichtschutzes zu kontrollieren bzw. um eine definierte Strahllenkung durchzuführen.
  • Im Zustand gemäß 1b sind die Dipole senkrecht zu der Polarisation des einfallenden Lichts ausgerichtet und im Zustand gemäß 1c parallel zum senkrechten Lichteinfall.
  • Bei derartigen schaltbaren optischen Elementen sind Volumendichten zwischen 0.1 % and 90% basierend auf Flüssigkristallen denkbar.
  • Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung, indem sie in einem schaltbaren Lichtfilter 5 umgesetzt wird. Ein solcher schaltbarer Lichtfilter 5 ist in einer ersten Ausgestaltung in 2 gezeigt. Er umfasst:
    • - zwei nicht-schaltbare erfindungsgemäße optische Elemente 1, 2, bei denen die Vorzugsrichtungen der Absorptionsdipole sich um weniger als 10° voneinander unterscheiden,
    • - eine zwischen den optischen Elementen 1, 2 angeordnete schaltbare Flüssigkristallschicht 3, die in Abhängigkeit von einem auf sie wirkenden elektrischen Feld EF1 oder EF2 die Polarisationseigenschaften des durch sie hindurchdringenden Lichtes beeinflusst,
    • - einen unterhalb der optischen Elemente 1, 2 angeordneten Polarisationsfilter P (oberhalb wäre auch möglich),
    • - zeichnerisch nicht dargestellte Mittel zum wahlweisen Erzeugen der besagten elektrischen Felder EF1 und EF2, beispielsweise oberhalb und unterhalb der Flüssigkristallschicht 3 angeordnete Elektroden,
    • - so dass in einer ersten Betriebsart B1H oder B1V bei einem elektrischen Feld EF1 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei diese Absorption ausschließlich in horizontaler (Betriebsart B1H) oder in vertikaler (Betriebsart B1V) Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist,
    • - und so dass schließlich in einer weiteren Betriebsart B2 bei einem elektrischen Feld EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies gleichzeitig sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
  • Ferner zeigt die 3 in Abwandlung der 2 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters 5 in einer ersten Ausgestaltung, dieses Mal jedoch ohne Polarisationsfilter. Diese Ausgestaltung dient dazu, dass
    • - in einer zweiten Betriebsart B3 bei einem elektrischen Feld EF1 unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel in den schaltbaren Lichtfilter 5 einfällt, zu mindestens 24% transmittiert wird,
    • - und so dass schließlich in einer weiteren Betriebsart B2 bei einem elektrischen Feld EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies gleichzeitig sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
  • Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter 5 der ersten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung entweder zwischen einem zweiseitigen und einem vierseitigen Sichtschutz (z.B. Oben/unten B1V vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2), wenn ein Polarisationsfilter P vorhanden ist, oder, wenn kein Polarisationsfilter P vorhanden ist, die Umschaltung entweder zwischen einer in alle Richtungen freien Betrachtung und einem vierseitigen Sichtschutz (z.B. freie Sicht B3 vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2).
  • Dabei ist es möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschrieben, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0.5 MV/m, aufweisen.
  • Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung der optischen Elemente 1 und 2 bedeuten, dass die Betriebsart B2 vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand eine der Betriebsarten B1H, B1V oder B3 vorliegt.
  • Die 4a bis 4c zeigen eine Skizze zum Polarisationszustand des Lichtes aufgrund eines schaltbaren Lichtfilters gemäß der 3. Die 4a zeigt den Polarisationszustand des öffentlichen Modus, in dem das Licht für Blickwinkel größer 30° tangential polarisiert und Licht mit senkrechtem Einfall linear polarisiert ist. Die 4c zeigt den Polarisationszustand im eingeschränkten Sichtmodus. Hier ist Licht für einen Einfallswinkel von zum Beispiel größer als 30° sehr stark abgeschwächt, während Licht mit senkrechtem Einfall unpolarisiert transmittiert wird.
  • Durch die Ausrichtung bzw. Orientierung der Absorptionsdipole wird das Licht für Einfallswinkel polar polarisiert, d.h. die lineare Polarisation des Lichtes ist immer senkrecht zur Richtung des Ursprungs ausgerichtet. Dieser Zustand ist in 4a gezeigt und gilt nach Durchgang des Lichts durch das nicht schaltbare optische Element 1. Das Licht mit kleinen Winkeln wird nur schwach polarisiert. Idealerweise wird Licht, das senkrecht emittiert wird, nicht absorbiert, d.h. es wird polarisiert.
  • Tritt nun das Licht aus dem optischen Element 2 in die Flüssigkristallschicht 3 über, so kommt es auf den Zustand der Flüssigkristallschicht 3 an, ob und wie der Polarisationszustand des Lichts geändert wird, oder dieser unverändert bleibt. Ist, beispielsweise beim feldfreien Zustand EF1 die Polarisationsdrehung in der Flüssigkristallschicht 3 ausgeschaltet, so ändert sich am vorstehend beschrieben Zustand nichts. Nach dem Durchgang durch die Flüssigkristallschicht 3 und weiterhin durch das nicht schaltbare optische Element 1 bleibt die Transmission im Wesentlichen unverändert. Ist ein Polarisator P oberhalb des optischen Elements 1 oder unterhalb des optischen Elements 2 vorhanden, so wird eine Betriebsart B1H oder B1V, je nach Ausgestaltung, erreicht. Existiert dieser Polarisator nicht, wird die Betriebsart B3 realisiert.
  • Wird nun demgegenüber durch Anlegen eines elektrischen Feldes EF2 > 0 V/m die Polarisationsdrehung in der Flüssigkristallschicht 3 eingeschaltet, so wird die Polarisation überall um 90° gedreht. Der Polarisationszustand ist in 4b gezeigt: dort ist der Polarisationszustand nach Durchgang durch das optische Element 2 und die polarisationsdrehende Flüssigkristallschicht 3 gezeigt. Damit wird im Rahmen der weiteren Lichtpropagation aufgrund des optischen Elements 1 alles Licht ausgelöscht, dass sich unter einem Winkel größer 25° oder etwa 30° ausbreitet. Dies entspricht der Betriebsart B2 und ist in 4c dargestellt.
  • Weiterhin zeigt 5 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters 5 in einer zweiten Ausgestaltung. Dieser umfasst
    • - zwei schaltbare optische Elemente 1, 2, wobei für jedes der optischen Elemente 1, 2 die beiden besagten Zustände durch an beide optische Elemente 1, 2 anliegende elektrische Felder EF1 oder EF2 erzeugt werden (EF1 liegt am Element 1 und EF2 am Element 2 an),
    • - optional einen oberhalb oder unterhalb der optischen Elemente 1, 2 angeordneten Polarisationsfilter P (Dieser ist nicht notwendig, kann aber die Leistungsfähigkeit des schaltbaren Lichtfilters verbessern. Die Polarisation des Polarisationsfilters P und die des einfallenden Lichtes müssen kongruent sein.),
    • - eine zwischen den schaltbaren optischen Elementen 1, 2 angeordnete Schicht 4 zur Rotation der Polarisationsrichtung (z.B. Flüssigkristalle oder eine schaltbare Halbwellenplatte) des die besagte Schicht 4 durch-dringenden Lichts um 90 Grad,
    • - zeichnerisch nicht dargestellte Mittel zum Erzeugen besagter elektrischer Felder EF1 oder EF2 (typischerweise stellt eines der Felder EF1 oder EF2 einen feldfreien Zustand dar),
    • - so dass in einer Betriebsart B3 bei Anliegen des elektrischen Feldes EF1 unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert wird, wobei in dieser Betriebsart B3 die Absorptionsdipole der beiden schaltbaren optischen Elemente 1, 2 senkrecht zueinander ausgerichtet sind und die Absorptionsdipole des Polarisators P, wenn vorhanden, parallel zu den Absorptionsdipolen des dem Polarisator P nächstliegenden schaltbaren optischen Elements 1 oder 2 zueinander ausgerichtet sind,
    • - und so dass in einer zweiten Betriebsart B2 bei Anliegen des elektrischen Feldes EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies gleichzeitig sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist, wobei in dieser Betriebsart B2 die Absorptionsdipole von Polarisator P, wenn vorhanden, und zu dem ihm nächstliegenden schaltbaren optischenElement 1 senkrecht und von den beiden optischen Elementen 1 und 2 jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.
  • Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter 5 dieser zweiten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einer in alle Richtungen freien Betrachtung und einem vierseitigen Sichtschutz (freie Sicht B3 vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2).
  • Eine dritte Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters 5, die als Prinzipskizze in 6 gezeigt ist, umfasst
    • - ein nicht schaltbares, erfindungsgemäßes optisches Element 1,
    • - einen Polarisationsfilter P der dem optischen Element 1 vor oder nachgeordnet ist,
    • - eine zwischen dem optischen Element 1 und dem Polarisationsfilter P angeordnete Flüssigkristallschicht 3, die in Abhängigkeit von einem auf sie wirkenden elektrischen Feld EF1 oder EF2 die Polarisationseigenschaften des durch sie hindurchdringenden Lichtes beeinflusst,
    • - zeichnerisch nicht dargestellte Mittel zum wahlweisen Erzeugen der besagten elektrischen Felder EF1 und EF2,
    • - so dass in einer Betriebsart B1V oder B1H bei Anliegen des elektrischen Feldes EF1 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei diese Absorption ausschließlich in horizontaler (Betriebsart B1H) oder ausschließlich in vertikaler Richtung (Betriebsart B1V) gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist,
    • - und so dass in einer zweiten Betriebsart B1H oder B1V bei Anliegen des elektrischen Feldes EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies entweder ausschließlich in vertikaler (Betriebsart B1V) oder ausschließlich in horizontaler Richtung (Betriebsart B1H) gilt, so dass die Absorptionsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Betriebsart B1 jeweils um 90 Grad gedreht ist, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
  • Die Konfiguration dieser dritten Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters 5 kann durch Rotation des Polarisationsfilters P um 90 Grad zwischen den Betriebsarten B1V und B1H wechseln.
  • Auch hier ist es möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, aufweisen.
  • Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung des optischen Elements 1 und des Polarisationsfilters P bedeuten, dass die Betriebsart B1H vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand die Betriebsart B1V vorliegt.
  • Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter 5 dieser dritten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einem Sichtschutz in der vertikalen und einem Sichtschutz in der horizontalen Richtung (oben/unten geschützt B1V vs. links/rechts geschützt B1H). Etwa in einem Laptop würde dies bedeuten, dass ein Nutzer die Inhalte in der Betriebsart B1V mit weiteren Personen, die neben dem Nutzer befindlich und im Wesentlichen mit gleicher Augenhöhe angeordnet sind, gemeinsam anschauen kann, während in der Betriebsart B1H die seitlich benachbarten Personen den Bildinhalt nicht sehen können.
  • Der schaltbare Lichtfilter 5 dieser dritten Ausgestaltung kann in seinem Aufbau variiert werden, wie weiter oben beschrieben wurde.
  • Weiters umfasst eine vierte, als Prinzipskizze in 7 gezeigte, Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters 5
    • - ein schaltbares optisches Element 1,
    • - einen oberhalb oder unterhalb des optischen Elementes 1 angeordneten Polarisationsfilter P,
    • - zeichnerisch nicht dargestellte Mittel zum Erzeugen elektrischer Felder EF1 oder EF2, wobei für das optische Element 1 mindestens zwei Zustände durch das jeweils anliegende elektrische Feld EF1 oder EF2 erzeugt werden,
    • - so dass in einer Betriebsart B3, bei welcher die Absorptionsdipole der Schichten (S1, S2, ..) des optischen Elements 1 parallel zur Substratoberfläche des optischen Elements 1 und senkrecht zur Transmissionsrichtung des Polarisators ausgerichtet sind, unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 25% transmittiert wird,
    • - und so dass in einer Betriebsart B1H oder B1V, bei welcher die Absorptionsdipole der Schichten S1, S2, .. des optischen Elements 1 entlang der besagten Vorzugsrichtung ausgerichtet sind, unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies entweder in vertikaler (Betriebsart B1V) oder horizontaler in Richtung (Betriebsart B1H) gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
  • Auch hierbei ist es wiederum möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0.5 MV/m, aufweisen.
  • Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung des optischen Elements 1 und des Polarisationsfilters P bedeuten, dass die Betriebsart B3 vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand eine der Betriebsarten B1H oder B1V vorliegt.
  • Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter 5 dieser vierten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einem Sichtschutz in der vertikalen bzw. der horizontalen Richtung und keinem Sichtschutzeffekt (oben/unten geschützt B1V bzw. links/rechts geschützt B1H vs. kein Sichtschutz B3).
  • Für besondere Anwendungsfälle kann ein schaltbarer Lichtfilter 5 -unabhängig welcher vorgenannten Ausgestaltung- in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen den jeweils möglichen Betriebszuständen ermöglicht wird. Im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit würde dies heißen, dass beispielsweise nur ein Teil der Bildfläche zwischen einem Sichtschutz (z.B. Betriebsart B1H oder B2) und keinem Sichtschutzeffekt (z.B. Betriebsart B3, ggf. auch B1V) für freie Sicht umgeschaltet werden kann, während der dazu komplementäre Teil der Bildfläche permanent in einem Sichtschutzmodus (z.B. Betriebsart B1H oder B2) oder in keinem Sichtschutzmodus (z.B. Betriebsart B3, ggf. auch B1V) befindlich ist.
  • Es können sogar mehrere, voneinander geometrisch getrennte, solche Segmente vorhanden sein, die separat oder gemeinsam zwischen den Betriebsarten umgeschaltet werden können.
  • Wie vorstehend schon angemerkt, erlangt die Erfindung besondere Bedeutung durch Kombination eines vorbeschriebenen schaltbaren Lichtfilters mit einer Bildwiedergabeeinheit zu einem Bildschirm.
  • Ein solcher Bildschirm, der in mindestens einem ersten Betriebszustand B1V und/oder B3 für einen in der horizontalen Richtung freien Sichtmodus und in mindestens einem zweiten Betriebszustand B1H und/oder B2 für einen in der horizontalen Richtung eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfasst
    • - einen wie vorstehend beschriebenen schaltbaren Lichtfilter einer der vier genannten Ausgestaltungen, und
    • - eine dem schaltbaren Lichtfilter von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.
  • Vorteilhaft entspricht die Bildwiedergabeeinheit einem LCD-Panel, dessen einer Polarisationsfilter dem Polarisationsfilter P entspricht. Dabei kann es sich um den vorder- oder rückseitigen Polarisator im LCD-Aufbau handeln.
  • Außerdem kann vorteilhaft der schaltbare Lichtfilter zwischen dem LCD-Panel und dessen Hintergrundbeleuchtung angeordnet sein, um zwischen einem ersten Betriebszustand B3 (oder B1V) für einen freien Sichtmodus und einem zweiten Betriebszustand B1H bzw. B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus umzuschalten, weil das Licht der Hintergrundbeleuchtung aufgrund des schaltbaren Lichtfilters in horizontaler Richtung einmal fokussiert (B2 bzw. B1H) und einmal nicht fokussiert (B3 bzw. B1V) wird. Mit „Fokussierung“ ist dabei nicht eine Fokussierung nach Art von Linsen gemeint, sondern eine Einengung des Abstrahlbereichs bzw. Transmission in Abhängigkeit des Einstrahlwinkels.
  • Ein solcher Bildschirm findet vorteilhaft Verwendung in einem mobilen Gerät, einem Kraft-, Luft- oder Wasserfahrzeug, in einem Zahlterminal oder in einem Zugangssystem.
  • Dabei kann zwischen den genannten Betriebsarten umgeschaltet werden, um sensitive Daten zu schützen, d.h. für nur einen Betrachter wahrnehmbar darzustellen, oder alternativ Bildinhalte gleichzeitig für mehrere Betrachter darzustellen.
  • Grundsätzlich können im Rahmend der Erfindung auch zusätzliche Retardierungsfilme zum Einsatz kommen, um die Polarisationszustände weiter anpassen zu können. Dies gilt für die vorgenannten wie auch für die noch nachfolgend beschriebene Ausgestaltung der Erfindung.
  • Die Anwendungsvielfalt des erfindungsgemäßen optischen Elements endet jedoch nicht bei Anwendungen zu Darstellung von Bildinhalten mit oder ohne Sichtschutzeffekte. Vielmehr sind weitere Anwendungen möglich, wenn spezielle Eigenschaften einer Beleuchtungseinrichtung gewünscht sind. Denkbar sind Ausgestaltungen des optischen Elements 1, bei denen definierte Polarisationskontraste erzeugt werden. Diese wiederum können im Rahmen der optischen Sensorik eingesetzt werden.
  • Insofern umfasst die Erfindung auch ein Messgerät zur optischen Detektion von Eigenschaften der Oberfläche und/oder des Volumens eines Objektes O, umfassend
    • - mindestens ein Modul M1, M2, .. bestehend in dieser Reihenfolge aus einer ersten Linse oder einem ersten Linsenraster L1 mit Mikrolinsen, einem schaltbaren oder nicht schaltbaren erfindungsgemäßen optischen Element 1 wie weiter oben beschrieben, und einer zweiten Linse oder einem zweiten Linsenraster L2,
    • - eine Lichtquelle LS,
    • - einen optischen Detektor D,
    • - optional einen Strahlteiler ST,
    • - optional abbildende Optiken L3 und L4,
    • - optional polarisationsrotierende Schichten 4,
    • - wobei in einer ersten Alternative für eine optische Detektion in Transmission das Messgerät in der Reihenfolge Lichtquelle LS, erstes Modul M1, Objekt O, zweites Modul M2 sowie optischer Detektor D aufgebaut ist, und
    • - wobei in einer zweiten Alternative für eine optische Detektion in Reflektion das Messgerät in der Reihenfolge Lichtquelle LS, Strahlteiler ST, erstes Modul M1 sowie Objekt O, aufgebaut ist, wobei hier der optische Detektor D zum Empfang von durch den Strahlteiler ST ausgekoppelten optischen Signalen geeignet neben den vorgenannten Komponenten angeordnet ist,
    • - so dass der optische Detektor D polarisationsmaskierte optische Informationen detektieren kann, wobei für die Linse oder jede Mikrolinse des dem jeweils dem optischen Detektor D zugewandten Linsenrasters L1 des entsprechenden Moduls M1 oder M2 eine Polarisationsinformation vorliegt.
  • Dazu zeigt 8 die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Durchlicht arbeitet, unter Nutzung eines optischen Elements 1, und 9 die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Reflektion arbeitet, ebenfalls unter Nutzung eines optischen Elements 1.
  • Im Folgenden wird der Transmissionsaufbau (Durchlicht) beschrieben. Für das Verständnis des Aufbaus wird zunächst auf die optischen Elemente eingegangen, die für das Wirkprinzip notwendig sind. Die Lichtquelle LS kann kollimiertes Licht oder Licht einer Köhlerbeleuchtung aussenden, andere Beleuchtungsmodi sind ebenfalls von der Erfindung abgedeckt. Der gewünschte polare Polarisationszustand wird mit Hilfe des 4f-Systems M1 erzeugt, in dessen Zentrum sich das optische Element 1 befindet, das die polare Polarisation erzeugt. In den technischen Implementierungen ist es vorteilhaft, zusätzlich mit abbildenden Optiken (L3 und L4) zu arbeiten, um beispielsweise höhere Auflösungen zu erreichen. Das Element 4, welches die Polarisation drehen kann, ist optional und kann genutzt werden, um den Kontrast zu optimieren.
  • Ein solches Messgerät erlaubt vielseitige Anwendungen zur Messung etwa von Oberflächen, Krümmungen oder anisotropen Brechzahlen. Dabei wird insbesondere die richtungs- und/oder polarisationsabhängige Abschwächung und/oder Polarisationsänderung des Lichtes genutzt, um optisch Unterschiede sichtbar zu machen. Optional kann die Messung mit dem erfindungsgemäßen Messgerät auch konfokal durchgeführt werden, beispielsweise um Streueigenschaften von Partikeln zu ermitteln.
  • Die grundlegende Idee der Messung ist, dass das Licht mit dem optischen Element 1 in den polaren Polarisationszustand gebracht wird. Dieses Licht interagiert mit der Probe beispielweise auf Grund von Oberflächenkrümmungen, Oberflächenrauigkeiten oder anisotropen Brechzahlen und die anfängliche Polarisation wird gestört. Nach dem zweiten Durchgang durch das optische Element 1 wird das Licht entsprechend der Polarisationsänderung abgeschwächt. Diese Abschwächung wird durch einen Flächensensor (z.B. CCD-Sensor, CMOS-Sensor, Fotoplatte oder Art verwandt) detektiert und kann mit einem geeigneten Modell in physikalische Eigenschaften überführt werden. Der Vorteil liegt in der Schnelligkeit des Verfahrens, da zahlreiche Ausbreitungswinkel des Lichts gleichzeitig mit einer Messung erfasst werden und somit Rückschlüsse auf Richtungsabhängigkeiten möglich sind.
  • Dieses Verfahren kann zum Beispiel bei der Vermessung von Flüssigkristallschichten vorteilhaft eingesetzt werden. Hierzu wird die Messung in Transmission durchgeführt. Das Licht ist jeweils für unterschiedliche Einfallswinkel α > 30° gegenüber der Flächennormale linear polarisiert. In Folge des Durchgangs durch einen Flüssigkristall werden die linearen Polarisationen der unterschiedlichen Einfallswinkel wegen der unterschiedlichen Orientierung zwischen der Polarisation des Lichts und aufgrund der anisotropen Brechzahl verschieden in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt, welche mit Hilfe des zweiten optischen Elements 1 sichtbar gemacht wird. Daraus lassen sich die Orientierung der Hauptachsen des Flüssigkristalls, Drehungen der Hauptachsen, Phasenverzögerungen und Neigungswinkel von Flüssigkristallschichten bestimmen.
  • In 10 ist die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Durchlicht arbeitet, in einer zweiten Ausgestaltung unter Nutzung eines optischen Elements 1, gezeigt. Die Funktionsweise ist analog derjenigen, die in 8 beschrieben wurde.
  • Das vorstehend beschriebene optische Element, der schaltbare Lichtfilter und das Messgerät lösen die gestellte Aufgaben: Es wurde zunächst ein optisches Element beschrieben, bei dem Licht, welches es durchdringt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung und seinen Polarisationseigenschaften und explizit -nicht aber in Abhängigkeit seiner Position- transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird. Ferner wurde ein das optische Element verwendender schaltbarer Lichtfilter, der die Transmission von Licht winkelabhängig (optional senkrecht) beeinflusst, beschrieben, wobei hier zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Dabei sind insbesondere Winkeleinschränkungen in der Transmission in bestimmte Richtungen umschaltbar.
  • Das optische Element bzw. darauf basierende Systeme sind preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar, um eine Umschaltung zwischen einem - mindestens in der horizontalen Richtung bestehenden- Sichtschutz und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms grundsätzlich nicht herabgesetzt wird. Weiterhin ist das erfindungsgemäße optische Element auch für Messanwendungen anwendbar, wie zu dem erfindungsgemäßen Messgerät beschrieben.
  • Die vorangehend beschriebene Erfindung kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und/oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe oder beim Lesen von Emails auf mobilen Geräten. Die Erfindung kann -wie weiter oben beschrieben- auch im PKW angewendet werden, um wahlweise dem Fahrer oder Beifahrer störende Bildinhalte vorzuenthalten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6765550 B2 [0004]
    • US 5993940 A [0005]
    • WO 2012/033583 A1 [0006]
    • US 2012/0235891 A1 [0007]
    • US 2012/0235891 [0007]
    • JP 2007155783 A [0008]
    • US 2013/0308185 A1 [0009]
    • WO 2015/121398 A1 [0010]

Claims (10)

  1. Optisches Element (1), umfassend, - mindestens eine, bevorzugt mehr als fünf, Schichten (S1, S2, ...), - wobei jede Schicht (S1, S2, ...) Material mit einer Vielzahl Licht absorbierender elektrischer Absorptionsdipole umfasst, welche mindestens in einem ersten Zustand parallel zu einer wählbaren Vorzugsrichtung ausgerichtet sind oder um diese herum fluktuieren, wobei die besagte Vorzugsrichtung einen Winkel zwischen 0° und 45° zur Flächennormale der Schicht S1 einschließt, - so dass Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber den Schichten (S1, S2, ...) und seinen Polarisationseigenschaften transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird.
  2. Optisches Element (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schichten (S1, S2, ...) in ihrer Struktur nicht-periodisch aufgebaut ist.
  3. Optisches Element (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Lamination einer Vielzahl von Polymerfolienpolarisatoren und/oder durch Fotoausrichtung von Molekülen oder Partikeln hergestellt wird.
  4. Optisches Element (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole in jeder Schicht (S1, S2, ...) in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Absolutwert und/oder in ihrer Dichte variiert werden können, um die jeweilige Schicht (S1, S2, ...) in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können.
  5. Optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Lichtfilter (5) in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt ist, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen den jeweils möglichen Betriebszuständen ermöglicht wird.
  6. Optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich in Betrachtungsrichtung vor oder hinter dem optischen Element (1) ein Polarisationsfilter (P) befindet.
  7. Bildschirm, der in mindestens einem ersten Betriebszustand für einen in der horizontalen Richtung freien Sichtmodus und in mindestens einem zweiten Betriebszustand für einen in der horizontalen Richtung eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend - ein optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, und - eine dem optischen Element (1) von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.
  8. Bildschirm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildwiedergabeeinheit ein LCD-Panel ist, dessen einer Polarisationsfilter dem Polarisationsfilter (P), wenn vorhanden, entspricht.
  9. Verwendung eines Bildschirms nach Anspruch 7 oder 8 in einem mobilen Gerät, einem Kraft-, Luft- oder Wasserfahrzeug, in einem Zahlterminal oder in einem Zugangssystem.
  10. Verwendung eines optischen Elements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem statischen Bild oder einem dynamischen Bildgeber, um Werbeinhalte nur in einem eingeschränkten Sichtbereich sichtbar zu machen.
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