DE102020008062A1 - Optisches Element mit variabler Transmission, zugehöriges Verfahren und Bildschirm mit einem solchen optischen Element - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element (1), umfassend, mindestens erste und zweite, aus transparenten Materialien bestehende Bereiche (B1) und (B2), die sich über die Fläche des optischen Elements (1) in einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge abwechseln und die sich mindestens in ihrer Brechzahl unterscheiden, wobei die Brechzahl N1 der Bereiche (B1) größer ist als die Brechzahl N2 der Bereiche (B2), jeweils eine mindestens zeitweise opake Schicht (OB) an der Unterseite jedes der Bereiche (B2), jeweils eine mindestens zeitweise opake Schicht (AB) an der Oberseite jedes der Bereiche (B2), so dass an der Unterseite auf das optische Element (1) auftreffendes Licht aufgrund der opaken Schichten (OB), wenn diese im opaken Zustand ist, ausschließlich durch die Oberflächen der Bereiche (B1) in das optische Element (1) einfällt, und dort je nach Einfallswinkel, Polarisation und Brechzahlunterschied zwischen N1 und N2 entweder a) innerhalb eines Bereiches (B1) totalreflektiert und hernach an der oberen Oberfläche des entsprechenden Bereiches (B1) wieder ausgekoppelt wird, oder b) die Brechzahlgrenze von (B1) zu (B2) überwindet und in den angrenzenden Bereich (B2) einfällt, in diesem propagiert und schließlich an dessen oberer Seite aufgrund der mindestens zeitweise opaken Schicht (AB) absorbiert wird, wenn diese im opaken Zustand ist, oder ausgekoppelt wird, wenn die mindestens zeitweise opake Schicht (AB) transparent ist, oder c) nach Überwinden der Brechzahlgrenze von (B1) zu (B2) wiederum die nächste Brechzahlgrenze (B2) zum benachbarten Bereich (B1) überwindet und je nach dann gegebener Ausbreitungsrichtung und Polarisation ausgekoppelt wird oder weiter im optischen Element (1) propagiert, bis es entweder ausgekoppelt oder absorbiert wird, wodurch das an der Oberseite aus dem optischen Element (1) austretende Licht gegenüber dem an der Unterseite auf das optische Element (1) auftreffende Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt ist. Ferner umfasst die Erfindung ein zweites und ein drittes optisches Elemente (2, 10), ein Verfahren sowie einen Bildschirm, der ein solches optisches Element für die wahlweise Umschaltung zwischen einem freien und einem Sichtschutzmodus nutzt.

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 essentiell 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.
• 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 nur eingeschränkten Sichtschutz bieten und/oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren und/oder nur schmale Betrachtungsbereiche zulassen, der Helligkeit über das Winkelspektrum so rasch abnimmt, dass ein Betrachter ein bezüglich der Helligkeit sehr unhomogenes Bild sieht.
• Beschreibung der Erfindung
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein flächig ausgedehntes optisches Element zu beschreiben, welches einfallendes Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen definiert beeinflussen kann, und welches optional zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umschalten kann. Das optische Element soll preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sein, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht oder nur vernachlässigbar herabgesetzt werden soll. Ferner soll das optische Element grundsätzlich die Möglichkeit bieten, eine Top-Head-Lichtverteilung zu erzielen. Damit ist gemeint, dass die Helligkeit in einem Winkelbereich von wenigstens 7 Grad um den mittleren Emmissionswinkel herum nicht mehr als 15 Prozent abnimmt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem ersten optischen Element, das flächig ausgedehnt ist, umfassend,
• - mindestens erste und zweite, aus transparenten Materialien bestehende Bereiche B1 und B2, die sich über die Fläche des ersten optischen Elements in einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge abwechseln und die sich mindestens in ihrer Brechzahl unterscheiden, wobei die erste Brechzahl N1 der ersten Bereiche B1 größer ist als die zweite Brechzahl N2 der zweiten Bereiche B2,
• - jeweils eine mindestens zeitweise opake Schicht OB an der Unterseite jedes der Bereiche B2,
• - jeweils eine mindestens zeitweise opake Schicht AB an der Oberseite jedes der Bereiche B2,
• - so dass an der Unterseite auf das erste optische Element auftreffendes Licht aufgrund der opaken Schichten OB, wenn diese im opaken Zustand sind, ausschließlich durch die Oberflächen der Bereiche B1 in das erste optische Element einfällt, und dort je nach Einfallsrichtung, Polarisation und Brechzahlunterschied zwischen N1 und N2 entweder a) innerhalb eines Bereiches B1 totalreflektiert und hernach an der oberen Oberfläche des entsprechenden Bereiches B1 wieder ausgekoppelt wird (Fall a), oder b) die Brechzahlgrenze von B1 zu B2 überwindet und in den angrenzenden Bereich B2 einfällt, in diesem propagiert und schließlich an dessen oberer Seite aufgrund der mindestens zeitweise opaken Schicht AB absorbiert wird, wenn diese im opaken Zustand ist, oder ausgekoppelt wird, wenn die mindestens zeitweise opake Schicht AB transparent ist (Fall b), oder c) nach Überwinden der Brechzahlgrenze von B1 zu B2 wiederum die nächste Brechzahlgrenze B2 zum benachbarten Bereich B1 überwindet und je nach dann gegebener Ausbreitungsrichtung und Polarisation ausgekoppelt wird oder weiter im ersten optischen Element propagiert, bis es entweder ausgekoppelt oder absorbiert wird (Fall c),
• - wodurch das an der Oberseite aus dem ersten optischen Element austretende Licht gegenüber dem an der Unterseite auf das erste optische Element auftreffende Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt ist.
• Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird vereinfacht nur von „optischem Element“ gesprochen, wenn das erste erfindungsgemäße optische Element gemeint ist. Späterhin, nach Einführung eines zweiten und dritten erfindungsgemäßen optischen Elements, werden nur diese zur Unterscheidung mit „zweitem optischen Element“ bzw. „drittem optischen Element“ bezeichnet.
• Mit dem Einfallswinkel eines Lichtstrahles in die Bereiche B1 ist insbesondere dessen Richtungsvektor gemeint, der den horizontalen und vertikalen Einfallswinkel auf die untere Oberfläche eines Abschnitts B1 beschreibt und neben dem Polarisationszustand ganz wesentlich für die weitere Propagation des Lichtes im Bereich B1 bzw. an den Grenzflächen zur Bereichen B2 ist.
• Grundsätzlich sollen unter die Fälle c) all diejenigen Lichtstrahlen fallen, die nicht unter die Fälle a) oder b) fallen.
• Mit der „periodischen Abfolge“ der Bereiche B1 und B2 ist nicht gemeint, dass diese immer gleich breit und/oder hoch sein müssen, sondern dass sich die Bereiche B1 und B2 lediglich stets abwechseln. Ihre Größe kann jedoch variieren.
• Der dritte Fall c) für die Strahlen, die nach Überwinden der Brechzahlgrenze von B1 zu B2 wiederum die nächste Brechzahlgrenze B2 zum benachbarten Bereich B1 überwinden und je nach dann gegebener Ausbreitungsrichtung und Polarisation ausgekoppelt werden oder weiter im optischen Element propagieren, bis sie entweder ausgekoppelt oder absorbiert werden, ist für spezielle Anwendungsfälle von Interesse, etwa wenn Lichtausbreitungs-richtungen in mittleren Winkeln von zum Beispiel ca. 30 bis 50 Grad absorbiert werden sollen, größere und kleinere Winkelbereiche als diese jedoch mit Licht beaufschlagt werden sollen. Die unter c) genannten Fälle können auf Basis optischer Simulation des optischen Elements durch geeignete Dimensionierung der Brechzahlen N1 und N2 sowie geeignete Wahl der Breiten der Bereiche B1 und B2 sowie deren Höhe ein- oder ausgeschlossen werden. Dazu folgen weiter unten noch Details.
• Für die Erzielung der erfindungsgemäßen und bevorzugten Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen des einfallendes Lichtes (d.h. es sind nur noch die Fälle a) der Strahlen vorhanden) ist es wichtig, dass die beiden mindestens zeitweise opaken Schichten AB und OB tatsächlich opak sind. Sobald eine der Schichten nicht opak ist, können schräge Lichtstrahlen oberhalb des eigentlichen Grenzwinkels der Totalreflexion an der Grenzfläche B1-B2 entweder an der oberen Kante der Bereiche B2 austreten, oder aber sie können ggf. bei Eintritt in Bereiche B2 nachfolgend über beispielsweise die Oberkanten der Bereiche B1 austreten.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen sind derart ausgestaltet, dass jede mindestens zeitweise opake Beschichtung OB an der Unterseite der Bereiche B2 durch eine permanente Absorberschicht und/ oder durch mindestens eine nach unten hin spiegelnde Schicht ausgebildet ist. Wenn nur eine spiegelnde Schicht vorhanden ist, was im Rahmen der Erfindung möglich ist, so hat diese selbstredend ebenfalls opake Eigenschaften. Die spiegelnden Eigenschaften tragen dazu bei, die Effizienz zu erhöhen, etwa wenn ein erfindungsgemäßes optisches Element in einer Beleuchtungseinrichtung, etwa für ein LCD-Panel, eingebaut wird.
• Ferner ist es möglich, dass jede mindestens zeitweise opake Schicht AB an der Oberseite der Bereiche B2 durch eine permanente Absorberschicht ausgebildet ist. Weisen dann in bestimmten, statischen Ausgestaltungen beide Schichten OB und AB permanente opake Eigenschaften auf und sind die Brechzahlen N1 und N2 unveränderbar, so wirkt das optische Element permanent einschränkend auf die Ausbreitungsrichtungen des auf es einfallenden Lichtes.
• In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Elements ist die Brechzahl N1 des Materiales in den Bereichen B1 und/oder die Brechzahl N2 des Materiales in den Bereichen B2 zwischen mindestens zwei Zuständen umschaltbar, so dass die Brechzahlunterschiede an den Brechzahlgrenzen von B1 zu B2 jeweils modulierbar sind, wodurch die besagte Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen variierbar ist.
• Dazu kann mindestens eines der Materialien der Bereiche B1 und/oder B2 aus Flüssigkristallen bestehen, die mit Elektroden in Kontakt stehen, um über eine Änderung der Spannung an den Elektroden eine Brechzahländerung für linear polarisiertes Licht in den Flüssigkristallen herbeizuführen. Die Elektroden können, wenn Sie beispielsweise an der Ober- und Unterseite der Bereiche B1 angeordnet sind, transparent sein, wie z.B. in Form von ITO-Schichten. Sind die Elektroden jedoch nötig, um die Brechzahl der Bereiche B2 zu verändern, dann kann es auch -insbesondere im Falle von permanenten Absorberschichten AB und OB sein-, dass nicht-transparente, ggf. sogar opake Elektroden, zum Einsatz kommen.
• Für diese Ausgestaltung mit Flüssigkristallen ist es zu bevorzugen, dass die Schichten AB und OB bevorzugt permanent opak sind, so dass ferner in der Regel ausschließlich die Lichtstrahlen des Falles a) das optische Element nach oben verlassen können. Allerdings weisen diese Strahlen des Falles a) je nach Brechzahldifferenz an den Grenzflächen B1 zu B2 einen schmaleren oder breiteren Winkelbereich der Ausbreitungsrichtungen auf. Dieser Winkelbereich ist umso breiter, je größer die Brechzahldifferenz ist und umso kleiner, je kleiner die Brechzahldifferenz ist.
• Ist hingegen in anderen, andersartig schaltbaren Ausgestaltungen der Erfindung mindestens eine der beiden mindestens zeitweise opaken Schichten AB und/oder OB zwischen einem opaken und einem transparent Zustand umschaltbar, so ist die Eigenschaft der Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen des auf das optische Element einfallenden Lichtes zu- und abschaltbar: Ausschließlich in dem Fall, dass beide Schichten AB und OB opak sind, werden die Lichtausbreitungsrichtungen eingeschränkt (Fall a)). Sobald eine der Schichten AB oder OB nicht opak ist, liegt die Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen nicht mehr vor (Fälle a), b) und ggf. c)). Somit ist das optische Element schaltbar. Sollten sogar beide Schichten, nämlich AB und OB, transparent geschaltet sein, so bewirkt das optische Element lediglich -je nach Einfallsrichtung des Lichtes- Strahlversätze und totale interne Reflexionen, blockt aber insgesamt kein Licht ab.
• In bevorzugten schaltbaren Ausgestaltungen wird nur die obere Schicht AB opak-transparent umschaltbar gestaltet, während die untere Schicht OB permanent opak (und ggf. auch reflektierend) ausgebildet ist. Dies ist ausreichend, um die gewünschten Effekte zu erzielen.
• Die Umschaltbarkeit der Schichten AB bzw. OB kann bevorzugt basieren auf einem oder gleichzeitig mehreren der folgenden Prinzipien: Elektrobenetzung, Elektrophorese, Elektrochromie und/oder Flüssigristallzellen. Andere Ausgestaltungen sind selbstverständlich auch möglich.
• Im Falle der Elektrobenetzung werden für eine Schicht AB und/oder OB mindestens zwei Zustände der der Elektrobenetzung unterliegenden Flüssigkeit oder Flüssigkeitsmischung definiert. In einem ersten Betriebszustand würde die Schicht AB bzw. OB die entsprechende Oberfläche eines Bereiches B2 möglichst komplett überdecken, also opak sein (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen gegeben, Fall a)) und in einem zweiten Betriebszustand würde die Schicht AB bzw. OB die entsprechende Oberfläche eines Bereiches B2 nur auf kleinstmöglichster Fläche überdecken, also weitestgehend transparent sein (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen nicht bzw. nur vernachlässigbar gegeben, Fälle a), b) und ggf. c)).
• Im Falle von Elektrophorese würden für eine Schicht AB und/oder OB opake Partikel, die elektrophoretisch bewegt werden können, in einer Flüssigkeit oder Gelmatrix bereitgestellt. Aufgrund der Wirkung eines elektrischen Feldes, welches über transparente Elektroden angelegt werden kann, würden diese dann in einem ersten Betriebszustand als Schicht AB bzw. OB die entsprechende Oberfläche eines Bereiches B2 möglichst komplett überdecken, so dass die Schicht AB bzw. OB opak wirkt (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen gegeben). In einem zweiten Betriebszustand bei einer anderen elektrischen Feldverteilung würden die Partikel als Schicht AB bzw. OB die entsprechende Oberfläche eines Bereiches B2 auf kleinstmöglichster Fläche überdecken oder in ein Reservoir überführt werden oder im Volumen verteilt sein, die Schicht also mithin transparent sein (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen nicht gegeben). Grundsätzlich ist diese Ausgestaltung unter Nutzung der Elektrophorese auch derart ausgestaltbar, dass für Schichten AB und/oder OB, insbesondere für AB, aufgrund der Partikelpositionen unmittelbar auf den Bereichen AB (und/oder OB) oder entfernt davon (maximal 100µm genügen) eine Totalreflexionsstruktur an der Oberfläche der Bereiche B2 entweder gestört -mit entsprechender Absorption des Lichtes durch die Partikel- oder nicht gestört wird -mit entsprechendem Abstand der Partikel, so dass die Totalreflexion stattfindet und die entsprechenden Strahlen nach weiterer Propagation im optischen Element mindestens teilweise aus den Oberkanten der Bereiche B1 ausgekoppelt werden. Im Allgemeinen können in diesem Zusammenhang alle optischen Schalttechnologien angewendet werden, die auf einer solchen oder ähnlichen Variante der sogenannten „frustrated total internal reflection“ basieren.
• Überdies kommen als Partikel auch Januspartikel in Frage, die ortsfest aufgrund von elektrischen Feldeinwirkungen rotiert werden können und deren Oberfläche jeweils etwa zur Hälfte opak und zur anderen Hälfte streuend, weiß und/oder reflektierend sind. Diese Januspartikel können ebenso die Schichten AB und/oder OB bilden, um diese zwischen einem opaken und einem reflektierenden Zustand umzuschalten, wobei in letzterem Zustand aufgrund der Reflexion die entsprechenden Strahlen nach weiterer Propagation im optischen Element mindestens teilweise aus den Oberkanten der Bereiche B1 ausgekoppelt werden.
• Im Falle von Elektrochromie würden die Schichten AB und/oder OB mit elektrochromen Materialien, z.B. einiger Metalloxide (TiO₂, NiO, Nb₂O, MoO₃, Ta₂O₅, WO₃, IrO₂, Zr₂O₅), sowie entsprechenden transparenten Elektroden wie z. B. ITO (indium doped tinoxide), FTO (fluorinedopedtinoxide) oder AZO (Aluminium-dotiertes Zinkoxid), die die elektrochromen Materialien einbetten, ausgebildet. In Abhängigkeit von der an den Elektroden angelegten Spannung werden dann mindestens zwei Zustände für die Schichten AB und/oder OB definiert. In einem ersten Betriebszustand ist die Schicht AB bzw. OB opak (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen gegeben) und in einem zweiten Betriebszustand ist die Schicht AB bzw. OB transparent (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen nicht gegeben).
• Die Schichten AB und/ oder AB können auch als Flüssigristallzellen, etwa TN-Zellen mit entsprechenden Polarisator-Paaren, ausgebildet werden. Diese können dann entsprechend über das Anlegen entsprechender elektrischer Felder bzw. Spannungen an Elektroden opak (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen gegeben) oder transparent (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen nicht gegeben) geschaltet werden. Ein Polarisator des besagten Polarisator-Paares kann dann auch einem Polarisator eines LCD-Panels physisch entsprechen, wenn das erfindungsgemäße optische Element im Zusammenhang mit einem solchen LCD-Panel verwendet wird.
• Generell gilt: Je kleiner der Brechzahlunterschied zwischen N1 und N2 ist, desto schmaler ist die Lichtverteilung des das optische Element verlassenden Lichtes.
• Es soll hier zum klaren physikalischen Verständnis noch einmal festgehalten werden, dass mit „Brechzahl“ entweder die Brechzahl N1 oder N2 für eine ausgewählte Wellenlänge, z.B. 580 nm, oder aber die jeweilige Dispersionskurve über den mit dem menschlichen Auge sichtbaren Wellenlängenbereich gemeint ist. Im Falle der Dispersionskurve bedeutet der Brechzahlunterschied den jeweiligen Wert, der bei einer ausgewählten sichtbaren Wellenlänge Ä der Differenz zwischen N1(λ) und N2(Ä) entspricht.
• In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass das optische Element in besonderen Ausgestaltungen als sehr exaktes, wellenlängenselektives Farbfilter ausgebildet werden kann: Wenn sich die Dispersionskurve N1(λ) und N2(Ä) schneiden, dann würde bei opaken Schichten AB und OB überall dort, wo N2(λ)>N1(λ) gilt, der entsprechende Wellenlängenbereich effizient ausgelöscht, also nicht aus dem optischen Element ausgekoppelt, während die Wellenlängenbereiche mit N1(λ)>N2(λ) 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 B1-B2 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. Wird die Trennwirkung durch abgeschaltete Opazität der Schichten AB und/oder OB aufgehoben, so könnten beide Spektren durch das Farbfilter transmittiert werden. Das UV-Licht könnte hernach in sichtbares, weißes Licht konvertiert werden, so dass insgesamt für weißes Licht wiederum die Möglichkeit besteht, zwischen verschiedenen Winkelspektren umzuschalten.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung des optischen Elements sind die Bereiche B1 und B2 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element streifenförmig abwechselnd über die Fläche des optischen Elements verteilt angeordnet. Damit würde die Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen senkrecht zu den streifenförmigen Bereichen B1 und B2 wirksam sein, nicht aber parallel zu ihnen.
• Demgegenüber sieht eine andere Ausgestaltung vor, dass die Bereiche B1 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element punkt-, kreis-, oval-, rechteckförmig, hexagonal oder anders zweidimensional geformt über die Fläche des optischen Elements verteilt angeordnet und die Bereiche B2 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 Licht-ausbreitungsrichtungen für transmittiertes Licht in jedem Winkel 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 25 oder 30 Grad beträgt.
• Andere Formen der Bereiche B1 und B2 sind ebenso möglich. Wichtig für die Erhaltung der Funktionsweise der Erfindung ist dabei stets, dass die Bereiche B1 und B2 optisch unmittelbar aneinander angrenzen, so dass ein optischer Brechzahlsprung möglichst ohne Luftspalt gegeben ist.
• Weitere Ausgestaltungen sehen vor, dass die Bereiche B1 und B2 bei Betrachtung in Schnittrichtung senkrecht zur oberen Oberfläche des optischen Elements trapezförmig ausgebildet sind. Durch derartige Ausbildungsformen der Bereiche B1 und B2 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 Schnittformen der Bereiche B1 und B2 eine Peak-Verschiebung durch die einhergehende Verkippung der Grenzflächen zwischen den Bereichen B1 und B2 zu erzielen.
• Ferner kann es von Vorteil sein, wenn die mindestens zeitweise opaken Schichten AB und/oder OB in das Material, aus dem die Bereiche B1 bestehen, eingebettet sind, wobei bevorzugt der Materialanteil der Bereiche B1 des optischen Elements nahtlos in den besagten, die Schichten AB und/oder OB einbettenden Anteil, übergeht.
• Es ist überdies möglich, dass auf mindestens einem Teil der Bereiche B1, bevorzugt auf allen Bereichen B1, an deren Oberseite eine Linsenstruktur aufgebracht ist, bevorzugt eine konvexe Linsenstruktur. Dies unterstützt die definierte Beeinflussung der Ausbreitungsrichtung des aus dem optischen Element austretenden Lichtes. Alternativ oder zusätzlich kann die Unterseite der Bereiche B1 eine konkave oder kovexe Linsenstruktur aufweisen, um die Lichteintrittsrichtungen in die Bereiche B1 zu beeinflussen, und damit auch Einfluss darauf zu nehmen, ob ein Lichtstrahl schließlich unter die besagten Fälle a), b) oder c) fällt.
• Grundsätzlich lassen sich im Rahmen der Erfindung die oberen Schichten AB und die unteren Schichten OB vertauschen, d.h. das erste optische Element funktioniert, insbesondere wenn beide Schichten AB und OB permanent opak sind, egal welche der Großflächen oben oder unten ist.
• 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.
• Für besondere Anwendungsfälle ist es möglich, dass auf dem optischen Element mindestens ein Bereich B1 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 Bereiche B2 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element, so dass innerhalb des besagten mindestens einen Bereiches B1 außer an dessen Rändern und bis auf Parallelversätze keine Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen des aus dem optischen Element austretenden Lichtes gegenüber dem auf das optische Element auftreffenden Lichtes vorliegt. Dies bedeutet nichts anderes, als das die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen nicht auf der gesamten Fläche des optischen Elements wirkt. Derartige nicht einschränkende Bereiche B1 können sich -ohne einander zu berühren- auch mehrfach auf dem optischen Element wiederholen.
• Ferner kann es sinnvoll sein, dass zusätzlich zu den Bereichen B1 und B2 weitere Bereiche B3, B4, ... mit anderen Parametern hinsichtlich Form und/oder Brechzahl als die der Bereiche B1 und B2 ausgebildet sind, so dass Licht, welches diese Bereiche B3, B4, ... durchdringt und aus dem optischen Element austritt, andere Beschränkungen der Ausbreitungsrichtungen erfährt, als in den Bereichen B1. Somit sind über das optische Element verteilt Bereiche mit unterschiedlicher Lichtausbreitungsrichtungseinschränkung, quasi mit unterschiedlicher Fokussierung, realisierbar.
• Weiterhin ist es denkbar, am optischen Element zusätzliche reflektierende Schichten und/oder zusätzliche absorbierende Schichten anzubringen, um den Effekt der Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen weiter zu verstärken bzw. zu modulieren. Außerdem können noch Schutzbeschichtungen bzw. Substrate oben und/oder unten am optischen Element angebracht sein. Dabei sollten allerdings die Strahlversätze und Einflüsse auf die Lichtrichtung bei der Auskopplung des Lichtes insbesondere aus den Bereichen B1 bei der technisch-optischen Dimensionierung beachtet werden.
• Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung in der Verwendung eines vorstehend beschriebenen optischen Elements mit einer Bildwiedergabeeinheit (z.B. einem LCD-Panel, einem OLED oder microLED oder jeder anderen Displaytechnologie) oder mit einer Beleuchtungseinrichtung für eine transmissive Bildwiedergabeeinheit (z.B. LCD-Panel). In letzterem Falle würde das optische Element, insbesondere in schaltbaren Ausgestaltungen, direkt in eine Beleuchtungseinrichtung für eine transmissive Bildwiedergabeeinheit wie etwa ein LCD-Panel integriert. Diese Beleuchtungseinrichtung kann dann permanent als gerichtete Hintergrundbeleuchtung wirken (wenn die Schichten AB und OB permanent opak sind), und kann beispielsweise in Ausgestaltungen gemäß der WO 2015/121398 oder der WO 2019/002496 der Anmelderin eingesetzt werden. Alternativ kann eine solche Beleuchtungseinrichtung, umfassend mindestens einen Flächenstrahler und ein erfindungsgemäßes optisches Element, wenn mindestens eine der Schichten AB oder OB zwischen einem transparenten und einem opaken Modus umschaltbar ist, auch direkt als schaltbare Beleuchtungseinrichtung für ein LCD-Panel fungieren.
• Bei den vorgenannten Verwendungsansätzen wird ein schaltbarer Sichtschutz für die Bildwiedergabeeinheit erreicht: Im ersten Betriebszustand, bei dem nur die besagten Fälle a) für die aus dem optischen Element ausfallenden Strahlen verbleiben, ist ein Sichtschutz-Effekt, je nach Ausgestaltung mit einer Top-Head-Verteilung, gegeben. Im zweiten Betriebszustand, bei dem in der Regel die Fälle a) und b), und nur in Ausnahmefällen auch noch die Fälle c) für die aus dem optischen Element austretenden Strahlen gelten, ist ein freier Sichtmodus gegeben, bei dem die Bildwiedergabeeinheit aus allen Richtungen frei betrachtbar ist.
• Für den Fall, dass ein erfindungsgemäßes (erstes) optisches Element in Betrachtungsrichtung vor einer Bildwiedergabeeinheit angeordnet ist, um wahlweise oder permanent 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 Bereichen B1 gegenüber liegen. Dies ist beispielsweise möglich mit Mikrolinsenrastern oder Lentikularen, die in etwa die Perioden der Pixelbreiten (oder ggf. -höhen) aufweisen. Die Periode der Bereiche B1 (d.h. D2+D1) sollte dann im besten Falle mit der Periode der Pixelbreiten (oder ggf. -höhen) übereinstimmen.
• Ein solcher Bildschirm, der mindestens ein (erstes) optisches Element und eine Bildwiedergabeeinheit umfasst, kann beispielsweise in einem PKW oder einem mobilen Gerät eingesetzt werden. Außerdem ist es ggf. auch möglich, eine Bildwiedergabeeinheit nachträglich mit einem ersten optischen Element, ob schaltbar oder nicht, umzurüsten, indem dieses vor der Bildwiedergabeeinheit angeordnet wird.
• Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines (ersten) optischen Elements, umfassend die folgenden Schritte:
• - Herstellen einer Form, welche eine Positivstruktur der gewünschten Bereiche B1 sowie die Negativstruktur eines Trägersubstrates aufweist, (d.h., die Bereiche B2 sind vom Formmaterial gefüllt, während die Bereiche B1 nicht mit Formmaterial gefüllt sind; dabei kann in der Form eine Kavität für ein Trägersubstrat vorhanden sein, welches in einem nachfolgenden Schritt insbesondere mit einem Polymer der B1 ausgefüllt wird),
• - Füllen der Form mit einem flüssigen Polymer, welches nach Aushärten die Brechzahl N1 aufweist,
• - erstes Aushärten des Polymers durch UV-Licht oder durch Abkühlung und nachfolgendes Entfernen des Werkstückes aus der Form,
• - Füllen der Strukturen der Bereiche B2 im Werkstück mit einem Polymer, welches nach Aushärten die Brechzahl N2 aufweist,
• - zweites Aushärten des Polymers durch UV-Licht oder durch Abkühlung, sowie optional
• - nach dem ersten oder zweiten Aushärten: Bedampfen der Bereiche B2 auf der oberen und unteren Oberfläche des Werkstückes durch eine die Bereiche B1 schützende Maske hindurch mit einem opaken oder transparent-opak schaltbaren Material, um die Schichten AB bzw. OB zu erhalten, oder Bedruckung mit einem opaken Material.
• Weiterhin umfasst die Erfindung noch ein anderes Verfahren zur Herstellung eines (ersten) optischen Elements, umfassend die folgenden Schritte:
• - Erzeugen mehrerer Basisblöcke BL, die in dieser Reichenfolge folgende miteinander verbundene Schichten beinhalten: eine Absorberschicht AB, eine transparente Schicht N2 mit der Brechzahl N2, eine opake und optional gleichzeitig reflektierende Schicht OB sowie eine transparente Schicht N1 mit der Brechzahl N1,
• - Stapeln mehrerer Basisblöcke BL übereinander und Verbinden dieser, beispielsweise durch Vulkanisieren, um einen Stapelblock ST zu erhalten,
• - Abschneiden von Scheiben SC mit der Schichtdicke D2 aus dem Stapelblock ST, bevorzugt senkrecht zur Flächenausdehnungsebene der einzelnen Schichten,
• - Stapeln von Scheiben SC mit jeweils dazwischenliegenden transparenten Schichten N1 der Brechzahl N1 mit der Schichtdicke D1 und Verbinden dieser, beispielsweise durch Vulkanisieren, um einen Stapelblock SN zu erhalten, sowie
• - Abschneiden von optischen Elementen aus dem Stapelblock SN, bevorzugt senkrecht zur Flächenausdehnungsebene der einzelnen Scheiben SC.
• In besonderen Ausgestaltungen des optischen Elements kann die transparente Schicht N2 mit der Brechzahl N2 auch absorbierend gewählt werden statt. Dann kann die Absorberschicht AB entfallen.
• Weitere alternativ denkbare Produktionsmethoden wären beispielsweise
• • die Verwendung zweier Polymere, um in einem 3D-Druckverfahren die Bereiche B1 und B2 mit jeweils verschiedenen Brechungsindizes auszugestalten,
• • das Ätzen von Glas, wobei die geätzten Bereiche (entweder B1 oder B2) vorzugsweise im Nachgang mit einem Polymer aufgefüllt werden,
• • die unterschiedliche Vernetzung von Polymeren, sowie
• • die Nutzung fotoausgerichteter Moleküle.
• In allen Fällen folgt dann noch die Aufbringung der Schichten AB und OB, etwa wie vorstehend beschrieben. Selbstredend sind auch andere Herstellungsverfahren für ein optisches Element möglich.
• Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst von einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen flächigen Lichtes, umfassend die folgenden Schritte:
• - flächige Modulation des Lichtes mittels einer flächigen Apertur, welche mindestens erste transparente Bereiche C1 und zweite opake Bereiche C2, die sich über die Fläche der Apertur in einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge abwechseln, enthält,
• - brechzahlbasierte Aufspaltung des durch die transparenten Bereiche C1 propagierenden Lichtes in Strahlen, die innerhalb der Grenzwinkel der Totalreflexion an einer Brechzahlgrenze reflektiert und schließlich ausgekoppelt werden und in Strahlen, die oberhalb der Grenzwinkel der Totalreflexion die besagte Brechzahlgrenze durchdringen, weiter propagieren und hernach von einem Absorber absorbiert werden,
• - so dass das ausgekoppelte Licht gegenüber dem ursprünglichen flächigen Licht eingeschränkte Lichtausbreitungsrichtungen aufweist.
• Die weiter oben stehenden Erläuterungen zum erfindungsgemäßen ersten optischen Element in verschiedenen Ausgestaltungen sind hier sinngemäß anzuwenden, wobei die Bereiche B1 bzw. B2 hier den Bereichen über den Aperturbereichen C1 bzw. C2 sowie die Aperturbereiche C2 den Schichten OB im übertragenen Sinne entsprechen können. Eine detaillierte Erläuterung wird aus Redundanzgründen hier nicht gegeben.
• Die Erfindung umfasst ferner auch noch ein zweites optisches Element, das aus einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge von zwei transparenten komplementären Formen B1 und B2 mit jeweils den Brechzahlen N1 und N2 besteht, wobei die Formen optional auf einem flächigen Substrat S ausgebildet sind, und somit in zwei Richtungen jeweils eine Ebene bilden. Dabei kann die Brechzahl B2 vorteilhaft gleich eins sein, d.h. das Material in den Formen B2 ist beispielsweise Luft. Somit wird Licht, welches unter einer Vorzugsrichtung auf ein solches zweites optisches Element trifft, ungehindert transmittiert, während Licht, welches einen Winkel von mehr als 15° zur besagten Vorzugsrichtung aufweist, durch das zweite optische Element auf Grund von Totalreflexion und/oder Fresnel-Reflexionen abgelenkt.
  Auch hier werden die Ausbreitungsrichtungen des ausfallenden Lichtes beeinflusst.
  Die weiter vorn stehenden Ausgestaltungen können analog angewendet werden und sollen daher an dieser Stelle nicht nochmals wiederholt werden.
• Schließlich umfasst die Erfindung noch ein drittes optisches Element, das flächig ausgedehnt ist, umfassend,
• - mindestens erste aus einem transparenten Material bestehende Bereiche E1 und zweite aus einem opaken Material bestehende Bereiche E2, die sich über die Fläche des dritten optischen Elements in einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge abwechseln und die sich mindestens in ihrer Brechzahl unterscheiden, wobei die Brechzahl N1 der Bereiche E1 größer ist als die Brechzahl N2 der Bereiche E2,
• - so dass an einer ersten Großfläche des dritten optischen Elements auf dieses auftreffende Licht aufgrund des opaken Materials der Bereiche E2 ausschließlich durch die Oberflächen der Bereiche E1 in das dritte optische Element einfällt, und dort je nach geometrischer Einfallrichtung, Polarisation und Brechzahlunterschied zwischen N1 und N2 entweder a) innerhalb eines Bereiches E1 totalreflektiert und hernach an der anderen Oberfläche des entsprechenden Bereiches E1 wieder ausgekoppelt wird, oder b) die Brechzahlgrenze von E1 zu E2 überwindet und in den angrenzenden Bereich E2 eindringt und dort aufgrund des opaken Materials der Bereiche E2 absorbiert wird,
• - wodurch das an der an einer zweiten Großfläche des dritten optischen Elements aus diesem austretende Licht gegenüber dem an der ersten Großfläche auf das dritte optische Element auftreffende Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt ist.
• Diese Ausgestaltung verbessert den Stand der Technik insbesondere dahingehend, dass erstens auch mit Lamellenfiltern ähnlichen dritten optischen Elementen eine Top-Head-Verteilung erreicht werden, da aufgrund der Totalreflexion mehr Nutzlicht in die gewünschten eingeschränkten Winkelbereiche transmittiert wird, als -wie im Stand der Technik üblich- ohne die Totalreflexion, und dass zweitens die Einschränkung der Winkelbereiche des das dritte optische Element durchdringenden Lichtes deutlich stärker eingeschränkt sind, weil nicht allein die opaken Lamellen für die Lichtrichtung sorgen, sondern auch der Brechzahl-unterschied zwischen den Bereichen E1 und E2 dafür sorgt, dass in Bereiche E2 eindringende Strahlen stärker vom Lot weg gebrochen und somit einen längeren optischen Weg durch das absorbierende Material zurücklegen müssten, mithin also stärker ausgelöscht werden, als ohne einen solchen Brechzahlunterschied.
• Dieses dritte optische Element kann vorteilhaft an einer der Großflächen, bevorzugt an der unteren Großfläche, eine Verspiegelung enthalten, wobei es sich dabei entweder um eine winkelabhängige Verspiegelung der gesamten Großfläche oder um eine Vollverspiegelung an den Oberflächen der Bereiche E2 handelt.
• Diesbezüglich umfasst die Erfindung außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines dritten optischen Elements, umfassend die folgenden Schritte:
• - abwechselndes Stapeln von ersten, aus einem transparenten Material bestehenden Schichten E1 mit einer Brechzahl N1, und zweiten, aus einem opaken Material bestehenden Schichten E2 mit einer Brechzahl N2, wobei N1 größer N2 gilt,
• - Verbinden dieser Schichten E1 und E2 miteinander, beispielsweise durch Vulkanisieren,
• - Abschneiden von dritten optischen Elementen aus dem Verbund der Schichten E1 und E2, bevorzugt senkrecht (oder in einem Winkel) zur Flächenausdehnungsebene der einzelnen Schichten E1.
• Die verschiedenen vorbeschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung können auch direkt auf einer selbststrahlenden Bildwiedergabeeinheit umgesetzt werden. Besonders geeignet sind dabei OLEDs-Panels, die im Folgenden näher beschrieben werden. Jedoch sind auch andere selbststrahlende Displayarten denkbar. Die Implementierung kann beispielsweise folgendermaßen erfolgen: Direkt auf den leuchtenden Bereich eines OLED-Pixels werden die Bereiche B1 mit der Brechzahl N1 aufgebracht. Auf die nicht-leuchtenden Bereiche des OLED-Panels werden die komplementären Strukturen B2 aufgebracht, die mit einer mindestens zeitweise opaken Schicht AB und/oder OB bedeckt sind. Die Bereiche B1 sind nicht mit streuenden Strukturen bedeckt, um die Lichtausbeute aus den OLED-Pixeln zu erhöhen, bevorzugt aber die Oberseite der mindestens zeitweise opaken Schichten AB und/oder OB.
• 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 (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer ersten Ausgestaltung in einem ersten Zustand, in dem nur Strahlen des Falles a) aus dem optischen Element ausgekoppelt werden,
• 1b die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer ersten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand, in dem nur Strahlen der Fälle a) und b) aus dem optischen Element ausgekoppelt werden,
• 1c die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer ersten Ausgestaltung in einem dritten Zustand, in dem keine Strahlen absorbiert, sondern lediglich versetzt und/ oder totalreflektiert werden,
• 1d die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer zweiten Ausgestaltung in einem ersten Zustand, in dem nur Strahlen der Fälle a) und c) aus dem optischen Element ausgekoppelt werden,
• 2 die Prinzipskizze der Bereiche B1 und B2 eines optischen Elements bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element, wobei diese streifenförmig abwechselnd über die Fläche des optischen Elements verteilt angeordnet sind,
• 3 die Prinzipskizze der Bereiche B1 und B2 eines optischen Elements bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element, wobei die Bereiche B1 rechteckförmig über die Fläche des optischen Elements verteilt angeordnet und vom Bereich B2 vollständig umgeben sind,
• 3a die Prinzipskizze der Bereiche B1 bis B4 eines optischen Elements bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element, wobei die Bereiche B1, B3 und B4 rechteckförmig über die Fläche des optischen Elements verteilt angeordnet und vom Bereich B2 vollständig umgeben sind,
• 4 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer dritten Ausgestaltung,
• 5 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer vierten Ausgestaltung,
• 6a die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer fünften Ausgestaltung,
• 6b die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer sechsten Ausgestaltung,
• 6c die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer siebten Ausgestaltung,
• 7 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer achten Ausgestaltung,
• 8 die Simulation der normierten Leuchtdichte für drei Parametersätze für aus einem ersten optischen Element der ersten Ausgestaltung austretendes Licht, aufgetragen über dem Emissionswinkel,
• 9 die Simulation der normierten Leuchtdichte für drei weitere Parametersätze für aus einem ersten optischen Element der ersten Ausgestaltung austretendes Licht, aufgetragen über dem Emissionswinkel, im Vergleich zu einem Lamellenfilter,
• 10 die Simulation der normierten Leuchtdichte für drei Parametersätze für aus einem ersten optischen Element der zweiten Ausgestaltung austretendes Licht, aufgetragen über dem Emissionswinkel,
• 11 den simulierten Anteil der Leuchtdichte außerhalb des Bereiches von -25 Grad und +25 Grad für aus einem ersten optischen Element der ersten Ausgestaltung austretendes Licht,
• 12 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer neunten Ausgestaltung in einem ersten Zustand, in dem nur Strahlen des Falles a) in einem engen Winkelbereich aus dem optischen Element ausgekoppelt werden,
• 13 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer neunten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand, in dem nur Strahlen des Falles a), jedoch in einem gegenüber den Verhältnissen der 12 aufgeweiteten Winkelbereich, aus dem optischen Element ausgekoppelt werden,
• 14 die Prinzipskizze der Bereiche C1 und C2 eines Verfahrens, wobei diese Bereiche streifenförmig abwechselnd verteilt angeordnet sind,
• 15 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines zweiten optischen Elements in einer ersten Ausgestaltung,
• 16 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines zweiten optischen Elements in einer ersten Ausgestaltung, wobei beispielhafte Strahlen eingezeichnet sind,
• 17 eine Prinzipskizze zur Illustration eines ersten optischen Elements in einer zehnten Ausgestaltung,
• 18 der Vergleich der Simulationen der normierten Leuchtdichte für aus einem ersten optischen Element der ersten und der achten Ausgestaltung austretendes Licht, aufgetragen über dem Emissionswinkel,
• 19 der Vergleich der Simulationen der normierten Leuchtdichte für aus einem ersten optischen Element der neunten Ausgestaltung austretendes Licht in zwei Zuständen, aufgetragen über dem Emissionswinkel,
• 20 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer ersten Ausgestaltung in einem ersten Zustand, bei Verwendung mit einer transmissiven Bildwiedergabeeinheit und einer Hintergrundbeleuchtung,
• 21 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung) eines ersten optischen Elements in einer ersten Ausgestaltung in einem ersten Zustand, bei Verwendung mit einer selbstleuchtenden Bildwiedergabeeinheit,
• 22 die Weiterbildung eines ersten optischen Elements der ersten Ausgestaltung zu einer schaltbaren, elften Ausgestaltung (Ausschnittdarstellung),
• 23 die Weiterbildung eines ersten optischen Elements der ersten Ausgestaltung zu einer schaltbaren, zwölften Ausgestaltung, hier im ersten Zustand (Ausschnittdarstellung),
• 24 die Weiterbildung eines ersten optischen Elements der ersten Ausgestaltung zu einer schaltbaren, zwölften Ausgestaltung, hier im zweiten Zustand (Ausschnittdarstellung),
• 25a bis 25f Prinzipskizzen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung für erste optische Elemente, sowie
• 26 die Prinzipskizze eines dritten optischen Elements.
• 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 von diesen eine Vielzahl vorhanden ist.
• Ein beispielhaftes erstes optisches Element 1, das flächig ausgedehnt ist, umfasst
• - mindestens erste und zweite, aus transparenten Materialien bestehende Bereiche B1 und B2, die sich über die Fläche des optischen Elements 1 in einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge abwechseln und die sich mindestens in ihrer Brechzahl unterscheiden, wobei die erste Brechzahl N1 der ersten Bereiche B1 größer ist als die zweite Brechzahl N2 der zweiten Bereiche B2,
• - jeweils eine mindestens zeitweise opake Schicht OB an der Unterseite jedes der Bereiche B2,
• - jeweils eine mindestens zeitweise opake Schicht AB an der Oberseite jedes der Bereiche B2,
• - so dass an der Unterseite auf das optische Element 1 auftreffendes Licht aufgrund der opaken Schichten OB, wenn diese im opaken Zustand ist, ausschließlich durch die Oberflächen der Bereiche B1 in das optische Element 1 einfällt, und dort je nach Einfallswinkel, Polarisation und Brechzahlunterschied zwischen N1 und N2 entweder a) innerhalb eines Bereiches B1 totalreflektiert und hernach an der oberen Oberfläche des entsprechenden Bereiches B1 wieder ausgekoppelt wird (Fall a), oder b) die Brechzahlgrenze von B1 zu B2 überwindet und in den angrenzenden Bereich B2 einfällt, in diesem propagiert und schließlich an dessen oberer Seite aufgrund der mindestens zeitweise opaken Schicht AB absorbiert wird, wenn diese im opaken Zustand ist, oder ausgekoppelt wird, wenn die mindestens zeitweise opake Schicht AB transparent ist (Fall b), oder c) nach Überwinden der Brechzahlgrenze von B1 zu B2 wiederum die nächste Brechzahlgrenze B2 zum benachbarten Bereich B1 überwindet und je nach dann gegebener Ausbreitungsrichtung und Polarisation ausgekoppelt wird oder weiter im optischen Element 1 propagiert, bis es entweder ausgekoppelt oder absorbiert wird (Fall c),
• - wodurch das an der Oberseite aus dem optischen Element 1 austretende Licht gegenüber dem an der Unterseite auf das optische Element 1 auftreffende Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt ist.
• Grundsätzlich sollen unter die Fälle c) all diejenigen Lichtstrahlen fallen, die nicht unter die Fälle a) oder b) fallen.
• In praxi liegt eine Vielzahl an Bereichen B1 und B2 auf dem ersten optischen Element 1 vor.
• Dazu zeigt die 1a die Prinzipskizze eines solchen ersten optischen Elements 1 in einer ersten Ausgestaltung in einem ersten Zustand (d.h. die Schichten AB und OB sind opak), in dem nur Strahlen des Falles a) aus dem optischen Element 1 ausgekoppelt werden. Diese weisen gegenüber den von unten auf das optische Element 1 einfallenden Strahlen eingeschränkte Ausbreitungsrichtungen auf.
  Strahlen des vorbeschriebenen Falles b) werden an den Schichten AB absorbiert. Von unten auf die Schichten OB einfallendes Licht wird ebenso absorbiert.
  Für die Dimensionierung bezeichnet D1 die Breite der Bereiche B1, D2 die Breite der Bereiche B2 sowie H die gleiche Höhe jeweils beider Bereiche B1 und B2.
  Für besondere Anwendungsfälle könnten die Bereiche B1 und B2 jeweils auch -in gewissen Grenzenunterschiedliche Höhen aufweisen.
• Ferner zeigt 1b die Prinzipskizze eines ersten optischen Elements 1 in einer ersten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand, in dem nur Strahlen der Fälle a) und b) aus dem optischen Element 1 ausgekoppelt werden. Hierzu befindet sich die obere Schicht AB in einem transparenten Zustand (gestrichelt dargestellt).
• Das Winkelspektrum des oben aus dem optischen Element 1 austretenden Lichtes ist somit deutlich breiter als das gemäß den Verhältnissen nach 1a, wo nur Lichtstrahlen des Falles a) austreten.
• Weiterhin gibt die 1c die Prinzipskizze eines ersten optischen Elements 1 in einer ersten Ausgestaltung in einem dritten Zustand wieder, in dem keine Strahlen absorbiert, sondern lediglich versetzt und/ oder totalreflektiert werden. Hierzu werden beide Schichten, AB und OB, in einen transparenten Zustand versetzt (gestrichelt dargestellt).
• Schließlich zeigt 1d die Prinzipskizze eines ersten optischen Elements 1 in einer zweiten Ausgestaltung in einem ersten Zustand (d.h. die Schichten AB und OB sind opak), in dem nur Strahlen der Fälle a) und c) aus dem optischen Element 1 ausgekoppelt werden. Dieser dritte Fall c) für die Strahlen, die nach Überwinden der Brechzahlgrenze von B1 zu B2 wiederum die nächste Brechzahlgrenze B2 zum benachbarten Bereich B1 überwinden und je nach dann gegebener Ausbreitungsrichtung und Polarisation ausgekoppelt werden oder weiter im optischen Element 1 propagieren, bis sie entweder ausgekoppelt oder absorbiert werden, ist für spezielle Anwendungsfälle von Interesse, etwa wenn Lichtausbreitungsrichtungen in mittleren Winkelbereichen von ca. 30 bis 50 Grad absorbiert werden sollen, größere und kleinere Winkel jedoch mit Licht beaufschlagt werden sollen. Die unter c) genannten Fälle können auf Basis optischer Simulation des optischen Elements durch geeignete Dimensionierung der Brechzahlen N1 und N2 sowie geeignete Wahl der Breiten der Bereiche B1 und B2 sowie deren Höhe ein- oder ausgeschlossen werden.
• Für die Erzielung der erfindungsgemäßen und bevorzugten Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen des einfallendes Lichtes (d.h. es sind nur noch die Fälle a) der Strahlen vorhanden, wie in 1a dargestellt) ist es wichtig, dass die beiden mindestens zeitweise opaken Schichten AB und OB tatsächlich opak sind. Sobald eine der Schichten, beispielsweise die Schicht AB, nicht opak ist, können schräge Lichtstrahlen, die oberhalb des eigentlichen Grenzwinkels der Totalreflexion an der Grenzfläche B1-B2 in Bereiche B2 eindringen, an deren oberen Kanten durch die nicht-opake Schicht AB ungewollt austreten.
• Weiterhin zeigt die 2 die Prinzipskizze der Bereiche B1 und B2 eines ersten optischen Elements bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element 1 (also eine Draufsicht), wobei diese streifenförmig abwechselnd über die Fläche des optischen Elements 1 verteilt angeordnet sind. Damit würde die Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen senkrecht zu den streifenförmigen Bereichen B1 und B2 wirksam sein, nicht aber parallel zu ihnen.
• Alternativ dazu gibt 3 die Prinzipskizze der Bereiche B1 und B2 eines ersten optischen Elements 1 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element 1 wieder (also ebenso in Draufsicht), wobei hier die Bereiche B1 rechteckförmig über die Fläche des optischen Elements 1 verteilt angeordnet und vom Bereich B2 vollständig umgeben sind, d.h. die Bereiche B2 sind dazu jeweils komplementär geformt.
• Damit würde die Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen jeweils in mindestens zwei Ebenen, die senkrecht zu der Oberfläche des optischen Elements 1 stehen, wirksam sein. Praktisch ist die Wirkung eines solchen optischen Elements 1 in der Regel derart, dass die Lichtausbreitungsrichtungen in jedem Winkel 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 25 oder 30 Grad beträgt.
• Überdies zeigt 3a die Prinzipskizze von Bereichen B1 bis B4 eines optischen Elements 1 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element, wobei die Bereiche B1, B3 und B4 rechteckförmig über die Fläche des optischen Elements verteilt angeordnet und vom Bereich B2 vollständig umgeben sind. Dabei haben die Bereiche B1, B3 und B4 jeweils unterschiedliche Parameter hinsichtlich der Form und/oder der Brechzahl. Aufgrund dessen erfährt Licht, welches diese Bereiche B3 und B4 durchdringt und aus dem optischen Element 1 austritt, andere Beschränkungen der Ausbreitungsrichtungen, als in den Bereichen B1. Somit sind über das optische Element 1 verteilt Bereiche mit unterschiedlicher Lichtausbreitungsrichtungseinschränkung, quasi mit unterschiedlicher Fokussierung, realisierbar.
• Alle Varianten gemäß 2, 3 und 3a sind mit den Verhältnissen gemäß der 1a bis 1d gut kombinierbar.
• Andere Formen der Bereiche B1 und B2 sind ebenso möglich. Wichtig für die Erhaltung der Funktionsweise der Erfindung ist dabei stets, dass die Bereiche B1 und B2 optisch unmittelbar aneinander angrenzen, so dass ein optischer Brechzahlsprung möglichst ohne Luftspalt gegeben ist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen sind derart ausgestaltet, jede mindestens zeitweise opake Beschichtung OB an der Unterseite der Bereiche B2 durch eine permanente Absorberschicht und/oder durch mindestens eine nach unten spiegelnde Schicht ausgebildet ist. Wenn nur eine spiegelnde Schicht vorhanden ist, was im Rahmen der Erfindung möglich ist, so hat diese selbstredend ebenfalls opake Eigenschaften. Die spiegelnden Eigenschaften tragen dazu bei, die Effizienz zu erhöhen, etwa wenn ein erfindungsgemäßes optisches Element 1 in einer Beleuchtungseinrichtung, etwa für ein LCD-Panel, eingebaut wird.
• Ferner ist es möglich, dass jede mindestens zeitweise opake Schicht AB an der Oberseite der Bereiche B2 durch eine permanente Absorberschicht ausgebildet ist.
• Weisen dann in bestimmten, statischen Ausgestaltungen beide Schichten OB und AB permanente opake Eigenschaften auf und sind die Brechzahlen N1 und N2 unveränderbar, so wirkt das optische Element 1 permanent einschränkend auf die Ausbreitungsrichtungen des auf es einfallenden Lichtes.
• Ist hingegen in anderen, schaltbaren Ausgestaltungen der Erfindung mindestens eine der beiden mindestens zeitweise opaken Schichten AB und/oder OB des ersten optischen Elements 1 zwischen einem opaken und einem transparenten Zustand umschaltbar, so ist die Eigenschaft der Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen des auf das optische Element 1 einfallenden Lichtes auf diese Weise zu- und abschaltbar: Ausschließlich in dem Fall, dass beide Schichten AB und OB opak sind, werden die Lichtausbreitungsrichtungen eingeschränkt (Fall a) - siehe 1). Sobald eine der Schichten AB oder OB nicht opak ist, liegt die Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen nicht mehr vor (Fälle a) und b) und ggf. c), dargestellt u.a. in der Zeichnung 1b). Somit ist das optische Element 1 schaltbar. Sollten sogar beide Schichten, nämlich AB und OB, transparent geschaltet sein, wie in 1c gezeigt, so bewirkt das optische Element 1 lediglich -je nach Einfallsrichtung des Lichtes- Strahlversätze und Richtungsänderungen durch totale interne Reflexionen an den Grenzbereichen B1 und B2, blockt aber insgesamt kein Licht ab.
• In bevorzugten schaltbaren Ausgestaltungen wird nur die obere Schicht AB opak-transparent umschaltbar gestaltet, während die untere Schicht OB permanent opak (und ggf. auch reflektierend) ausgebildet ist. Dies ist ausreichend, um die gewünschten Effekte zu erzielen.
• Die Umschaltbarkeit der Schichten AB bzw. OB kann bevorzugt basieren auf einem oder gleichzeitig mehreren der folgenden Prinzipien: Elektrobenetzung, Elektrophorese, Elektrochromie und/oder Flüssigristallzellen.
• Im Falle der Elektrobenetzung würden für eine Schicht AB und/oder OB mindestens zwei Zustände der der Elektrobenetzung unterliegenden, opaken Flüssigkeitsmengen definiert.
  Dazu zeigt die 23 als Ausschnittdarstellung die Weiterbildung eines ersten optischen Elements 1 der ersten Ausgestaltung zu einer schaltbaren, zwölften Ausgestaltung, hier im ersten Zustand, korrespondierend zu 1a. Demgegenüber zeigt 24 als Ausschnittdarstellung die Weiterbildung eines ersten optischen Elements 1 der ersten Ausgestaltung zu einer schaltbaren, zwölften Ausgestaltung, hier im zweiten Zustand, korrespondierend zu 1b.
  In beiden Zeichnungen, 23 und 24, sind mindestens folgende Komponenten vorhanden:
• - mindestens eine flächige ITO-Elektrode 4,
• - eine flächige Isolatorschicht 8,
• - eine flächige Elektrode 9, die über aus der Fläche ragende, dünne Elektroden 9a jeweils in die Flüssigkeitstropfen 10 hineinragt,
• - eine zeichnerisch nicht dargestellte regelbare Spannungsquelle, welche mit der flächigen ITO-Elektrode 4 und der flächigen Elektrode 9 kontaktiert ist,
• - opake Flüssigkeitstropfen 10, die zwischen der Isolatorschicht 8 und den Elektrode 9 angeordnet sind, und die ggf. in eine Gelmatrix oder transparente Flüssigkeit eingebettet sind, und die dem Effekt der Elektrobenetzung unterliegen.
• In einem ersten Betriebszustand gemäß 23 würden die Flüssigkeitstropfen 10 der Schicht AB die entsprechende Oberfläche eines Bereiches B2 möglichst komplett überdecken, also opak sein (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen gegeben) und in einem zweiten Betriebszustand gemäß 24 würden die Flüssigkeitstropfen 10 der Schicht AB die entsprechende Oberfläche eines Bereiches B2 nur auf kleinstmöglichster Fläche überdecken, also weitestgehend transparent sein (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen nicht gegeben). Dazu würden an der Spannungsquelle jeweils für die vorgenannten Zustände benötigte Spannungen eingestellt.
• Im Falle von Elektrophorese würden für eine Schicht AB und/oder OB opake Partikel, die elektrophoretisch bewegt werden können, in einer Flüssigkeit oder Gelmatrix bereitgestellt. Aufgrund der Wirkung eines elektrischen Feldes, welches über transparente Elektroden angelegt werden kann, würden diese dann in einem ersten Betriebszustand als Schicht AB bzw. OB die entsprechende Oberfläche eines Bereiches B2 möglichst komplett überdecken, so dass die Schicht AB bzw. OB opak wirkt (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen gegeben). In einem zweiten Betriebszustand bei einer anderen elektrischen Feldverteilung würden die Partikel als Schicht AB bzw. OB die entsprechende Oberfläche eines Bereiches B2 auf kleinstmöglichster Fläche überdecken oder in ein Reservoir überführt oder im Volumen verteilt werden, die Schicht also mithin transparent sein (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen nicht gegeben).
• In Abwandlung dessen ist es auch möglich, dass opake, elektrophoretisch bewegbare Partikel die Schichten AB und/oder OB ersetzen. Solche Partikel würden dann auf den Oberflächen der Bereiche B2, also an den Stelle der Schichten AB und/oder OB, entweder unmittelbar anliegen, um eine Totalreflexion zu stören und einen opaken Zustand zu erzeugen, oder -nach elektrophoretischer Bewegung- in maximal 100µm Abstand angeordnet sein, um eine Totalreflexion an den besagten Stellen zu erlauben und somit Licht weiter im optischen Element propagieren zu lassen, bis es in Bereichen B1 ausgekoppelt wird.
• Ferner gibt 22 die Weiterbildung eines ersten optischen Elements 1 als Ausschnittdarstellung der ersten Ausgestaltung zu einer schaltbaren, elften Ausgestaltung, wieder. Dabei sind, um die Schicht AB zu bilden, mindestens vorhanden:
• - transparente Elektroden 4 und 6,
• - ein -zeichnerisch nicht dargestellte- regelbare Spannungsquelle, die mit den transparenten Elektroden 4 und 6 kontaktiert ist,
• - mindestens eine elektrochrome Schicht 5, sowie
• - optional eine Schutzschicht 7, z.B. Glas oder ein Polymer.
Im Falle von Elektrochromie würde die Schicht 5 mit einem elektrochromen Material, z.B. einem Metalloxid (wie TiO₂, NiO, Nb₂O, MoO₃, Ta₂O₅, WO₃, IrO₂ oder Zr₂O₅), sowie entsprechenden transparenten Elektroden 4, 6 wie z. B. ITO (indium doped tinoxide), FTO (fluorinedopedtinoxide) oder AZO (Aluminium-dotiertes Zinkoxid), die die elektrochromen Materialien 5 einbetten, ausgebildet. In Abhängigkeit von der an den Elektroden 4, 6 angelegten Spannung werden dann mindestens zwei Zustände für die elektrochrome Schicht 5, und somit gleichsam für die Schichten AB, definiert. In einem ersten Betriebszustand ist die Schicht AB opak (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen gegeben) und in einem zweiten Betriebszustand ist die Schicht AB transparent (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen nicht gegeben).
• Die Schichten AB und/ oder OB können auch als Flüssigristallzellen, etwa TN-Zellen mit entsprechenden Polarisatorpaaren, ausgebildet werden. Die Flüssigkristallzellen können dann entsprechend über das Anlegen entsprechender elektrischer Felder bzw. Spannungen an Elektroden opak (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen gegeben) oder transparent (dann ist die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen nicht gegeben) geschaltet werden.
• Ferner kann es von Vorteil sein, wenn die mindestens zeitweise opaken Schichten AB und/oder OB in das Material, aus dem die Bereiche B1 bestehen, eingebettet sind, wobei bevorzugt der Materialanteil der Bereiche B1 des optischen Elements 1 nahtlos in den besagten, die Schichten AB und/oder OB einbettenden Anteil übergeht.
  Dazu zeigt 4 die Prinzipskizze eines ersten optischen Elements in einer dritten und 5 in einer vierten Ausgestaltung.
  Dabei kann das Material der ersten Bereiches B1 mit der ersten Brechzahl N1 das gleiche Material wie das eines wie vorstehend beschrieben gebildeten Substrates sein, wie 4 zeigt.
  Alternativ ist es denkbar, dass die Bereiche B2 komplett von Material der Bereiche B1 mit der Brechzahl N1 eingehüllt sind, so wie es 5 wiedergibt.
• Weitere Ausgestaltungen sehen vor, dass die Bereiche B1 und B2 bei Betrachtung in Schnittrichtung senkrecht zur oberen Oberfläche des optischen Elements 1 trapezförmig ausgebildet sind.
  Dazu geben die 6a bis 6c Prinzipskizzen eines ersten optischen Elements in einer fünften, sechsten und siebten Ausgestaltung wieder.
  Durch derartige Ausbildungsformen der Bereiche B1 und B2 wird eine gezielte Beeinflussung der Ausbreitungsrichtungen des aus dem optischen Element 1 austretenden Lichtes vorgenommen: Je nach Ausgestaltung findet eine stärkere (6a) oder schwächere (6b) Fokussierung des Lichtes über die Fläche statt. Außerdem ist es möglich, etwa durch parallelogrammförmige Schnitte (6c) der Bereiche B1 und B2, eine Peak-Verschiebung mittels der einhergehenden Verkippung der Grenzflächen zwischen den Bereichen B1 und B2 zu erzielen.
• Es ist überdies möglich, dass auf mindestens einem Teil der Bereiche B1 eines optischen Elements 1, bevorzugt auf allen Bereichen B1, an deren Oberseite eine Linsenstruktur L aufgebracht ist, bevorzugt eine konvexe Linsenstruktur. Dies unterstützt die definierte Beeinflussung der Ausbreitungsrichtung des aus dem optischen Element 1 austretenden Lichtes.
  Dazu zeigt die 7 die Prinzipskizze eines ersten optischen Elements 1 in einer achten Ausgestaltung.
  Alternativ oder zusätzlich kann die Unterseite der Bereiche B1 eine -zeichnerisch nicht dargestelltekonkave oder konvexe Linsenstruktur aufweisen, um die Lichteintrittsrichtungen in die Bereiche B1 zu beeinflussen, und damit auch Einfluss darauf zu nehmen, ob ein Lichtstrahl schließlich unter die besagten Fälle a), b) oder c) fällt.
• Die 8 gibt die Simulation der normierten Leuchtdichte für drei Parametersätze für aus einem ersten optischen Element 1 der ersten Ausgestaltung austretendes Licht, aufgetragen über dem Emissionswinkel, wieder. Hierzu wurden die Verhältnisse gemäß der Zeichnungen 1a und 2 zu Grunde gelegt. Dabei wurde eine 100-prozentige Opazität der Schichten AB und OB angenommen. Sehr gut zu sehen ist, dass bei dem geringen Brechzahl unterschied von 0,01 zwischen N1=1,6 und N2=1,59 eine Top-Head-Verteilung erzielt wird. Ferner ist zu erkennen, dass die Extinktion bei größeren Winkeln mit einem beliebig starken Faktor erzielt werden kann. In diesem Rechenbeispiel wurde die Höhe über 32µm, 50µm und 65µm variiert. Je größer die Höhe H, desto schmaler ist der Winkelbereich des ausgekoppelten Lichtes. Das gesamte ausgekoppelte Licht ist dem Fall a) zuzurechnen.
  Der Wirkmechanismus ist mit anderen Worten der Folgende:
• Wenn Strahlen jeweils auf die Grenzfläche der Bereiche B1 zu den Bereiche B2 (d.h. von der Brechzahl N1 auf die Brechzahl N2) treffen, dann werden diese entweder totalreflektiert, oder in die Bereiche B2 (mit der Brechzahl N2) hineingebrochen, je nach Einfallswinkel. Wenn nun die letztgenannten Strahlen in die Bereiche B2 (mit der Brechzahl N2) hineingebrochen werden, so wird dennoch ein (kleiner) Teil auch wieder in die Bereiche B1 zurückreflektiert (Fresnel-Reflexion). Je kleiner die Differenz N1 minus N2, desto kleiner ist dieser rückreflektierte Anteil. Je höher die Höhe H (die fertigungstechnischen Limitationen unterliegt) ist, desto mehr wird dieser Rückreflexionseffekt maskiert. Im Idealfall wird eine fast perfekte Rechteckverteilung erzeugt.
• In den Zeichnungen 8-10 ist die vorgenannte Rückreflexion bereits eingerechnet. Zu beachten ist die logarithmische Ordinate in diesen Zeichnungen.
• Die besagten Zeichnungen 8 bis 10 geben gleichsam beispielhafte Parameter für die technischoptische Dimensionierung der wesentlichen Parameter D1, D2, H, N1 sowie N2.
• Ergänzend zeigt die 9 eine auf den gleichen Voraussetzungen basierende Simulation der normierten Leuchtdichte für drei weitere Parametersätze für aus einem ersten optischen Element 1 der ersten Ausgestaltung austretendes Licht. Dieses Mal wurde bei fester Höhe H=65 µm die Brechzahl N2 und damit auch der Brechzahlunterschied zwischen N1=1,6 und N2 variiert (N2=1,56 / 1,575 / 1,59). Zu erkennen ist hier, dass ein größerer Brechzahlunterschied mehr Licht in seitlichen Winkeln zulässt. Alles ausgekoppelte Licht ist dem Fall a) zuzurechnen. Gleichwohl ist auch hier eine Top-Head-Verteilung gegeben. Der Vergleich mit einem herkömmlichen Lamellenfilter zur Lichtrichtungsbeschränkung ist ebenfalls in 9 eingezeichnet. Es ist klar zu erkennen, dass ein erfindungsgemäßes erstes optisches Element 1 gegenüber dem Stand der Technik, d.h. dem Lamellenfilter, wesentlich verbesserte Eigenschaften aufweist: Zum einen ist die Sichtschutzwirkung -je nach Ausgestaltung- ab Winkeln mit einem Betrag von 25 bis etwa 30 Grad um Größenordnungen besser. Zum anderen weist die Erfindung die wünschenswerte Top-Head-Verteilung auf. Demgegenüber schwankt bei einem Lamellenfilter, der in aller Regel keine Top-Head-Verteilung aufweist, die wahrnehmbare Leuchtdichte je nach Ausgestaltung und Betrachtungsposition schon bei wenigen Grad Abweichung zur Mittelsenkrechten. So kann schon sie auf die Hälfte zusammenbrechen, wenn sie aus einem Winkel von mehr als 10 Grad gegenüber der Mittelsenkrechten gemessen wird.
• Demgegenüber zeigt 10 die Simulation der normierten Leuchtdichte für einen Parametersatz für aus einem ersten optischen Element 1 der zweiten Ausgestaltung austretendes Licht, aufgetragen über dem Emissionswinkel. Hier ist die disruptive Verteilung der mit Licht beaufschlagten Ausbreitungswinkel mit seitlichen Flanken gut zu erkennen. Während das dem Fall a) zuzurechnende Licht in den Winkeln zwischen ca. -28° und +28° liegt, sind zusätzliche Strahlen des Falles c) zwischen etwa -50° bis -77° und +50° bis +77° vorhanden. Weiterhin gibt 11 den simulierten Anteil der Leuchtdichte außerhalb des Bereiches von -25 Grad und +25 Grad (also Licht des Falls a)) für aus einem ersten optischen Element 1 der ersten Ausgestaltung austretendes Licht wieder. Die zu Grunde liegenden Brechzahlen für die Simulation sind N1=1,6 und N2=1,59. Zu erkennen ist das (helle) Parameterfenster oben, in welchem der Anteil des in dem vorgenannten Winkelbereich ausgekoppelten Lichts am größten ist. Der Fachmann kann hieraus Werte für die Dimensionierung der Breiten D1 und D2 sowie der Höhe H für die Bereiche B1 und B2 ableiten, um ein optisches Element 1 für den Fall a) zu optimieren.
• Im Übrigen gibt 18 den Vergleich der Simulationen der normierten Leuchtdichte für aus einem ersten optischen Element 1 der ersten Ausgestaltung (korrespondierend zu 1a) und der achten Ausgestaltung (korrespondierend zu 7) austretendes Licht, aufgetragen über dem Emissionswinkel, wieder. Es ist zu erkennen, dass der Einsatz von Linsen L, ohne eine Top-Head-Verteilung zu zerstören, den Winkeleinschränkungseffekt deutlich verbessern kann.
• In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Elements 1 ist die Brechzahl N1 des Materiales in den Bereichen B1 und/oder die Brechzahl N2 des Materiales in den Bereichen B2 zwischen mindestens zwei Zuständen umschaltbar, so dass die Brechzahlunterschiede an den Brechzahlgrenzen B1 zu B2 jeweils modulierbar sind, wodurch die besagte Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen variierbar ist. Dazu zeigt 12 die Prinzipskizze eines ersten optischen Elements 1 in einer neunten Ausgestaltung in einem ersten Zustand, in dem nur Strahlen des Falles a) in einem engen Winkelbereich aus dem optischen Element 1 ausgekoppelt werden. Hier betragen N2 = 1.49 und N1 = 1.5 bei einer entsprechenden Orientierung der Flüssigkristalle.
  13 gibt die Prinzipskizze eines ersten optischen Elements 1 in der neunten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand wieder, in dem ebenfalls nur Strahlen des Falles a), jedoch in einem gegenüber den Verhältnissen der 12 aufgeweiteten Winkelbereich aus dem optischen Element 1 ausgekoppelt werden. Hier betragen N2 = 1.49 und N1 = 1.6 bei einer entsprechenden Orientierung der Flüssigkristalle.
  Dazu zeigt 19 den Vergleich der optischen Simulationen der normierten Leuchtdichte für aus einem ersten optischen Element 1 der neunten Ausgestaltung austretendes Licht in den zwei zu 12 und 13 korrespondierenden Zuständen, aufgetragen über dem Emissionswinkel. Es ist klar ersichtlich, dass die Winkelbeschränkung vermittels der vorbeschriebenen, umschaltbaren neunten Ausgestaltung eines optischen Elements 1 variierbar ist.
• Für die vorgenannte neunte Ausgestaltung kann mindestens eines der Materialien der Bereiche B1 und/oder B2 aus Flüssigkristallen bestehen, die mit Elektroden in Kontakt stehen, um über eine Änderung der Spannung an den Elektroden eine Brechzahländerung für linear polarisiertes Licht in den Flüssigkristallen herbeizuführen.
  Die Elektroden können, wenn Sie beispielsweise an der Ober- und Unterseite der Bereiche B1 angeordnet sind, transparent sein, wie z.B. in Form einer ITO-Schicht.
  Für diese Ausgestaltung ist zu bemerken, dass die Schichten AB und OB bevorzugt permanent opak sind, und dass ferner in der Regel ausschließlich die Lichtstrahlen des Falles a) das optische Element 1 nach oben verlassen können.
  Allerdings weisen diese Strahlen des Falles a) je nach Brechzahldifferenz an den Grenzflächen B1 zu B2 einen schmaleren oder breiteren Winkelbereich der Ausbreitungsrichtungen auf, wie in den Zeichnungen
  12, 13 und 19 dargestellt. Dieser Winkelbereich ist umso breiter, je größer die Brechzahldifferenz ist und umso kleiner, je kleiner die Brechzahldifferenz ist.
  Grundsätzlich können in dieser neunten Ausgestaltung auch noch dritte, vierte und weitere Zustände einstellbar sein, die noch anderen Brechzahlwerten entsprechen, falls diese von einer Anwendung erfordert wird.
• Für besondere Anwendungsfälle ist es möglich, dass auf dem optischen Element 1 mindestens ein Bereich B1 ausgebildet ist, der bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element 1 in seiner kürzesten Ausdehnung mindestens zwanzigmal so groß ist, wie die kürzeste Ausdehnung aller Bereiche B2 bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das optische Element 1, so dass innerhalb des besagten mindestens einen Bereiches B1 außer an dessen Rändern und bis auf Parallelversätze im Wesentlichen keine Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen des aus dem optischen Element 1 austretenden Lichtes gegenüber dem auf das optische Element 1 auftreffenden Lichtes vorliegt. Dazu zeigt 17 eine Prinzipskizze zur Illustration eines ersten optischen Elements 1 in einer solchen zehnten Ausgestaltung. Die linke, unschraffierte Hälfte würde beispielsweise einem einzigen kompletten Bereich B1 entsprechen, während die rechte, schraffierte Hälfte alternierend Bereiche B1 und B2 aufweist, korrespondierend beispielsweise zu der ersten bis neunten Ausgestaltung des optischen Elements 1. Dies bedeutet nichts anderes, als das die Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen von das optische Element 1 durchdringendem Licht nicht auf der gesamten Fläche des optischen Elements 1 wirkt, sondern vielmehr in diesem Beispiel nur auf der rechten Hälfte.
• Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung in der Verwendung eines vorstehend beschriebenen ersten optischen Elements 1 mit einer Bildwiedergabeeinheit (z.B. einem LCD-Panel, einem OLED oder microLED oder jeder anderen Displaytechnologie) oder mit einer Beleuchtungseinrichtung für eine transmissive Bildwiedergabeeinheit.
• Dazu gibt 20 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung, Ausschnitt) eines ersten optischen Elements 1 in einer ersten Ausgestaltung in einem ersten Zustand wieder, und zwar bei Verwendung mit einer transmissiven Bildwiedergabeeinheit „LCD“ und einer Hintergrundbeleuchtung „BLU“. Somit ist das optische Element 1, insbesondere in schaltbaren Ausgestaltungen, direkt in eine Hintergrundbeleuchtung BLU für eine transmissive Bildwiedergabeeinheit wie etwa ein LCD-Modul integriert.
• Vorteilhaft sind hier die permanent opaken Schichten OB an der Unterseite reflektierend, so dass dort auftreffendes Licht in die Hintergrundbeleuchtung BLU zurückgeworfen und dort recycelt wird, wie in der Zeichnung angedeutet. Das Licht der Hintergrundbeleuchtung BLU kann somit ausschließlich in die Bereiche B1 eindringen und erfährt dort im ersten Zustand des optischen Elements 1, wenn die Schichten AB opak sind, die erfindungsgemäße Beschränkung der Lichtrichtungen. Die Bildwiedergabeeinheit LCD wird dann nur von erfindungsgemäß gerichtetem Licht durchdrungen und ist nur aus einem entsprechend eingeschränkten Winkelbereich sichtbar, bis auf Streuverluste, etwa aufgrund des LCD-Panels selbst. Wird ein, zeichnerisch nicht dargestellter zweiter Zustand des optischen Elements 1 eingestellt, bei dem die Schichten AB transparent geschaltet sind, so würde ein breites Winkelspektrum an Licht die Bildwiedergabeeinheit LCD durchdringen und diese würde aus einem weiten Winkelbereich sichtbar sein.
• Bei den vorgenannten Verwendungsansätzen wird ein schaltbarer Sichtschutz für die Bildwiedergabeeinheit LCD erreicht: Im ersten Betriebszustand, bei dem nur die besagten Fälle a) für die aus dem optischen Element 1 ausfallenden Strahlen verbleiben, ist ein Sichtschutz-Effekt, je nach Ausgestaltung mit einer Top-Head-Verteilung, gegeben. Die Top-Head-Verteilung ist für einen Betrachter angenehmer als eine typische Lichtverteilung auf Basis eines Lamellenfilters, weil mit einem Lamellenfilter die Bewegungsfreiheit stark eingeschränkt ist: Schon wenige Zentimeter Kopfbewegung zur Seite sorgen für starke, sichtbare Helligkeitsabfälle (siehe auch 9 zum Vergleich). Teilweise sind diese schon bei Kopfstillstand sichtbar, wenn der Bildschirm groß genug ist. Dem wird durch die Top-Head-Verteilung suffizient entgegengewirkt. Im zweiten Betriebszustand, bei dem in der Regel die Fälle a) und b), und ggf. auch noch die Fälle c) für die aus dem optischen Element 1 austretenden Strahlen gelten, ist ein freier Sichtmodus gegeben, bei dem die Bildwiedergabeeinheit LCD aus allen Richtungen frei betrachtbar ist.
• Weiterhin zeigt 21 die Prinzipskizze (Schnittdarstellung, Ausschnitt) eines ersten optischen Elements 1 in einer ersten Ausgestaltung in einem ersten Zustand, und zwar bei Verwendung mit einer selbstleuchtenden Bildwiedergabeeinheit 3. Dabei ist das erfindungsgemäße optische Element 1 in Betrachtungsrichtung vor einer solchen Bildwiedergabeeinheit 3, beispielsweise einem OLED-Panel, angeordnet (ein LCD-Panel mit Hintergrundbeleuchtung wie auch jede andere Bildschirmtechnologie würden jedoch genauso anwendbar sein), um wahlweise oder permanent deren Lichtausbreitungsrichtungen zu beschränken. In diesem Fall kann auf der Bildwiedergabeeinheit 3 noch eine Optik vorhanden sein, die das von den jeweiligen Pixeln der Bildwiedergabeeinheit 3 abgestrahlte Licht im Wesentlichen auf den Flächen bündeln, die den Bereichen B1 gegenüber liegen. Dies ist beispielsweise möglich mit Mikrolinsenrastern oder Lentikularen, die in etwa die Perioden der Pixelbreiten (oder ggf. -höhen) aufweisen. Die Periode der Bereiche B1 (d.h. D2+D1) sollte dann im besten Falle mit der Periode der Pixelbreiten (oder ggf. -höhen) übereinstimmen und zueinander ausgerichtet sein. Ein Periode der Pixelbreite der Bildwiedergabeeinheit 3 ist in 21 mit den beiden Strichlinien angedeutet. Ein Pixel liegt dann beispielswiese etwa mittig gegenüber einem Bereich B1. Eine vorbeschriebene Optik mit Mikrolinsenrastern oder Lentikularen ist in 21 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet, kann aber vorhanden sein.
• Weiterhin umfasst die Erfindung noch ein Verfahren zur Herstellung eines ersten optischen Elements 1, das an Hand der Zeichnungen 25a bis 25f, die vereinfachte Prinzipskizzen zeigen, erläutert werden soll. Dieses umfasst die folgenden Schritte:
• - Erzeugen mehrerer Basisblöcke BL, die in dieser Reichenfolge folgende miteinander verbundene Schichten beinhalten: eine Absorberschicht AB, eine transparente Schicht N2 mit der Brechzahl N2, eine opake und optional gleichzeitig reflektierende Schicht OB sowie eine transparente Schicht N1 mit der Brechzahl N1, (siehe 25a),
• - Stapeln mehrerer Basisblöcke BL übereinander und Verbinden dieser, beispielsweise durch Vulkanisieren oder Kleben, um einen Stapelblock ST zu erhalten, (siehe 25b),
• - Abschneiden von Scheiben SC mit der Schichtdicke D2 aus dem Stapelblock ST, bevorzugt senkrecht zur Flächenausdehnungsebene der einzelnen Schichten AB, (siehe 25c), wobei alternativ zum senkrechten Schnitt auch ein Schnittwinkel von ca. 60° bis 120° in Frage kommen kann,
• - Stapeln von Scheiben SC mit jeweils dazwischenliegenden transparenten Schichten N1 der Brechzahl N1 mit der Schichtdicke D1 und Verbinden dieser, beispielsweise durch Vulkanisieren oder Kleben, um einen Stapelblock SN zu erhalten, (siehe 25d), sowie
• - Abschneiden von optischen Elementen 1 aus dem Stapelblock SN, bevorzugt senkrecht zur Flächenausdehnungsebene der einzelnen Scheiben SC, (siehe 25e).

Im Ergebnis liegen (erste) optische Elemente 1 vor, wie in 25f gezeigt.
• Selbstredend sind auch andere Herstellungsverfahren für ein optisches Element 1 möglich.
• Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst von einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen flächigen Lichtes, zu welchem die 14 die Prinzipskizze der Bereiche C1 und C2 zeigt, wobei diese Bereiche streifenförmig abwechselnd verteilt angeordnet sind. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
• - flächige Modulation des Lichtes mittels eines flächigen Apertur, welche mindestes erste transparente Bereiche C1 und zweite opake Bereiche C2 (beispielsweise mittels Schichten OB), die sich über die Fläche der Apertur in einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge abwechseln, enthält,
• - brechzahlbasierte Aufspaltung des durch die transparenten Bereiche C1 propagierenden Lichtes in Strahlen, die innerhalb der Grenzwinkel der Totalreflexion an einer Brechzahlgrenze reflektiert und schließlich ausgekoppelt werden und in Strahlen, die oberhalb der Grenzwinkel der Totalreflexion die besagte Brechzahlgrenze durchdringen, weiter propagieren und hernach von einem Absorber (z.B. Schichten AB) absorbiert werden,
• - so dass das ausgekoppelte Licht gegenüber dem ursprünglichen flächigen Licht eingeschränkte Lichtausbreitungsrichtungen aufweist.
• Die weiter oben stehenden Erläuterungen zum erfindungsgemäßen ersten optischen Element 1 in verschiedenen Ausgestaltungen sind hier sinngemäß anzuwenden, insbesondere zusammen mit den Zeichnungen 1a und 1 b, wobei die Bereiche B1 bzw. B2 hier den Bereichen über den Aperturbereichen C1 bzw. C2 sowie die Aperturbereiche C2 den Schichten OB im übertragenen Sinne entsprechen können. Eine detaillierte Erläuterung wird aus Redundanzgründen hier nicht gegeben.
• Die Erfindung umfasst auch noch ein zweites optisches Element 2, das aus einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge von zwei transparenten komplementären Formen B1 und B2 mit jeweils den Brechzahlen N1 und N2 besteht, wobei die Formen optional auf einem flächigen Substrat S ausgebildet sind, und somit in zwei Richtungen jeweils eine Ebene bilden. Dabei kann die Brechzahl B2 vorteilhaft gleich eins sein, d.h. das Material in den Formen B2 ist beispielsweise Luft.
  Dies ist in 15 als Prinzipskizze eines zweiten optischen Elements 2 in einer ersten Ausgestaltung dargestellt. Die 16 zeigt dazu beispielhafte Strahlengänge.
  Somit wird Licht, welches unter einer (schmalwinkligen) Vorzugsrichtung auf ein solches zweites optisches Element 2 trifft, ungehindert transmittiert wird (siehe rechter, senkrecht -also in Vorzugsrichtungeinfallender Strahl), während Licht, welches einen Winkel von mehr als 15° zur besagten Vorzugsrichtung aufweist (siehe schräger Lichtstrahl links), durch das zweite optische Element 2 auf Grund von Totalreflexion und/oder Fresnel-Reflexionen abgelenkt wird.
  Auch hier werden die Ausbreitungsrichtungen des ausfallenden Lichtes beeinflusst.
  Die weiter vorn stehenden Ausgestaltungen können analog angewendet werden und sollen daher an dieser Stelle nicht nochmals wiederholt werden.
• Es gelten hier sinngemäß die weiter oben angegebenen Ausgestaltungsvarianten und Mittel-Wirkungszusammenhänge, die hier aus Redundanzgründen nicht wiederholt werden sollen.
• Schließlich umfasst die Erfindung noch ein drittes optisches Element 10, das flächig ausgedehnt ist, und dessen Prinzipskizze in 26 (Ausschnitt/Querschnitt) gezeigt ist. Dieses umfasst
• - mindestens erste aus einem transparenten Material bestehende Bereiche E1 und zweite aus einem opaken Material bestehende Bereiche E2, die sich über die Fläche des dritten optischen Elements 10 in einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge abwechseln und die sich mindestens in ihrer Brechzahl unterscheiden, wobei die Brechzahl N1 der Bereiche E1 größer ist als die Brechzahl N2 der Bereiche E2,
• - so dass an einer ersten Großfläche des dritten optischen Elements 10 auf dieses auftreffende Licht aufgrund des opaken Materials der Bereiche E2 ausschließlich durch die Oberflächen der Bereiche E1 in das dritte optische Element 10 einfällt, und dort je nach geometrischer Einfallrichtung, Polarisation und Brechzahlunterschied zwischen N1 und N2 entweder a) innerhalb eines Bereiches E1 totalreflektiert und hernach an der anderen Oberfläche des entsprechenden Bereiches E1 wieder ausgekoppelt wird, oder b) die Brechzahlgrenze von E1 zu E2 überwindet und in den angrenzenden Bereich E2 eindringt und dort aufgrund des opaken Materials der Bereiche E2 absorbiert wird,
• - wodurch das an der an einer zweiten Großfläche des dritten optischen Elements 10 aus diesem austretende Licht gegenüber dem an der ersten Großfläche auf das dritte optische Element 10 auftreffende Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt ist.
• Diese dritte optische Element 10 verbessert den Stand der Technik insbesondere dahingehend, dass erstens auch mit Lamellenfiltern ähnlichen dritten optischen Elementen eine Top-Head-Verteilung erreicht werden, da aufgrund der Totalreflexion mehr Nutzlicht in die gewünschten eingeschränkten Winkelbereiche transmittiert wird, als - wie im Stand der Technik üblich- ohne die Totalreflexion, und dass zweitens die Einschränkung der Winkelbereiche des das dritte optische Element 10 durchdringenden Lichtes deutlich stärker ist, weil nicht allein die opaken Lamellen für die Lichtrichtungseinschränkung sorgen, sondern auch der Brechzahlunterschied zwischen den Bereichen E1 und E2 dafür sorgt, dass in Bereiche E2 eindringende Strahlen stärker vom Lot weg gebrochen und somit einen längeren optischen Weg durch das absorbierende Material zurücklegen müssten, mithin also stärker -da auf einem längeren Weg- absorbiert werden, als ohne einen solchen Brechzahlunterschied.
  Wie aus den Erläuterungen zu 8 bis 10 in analoger Weise zu entnehmen ist, reichen geringfügige Brechzahlunterschiede von 0,01 bereits aus, um hervorragende Winkelbeschränkungen zu erzielen. Solche geringfügigen Brechzahlunterschiede sind beispielsweise durch Dotieren eines Polymers bzw. von transparentem Silikon als Material für die Bereiche E1 oder E2 eines dritten optischen Elements 10 zu erzielen.
  Im einfachsten Fall würden dann alle Bereiche E1 und E2 eines dritten optischen Elements 10 aus dem gleichen Material bestehen. Zusätzlich wären die Bereiche E1 aber für eine Brechzahlerhöhung mit transparenten Partikeln und die Bereiche E2 für die Opazität, etwa mit opaken Nano- oder Mikropartikeln, dotiert.
• Dieses dritte optische Element 10 kann vorteilhaft an einer der Großflächen, bevorzugt an der unteren Großfläche, eine Verspiegelung enthalten, wobei es sich dabei entweder um eine winkelabhängige Verspiegelung der gesamten Großfläche oder um eine Vollverspiegelung an den Oberflächen der Bereiche E2 handelt.
• Ein vorbeschriebenes drittes optisches Element 10 kann vorteilhaft in eine Beleuchtungseinrichtung für eine transmissive Bildwiedergabeeinheit, wie etwa ein LCD-Panel, integriert werden. Diese Beleuchtungseinrichtung kann dann permanent als gerichtete Hintergrundbeleuchtung wirken und beispielsweise in Ausgestaltungen gemäß der WO 2015/121398 oder der WO 2019/002496 der Anmelderin eingesetzt werden.
• Schließlich umfasst die Erfindung außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines dritten optischen Elements 10, umfassend die folgenden Schritte:
• - abwechselndes Stapeln von ersten, aus einem transparenten Material bestehenden Schichten E1 mit einer Brechzahl N1, und zweiten, aus einem opaken Material bestehenden Schichten E2 mit einer Brechzahl N2, wobei N1 größer N2 gilt,
• - Verbinden dieser Schichten E1 und E2 miteinander, beispielsweise durch Vulkanisieren oder Kleben,
• - Abschneiden von dritten optischen Elementen 10 aus dem Verbund der Schichten E1 und E2, bevorzugt senkrecht (oder in einem definierten Winkel) zur Flächenausdehnungsebene der einzelnen Scheiben Schichten E1.
• Einige der weiter oben für das erste optische Element 1 beschriebenen Variationen können auch auf das zweite optische Element 2 und das dritte optische Element 10 angewendet werden.
• Die vorstehend beschriebenen optischen Elemente lösen die gestellte Aufgabe: Es wurden optische Elemente beschrieben, welche einfallendes Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen definiert beeinflussen und welche optional zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umschalten können. Jedes optische Element ist preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht oder nur vernachlässigbar herabgesetzt wird. Ferner bieten die optischen Elemente die Möglichkeit, eine Top-Head-Lichtverteilung zu erzielen.
• Die Vorteile der Erfindung sind vielseitig. So werden die genannten Wirkungsweisen mit einem einzigen optischen Element erzeugt, welches nicht notwendigerweise über Oberflächenstrukturierungen verfügen muss. Ferner können die Bereiche B1 und B2 des optischen Elements in Schutzmaterial eingebettet werden, z.B. in das Material der Bereiche B1. Überdies wird die sehr bevorzugte Top-Head-Verteilung beim ausfallenden Licht erreicht und in der theoretischen Simulation wird ein beliebig hoher Privacy-Kontrast erzielt. Im Falle der Anwendung eines erfindungsgemäßen optischen Elements in einer Hintergrundbeleuchtung für ein LCD-Panel wird eine hohe Beleuchtungsdichte erzielt. Außerdem ist mit nur einem optischen Element die Lichtausbreitungsbeschränkung in zwei Ebenen, z.B. gleichzeitig links/rechts und oben/unten, möglich.
• Die vorangehend beschriebene Erfindung kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und/oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe oder beim Lesen von Emails auf mobilen Geräten. Die Erfindung kann auch im PKW angewendet werden, etwa wenn der Fahrer wahlweise bestimmte Bildinhalte des Beifahrers, wie etwa Unterhaltungsprogramme, nicht sehen darf. Ferner kann das erfindungsgemäße optische Element für noch andere technische und kommerzielle Zwecke eingesetzt werden, etwa für die Lichtausrichtung einer Dunkelfeldbeleuchtung für Mikroskope, und ganz allgemein zur Lichtformung für Beleuchtungen wie etwa bei Scheinwerfern sowie in der Messtechnik.
• 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 [0003]
• US 5993940 A [0004]
• WO 2012/033583 A1 [0005]
• US 2012/0235891 A1 [0006]
• US 2012/0235891 [0006]
• JP 2007155783 A [0007]
• US 2013/0308185 A1 [0008]
• WO 2015/121398 A1 [0009]
• WO 2015/121398 [0046, 0118]
• WO 2019/002496 [0046, 0118]

Claims (14)

1. Verfahren zur Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen flächigen Lichtes, umfassend die folgenden Schritte: - flächige Modulation des Lichtes mittels einer flächigen Apertur, welche mindestes erste transparente Bereiche C1 und zweite opake Bereiche C2, die sich über die Fläche der Apertur in einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge abwechseln, enthält, - brechzahlbasierte Aufspaltung des durch die transparenten Bereiche C1 propagierenden Lichtes in Strahlen, die innerhalb der Grenzwinkel der Totalreflexion an einer Brechzahlgrenze reflektiert und schließlich ausgekoppelt werden und in Strahlen, die oberhalb der Grenzwinkel der Totalreflexion die besagte Brechzahlgrenze durchdringen, weiter propagieren und hernach von einem Absorber absorbiert werden, - so dass das ausgekoppelte Licht gegenüber dem ursprünglichen flächigen Licht eingeschränkte Lichtausbreitungsrichtungen aufweist.
2. Zweites optisches Element (2), das aus einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge von zwei transparenten komplementären Formen (B1) und (B2) mit jeweils den Brechzahlen N1 und N2 besteht, wobei die Formen optional auf einem flächigen Substrat ausgebildet sind, so dass Licht, welches unter einer Vorzugsrichtung auf das optische Element (2) trifft, ungehindert transmittiert wird, und so dass Licht, welches einen Winkel von mehr als 15° zur besagten Vorzugsrichtung aufweist, durch das zweite optische Element (2) auf Grund von Totalreflexion und/oder Fresnel-Reflexionen abgelenkt wird.
3. Drittes optisches Element (10), das flächig ausgedehnt ist, umfassend, - mindestens erste aus einem transparenten Material bestehende Bereiche (E1) und zweite aus einem opaken Material bestehende Bereiche (E2), die sich über die Fläche des dritten optischen Elements (10) in einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Abfolge abwechseln und die sich mindestens in ihrer Brechzahl unterscheiden, wobei die Brechzahl N1 der Bereiche (E1) größer ist als die Brechzahl N2 der Bereiche (E2), - so dass an einer ersten Großfläche des dritten optischen Elements (10) auf dieses auftreffende Licht aufgrund des opaken Materials der Bereiche (E2) ausschließlich durch die Oberflächen der Bereiche (E1) in das dritte optische Element (10) einfällt, und dort je nach geometrischer Einfallrichtung, Polarisation und Brechzahlunterschied zwischen N1 und N2 entweder a) innerhalb eines Bereiches (E1) totalreflektiert und hernach an der anderen Oberfläche des entsprechenden Bereiches (E1) wieder ausgekoppelt wird, oder b) die Brechzahlgrenze von (E1) zu (E2) überwindet und in den angrenzenden Bereich (E2) eindringt und dort aufgrund des opaken Materials der Bereiche (E2) absorbiert wird, - wodurch das an der an einer zweiten Großfläche des dritten optischen Elements (10) aus diesem austretende Licht gegenüber dem an der ersten Großfläche auf das dritte optische Element (10) auftreffende Licht in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt ist.
4. Drittes optisches Element (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es an einer der Großflächen, bevorzugt an der untern Großfläche eine Verspiegelung enthält, wobei es sich dabei um eine winkelabhängige Verspiegelung der gesamten Großfläche oder um eine Vollverspiegelung an den Oberflächen der Bereiche (E2) handelt.
5. Verfahren zur Herstellung eines dritten optischen Elements (10) nach Anspruch 3 oder 4, umfassend die folgenden Schritte: - abwechselndes Stapeln von ersten, aus einem transparenten Material bestehenden Schichten (E1) mit einer Brechzahl N1, und zweiten, aus einem opaken Material bestehenden Schichten (E2) mit einer Brechzahl N2, wobei N1 größer N2 gilt, - Verbinden dieser Schichten (E1) und (E2) miteinander, beispielsweise durch Vulkanisieren oder Kleben, - Abschneiden von dritten optischen Elementen (10) aus dem Verbund der Schichten (E1) und (E2), bevorzugt senkrecht zur Flächenausdehnungsebene der einzelnen Scheiben Schichten (E1).
6. Drittes optisches Element (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (E1) und (E2) bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das dritte optische Element (10) streifenförmig abwechselnd über die Fläche des dritten optischen Elements (10) verteilt angeordnet sind.
7. Drittes optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (E1) bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das dritte optische Element (10) punkt-, kreis-, oval-, rechteckförmig oder hexagonal über die Fläche des dritten optischen Elements (10) verteilt angeordnet und die Bereiche (E2) dazu jeweils komplementär geformt sind.
8. Drittes optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 3, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (E1) und (E2) bei Betrachtung in Schnittrichtung senkrecht zur oberen Oberfläche des dritten optischen Elements (10) trapezförmig ausgebildet sind.
9. Drittes optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4 oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einem Teil der Bereiche (E1), bevorzugt auf allen Bereichen (E1), an deren Oberseite eine Linsenstruktur (L) aufgebracht ist, bevorzugt eine konvexe Linsenstruktur.
10. Drittes optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4 oder 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb und/oder oberhalb des dritten optischen Elements (10) ein Polarisator, optional ein reflektierender Polarisator, angeordnet ist.
11. Drittes optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4 oder 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem dritten optischen Element (10) mindestens ein Bereich (E1) ausgebildet ist, der bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das dritte optische Element (10) in seiner kürzesten Ausdehnung mindestens zwanzigmal so groß ist, wie die kürzeste Ausdehnung aller Bereiche (E2) bei Betrachtung in Parallelprojektion senkrecht auf das dritte optische Element (10), so dass innerhalb des besagten mindestens einen Bereiches (E1) außer an dessen Rändern und bis auf Parallelversätze keine Einschränkung der Ausbreitungsrichtungen des aus dem dritten optischen Element (10) austretenden Lichtes gegenüber dem auf das dritte optische Element (10) auftreffenden Lichtes vorliegt.
12. Drittes optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4 oder 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Bereichen (E1) und (E2) weitere Bereiche mit anderen Parametern hinsichtlich Form und/oder Brechzahl als die der Bereiche (E1) und (E2) ausgebildet sind, so dass Licht, welches diese weiteren Bereiche durchdringt und aus dem dritten optischen Element (10) austritt, andere Beschränkungen der Ausbreitungsrichtungen erfährt, als in den Bereichen (E1).
13. Verfahren zur Herstellung eines dritten optischen Elements (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4 oder 6 bis 12, umfassend die folgenden Schritte: - Herstellen einer Form, welche eine Positivstruktur der gewünschten Bereiche (E1) sowie die Negativstruktur eines Trägersubstrates aufweist, - Füllen der Form mit einem Polymer, welches nach Aushärten die Brechzahl N1 aufweist, - erstes Aushärten des Polymers durch UV-Licht oder Abkühlen und nachfolgendes Entfernen des Werkstückes aus der Form, - Füllen der Strukturen der Bereiche (E2) im Werkstück mit einem Polymer, welches nach Aushärten die Brechzahl N2 aufweist, - zweites Aushärten des Polymers durch UV-Licht oder Abkühlen, sowie optional - nach dem ersten oder zweiten Aushärten: Bedampfen der Bereiche (E2) auf der oberen und unteren Oberfläche des Werkstückes durch eine die Bereiche (E1) schützende Maske hindurch mit einem opaken Material.
14. Verwendung eines dritten optischen Elements (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 13 mit einer Bildwiedergabeeinheit (3) oder mit einer Hintergrundbeleuchtung (BLU) für eine transmissive Bildwiedergabeeinheit (LCD) zur wahlweisen Beschränkung der Betrachtungsrichtungen der Bildwiederhabeeinheit (3 oder LCD).

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