DE102020008055A1 - Optical element with variable transmission and screen with such an optical element - Google Patents

Optical element with variable transmission and screen with such an optical element Download PDF

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André HEBER
Andreas Bregulla
Yannick Bourgin
Markus Klippstein
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element (1), umfassend, mindestens eine, bevorzugt mehr als fünf, Schichten (S1, S2, ...), wobei jede Schicht (S1, S2, ...) Material mit einer Vielzahl Licht absorbierender elektrischer Absorptionsdipole umfasst, welche mindestens in einem ersten Zustand parallel zu einer wählbaren Vorzugsrichtung ausgerichtet sind oder um diese herum fluktuieren, wobei die besagte Vorzugsrichtung einen Winkel zwischen 0° und 45° zur Flächennormale der Schicht S1 einschließt, so dass Licht, welches das optische Element durchdringt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber den Schichten (S1, S2, ...) und seinen Polarisationseigenschaften transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird.Dabei können optional die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole in jeder Schicht (S1, S2, ...) in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Absolutwert und/oder ihrer Dichte variiert werden, um die jeweilige Schicht (S1, S2, ...) in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können.Im Zusammenspiel mit mindestens einem Polarisationsfilter (P) und/oder Mitteln zur Variation der Polarisationseigenschaften von Licht, wie etwa Flüssigkristallen, kann das optische Element (1) weitergebildet werden, um in Kombination mit einer Bildwiedergabeeinrichtung einen zu- und abschaltbaren Sichtschutzeffekt zu ermöglichen.The invention relates to an optical element (1), comprising at least one, preferably more than five, layers (S1, S2, ...), each layer (S1, S2, ...) material with a multiplicity of light-absorbing electrical Includes absorption dipoles which, at least in a first state, are aligned parallel to a selectable preferred direction or fluctuate around it, said preferred direction enclosing an angle between 0° and 45° to the surface normal of layer S1, so that light which penetrates the optical element , depending on its direction of incidence relative to the layers (S1, S2, ...) and its polarization properties, is transmitted or partially or completely absorbed. Optionally, the light-absorbing electrical absorption dipoles in each layer (S1, S2, ...) can be in their orientation and/or their absolute value and/or their density can be varied in order to split the respective layer (S1, S2, ...) into at least two different ones In interaction with at least one polarization filter (P) and/or means for varying the polarization properties of light, such as liquid crystals, the optical element (1) can be further developed in order to, in combination with an image display device, have a switchable to enable a protective effect.

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte zur Verbreiterung des Sehwinkels bei LCDs erzielt. Allerdings gibt es oft Situationen, in denen dieser sehr große Sehbereich eines Bildschirms von Nachteil sein kann. 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.In recent years, great advances have been made in widening the viewing angle of LCDs. However, there are often situations in which this very large viewing area of a screen can be a disadvantage. Information is also increasingly available on mobile devices such as notebooks and tablet PCs, such as bank details or other personal details and sensitive data. Accordingly, people need control over who can see this sensitive data; they must be able to choose between a wide viewing angle in order to share information on their display with others, e.g. when looking at holiday photos or for advertising purposes. On the other hand, they need a small viewing angle if they want to keep the image information confidential.

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.A similar problem arises in vehicle construction: the driver must not be distracted by image content such as digital entertainment programs when the engine is switched on, while the passenger would like to consume the same while driving. A screen is therefore required which can switch between the corresponding display modes.

Stand der TechnikState of the art

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.Additional films based on micro-lamellas have already been used for mobile displays in order to achieve visual data protection. However, these foils were not switchable, they always had to be applied by hand and then removed again. You also have to transport them separately to the display when you don't need them. A significant disadvantage of the use of such lamellar foils is also associated with the associated loss of light.

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.the U.S. 6,765,550 B2 describes such a privacy screen using micro-slats. The biggest disadvantage here is the mechanical removal or mechanical attachment of the filter and the loss of light in protected mode.

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 the US 5,993,940A describes the use of a film that has small prism strips evenly arranged on its surface in order to achieve a privacy mode. Development and production are quite complex.

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.In the WO 2012/033583 A1 switching between free and restricted vision is generated by driving liquid crystals between so-called "chromonic" layers. This results in a loss of light and the effort is quite high.

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.the US 2012/0235891 A1 describes a very complex backlight in a screen. There come according to 1 and 15 not only several light guides are used, but also other complex optical elements such as microlens elements 40 and prism structures 50, which transform the light from the rear lighting on the way to the front lighting. This is expensive and complex to implement and also associated with light loss. According to the variant after 17 in the US2012/0235891 Both the light sources 4R and 18 produce light with a narrow illumination angle, and the light from the rear light source 18 is first converted into light with a large illumination angle with great effort. This complex conversion is - as already mentioned above - strongly reducing the brightness.

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

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

Die WO 2015/121398 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm mit zwei Betriebsarten, bei dem für die Umschaltung der Betriebsarten Streupartikel im Volumen des entsprechenden Lichtleiters vorhanden sind. Die dort gewählten Streupartikel aus einem Polymerisat weisen jedoch in der Regel den Nachteil auf, dass Licht aus beiden Großflächen ausgekoppelt wird, wodurch etwa die Hälfte des Nutzlichtes in die falsche Richtung, nämlich zur Hintergrundbeleuchtung hin, abgestrahlt und dort aufgrund des Aufbaus nicht in hinreichendem Umfang recycelt werden kann. Überdies können die im Volumen des Lichtleiters verteilten Streupartikel aus Polymerisat unter Umständen, insbesondere bei höherer Konzentration, zu Streueffekten führen, die den Sichtschutzeffekt in der geschützten Betriebsart vermindern.the WO 2015/121398 A1 the Applicant describes a screen with two modes of operation in which scattering particles are present in the volume of the corresponding light guide for the switching of the modes of operation. However, the scattering particles selected there from a polymer usually have the disadvantage that light is decoupled from both large areas, which means that about half of the useful light is emitted in the wrong direction, namely towards the backlight, and not to a sufficient extent there due to the structure can be recycled. In addition, the scattering particles made of polymer distributed in the volume of the light guide can, under certain circumstances, particularly at higher concentrations, lead to scattering effects which reduce the visual protection effect in the protected operating mode.

Der Ansatz der Technologie der „Elektrischen Doppelbrechung (EDB)“ beruht auf der Idee, die schaltbaren Flüssigkeitskristalle eines zusätzlich aufgebrachten LC-Panels zur „Filterung“ aller nicht in einem bestimmten Abstrahlwinkel aus der bildgebenden Schicht austretenden Lichtstrahlen zu nutzen. Nachteile dieser Technologie sind ein hoher zusätzlicher Energie- und Kostenaufwand und der schwer veränderbare +/-40° Sweet Spot. Der Absorptionsgrad der LC-Strukturen ist ebenfalls unzureichend, da die Abschwächung der Lichtintensität für Betrachtungswinkel größer des Sweetspots wieder ansteigt, so dass die Lichtintensität für Betrachtungswinkel größer als +/-40° bis zu 3% von der maximalen Lichtintensität beträgt.The approach of the technology of "Electrical Birefringence (EDB)" is based on the idea of using the switchable liquid crystals of an additionally applied LC panel to "filter" all light rays that do not emerge from the imaging layer at a specific emission angle. Disadvantages of this technology are high additional energy and cost expenditure and the difficult to change +/-40° sweet spot. The degree of absorption of the LC structures is also insufficient, since the attenuation of the light intensity increases again for viewing angles greater than the sweet spot, so that the light intensity for viewing angles greater than +/-40° is up to 3% of the maximum light intensity.

Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und/oder ein aufwändiges und teures optisches Element zur Modi-Umschaltung benötigen und/oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren und/oder visuelle Artefakte bei sehr hoch auflösenden Displays aufweisen.The aforementioned methods and arrangements usually have the disadvantage in common that they significantly reduce the brightness of the basic screen and/or require a complex and expensive optical element for mode switching and/or reduce the resolution in the freely viewable mode and/or visual artifacts with very high-resolution displays.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu beschreiben, bei dem Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung und seinen Polarisationseigenschaften -nicht aber in Abhängigkeit seiner Position- transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird. Ferner soll durch das optische Element die Transmission von Licht winkelabhängig (optional senkrecht) beeinflusst werden, wobei hier zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Dabei sollen insbesondere Winkeleinschränkungen in der Transmission in bestimmte Richtungen umschaltbar sein.It is therefore the object of the invention to describe an optical element in which light which is incident on the optical element is transmitted or partially or completely absorbed depending on its direction of incidence and its polarization properties, but not depending on its position. Furthermore, the transmission of light should be influenced by the optical element as a function of the angle (optionally perpendicular), it being possible here to switch between at least two operating states. In particular, angular restrictions in the transmission should be switchable in certain directions.

Das optische Element bzw. darauf basierende Systeme sollen preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sein, um eine Umschaltung zwischen einem - mindestens in der horizontalen Richtung bestehenden- Sichtschutz und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt werden soll.The optical element or systems based on it should be inexpensive to implement and, in particular, universally usable with different types of screens in order to enable switching between a privacy screen - existing at least in the horizontal direction - and a free viewing mode, with the resolution of such a screen essentially not should be reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem optischen Element, umfassend,

  • - mindestens eine, bevorzugt mehr als fünf, Schichten S1, S2, ..., (eine Schicht S1, S2, ... kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise einer Moleküllage entsprechen; es kann sich aber auch um eine mechanisch separate Lage eines geeigneten Materials handeln),
  • - wobei jede Schicht S1, S2, ... Material mit einer Vielzahl Licht absorbierender elektrischer Absorptionsdipole umfasst, welche mindestens in einem ersten Zustand parallel zu einer wählbaren Vorzugsrichtung ausgerichtet sind oder um diese herum fluktuieren, wobei die besagte Vorzugsrichtung einen Winkel zwischen 0° und 45° zur Flächennormale der Schicht S1 einschließt,
  • - so dass Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber den Schichten S1, S2, ... und seinen Polarisationseigenschaften transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird.
This object is achieved according to the invention by an optical element comprising
  • - At least one, preferably more than five, layers S1, S2, ..., (a layer S1, S2, ... can correspond, for example, to a molecular layer within the scope of the invention; but it can also be a mechanically separate layer of a suitable trade materials),
  • - wherein each layer S1, S2, ... comprises material with a plurality of light-absorbing electric absorption dipoles which, in at least a first state, are aligned parallel to or fluctuate around a selectable preferential direction, said preferential direction having an angle between 0° and 45° to the surface normal of layer S1,
  • - so that light which is incident on the optical element is transmitted or partially or completely absorbed depending on its direction of incidence with respect to the layers S1, S2, ... and its polarization properties.

Die Extinktion (also die Absorption) des Lichtes ist von der absoluten Zahl der Absorptionsdipole (und somit inhärent auch von der Schichtdicke der Absorptionsdipole) und der Ausrichtung zwischen Absorptionsdipol und elektrischem Feld des einfallenden Lichtes zueinander abhängig. Je nach Implementierung kann die Dichte der besagten elektrischen Absorptionsdipole, deren Stärke oder die Brechzahl in den Schichten S1, S2, ... variieren. Bei einem passiven, also nicht schaltbaren optischen Element kann die Volumendichte der Absorptionsdipole gegen 100% gehen.The extinction (i.e. the absorption) of the light depends on the absolute number of absorption dipoles (and thus inherently also on the layer thickness of the absorption dipoles) and the mutual alignment between the absorption dipole and the electric field of the incident light. Depending on the implementation, the density of said electric absorption dipoles, their strength or the refractive index in the layers S1, S2, ... can vary. In the case of a passive, ie non-switchable, optical element, the volume density of the absorption dipoles can approach 100%.

Für die Modellierung der Transmission wird angenommen, dass die absorbierenden Absorptionsdipole parallel zur Einfallsebene orientiert sind. Der Filter absorbiert lediglich die Polarisation, die in der Einfallsebene des Lichts polarisiert -p-polarisiertes Licht- ist. Licht, welches senkrecht zur Einfallsebene polarisiert -s-polarisiertes Licht- ist, wird komplett transmittiert. Diese Eigenschaft ist essentiell bei allen Ausgestaltungen der Erfindung und stellt einen wesentlichen erfinderischen Mittel-Wirkungs-Zusammenhang dar. Im Folgenden wird die Transmission von p-polarisiertem Licht mit einer eingestrahlten Intensität I0(α) modelliert. Die Transmission von Licht durch eine absorbierende Schicht wird durch das Lambert-Beer'sches Gesetz beschrieben: I ( α ) = I 0 ( α ) e d ( α ) N σ a b s ( α )

Figure DE102020008055A1_0001
For modeling the transmission it is assumed that the absorbing absorption dipoles are oriented parallel to the plane of incidence. The filter only absorbs the polarization that is polarized in the plane of incidence of the light -p-polarized light-. Light that is polarized perpendicular to the plane of incidence -s-polarized light- is completely transmitted. This property is essential in all configurations of the invention and represents an essential inventive means-effect relationship. The transmission of p-polarized light with an incident intensity I 0 (α) is modeled below. The transmission of light through an absorbing layer is described by the Lambert-Beer law: I ( a ) = I 0 ( a ) e i.e ( a ) N σ a b s ( a )
Figure DE102020008055A1_0001

Hierin ist α der Propagationsrichtung relativ zur Flächennormale, d(α) die optische Weglänge in Abhängigkeit der Ausbreitungsrichtung, N die Anzahl von absorbierenden Molekülen und σabs(α) der Absorptionsquerschnitt in Abhängigkeit des Einfallswinkels. Mit Hilfe des Snellschen Brechungsgesetzes kann aus dem Einfallswinkel β der Propagationswinkel im Medium α berechnet werden. Daraus ergibt sich dann aus der Gleichung des Dipols und der Änderung des optischen Weges: I ( α ) = I 0 ( α ) e d / N σ a b s sin ( α ) 2

Figure DE102020008055A1_0002
Here α is the direction of propagation relative to the surface normal, d(α) is the optical path length depending on the direction of propagation, N is the number of absorbing molecules and σ abs (α) is the absorption cross section depending on the angle of incidence. With the help of Snell's law of refraction, the angle of propagation in the medium α can be calculated from the angle of incidence β. This then results from the equation of the dipole and the change in the optical path: I ( a ) = I 0 ( a ) e i.e / N σ a b s sin ( a ) 2
Figure DE102020008055A1_0002

Je nach Anwendungsfall ist jede der Schichten (S1, S2, ...) in ihrer Struktur periodisch oder nicht-periodisch aufgebaut.Depending on the application, each of the layers (S1, S2, ...) has a periodic or non-periodic structure.

Ferner kann ein erfindungsgemäßes optisches Element durch Lamination einer Vielzahl von Polymerfolienpolarisatoren und/oder durch Fotoausrichtung von Molekülen oder Partikeln, die dann jeweils eine oder mehrere Schichten S1, S2, ... bilden, hergestellt werden. Andere Herstellungsmöglichkeiten liegen jedoch im Rahmen des Möglichen.Furthermore, an optical element according to the invention can be produced by lamination of a plurality of polymer film polarizers and/or by photoalignment of molecules or particles, which then each form one or more layers S1, S2, . However, other manufacturing options are within the realms of possibility.

Die im Stand der Technik beschriebenen Mikrolamellenfilter (auch „View Control Filter - VCF“ oder „Light Control Filter - LCF“ genannt) machen sich die geometrische Optik zu nutze. Durch die abwechselnde periodische Anordnung von transparenten und absorbieren Schichten wird hier (nahezu) alles einfallende Licht absorbiert, dass sich unter großen Winkeln relativ zu einer definierten Richtung ausbreitet. Es wird dort die Position der Absorber kontrolliert.The micro-lamella filters described in the prior art (also called “View Control Filter - VCF” or “Light Control Filter - LCF”) make use of geometric optics. Due to the alternating periodic arrangement of transparent and absorbing layers, (almost) all incident light that propagates at large angles relative to a defined direction is absorbed here. The position of the absorbers is checked there.

Demgegenüber ändert sich bei den erfindungsgemäßen optischen Elementen die Transmission von Licht mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen, da sich hierbei der Absorptionsquerschnitt der Moleküle mit der Ausbreitungsrichtung ändert. Es wird somit bei der Erfindung nicht die Position, sondern vielmehr die Orientierung (Ausrichtung) der Absorber kontrolliert.In contrast, in the case of the optical elements according to the invention, the transmission of light with different directions of propagation changes, since the absorption cross section of the molecules changes with the direction of propagation. In the case of the invention, therefore, it is not the position that is controlled, but rather the orientation (orientation) of the absorbers.

Mit anderen Worten: Die Erfindung basiert auf einer richtungsabhängigen Absorption der Lichtstrahlen bei der Passage durch ein erfindungsgemäßes optisches Element, und zwar unabhängig von der Position der Lichtstrahlen.In other words: the invention is based on a direction-dependent absorption of the light beams when passing through an optical element according to the invention, specifically independently of the position of the light beams.

Dies gilt sowohl für nicht schaltbare erfindungsgemäße optische Elemente wie vorstehend beschrieben, als auch für im Folgenden beschriebene, schaltbare Ausgestaltungen.This applies both to non-switchable optical elements according to the invention, as described above, and to switchable configurations described below.

Für eine Schaltbarkeit der optischen Wirkung des erfindungsgemäßen optischen Elements, also für ein schaltbares optisches Element, können die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole in jeder Schicht (S1, S2, ...) in ihrer Ausrichtung (Orientierung) und/oder ihrem Absolutwert und/oder ihrer Dichte variiert werden, um die jeweilige Schicht (S1, S2, ...) in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können.For switchability of the optical effect of the optical element according to the invention, i.e. for a switchable optical element, the light-absorbing electrical absorption dipoles in each layer (S1, S2, ...) can have their orientation (orientation) and/or their absolute value and/or their density can be varied in order to be able to put the respective layer (S1, S2, ...) into at least two different states.

Mögliche Ausgestaltungen eines schaltbaren optischen Elements bzw. jeder Schicht S1, S2, ... darin basieren beispielsweise auf Flüssigkristallen oder Fluorophoren, welche in einer sogenannten „Vertical alignment cell“ oder in einer Flüssigkristallzelle mit homogener Ausrichtung an den Oberflächen angeordnet und darin zwischen mindestens zwei Zuständen gedreht werden können. Dabei werden die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole auch gedreht und können somit mindestens zwei Wirkungszustände annehmen. Es ist insbesondere in derartigen Ausgestaltungen denkbar, dass mehr als zwei Zustände, z.B. drei oder acht Zustände, mit jeweils unterschiedlichen optischen Wirkungen erzielt werden. Andere Ausgestaltungen der Flüssigkristallzellen sind ebenfalls denkbar.Possible configurations of a switchable optical element or each layer S1, S2, ... in it are based, for example, on liquid crystals or fluorophores, which are arranged in a so-called "vertical alignment cell" or in a liquid crystal cell with homogeneous alignment on the surfaces and therein between at least two States can be rotated. In this case, the light-absorbing electrical absorption dipoles are also rotated and can thus assume at least two states of action. It is particularly conceivable in such configurations that more than two states, e.g. three or eight states, each with different optical effects, are achieved. Other configurations of the liquid crystal cells are also conceivable.

Bei derartigen aktiven, also schaltbaren optischen Elementen sind Volumendichten der Absorptionsdipole zwischen 0.1 % and 90% basierend auf Flüssigkristallen denkbar.With such active, i.e. switchable, optical elements, volume densities of the absorption dipoles between 0.1% and 90% based on liquid crystals are conceivable.

Alternativ sind Ausgestaltungen eines schaltbaren optischen Elements bzw. jeder Schicht S1, S2, ... darin denkbar, bei denen die Absorptionsdipole in einer Flüssigkeit eingebettet sind, welche einem Elektro-Wetting-Verfahren ausgesetzt sind. Auf diese Weise lässt sich insbesondere, aber nicht allein, die Dichte der Absorptionsdipole variieren.Alternatively, configurations of a switchable optical element or of each layer S1, S2, . In this way, in particular, but not solely, the density of the absorption dipoles can be varied.

Generell kann sich vorteilhaft in Betrachtungsrichtung vor oder hinter dem optischen Element ein Polarisationsfilter befinden.In general, a polarization filter can advantageously be located in front of or behind the optical element in the viewing direction.

Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung, indem sie in einem schaltbaren Lichtfilter umgesetzt wird. Dieser umfasst in einer ersten Ausgestaltung:

  • - zwei nicht-schaltbare erfindungsgemäße optische Elemente, bei denen die Vorzugsrichtungen der Absorptionsdipole sich um weniger als 10° voneinander unterscheiden,
  • - eine zwischen den optischen Elementen angeordnete schaltbare Flüssigkristallschicht, die in Abhängigkeit von einem auf sie wirkenden elektrischen Feld EF1 oder EF2 die Polarisationseigenschaften durch sie hindurchdringenden Lichtes beeinflusst,
  • - optional einen oberhalb oder unterhalb der optischen Elemente angeordneten Polarisationsfilter P,
  • - Mittel zum wahlweisen Erzeugen der besagten elektrischen Felder EF1 und EF2, beispielsweise durch transparente ITO-Elektroden E1 und E2,
  • - so dass bei Vorhandensein des besagten Polarisationsfilters P in einer ersten Betriebsart B1H oder B1V bei einem elektrischen Feld EF1 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei diese Absorption ausschließlich in horizontaler (Betriebsart B1H) oder in vertikaler (Betriebsart B1V) Richtung gilt und parallel zur Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters P liegt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist,
  • - so dass bei Abwesenheit eines Polarisationsfilters P in einer zweiten Betriebsart B3 bei einem elektrischen Feld EF1 unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel in den schaltbaren Lichtfilter einfällt, zu mindestens 24% transmittiert wird,
  • - und so dass schließlich in einer weiteren Betriebsart B2 bei einem elektrischen Feld EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies gleichzeitig sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
The invention acquires particular significance by being implemented in a switchable light filter. In a first embodiment, this includes:
  • - two non-switchable optical elements according to the invention, in which the preferred directions of the absorption dipoles differ from one another by less than 10°,
  • - a switchable liquid crystal layer arranged between the optical elements, which influences the polarization properties of light penetrating through it depending on an electric field EF1 or EF2 acting on it,
  • - optionally a polarization filter P arranged above or below the optical elements,
  • - means for selectively generating said electric fields EF1 and EF2, for example by means of transparent ITO electrodes E1 and E2,
  • - so that in the presence of said polarization filter P in a first operating mode B1H or B1V in an electric field EF1 unpolarized light, which is incident perpendicular to the switchable light filter in this, at least 24% is transmitted and so that unpolarized light, which is at an angle of over 30 degrees to the perpendicular bisector of the switchable light filter, is absorbed by at least 85%, whereby this absorption applies exclusively in the horizontal (B1H operating mode) or in the vertical (B1V operating mode) direction and is parallel to the polarization direction of the polarization filter P if the horizontal is parallel to the bottom edge and the vertical is oriented parallel to the left or right side edge of layer S1,
  • - so that in the absence of a polarization filter P in a second operating mode B3 in an electric field EF1 unpolarized light, which is incident at any angle in the switchable light filter, is transmitted to at least 24%,
  • - and so that finally in a further operating mode B2 in an electric field EF2 unpolarized light, which is incident perpendicularly to the switchable light filter, is transmitted to at least 24% and so that unpolarized light, which is at an angle of more than 30 degrees to the perpendicular bisector of the switchable Light filter incident in this, is absorbed by at least 85%, this also applies both in the horizontal and in the vertical direction when the horizontal is oriented parallel to the bottom edge and the vertical parallel to the left or right side edge of the layer S1.

Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter der ersten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung entweder zwischen einem zweiseitigen und einem vierseitigen Sichtschutz (z.B. Oben/unten B1V vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2), wenn ein Polarisationsfilter P vorhanden ist, oder, wenn kein Polarisationsfilter P vorhanden ist, die Umschaltung entweder zwischen einer in alle Richtungen freien Betrachtung und einem vierseitigen Sichtschutz (z.B. freie Sicht B3 vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2).Thus, the switchable light filter of the first embodiment, in conjunction with an image display unit, allows switching between either a two-sided or a four-sided privacy screen (e.g. top/bottom B1V vs. top/bottom/left/right protected B2), if a polarization filter P is present, or , if no polarization filter P is present, switching either between free viewing in all directions and four-sided privacy protection (e.g. free vision B3 vs. above/below/left/right protected B2).

Dabei ist es möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, aufweisen.It is possible that, for example, either the electric field EF1 or the electric field EF2 describes a field-free state, with the respective other electric field EF2 or EF1 having an absolute field strength greater than zero, e.g. 0.5 MV/m.

Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung der beiden optischen Elemente bedeuten, dass die Betriebsart B2 vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand eine der Betriebsarten B1H, B1V oder B3 vorliegt.Depending on the configuration of the two optical elements, the field-free state can mean that operating mode B2 is present. However, it is also possible that one of the operating modes B1H, B1V or B3 is present in the field-free state.

Eine zweite Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters umfasst

  • - zwei schaltbare optische Elemente, wobei für jedes der optischen Elemente die beiden besagten Zustände durch an beide optische Elemente anliegende elektrische Felder EF1 oder EF2 erzeugt werden (d.h., EF1 und EF2 liegen gleichzeitig an beiden optischen Elementen an),
  • - optional einen oberhalb oder unterhalb der optischen Elemente angeordneten Polarisationsfilter P (Dieser ist nicht notwendig, kann aber die Leistungsfähigkeit des schaltbaren Lichtfilters verbessern. Die Polarisation des Polarisationsfilters P und die des einfallenden Lichtes müssen kongruent sein.),
  • - eine zwischen den optischen Elementen angeordnete Schicht zur Rotation der Polarisationsrichtung des die besagte Schicht durchdringenden Lichts um 90 Grad, z.B. bestehend aus uniaxial-gedrehtem (analog zu einer TN-Zelle im feldfreien Zustand) und/oder aus optisch aktivem Material,
  • - Mittel zum Erzeugen besagter elektrischer Felder EF1 oder EF2 (typischerweise stellt eines der Felder EF1 oder EF2 einen feldfreien Zustand dar),
  • - so dass in einer Betriebsart B3 bei Anliegen des elektrischen Feldes EF1 unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert wird, wobei in dieser Betriebsart B3 die Absorptionsdipole der beiden optischen Elemente senkrecht zueinander ausgerichtet sind, und die Absorptionsdipole des Polarisators P, wenn vorhanden, parallel zu dem ihm nächstliegenden schaltbaren optischen Element zueinander ausgerichtet sind,
  • - und so dass in einer zweiten Betriebsart B2 bei Anliegen des elektrischen Feldes EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies gleichzeitig sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist, wobei in dieser Betriebsart B2 die Absorptionsdipole von Polarisator P, wenn vorhanden, und zu dem ihm nächstliegenden schaltbaren optischen Element senkrecht und von den beiden optischen Elementen jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.
A second embodiment includes a switchable light filter
  • - two switchable optical elements, the two said states being generated for each of the optical elements by electric fields EF1 or EF2 applied to both optical elements (ie, EF1 and EF2 are applied to both optical elements at the same time),
  • - optionally a polarization filter P arranged above or below the optical elements (this is not necessary, but can improve the performance of the switchable light filter. The polarization of the polarization filter P and that of the incident light must be congruent.),
  • - a layer arranged between the optical elements for rotating the direction of polarization of the light penetrating said layer by 90 degrees, e.g. consisting of uniaxially rotated (similar to a TN cell in the field-free state) and/or of optically active material,
  • - means for generating said electric fields EF1 or EF2 (typically one of the fields EF1 or EF2 represents a field-free state),
  • - so that in an operating mode B3, when the electric field EF1 is present, at least 24% of unpolarized light incident on the switchable light filter at any angle is transmitted, with the absorption dipoles of the two optical elements being aligned perpendicular to one another in this operating mode B3 , and the absorption dipoles of the polarizer P, if present, are aligned parallel to the switchable optical element closest to it,
  • - and so that in a second operating mode B2 when the electric field EF2 is present, unpolarized light, which is incident perpendicularly to the switchable light filter, is transmitted to at least 24% and so that unpolarized light, which is at an angle of more than 30 degrees to the perpendicular bisector of the switchable At least 85% of the light filter incident on it is absorbed, whereby this applies both in the horizontal and in the vertical direction at the same time, if the horizontal is oriented parallel to the lower edge and the vertical is oriented parallel to the left or right side edge of the layer S1, with this operating mode B2 the absorption dipoles of polarizer P, if present, and are aligned perpendicularly to the switchable optical element closest to it and parallel to one another by the two optical elements.

Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter dieser zweiten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einer in alle Richtungen freien Betrachtung und einem vierseitigen Sichtschutz (freie Sicht B3 vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2).The switchable light filter of this second embodiment, in combination with an image reproduction unit, thus allows switching between free viewing in all directions and four-sided privacy protection (free view B3 vs. top/bottom/left/right protected B2).

Eine dritte Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters umfasst

  • - ein nicht schaltbares, erfindungsgemäßes optisches Element,
  • - einen Polarisationsfilter P der dem optischen Element vor oder nachgeordnet ist,
  • - eine zwischen dem optischen Element und dem Polarisationsfilter P angeordnete Flüssigkristallschicht, die in Abhängigkeit von einem auf sie wirkenden elektrischen Feld EF1 oder EF2 die Polarisationseigenschaften des durch sie hindurchdringenden Lichtes beeinflusst,
  • - Mittel zum wahlweisen Erzeugen der besagten elektrischen Felder EF1 und EF2,
  • - so dass in einer Betriebsart B1V oder B1H bei Anliegen des elektrischen Feldes EF1 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei diese Absorption ausschließlich in horizontaler (Betriebsart B1H) oder ausschließlich in vertikaler Richtung (Betriebsart B1V) gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist,
  • - und so dass in einer zweiten Betriebsart B1H oder B1V bei Anliegen des elektrischen Feldes EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies entweder ausschließlich in vertikaler (Betriebsart B1V) oder ausschließlich in horizontaler Richtung (Betriebsart B1 H) gilt, so dass die Absorptionsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Betriebsart B1 jeweils um 90 Grad gedreht ist, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
A third embodiment includes a switchable light filter
  • - a non-switchable optical element according to the invention,
  • - a polarization filter P which is arranged before or after the optical element,
  • - a liquid crystal layer arranged between the optical element and the polarization filter P, which influences the polarization properties of the light passing through it depending on an electric field EF1 or EF2 acting on it,
  • - means for selectively generating said electric fields EF1 and EF2,
  • - so that in an operating mode B1V or B1H when the electric field EF1 is present, at least 24% of unpolarized light, which is incident perpendicular to the switchable light filter, is transmitted and so that unpolarized light, which is at an angle of more than 30 degrees to the median perpendicular to the switchable At least 85% of the light filter incident on it is absorbed, whereby this absorption applies exclusively in the horizontal direction (operating mode B1H) or exclusively in the vertical direction (operating mode B1V), if the horizontal line is parallel to the bottom edge and the vertical line is parallel to the left or right side edge of the layer S1 oriented
  • - and so that in a second operating mode B1H or B1V when the electric field EF2 is present, at least 24% of unpolarized light, which is incident perpendicular to the switchable light filter, is transmitted and so that unpolarized light, which is at an angle of more than 30 degrees to the perpendicular bisector of the switchable light filter incident on it is absorbed by at least 85%, whereby this applies either exclusively in the vertical direction (operating mode B1V) or exclusively in the horizontal direction (operating mode B1 H), so that the absorption direction between the first and the second operating mode B1 changes by rotated 90 degrees when the horizontal is oriented parallel to the bottom edge and the vertical is oriented parallel to the left or right side edge of layer S1.

Die Konfiguration dieser dritten Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters kann durch Rotation des Polarisationsfilters P um 90 Grad zwischen den Betriebsarten B1V und B1H wechseln.The configuration of this third embodiment of a switchable light filter can be switched between B1V and B1H modes by rotating the polarizing filter P by 90 degrees.

Auch hier ist es möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, aufweisen.
Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung des optischen Elements und des Polarisationsfilters P bedeuten, dass die Betriebsart B1H vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand die Betriebsart B1V vorliegt.
Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter dieser dritten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einem Sichtschutz in der vertikalen und einem Sichtschutz in der horizontalen Richtung (oben/unten geschützt B1V vs. links/rechts geschützt B1H). Etwa in einem Laptop würde dies bedeuten, dass ein Nutzer die Inhalte in der Betriebsart B1V mit weiteren Personen, die neben dem Nutzer befindlich und im Wesentlichen mit gleicher Augenhöhe angeordnet sind, gemeinsam anschauen kann, während in der Betriebsart B1H die seitlich benachbarten Personen den Bildinhalt nicht sehen können.
It is also possible here that, for example, either the electric field EF1 or the electric field EF2 describes a field-free state, with the respective other electric field EF2 or EF1 having an absolute field strength greater than zero, eg 0.5 MV/m.
Depending on the configuration of the optical element and the polarization filter P, the field-free state can mean that the B1H operating mode is present. However, it is also possible that the B1V operating mode is present in the field-free state.
Thus, the switchable light filter of this third embodiment, in combination with an image reproduction unit, allows switching between vertical privacy protection and horizontal privacy protection (top/bottom protected B1V vs. left/right protected B1H). In a laptop, for example, this would mean that a user can view the content in B1V mode together with other people who are next to the user and who are essentially at the same eye level, while in B1H mode the people next to the side view the image content can't see.

Der schaltbare Lichtfilter dieser dritten Ausgestaltung kann in seinem Aufbau variiert werden.
In der folgenden Tabelle 1 sind einige wesentliche Aufbauvarianten gegeben. Dabei ist jeweils die erstgenannte Komponente in Betrachtungsrichtung oben liegend und die anderen folgen darunter. Die Abkürzung „L/R“ bedeutet in diesem Falle, dass die optische Wirkung in horizontaler Wirkung (mit der weiter oben bereits definierten horizontalen Richtung) aktiv ist. Für den Polarisationsfilter P bedeutet dies, dass er horizontal (linear) polarisiertes Licht transmittiert und vertikales Licht (im Wesentlichen) absorbiert. Entsprechend bedeutet „O/U“ für den Polarisationsfilter P, dass er vertikal (linear) polarisiertes Licht transmittiert und horizontal Licht (im Wesentlichen) absorbiert
Für den resultierenden Effekt dieses schaltbaren Filters im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit, die vor oder hinter dem schaltbaren Filter angeordnet sein kann, bedeutet die Abkürzung „L/R“ hingegen, dass der Sichtschutzeffekt horizontal wirkt, dass also ein Einblick von links und rechts gehindert wird. Dies entspricht schließlich der Betriebsart B1H des schaltbaren Filters.
Analog bedeutet „O/U“ für den schaltbaren Filter im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit, dass der Sichtschutzeffekt vertikal wirkt, dass also ein Einblick von oben und unten gehindert wird. Dies entspricht der Betriebsart B1V des schaltbaren Filters. Tabelle 1: Aufbau Feldfrei (z.B. EF1 bedeutet kein elektrisches Feld ist anliegend): Effekt im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit Feld anliegend (z.B. EF2 bedeutet ein elektrisches Feld ist anliegend): Effekt im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit Polarisationsfilter P (L/R) Flüssigkristallschicht 3 optisches Element 1 Sichtschutzeffekt (L/R) - B1H Sichtschutzeffekt (O/U) - B1V Polarisationsfilter P (O/U) Flüssigkristallschicht 3 optisches Element 1 Sichtschutzeffekt (O/U) - B1V Sichtschutzeffekt (L/R) - B1H optisches Element 1 Flüssigkristallschicht 3 Polarisationsfilter P (L/R) Sichtschutzeffekt (O/U) - B1V Sichtschutzeffekt (L/R) - B1H optisches Element 1 Flüssigkristallschicht 3 Polarisationsfilter P (O/U) Sichtschutzeffekt (L/R) - B1H Sichtschutzeffekt (O/U) - B1V
The switchable light filter of this third embodiment can be varied in its construction.
Table 1 below shows some essential construction variants. In each case, the first-mentioned component is on top in the viewing direction and the others follow below. In this case, the abbreviation "L/R" means that the optical effect is active in horizontal effect (with the horizontal direction already defined above). For the polarization filter P, this means that it transmits horizontally (linearly) polarized light and (essentially) absorbs vertical light. Correspondingly, “O/U” for the polarization filter P means that it transmits vertically (linearly) polarized light and horizontally (essentially) absorbs light
For the resulting effect of this switchable filter in combination with an image display unit, which can be arranged in front of or behind the switchable filter, the abbreviation "L/R" means that the privacy screen effect works horizontally, i.e. that a view from the left and right is prevented . This finally corresponds to the operating mode B1H of the switchable filter.
Analogously, "O/U" for the switchable filter in conjunction with an image display unit means that the visual protection effect works vertically, i.e. that a view from above and below is prevented. This corresponds to the operating mode B1V of the switchable filter. Table 1: construction Field-free (e.g. EF1 means no electrical field is present): Effect in conjunction with an image display unit Field attached (e.g. EF2 means an electric field is attached): Effect in conjunction with an image display unit polarization filter P (L/R) liquid crystal layer 3 optical element 1 Privacy Effect (L/R) - B1H Privacy Effect (O/U) - B1V polarization filter P (O/U) liquid crystal layer 3 optical element 1 Privacy Effect (O/U) - B1V Privacy Effect (L/R) - B1H optical element 1 liquid crystal layer 3 polarization filter P (L/R) Privacy Effect (O/U) - B1V Privacy Effect (L/R) - B1H optical element 1 liquid crystal layer 3 polarization filter P (O/U) Privacy Effect (L/R) - B1H Privacy Effect (O/U) - B1V

Es sei hier nochmals darauf hingewiesen, dass der Sichtschutzeffekt „O/U“ in vielen praktischen Fällen eine normale Betrachtung für mehrere Betrachter erlaubt, wenn diese in etwa aus gleicher Höhe seitlich auf die Bildwiedergabeeinheit schauen.It should be pointed out once again that the “O/U” privacy screen effect allows normal viewing for several viewers in many practical cases if they are looking at the image display unit from the side from approximately the same height.

Weiters umfasst eine vierte Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters

  • - ein schaltbares optisches Element,
  • - einen oberhalb oder unterhalb des optischen Elementes angeordneten Polarisationsfilter P,
  • - Mittel zum Erzeugen elektrischer Felder EF1 oder EF2, wobei für das optische Element mindestens zwei Zustände durch das jeweils anliegende elektrische Feld EF1 oder EF2 erzeugt werden,
  • - so dass in einer Betriebsart B3, bei welcher die Absorptionsdipole der Schichten (S1, S2, ..) des schaltbaren optischen Elements parallel zur Substratoberfläche des schaltbaren optischen Elements und senkrecht zur Transmissionsrichtung des Polarisators ausgerichtet sind, unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel zum optischen Element in dieses einfällt, zu mindestens 25% transmittiert wird,
  • - und so dass in einer Betriebsart B1H oder B1V, bei welcher die Absorptionsdipole der Schichten (S1, S2, ..) des schaltbaren optischen Elements entlang der besagten Vorzugsrichtung ausgerichtet sind, unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies entweder in vertikaler (Betriebsart B1V) oder horizontaler in Richtung (Betriebsart B1H) gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
A fourth embodiment also includes a switchable light filter
  • - a switchable optical element,
  • - a polarization filter P arranged above or below the optical element,
  • - Means for generating electrical fields EF1 or EF2, wherein at least two states are generated for the optical element by the respective applied electrical field EF1 or EF2,
  • - so that in an operating mode B3, in which the absorption dipoles of the layers (S1, S2, ..) of the switchable optical element are aligned parallel to the substrate surface of the switchable optical element and perpendicular to the transmission direction of the polarizer, unpolarized light which is at any angle incident on the optical element, at least 25% is transmitted,
  • - and so that in an operating mode B1H or B1V, in which the absorption dipoles of the layers (S1, S2, ..) of the switchable optical element are aligned along said preferred direction, unpolarized light, which is incident perpendicular to the switchable light filter in this, at least 24% is transmitted and so that unpolarized light that strikes the switchable light filter at an angle of more than 30 degrees to the perpendicular bisector is absorbed by at least 85%, with this either in a vertical (operating mode B1V) or horizontal direction (operating mode B1H) applies when the horizontal line is oriented parallel to the bottom edge and the vertical line is oriented parallel to the left or right side edge of layer S1.

Auch hierbei ist es wiederum möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer Null, z.B. 0,5 V/m, aufweisen.It is also possible here that either the electric field EF1 or the electric field EF2 describes a field-free state, with the respective other electric field EF2 or EF1 having an absolute field strength greater than zero, eg 0.5 V/m .

Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung des optischen Elements und des Polarisationsfilters P bedeuten, dass die Betriebsart B3 vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand eine der Betriebsarten B1H oder B1V vorliegt.Depending on the configuration of the optical element and the polarization filter P, the field-free state can mean that the B3 operating mode is present. However, it is also possible that one of the operating modes B1H or B1V is present in the field-free state.

Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter dieser vierten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einem Sichtschutz in der vertikalen bzw. der horizontalen Richtung und keinem Sichtschutzeffekt (oben/unten geschützt B1V bzw. links/rechts geschützt B1H vs. kein Sichtschutz B3).Thus, the switchable light filter of this fourth embodiment, in combination with an image reproduction unit, allows switching between visual protection in the vertical or horizontal direction and no visual protection effect (top/bottom protected B1V or left/right protected B1H vs. no visual protection B3).

Für besondere Anwendungsfälle kann ein schaltbarer Lichtfilter -unabhängig welcher vorgenannten Ausgestaltung- in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen den jeweils möglichen Betriebszuständen ermöglicht wird. Im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit würde dies heißen, dass beispielsweise nur ein Teil der Bildfläche zwischen einem Sichtschutz (z.B. Betriebsart B1H oder B2) und keinem Sichtschutzeffekt (z.B. Betriebsart B3, ggf. auch B1V) für freie Sicht umgeschaltet werden kann, während der dazu komplementäre Teil der Bildfläche permanent in einem Sichtschutzmodus (z.B. Betriebsart B1H oder B2) oder in keinem Sichtschutzmodus (z.B. Betriebsart B3, ggf. auch B1V) befindlich ist.For special applications, a switchable light filter--regardless of the aforementioned embodiment--can be subdivided into a plurality of separately switchable segments, so that it is possible to switch over locally between the respective possible operating states. In conjunction with an image display unit, this would mean that, for example, only a part of the image area can be switched between a visual protection (e.g. operating mode B1H or B2) and no visual protection effect (e.g. operating mode B3, possibly also B1V) for a clear view, while the complementary Part of the screen is permanently in a privacy mode (e.g. operating mode B1H or B2) or in no privacy mode (e.g. mode B3, possibly also B1V).

Es können sogar mehrere, voneinander geometrisch getrennte, solche Segmente vorhanden sein, die separat oder gemeinsam zwischen den Betriebsarten umgeschaltet werden können.There can even be several such segments that are geometrically separate from one another and can be switched between the operating modes separately or together.

Wie vorstehend schon angemerkt, erlangt die Erfindung besondere Bedeutung durch Kombination eines vorbeschriebenen schaltbaren Lichtfilters mit einer Bildwiedergabeeinheit zu einem Bildschirm.As already noted above, the invention acquires particular importance through the combination of a switchable light filter as described above with an image display unit to form a screen.

Ein solcher Bildschirm, der in mindestens einem ersten Betriebszustand B1V und/oder B3 für einen in der horizontalen Richtung freien Sichtmodus und in mindestens einem zweiten Betriebszustand B1H und/oder B2 für einen in der horizontalen Richtung eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfasst

  • - einen wie vorstehend beschriebenen schaltbaren Lichtfilter einer der vier genannten Ausgestaltungen, und
  • - eine dem schaltbaren Lichtfilter von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.
Such a screen, which can be operated in at least a first operating state B1V and/or B3 for a horizontally free viewing mode and in at least a second operating state B1H and/or B2 for a horizontally restricted viewing mode
  • - a switchable light filter as described above, one of the four configurations mentioned, and
  • - an image reproduction unit which is arranged upstream or downstream of the switchable light filter as seen from the perspective of an observer.

Vorteilhaft entspricht die Bildwiedergabeeinheit einem LCD-Panel, dessen einer Polarisationsfilter dem Polarisationsfilter P entspricht. Dabei kann es sich um den vorder- oder rückseitigen Polarisator im LCD-Aufbau handeln.The image display unit advantageously corresponds to an LCD panel, one polarization filter of which corresponds to the polarization filter P. This can be the front or rear polarizer in the LCD assembly.

Außerdem kann vorteilhaft der schaltbare Lichtfilter zwischen dem LCD-Panel und dessen Hintergrundbeleuchtung angeordnet sein, um zwischen einem ersten Betriebszustand B3 (oder B1V) für einen freien Sichtmodus und einem zweiten Betriebszustand B1H bzw. B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus umzuschalten, weil das Licht der Hintergrundbeleuchtung aufgrund des schaltbaren Lichtfilters in horizontaler Richtung einmal fokussiert (B2 bzw. B1H) und einmal nicht fokussiert (B3 bzw. B1V) wird. Mit „Fokussierung“ ist dabei nicht eine Fokussierung nach Art von Linsen gemeint, sondern eine Einengung des Abstrahlbereichs bzw. Transmissionsbereiches über die Winkel.In addition, the switchable light filter can advantageously be arranged between the LCD panel and its backlight in order to switch between a first operating state B3 (or B1V) for a clear view mode and a second operating state B1H or B2 for a restricted view mode, because the light from the backlight due to the switchable light filter in the horizontal direction once focused (B2 or B1H) and once not focused (B3 or B1V). With "Focusing" This does not mean focusing in the manner of lenses, but rather a narrowing of the emission range or transmission range over the angles.

Bei der Bildwiedergabeeinheit kann es sich alternativ um ein OLED, ein SED-Display, ein FED-Display, in microLED-Display oder ein VFD Display handeln, vor welchem ein schaltbarer Lichtfilter angeordnet ist. Da der schaltbare Lichtfilter unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.Alternatively, the image display unit can be an OLED, an SED display, an FED display, a microLED display or a VFD display, in front of which a switchable light filter is arranged. Since the switchable light filter is effective regardless of the type of image display unit, any other type of screen can also be used.

Ein solcher Bildschirm findet vorteilhaft Verwendung in einem mobilen Gerät, einem Kraft-, Luft- oder Wasserfahrzeug, in einem Zahlterminal oder in einem Zugangssystem.Such a screen is advantageously used in a mobile device, a motor vehicle, aircraft or watercraft, in a payment terminal or in an access system.

Dabei kann zwischen den genannten Betriebsarten umgeschaltet werden, um sensitive Daten zu schützen, d.h. für nur einen Betrachter wahrnehmbar darzustellen, oder alternativ Bildinhalte gleichzeitig für mehrere Betrachter darzustellen.It is possible to switch between the above-mentioned operating modes in order to protect sensitive data, i.e. to display them perceptibly for only one viewer, or alternatively to display image content for several viewers at the same time.

Ferner kann es ein schaltbares oder nicht schaltbares optisches Element in den weiter vorn beschriebenen Ausgestaltungen zusammen mit einem statischen Bild oder auch einer dynamischen Bildwiedergabeeinheit wie etwa einem LCD-Panel verwendet werden, beispielsweise um Werbeinhalte nur in einem eingeschränkten Sichtbereich sichtbar zu machen.Furthermore, a switchable or non-switchable optical element can be used in the configurations described above together with a static image or a dynamic image display unit such as an LCD panel, for example to make advertising content visible only in a restricted field of view.

Die Anwendungsvielfalt des erfindungsgemäßen optischen Elements endet jedoch nicht bei Anwendungen zur Darstellung von Bildinhalten mit oder ohne Sichtschutzeffekte. Vielmehr sind weitere Anwendungen möglich, etwa, wenn spezielle Eigenschaften einer Beleuchtungseinrichtung gewünscht sind. Denkbar sind Ausgestaltungen des optischen Elements, bei denen definierte Polarisationskontraste erzeugt werden. Diese wiederum können im Rahmen der optischen Sensorik eingesetzt werden.However, the variety of applications for the optical element according to the invention does not end with applications for displaying image content with or without visual protection effects. On the contrary, other applications are possible, for example when special properties of a lighting device are desired. Configurations of the optical element in which defined polarization contrasts are generated are conceivable. These in turn can be used in the context of optical sensors.

Insofern umfasst die Erfindung auch ein Messgerät zur optischen Detektion von Eigenschaften der Oberfläche und/oder des Volumens eines Objektes O, umfassend

  • - mindestens ein Modul M1, M2, .. bestehend in dieser Reihenfolge aus einer ersten Linse oder einem ersten Linsenraster L1 mit Mikrolinsen, einem schaltbaren oder nicht schaltbaren erfindungsgemäßen optischen Element wie weiter oben beschrieben, und einer zweiten Linse oder einem zweiten Linsenraster L2,
  • - eine Lichtquelle LS,
  • - einen optischen Detektor D,
  • - optional einen Strahlteiler ST,
  • - optional abbildende Optiken L3 und L4,
  • - optional polarisationsrotierende Schichten 4,
  • - wobei in einer ersten Alternative für eine optische Detektion in Transmission das Messgerät in der Reihenfolge Lichtquelle LS, erstes Modul M1, Objekt O, zweites Modul M2 sowie optischer Detektor D aufgebaut ist, und
  • - wobei in einer zweiten Alternative für eine optische Detektion in Reflektion das Messgerät in der Reihenfolge Lichtquelle LS, Strahlteiler ST, erstes Modul M1 sowie Objekt O, aufgebaut ist, wobei hier der optische Detektor D zum Empfang von durch den Strahlteiler ST ausgekoppelten optischen Signalen geeignet neben den vorgenannten Komponenten angeordnet ist,
  • - so dass der optische Detektor D polarisationsmaskierte optische Informationen detektieren kann, wobei für die Linse oder jede Mikrolinse des dem jeweils dem optischen Detektor D zugewandten Linsenrasters L1 des entsprechenden Moduls M1 oder M2 eine Polarisationsinformation vorliegt.
In this respect, the invention also includes a measuring device for the optical detection of properties of the surface and/or the volume of an object O, including
  • - at least one module M1, M2, .. consisting in this order of a first lens or a first lens array L1 with microlenses, a switchable or non-switchable optical element according to the invention as described above, and a second lens or a second lens array L2,
  • - a light source LS,
  • - an optical detector D,
  • - optionally a beam splitter ST,
  • - optional imaging optics L3 and L4,
  • - optional polarization-rotating layers 4,
  • - In a first alternative for optical detection in transmission, the measuring device is constructed in the order of light source LS, first module M1, object O, second module M2 and optical detector D, and
  • - In a second alternative for optical detection in reflection, the measuring device is constructed in the order of light source LS, beam splitter ST, first module M1 and object O, with the optical detector D being suitable here for receiving optical signals coupled out by the beam splitter ST is arranged next to the aforementioned components,
  • - So that the optical detector D can detect polarization-masked optical information, polarization information being present for the lens or each microlens of the respective optical detector D facing lens array L1 of the corresponding module M1 or M2.

Ein solches Messgerät erlaubt vielseitige Anwendungen zur Messung etwa von Oberflächen, Rauigkeiten, Krümmungen, Depolarisationen oder auch im Bereich von „Machine Vision“. Andere Anwendungen sind denkbar. Grundsätzlich wird dabei insbesondere die richtungs- und/oder polarisationsabhängige Abschwächung des Lichtes genutzt, um optische Unterschiede sichtbar zu machen.Such a measuring device allows versatile applications for measuring surfaces, roughness, curvature, depolarization or also in the field of "machine vision". Other applications are conceivable. In principle, the direction and/or polarization-dependent weakening of the light is used to make optical differences visible.

Optional kann die Messung mit dem erfindungsgemäßen Messgerät auch konfokal durchgeführt werden, beispielsweise um Streueigenschaften von Partikeln zu ermitteln.Optionally, the measurement can also be carried out confocally with the measuring device according to the invention, for example in order to determine the scattering properties of particles.

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

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the specified combinations, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigt

  • 1a die Prinzipskizze eines nicht schaltbaren optischen Elements,
  • 1 b die Prinzipskizze eines schaltbaren optischen Elements in einem ersten Zustand,
  • 1c die Prinzipskizze eines schaltbaren optischen Elements in einem zweiten Zustand,
  • 2 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters in einer ersten Ausgestaltung mit einem Polarisationsfilter P,
  • 3 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters in einer ersten Ausgestaltung ohne Polarisationsfilter,
  • 4a bis 4c Skizzen zur Beeinflussung des Lichtes aufgrund eines schaltbaren Lichtfilters gemäß der 3,
  • 5 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters in einer zweiten Ausgestaltung,
  • 6 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters in einer dritten Ausgestaltung,
  • 7 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters in einer vierten Ausgestaltung,
  • 8 die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Durchlicht arbeitet, unter Nutzung eines optischen Elements,
  • 9 die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Reflektion arbeitet, unter Nutzung eines optischen Elements,
  • 10 die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Durchlicht arbeitet, in einer zweiten Ausgestaltung unter Nutzung eines optischen Elements, sowie
  • 11-15 optische Simulationen zur Veranschaulichung der optischen Wirkung eines optischen Elements.
The invention is explained in more detail below with reference to drawings, which also show features that are essential to the invention. It shows
  • 1a the principle sketch of a non-switchable optical element,
  • 1 b the schematic diagram of a switchable optical element in a first state,
  • 1c the schematic diagram of a switchable optical element in a second state,
  • 2 the schematic diagram of a switchable light filter in a first embodiment with a polarization filter P,
  • 3 the schematic diagram of a switchable light filter in a first embodiment without a polarization filter,
  • 4a until 4c Sketches for influencing the light due to a switchable light filter according to the 3 ,
  • 5 the schematic diagram of a switchable light filter in a second embodiment,
  • 6 the schematic diagram of a switchable light filter in a third embodiment,
  • 7 the schematic diagram of a switchable light filter in a fourth embodiment,
  • 8th the basic sketch of a measuring device that works in transmitted light using an optical element,
  • 9 the basic sketch of a measuring device that works in reflection, using an optical element,
  • 10 the basic sketch of a measuring device that works in transmitted light, in a second embodiment using an optical element, and
  • 11-15 optical simulations to illustrate the optical effect of an optical element.

Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder.The drawings are not true to scale and merely provide schematic representations.

Die 1a zeigt die Prinzipskizze eines beispielhaften nicht schaltbaren optischen Elements 1, welches im Rahmen der Erfindung liegt. Selbiges umfasst

  • - mindestens eine Schicht S1,
  • - wobei diese Schicht S1 Material mit einer Vielzahl Licht absorbierender elektrischer Absorptionsdipole (die hier vereinfacht als kleine vertikale Striche dargestellt sind) umfasst, welche mindestens in einem ersten Zustand parallel zu einer wählbaren Vorzugsrichtung ausgerichtet sind (hier senkrecht zur Oberfläche der Schicht S1) oder um diese herum fluktuieren, wodurch die besagte Vorzugsrichtung einen Winkel zwischen 0° und 45° zur Flächennormale der Schicht S1 einschließt,
  • - so dass Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber der Schicht S1 und seinen Polarisationseigenschaften transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird.
the 1a shows the schematic diagram of an exemplary non-switchable optical element 1, which is within the scope of the invention. The same includes
  • - at least one layer S1,
  • - wherein this layer S1 material with a multiplicity of light-absorbing electrical absorption dipoles (which are shown here in simplified form as small vertical lines) which, at least in a first state, are aligned parallel to a selectable preferred direction (here perpendicular to the surface of layer S1) or around these fluctuate around, as a result of which said preferred direction encloses an angle between 0° and 45° to the surface normal of layer S1,
  • - so that light which is incident on the optical element is transmitted or partially or completely absorbed depending on its direction of incidence with respect to the layer S1 and its polarization properties.

Ein erfindungsgemäßes optisches Element 1 kann beispielsweise durch Lamination einer Vielzahl von Polymerfolienpolarisatoren und/oder durch Fotoausrichtung von Molekülen oder Partikeln hergestellt werden. Je nach Implementierung kann die Dichte der besagten elektrischen Absorptionsdipole in der Schicht S1 variieren. Bei einem passiven Polarisator kann die Volumendichte gegen 100% gehen.An optical element 1 according to the invention can be produced, for example, by lamination of a large number of polymer film polarizers and/or by photoalignment of molecules or particles. Depending on the implementation, the density of said electric absorption dipoles in layer S1 can vary. With a passive polarizer, the volume density can approach 100%.

Das erfindungsgemäße optische Element 1 stellt für linear polarisiertes Licht einen Sichtschutzfilter dar. Daher ist hier ein Polarisator P vorgesehen, der von unten einfallendes Licht parallel linear zur Zeichnungsoberfläche polarisiert. Der Polarisator P ändert jedoch nicht die Lichtausbreitungs-richtungen. Zwei mögliche Lichtausbreitungsrichtungen sind mittels der beiden dicken Pfeile eingezeichnet. Aufgrund der Wirkung der Absorptionsdipole wird nun das Licht durch das optische Element 1 absorbiert, welches eine (schräge) Richtung von etwa über 30 Grad gegenüber der Mittelsenkrechten auf die Schicht S1 aufweist. Schließlich bleibt im Wesentlichen nur noch das senkrecht auf das optische Element 1 einfallende Licht nach Durchgang durch selbiges übrig, wie mit dem einzelnen Pfeil oben in der Zeichnung dargestellt.The optical element 1 according to the invention represents a privacy filter for linearly polarized light. A polarizer P is therefore provided here, which polarizes light incident from below linearly parallel to the drawing surface. However, the polarizer P does not change the directions of light propagation. Two possible light propagation directions are indicated by the two thick arrows. Due to the effect of the absorption dipoles, the light is now absorbed by the optical element 1, which has an (oblique) direction of approximately more than 30 degrees with respect to the bisector on the layer S1. Finally, essentially only the light incident perpendicularly onto the optical element 1 remains after passing through the same, as illustrated by the single arrow at the top of the drawing.

Je nach Anwendungsfall ist jede der Schichten (S1, S2, ...) in ihrer Struktur periodisch oder nicht-periodisch aufgebaut.Depending on the application, each of the layers (S1, S2, ...) has a periodic or non-periodic structure.

Die Extinktion (also die Absorption) des Lichtes ist von den Schichtdicken der Absorptionsdipole abhängig. Dazu zeigen die Zeichnungen 11 bis 15 optische Simulationen zur Veranschaulichung der optischen Wirkung eines optischen Elements 1.The extinction (i.e. the absorption) of the light depends on the layer thickness of the absorption dipoles. The drawings show this 11 until 15 optical simulations to illustrate the optical effect of an optical element 1.

Die 11 zeigt ein Diagramm zur normierten Transmission des Lichts beim Durchgang durch ein optisches Element 1 gemäß 1, hier über horizontale Messwinkel von -90° bis +90° aufgetragen. Die starke Absorptionswirkung bei Winkeln über +/-25° ist deutlich sichtbar. Die Simulationen basieren auf einer angenommenen Schichtdicke eines optischen Elements 1 von d=0.5mm, einer Brechzahl des Materials von n=1.5, der Molarität M=0.01 mol m-3 sowie einer beispielhaften molaren Extinktion von ε=12700 m2 mol-1.the 11 FIG. 1 shows a diagram of the normalized transmission of the light as it passes through an optical element 1 according to FIG 1 , plotted here over horizontal measuring angles from -90° to +90°. The strong absorption effect at angles above +/-25° is clearly visible. The simulations are based on an assumed layer thickness of an optical element 1 of d=0.5mm, a refractive index of the material of n=1.5, the molarity M=0.01 mol m -3 and an exemplary molar extinction of ε=12700 m 2 mol -1 .

In 12 sind die Verhältnisse nach 11 auf der Ordinate logarithmisch für den für die Nutzung wesentlichen Wertebereich aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass bei derartigen Parametern bei +/-25° die Transmission schon auf etwa ein Prozent und bei +/-40° schon auf nur rund 0,001 Prozent verringert wird. In 13 wurden die für 11 angenommen Voraussetzungen hinsichtlich der Brechzahl n für Werte n=1,0; 1,3; 1,5 sowie n=1,7 berechnet. Es ist zu erkennen, dass die Transmission im Winkel umso eingeschränkter wird, je geringer die Brechzahl des Materials der Schicht S1 ist.In 12 are the circumstances 11 plotted logarithmically on the ordinate for the value range essential for use. It can be seen that with such parameters at +/-25° the transmission is already reduced to around one percent and at +/-40° to only around 0.001 percent. In 13 were the for 11 assumed assumptions regarding the refractive index n for values n=1.0; 1.3; 1.5 and n=1.7 calculated. It can be seen that the transmission becomes more restricted at the angle, the lower the refractive index of the material of layer S1.

Weiterhin zeigt die 14 eine Variation der normierten Transmission durch ein optisches Element 1 gemäß der Verhältnisse nach 11 hinsichtlich der Dicke eines optischen Elements 1. Dabei wurden Schichtdicken von d=0,1 mm; 0,2 mm; 0,3 mm; 0,4 mm sowie 0,5 mm berechnet. Wie zu erwarten sorgt demzufolge eine größere Schichtdicke für eine stärkere Einschränkung der Transmission über die Winkel.Furthermore, the 14 a variation of the normalized transmission through an optical element 1 according to the ratios 11 with regard to the thickness of an optical element 1. Layer thicknesses of d=0.1 mm; 0.2mm; 0.3mm; 0.4 mm and 0.5 mm calculated. As expected, a larger layer thickness results in a stronger limitation of the transmission over the angles.

Schließlich zeigt 15 die winkelabhängige, normierte Transmission für drei ausgewählte Parametersätze (1. n=1,0 und d=0,2 mm; 2. n=1,5 und d=0,5 mm; 3. n=1,7 und d=0,65 mm). Alle drei Parametersätze erzeugen sehr ähnliche optische Wirkungen.Finally shows 15 the angle-dependent, normalized transmission for three selected parameter sets (1. n=1.0 and d=0.2 mm; 2. n=1.5 and d=0.5 mm; 3. n=1.7 and d= 0.65mm). All three sets of parameters produce very similar optical effects.

Die demgegenüber im Stand der Technik bekannten Mikrolamellenfilter (auch „View Control Filter - VCF“ oder „Light Control Filter - LCF“ genannt) machen sich die geometrische Optik zu nutze. Durch die abwechselnde periodische Anordnung von transparenten und absorbieren Schichten wird (nahezu) alles Licht absorbiert, dass sich unter großen Winkeln relativ zu einer definierten Richtung ausbreitet. Es wird dort die Position der Absorber kontrolliert.In contrast, the micro-lamellar filters known in the state of the art (also called “View Control Filters - VCF” or “Light Control Filters - LCF”) make use of the geometric optics. The alternating periodic arrangement of transparent and absorbing layers absorbs (almost) all light that propagates at large angles relative to a defined direction. The position of the absorbers is checked there.

Demgegenüber ändert sich bei den erfindungsgemäßen optischen Elementen die Transmission von Licht mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen, da sich hierbei der Absorptionsquerschnitt der Moleküle mit der Ausbreitungsrichtung ändert. Es wird somit bei der Erfindung nicht die Position, sondern vielmehr insbesondere die Orientierung der Absorber kontrolliert.In contrast, in the case of the optical elements according to the invention, the transmission of light with different directions of propagation changes, since the absorption cross section of the molecules changes with the direction of propagation. In the case of the invention, therefore, it is not the position that is checked, but rather the orientation of the absorbers in particular.

Mit anderen Worten: Die Erfindung basiert auf einer richtungsabhängigen Absorption der Lichtstrahlen bei der Passage durch ein erfindungsgemäßes optisches Element, und zwar grundsätzlich unabhängig von der Position der Lichtstrahlen.In other words: the invention is based on a direction-dependent absorption of the light beams when passing through an optical element according to the invention, and in fact is fundamentally independent of the position of the light beams.

Dies gilt sowohl für nicht schaltbare erfindungsgemäße optische Elemente wie vorstehend beschrieben, als auch für im Folgenden beschriebene, schaltbare Ausgestaltungen.This applies both to non-switchable optical elements according to the invention, as described above, and to switchable configurations described below.

Für eine Schaltbarkeit der optischen Wirkung des optischen Elements 1, also für ein schaltbares optisches Element 1, können die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole in jeder Schicht (S1, S2, ...) in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Absolutwert variiert werden, um die jeweilige Schicht (S1, S2, ...) in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können.For a switchability of the optical effect of the optical element 1, so for a switchable optical element 1, the light-absorbing electrical absorption dipoles in each layer (S1, S2, ...) can be varied in their alignment and / or their absolute value to the respective layer (S1, S2, ...) in at least two different states.

Mögliche Ausgestaltungen eines schaltbaren optischen Elements bzw. jeder Schicht S1, S2, ... darin basieren beispielsweise auf Flüssigkristallen oder Fluorophoren, welche in einer sogenannten „Vertical alignment cell“ oder in einer Flüssigkristallzelle mit homogener Ausrichtung an den Oberflächen angeordnet und darin zwischen mindestens zwei Zuständen gedreht werden können. Dabei werden die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole auch gedreht und können somit mindestens zwei Wirkungszustände annehmen. Es ist insbesondere in derartigen Ausgestaltungen denkbar, dass mehr als zwei Zustände, z.B. drei oder acht Zustände, mit jeweils unterschiedlichen optischen Wirkungen erzielt werden. Andere Ausgestaltungen der Flüssigkristallzellen sind ebenfalls denkbar.Possible configurations of a switchable optical element or each layer S1, S2, ment cell" or in a liquid crystal cell with homogeneous alignment on the surfaces and can be rotated between at least two states. In this case, the light-absorbing electrical absorption dipoles are also rotated and can thus assume at least two states of action. It is particularly conceivable in such configurations that more than two states, for example three or eight states, each with different optical effects, are achieved. Other configurations of the liquid crystal cells are also conceivable.

Dazu zeigt 1b die Prinzipskizze eines schaltbaren optischen Elements in einem ersten Zustand und 1c die Prinzipskizze eines schaltbaren optischen Elements in einem zweiten Zustand.For this shows 1b the schematic diagram of a switchable optical element in a first state and 1c the schematic diagram of a switchable optical element in a second state.

Für diesen beispielhaften Fall soll angenommen werden, dass das einfallende Licht p-polarisiert, also parallel zur Einfallsebene polarisiert (siehe 1b) ist. Sind die transparenten Elektroden E1, E2 ungeladen, d.h. sie erzeugen das elektrische Feld EF1 mit 0 V/m (feldfrei), dann richten sich die hier als Punkte gezeigten Flüssigkristallmoleküle (welche hier beispielsweise als Schichten S1, S2 und S3 ausgebildet sind) entlang der Oberfläche der Elektroden E1, E2 aus. Dies kann durch geeignete Kombination von Oberflächenfunktionalisierung und Flüssigkristallen erreicht werden und ist im Stand der Technik bekannt. Für Licht, welches sich in der Zeichenebene ausbreitet und s-polarisiert ist, sind Polarisation des Lichts und Absorptionsdipole der Flüssigkristalle immer senkrecht zueinander orientiert. Daher findet keine Absorption statt, so dass die oberhalb und unterhalb der Substrate S gezeigte Lichtausbreitungsrichtungen mit s-Polarisation das schaltbare optische Element 1 ungehindert durchdringen.For this exemplary case, it should be assumed that the incident light is p-polarized, i.e. polarized parallel to the plane of incidence (see Fig 1b) is. If the transparent electrodes E1, E2 are uncharged, ie they generate the electric field EF1 with 0 V/m (field-free), then the liquid crystal molecules shown here as dots (which are formed here, for example, as layers S1, S2 and S3) are aligned along the Surface of the electrodes E1, E2. This can be achieved by appropriate combination of surface functionalization and liquid crystals and is known in the prior art. For light that propagates in the plane of the drawing and is s-polarized, the polarization of the light and the absorption dipoles of the liquid crystals are always oriented perpendicular to one another. Therefore, no absorption takes place, so that the light propagation directions shown above and below the substrates S with s-polarization penetrate the switchable optical element 1 unhindered.

Werden, wie in 1c gezeigt, die Elektroden E1 und E2 geladen, d.h. sie erzeugen das elektrische Feld EF2 > 0 V/m, so drehen sich die ich Flüssigkristalle in den Schichten S1, S2 und S3. Übersteigt die Spannung und damit die Feldstärke EF2 einen gewissen Schwellwert, so sind Flüssigkristallmoleküle und damit -wenn vorhanden- auch Farbstoffmoleküle parallel zu den Feldlinien des elektrischen Feldes EF2 ausgerichtet. Dadurch wird Licht in Abhängigkeit des Winkels α, der Winkel zwischen Ausbreitungsrichtung des Lichts und Flächennormale der Oberfläche der Schicht S1, absorbiert. Die Absorption steigt mit dem Winkel α an. Die Extinktion des elektrischen Feldes des Lichts ist proportional zu sin(α).will, as in 1c shown, the electrodes E1 and E2 are charged, ie they generate the electric field EF2 > 0 V/m, so the liquid crystals in the layers S1, S2 and S3 rotate. If the voltage, and thus the field strength EF2, exceeds a certain threshold value, the liquid crystal molecules and thus—if present—also the dye molecules are aligned parallel to the field lines of the electric field EF2. As a result, light is absorbed as a function of the angle α, the angle between the direction of propagation of the light and the normal to the surface of the layer S1. The absorption increases with the angle α. The extinction of the electric field of light is proportional to sin(α).

Grundsätzlich ist eine Kontrolle der Ausrichtung der Farbstoffmoleküle von Vorteil, um dadurch die Achse des Sichtschutzes zu kontrollieren bzw. um eine definierte Strahllenkung durchzuführen.In principle, it is advantageous to control the alignment of the dye molecules in order to control the axis of the privacy screen or to carry out a defined beam steering.

Im Zustand gemäß 1b sind die Dipole senkrecht zu der Polarisation des einfallenden Lichts ausgerichtet und im Zustand gemäß 1c parallel zum senkrechten Lichteinfall.In condition according to 1b the dipoles are oriented perpendicular to the polarization of the incident light and are in the state of 1c parallel to the vertical incidence of light.

Bei derartigen schaltbaren optischen Elementen sind Volumendichten zwischen 0.1 % and 90% basierend auf Flüssigkristallen denkbar.With such switchable optical elements, volume densities between 0.1% and 90% based on liquid crystals are conceivable.

Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung, indem sie in einem schaltbaren Lichtfilter 5 umgesetzt wird. Ein solcher schaltbarer Lichtfilter 5 ist in einer ersten Ausgestaltung in 2 gezeigt. Er umfasst:

  • - zwei nicht-schaltbare erfindungsgemäße optische Elemente 1, 2, bei denen die Vorzugsrichtungen der Absorptionsdipole sich um weniger als 10° voneinander unterscheiden,
  • - eine zwischen den optischen Elementen 1, 2 angeordnete schaltbare Flüssigkristallschicht 3, die in Abhängigkeit von einem auf sie wirkenden elektrischen Feld EF1 oder EF2 die Polarisationseigenschaften des durch sie hindurchdringenden Lichtes beeinflusst,
  • - einen unterhalb der optischen Elemente 1, 2 angeordneten Polarisationsfilter P (oberhalb wäre auch möglich),
  • - zeichnerisch nicht dargestellte Mittel zum wahlweisen Erzeugen der besagten elektrischen Felder EF1 und EF2, beispielsweise oberhalb und unterhalb der Flüssigkristallschicht 3 angeordnete Elektroden,
  • - so dass in einer ersten Betriebsart B1H oder B1V bei einem elektrischen Feld EF1 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei diese Absorption ausschließlich in horizontaler (Betriebsart B1H) oder in vertikaler (Betriebsart B1V) Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist,
  • - und so dass schließlich in einer weiteren Betriebsart B2 bei einem elektrischen Feld EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies gleichzeitig sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
The invention acquires particular importance in that it is implemented in a light filter 5 that can be switched. Such a switchable light filter 5 is in a first embodiment 2 shown. It includes:
  • - two non-switchable optical elements 1, 2 according to the invention, in which the preferred directions of the absorption dipoles differ from one another by less than 10°,
  • - a switchable liquid crystal layer 3 arranged between the optical elements 1, 2, which influences the polarization properties of the light penetrating through it depending on an electric field EF1 or EF2 acting on it,
  • - A polarization filter P arranged below the optical elements 1, 2 (above would also be possible),
  • - Means, not shown in the drawing, for selectively generating said electric fields EF1 and EF2, for example electrodes arranged above and below liquid crystal layer 3,
  • - so that in a first operating mode B1H or B1V in an electric field EF1 unpolarized light, which is incident perpendicularly to the switchable light filter 5, is at least 24% transmitted and so that unpolarized light, which is at an angle of more than 30 degrees to the perpendicular bisector of the switchable light filter 5 incident on it, is absorbed by at least 85%, whereby this absorption only applies in the horizontal (B1H operating mode) or vertical (B1V operating mode) direction if the horizontal is parallel to the lower edge and the vertical is parallel to the left or right side edge of the layer S1 is oriented,
  • - and so that finally in a further operating mode B2 with an electric field EF2 unpolarized light, which is incident perpendicularly to the switchable light filter 5, is transmitted to at least 24% and so that unpolarized light, which is at an angle of more than 30 degrees to the perpendicular bisector of switchable light filter 5 incident on it, is absorbed by at least 85%, whereby this applies both in the horizontal and in the vertical direction at the same time, when the horizontal is oriented parallel to the lower edge and the vertical is oriented parallel to the left or right side edge of the layer S1.

Ferner zeigt die 3 in Abwandlung der 2 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters 5 in einer ersten Ausgestaltung, dieses Mal jedoch ohne Polarisationsfilter. Diese Ausgestaltung dient dazu, dass

  • - in einer zweiten Betriebsart B3 bei einem elektrischen Feld EF1 unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel in den schaltbaren Lichtfilter 5 einfällt, zu mindestens 24% transmittiert wird,
  • - und so dass schließlich in einer weiteren Betriebsart B2 bei einem elektrischen Feld EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies gleichzeitig sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
Furthermore, the 3 in modification of 2 the schematic diagram of a switchable light filter 5 in a first embodiment, but this time without a polarization filter. This design serves to
  • - in a second operating mode B3, at least 24% of unpolarized light, which is incident on the switchable light filter 5 at any angle, is transmitted in an electric field EF1,
  • - and so that finally in a further operating mode B2 with an electric field EF2 unpolarized light, which is incident perpendicularly to the switchable light filter 5, is transmitted to at least 24% and so that unpolarized light, which is at an angle of more than 30 degrees to the perpendicular bisector of switchable light filter 5 incident on it, is absorbed by at least 85%, whereby this applies both in the horizontal and in the vertical direction at the same time, when the horizontal is oriented parallel to the lower edge and the vertical is oriented parallel to the left or right side edge of the layer S1.

Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter 5 der ersten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung entweder zwischen einem zweiseitigen und einem vierseitigen Sichtschutz (z.B. Oben/unten B1V vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2), wenn ein Polarisationsfilter P vorhanden ist, oder, wenn kein Polarisationsfilter P vorhanden ist, die Umschaltung entweder zwischen einer in alle Richtungen freien Betrachtung und einem vierseitigen Sichtschutz (z.B. freie Sicht B3 vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2).Thus, the switchable light filter 5 of the first embodiment, in conjunction with an image display unit, allows switching between a two-sided and a four-sided privacy screen (e.g. top/bottom B1V vs. top/bottom/left/right protected B2), if a polarization filter P is present, or, if no polarization filter P is present, switching either between free viewing in all directions and four-sided privacy protection (e.g. free vision B3 vs. above/below/left/right protected B2).

Dabei ist es möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschrieben, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0.5 MV/m, aufweisen.It is possible that, for example, either the electric field EF1 or the electric field EF2 describes a field-free state, with the respective other electric field EF2 or EF1 having an absolute field strength greater than zero, e.g. 0.5 MV/m.

Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung der optischen Elemente 1 und 2 bedeuten, dass die Betriebsart B2 vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand eine der Betriebsarten B1H, B1V oder B3 vorliegt.Depending on the configuration of the optical elements 1 and 2, the field-free state can mean that the B2 operating mode is present. However, it is also possible that one of the operating modes B1H, B1V or B3 is present in the field-free state.

Die 4a bis 4c zeigen eine Skizze zum Polarisationszustand des Lichtes aufgrund eines schaltbaren Lichtfilters gemäß der 3. Die 4a zeigt den Polarisationszustand des öffentlichen Modus, in dem das Licht für Blickwinkel größer 30° tangential polarisiert und Licht mit senkrechtem Einfall linear polarisiert ist. Die 4c zeigt den Polarisationszustand im eingeschränkten Sichtmodus. Hier ist Licht für einen Einfallswinkel von zum Beispiel größer als 30° sehr stark abgeschwächt, während Licht mit senkrechtem Einfall unpolarisiert transmittiert wird.the 4a until 4c show a sketch of the state of polarization of the light due to a switchable light filter according to 3 . the 4a shows the polarization state of the public mode, in which the light is tangentially polarized for viewing angles greater than 30° and normal incidence light is linearly polarized. the 4c shows the polarization state in reduced view mode. Here, light for an angle of incidence of, for example, greater than 30° is very strongly attenuated, while light with vertical incidence is transmitted unpolarized.

Durch die Ausrichtung bzw. Orientierung der Absorptionsdipole wird das Licht für Einfallswinkel polar polarisiert, d.h. die lineare Polarisation des Lichtes ist immer senkrecht zur Richtung des Ursprungs ausgerichtet. Dieser Zustand ist in 4a gezeigt und gilt nach Durchgang des Lichts durch das nicht schaltbare optische Element 1. Das Licht mit kleinen Winkeln wird nur schwach polarisiert. Idealerweise wird Licht, das senkrecht emittiert wird, nicht absorbiert, d.h. es wird polarisiert.Due to the alignment or orientation of the absorption dipoles, the light is polarized for the angle of incidence, ie the linear polarization of the light is always aligned perpendicularly to the direction of origin. This state is in 4a shown and applies after the light has passed through the non-switchable optical element 1. The light with small angles is only weakly polarized. Ideally, light that is emitted perpendicularly is not absorbed, ie it is polarized.

Tritt nun das Licht aus dem optischen Element 2 in die Flüssigkristallschicht 3 über, so kommt es auf den Zustand der Flüssigkristallschicht 3 an, ob und wie der Polarisationszustand des Lichts geändert wird, oder dieser unverändert bleibt. Ist, beispielsweise beim feldfreien Zustand EF1 die Polarisationsdrehung in der Flüssigkristallschicht 3 ausgeschaltet, so ändert sich am vorstehend beschrieben Zustand nichts. Nach dem Durchgang durch die Flüssigkristallschicht 3 und weiterhin durch das nicht schaltbare optische Element 1 bleibt die Transmission im Wesentlichen unverändert. Ist ein Polarisator P oberhalb des optischen Elements 1 oder unterhalb des optischen Elements 2 vorhanden, so wird eine Betriebsart B1H oder B1V, je nach Ausgestaltung, erreicht. Existiert dieser Polarisator nicht, wird die Betriebsart B3 realisiert.If the light now passes from the optical element 2 into the liquid crystal layer 3, it depends on the state of the liquid crystal layer 3 whether and how the state of polarization of the light is changed or remains unchanged. If, for example in the field-free state EF1, the polarization rotation in the liquid crystal layer 3 is switched off, nothing changes in the state described above. After passing through the liquid crystal layer 3 and further through the non-switchable optical element 1, the transmission remains essentially unchanged. If a polarizer P is present above the optical element 1 or below the optical element 2, an operating mode B1H or B1V, depending on the design, is achieved. If this polarizer does not exist, the operating mode B3 is implemented.

Wird nun demgegenüber durch Anlegen eines elektrischen Feldes EF2 > 0 V/m die Polarisationsdrehung in der Flüssigkristallschicht 3 eingeschaltet, so wird die Polarisation überall um 90° gedreht. Der Polarisationszustand ist in 4b gezeigt: dort ist der Polarisationszustand nach Durchgang durch das optische Element 2 und die polarisationsdrehende Flüssigkristallschicht 3 gezeigt. Damit wird im Rahmen der weiteren Lichtpropagation aufgrund des optischen Elements 1 alles Licht ausgelöscht, dass sich unter einem Winkel größer 25° oder etwa 30° ausbreitet. Dies entspricht der Betriebsart B2 und ist in 4c dargestellt.If, in contrast, the polarization rotation in the liquid crystal layer 3 is switched on by applying an electric field EF2>0 V/m, then the polarization is rotated by 90° everywhere. The polarization state is in 4b shown: the polarization state after passage through the optical element 2 and the polarization-rotating liquid crystal layer 3 is shown there. This will be in the context of further Light propagation due to the optical element 1 extinguishes all light that propagates at an angle greater than 25° or about 30°. This corresponds to operating mode B2 and is in 4c shown.

Weiterhin zeigt 5 die Prinzipskizze eines schaltbaren Lichtfilters 5 in einer zweiten Ausgestaltung. Dieser umfasst

  • - zwei schaltbare optische Elemente 1, 2, wobei für jedes der optischen Elemente 1, 2 die beiden besagten Zustände durch an beide optische Elemente 1, 2 anliegende elektrische Felder EF1 oder EF2 erzeugt werden (EF1 liegt am Element 1 und EF2 am Element 2 an),
  • - optional einen oberhalb oder unterhalb der optischen Elemente 1, 2 angeordneten Polarisationsfilter P (Dieser ist nicht notwendig, kann aber die Leistungsfähigkeit des schaltbaren Lichtfilters verbessern. Die Polarisation des Polarisationsfilters P und die des einfallenden Lichtes müssen kongruent sein.),
  • - eine zwischen den schaltbaren optischen Elementen 1, 2 angeordnete Schicht 4 zur Rotation der Polarisationsrichtung (z.B. Flüssigkristalle oder eine schaltbare Halbwellenplatte) des die besagte Schicht 4 durch-dringenden Lichts um 90 Grad,
  • - zeichnerisch nicht dargestellte Mittel zum Erzeugen besagter elektrischer Felder EF1 oder EF2 (typischerweise stellt eines der Felder EF1 oder EF2 einen feldfreien Zustand dar),
  • - so dass in einer Betriebsart B3 bei Anliegen des elektrischen Feldes EF1 unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert wird, wobei in dieser Betriebsart B3 die Absorptionsdipole der beiden schaltbaren optischen Elemente 1, 2 senkrecht zueinander ausgerichtet sind und die Absorptionsdipole des Polarisators P, wenn vorhanden, parallel zu den Absorptionsdipolen des dem Polarisator P nächstliegenden schaltbaren optischen Elements 1 oder 2 zueinander ausgerichtet sind,
  • - und so dass in einer zweiten Betriebsart B2 bei Anliegen des elektrischen Feldes EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies gleichzeitig sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist, wobei in dieser Betriebsart B2 die Absorptionsdipole von Polarisator P, wenn vorhanden, und zu dem ihm nächstliegenden schaltbaren optischenElement 1 senkrecht und von den beiden optischen Elementen 1 und 2 jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.
Furthermore shows 5 the schematic diagram of a switchable light filter 5 in a second embodiment. This includes
  • - Two switchable optical elements 1, 2, with the two said states being generated for each of the optical elements 1, 2 by electrical fields EF1 or EF2 applied to both optical elements 1, 2 (EF1 is applied to element 1 and EF2 to element 2 ),
  • - optionally a polarization filter P arranged above or below the optical elements 1, 2 (this is not necessary, but can improve the performance of the switchable light filter. The polarization of the polarization filter P and that of the incident light must be congruent.),
  • - a layer 4 arranged between the switchable optical elements 1, 2 for rotating the direction of polarization (e.g. liquid crystals or a switchable half-wave plate) of the light penetrating said layer 4 by 90 degrees,
  • - Means, not shown in the drawing, for generating said electric fields EF1 or EF2 (typically one of the fields EF1 or EF2 represents a field-free state),
  • - so that in an operating mode B3, when the electric field EF1 is present, at least 24% of unpolarized light incident on the switchable light filter 5 at any angle is transmitted, with the absorption dipoles of the two switchable optical elements 1 in this operating mode B3 2 are aligned perpendicular to one another and the absorption dipoles of the polarizer P, if present, are aligned parallel to the absorption dipoles of the switchable optical element 1 or 2 closest to the polarizer P,
  • - and so that in a second operating mode B2 when the electric field EF2 is present, at least 24% of unpolarized light, which is incident perpendicularly to the switchable light filter 5, is transmitted and so that unpolarized light, which is at an angle of more than 30 degrees to the perpendicular bisector of the switchable light filter 5 incident on it, is absorbed by at least 85%, whereby this applies both in the horizontal and in the vertical direction at the same time, if the horizontal is oriented parallel to the lower edge and the vertical is oriented parallel to the left or right side edge of the layer S1, with in In this operating mode B2, the absorption dipoles of polarizer P, if present, and of the switchable optical element 1 closest to it are aligned perpendicularly and of the two optical elements 1 and 2, in each case parallel to one another.

Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter 5 dieser zweiten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einer in alle Richtungen freien Betrachtung und einem vierseitigen Sichtschutz (freie Sicht B3 vs. Oben/unten/links/rechts geschützt B2).Thus, the switchable light filter 5 of this second embodiment, in conjunction with an image display unit, allows switching between free viewing in all directions and four-sided privacy protection (free vision B3 vs. top/bottom/left/right protected B2).

Eine dritte Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters 5, die als Prinzipskizze in 6 gezeigt ist, umfasst

  • - ein nicht schaltbares, erfindungsgemäßes optisches Element 1,
  • - einen Polarisationsfilter P der dem optischen Element 1 vor oder nachgeordnet ist,
  • - eine zwischen dem optischen Element 1 und dem Polarisationsfilter P angeordnete Flüssigkristallschicht 3, die in Abhängigkeit von einem auf sie wirkenden elektrischen Feld EF1 oder EF2 die Polarisationseigenschaften des durch sie hindurchdringenden Lichtes beeinflusst,
  • - zeichnerisch nicht dargestellte Mittel zum wahlweisen Erzeugen der besagten elektrischen Felder EF1 und EF2,
  • - so dass in einer Betriebsart B1V oder B1H bei Anliegen des elektrischen Feldes EF1 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei diese Absorption ausschließlich in horizontaler (Betriebsart B1H) oder ausschließlich in vertikaler Richtung (Betriebsart B1V) gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist,
  • - und so dass in einer zweiten Betriebsart B1H oder B1V bei Anliegen des elektrischen Feldes EF2 unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies entweder ausschließlich in vertikaler (Betriebsart B1V) oder ausschließlich in horizontaler Richtung (Betriebsart B1H) gilt, so dass die Absorptionsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Betriebsart B1 jeweils um 90 Grad gedreht ist, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
A third embodiment of a switchable light filter 5, which is shown as a schematic diagram in 6 shown includes
  • - a non-switchable optical element 1 according to the invention,
  • - a polarization filter P which is arranged before or after the optical element 1,
  • - a liquid crystal layer 3 arranged between the optical element 1 and the polarization filter P, which influences the polarization properties of the light passing through it depending on an electric field EF1 or EF2 acting on it,
  • - Means, not shown in the drawing, for selectively generating said electric fields EF1 and EF2,
  • - so that in an operating mode B1V or B1H when the electric field EF1 is present, at least 24% of unpolarized light, which is incident perpendicular to the switchable light filter 5, is transmitted and so that unpolarized light, which is at an angle of more than 30 degrees to the perpendicular bisector of the switchable light filter 5 incident on it, is absorbed by at least 85%, this absorption being valid exclusively in the horizontal (operating mode B1H) or exclusively in the vertical direction (operating mode B1V) if the horizontal is parallel to the bottom edge and the vertical is parallel to the left or right side edge the layer S1 is oriented,
  • - And so that in a second operating mode B1H or B1V when the electric field EF2 is present, unpolarized light, which is incident perpendicularly to the switchable light filter 5, at least 24% is transmitted and so that unpolarized light, which is incident on the switchable light filter 5 at an angle of more than 30 degrees to the median perpendicular to the switchable light filter 5, is absorbed by at least 85%, with this either exclusively in the vertical direction (operating mode B1V) or exclusively in the horizontal direction ( Operating mode B1H) applies, so that the absorption direction is rotated by 90 degrees between the first and the second operating mode B1 when the horizontal is oriented parallel to the lower edge and the vertical is oriented parallel to the left or right side edge of layer S1.

Die Konfiguration dieser dritten Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters 5 kann durch Rotation des Polarisationsfilters P um 90 Grad zwischen den Betriebsarten B1V und B1H wechseln.The configuration of this third embodiment of a switchable light filter 5 can be switched between the operating modes B1V and B1H by rotating the polarization filter P by 90 degrees.

Auch hier ist es möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, aufweisen.It is also possible here that, for example, either the electric field EF1 or the electric field EF2 describes a field-free state, with the respective other electric field EF2 or EF1 having an absolute field strength greater than zero, e.g. 0.5 MV/m.

Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung des optischen Elements 1 und des Polarisationsfilters P bedeuten, dass die Betriebsart B1H vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand die Betriebsart B1V vorliegt.Depending on the configuration of the optical element 1 and the polarization filter P, the field-free state can mean that the B1H operating mode is present. However, it is also possible that the B1V operating mode is present in the field-free state.

Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter 5 dieser dritten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einem Sichtschutz in der vertikalen und einem Sichtschutz in der horizontalen Richtung (oben/unten geschützt B1V vs. links/rechts geschützt B1H). Etwa in einem Laptop würde dies bedeuten, dass ein Nutzer die Inhalte in der Betriebsart B1V mit weiteren Personen, die neben dem Nutzer befindlich und im Wesentlichen mit gleicher Augenhöhe angeordnet sind, gemeinsam anschauen kann, während in der Betriebsart B1H die seitlich benachbarten Personen den Bildinhalt nicht sehen können.Thus, the switchable light filter 5 of this third embodiment, in conjunction with an image display unit, allows switching between vertical privacy protection and horizontal privacy protection (top/bottom protected B1V vs. left/right protected B1H). In a laptop, for example, this would mean that a user can view the content in B1V mode together with other people who are next to the user and who are essentially at the same eye level, while in B1H mode the people next to the side view the image content can't see.

Der schaltbare Lichtfilter 5 dieser dritten Ausgestaltung kann in seinem Aufbau variiert werden, wie weiter oben beschrieben wurde.The switchable light filter 5 of this third embodiment can be varied in its construction, as has been described above.

Weiters umfasst eine vierte, als Prinzipskizze in 7 gezeigte, Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters 5

  • - ein schaltbares optisches Element 1,
  • - einen oberhalb oder unterhalb des optischen Elementes 1 angeordneten Polarisationsfilter P,
  • - zeichnerisch nicht dargestellte Mittel zum Erzeugen elektrischer Felder EF1 oder EF2, wobei für das optische Element 1 mindestens zwei Zustände durch das jeweils anliegende elektrische Feld EF1 oder EF2 erzeugt werden,
  • - so dass in einer Betriebsart B3, bei welcher die Absorptionsdipole der Schichten (S1, S2, ..) des optischen Elements 1 parallel zur Substratoberfläche des optischen Elements 1 und senkrecht zur Transmissionsrichtung des Polarisators ausgerichtet sind, unpolarisiertes Licht, welches in einem beliebigen Winkel zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 25% transmittiert wird,
  • - und so dass in einer Betriebsart B1H oder B1V, bei welcher die Absorptionsdipole der Schichten S1, S2, .. des optischen Elements 1 entlang der besagten Vorzugsrichtung ausgerichtet sind, unpolarisiertes Licht, welches senkrecht zum schaltbaren Lichtfilter 5 in diesen einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und so dass unpolarisiertes Licht, welches in einem Winkel von über 30 Grad zur Mittelsenkrechten des schaltbaren Lichtfilters 5 in diesen einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei dies entweder in vertikaler (Betriebsart B1V) oder horizontaler in Richtung (Betriebsart B1H) gilt, wenn die Horizontale parallel zur Unterkante und die Vertikale parallel zur linken oder rechten Seitenkante der Schicht S1 orientiert ist.
Furthermore, a fourth, as a basic sketch in 7 shown embodiment of a switchable light filter 5
  • - a switchable optical element 1,
  • - a polarization filter P arranged above or below the optical element 1,
  • - Means, not shown in the drawing, for generating electric fields EF1 or EF2, with at least two states being generated for the optical element 1 by the electric field EF1 or EF2 applied in each case,
  • - So that in an operating mode B3, in which the absorption dipoles of the layers (S1, S2, ..) of the optical element 1 are aligned parallel to the substrate surface of the optical element 1 and perpendicular to the transmission direction of the polarizer, unpolarized light which is at any angle incident on the switchable light filter 5, is transmitted to at least 25%,
  • - and so that in an operating mode B1H or B1V, in which the absorption dipoles of the layers S1, S2, .. of the optical element 1 are aligned along said preferred direction, unpolarized light, which is incident perpendicularly to the switchable light filter 5, to at least 24 % transmitted and so that unpolarized light, which is incident at an angle of more than 30 degrees to the perpendicular bisector of the switchable light filter 5, is absorbed by at least 85%, this being either in a vertical (operating mode B1V) or in a horizontal direction (operating mode B1H) applies when the horizontal line is oriented parallel to the bottom edge and the vertical line is oriented parallel to the left or right side edge of layer S1.

Auch hierbei ist es wiederum möglich, dass zum Beispiel entweder das elektrische Feld EF1 oder das elektrische Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld EF2 bzw. EF1 eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0.5 MV/m, aufweisen.It is also possible here that, for example, either the electric field EF1 or the electric field EF2 describes a field-free state, with the respective other electric field EF2 or EF1 having an absolute field strength greater than zero, e.g. 0.5 MV/m.

Dabei kann der feldfreie Zustand je nach Ausgestaltung des optischen Elements 1 und des Polarisationsfilters P bedeuten, dass die Betriebsart B3 vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass im feldfreien Zustand eine der Betriebsarten B1H oder B1V vorliegt.Depending on the configuration of the optical element 1 and the polarization filter P, the field-free state can mean that the B3 operating mode is present. However, it is also possible that one of the operating modes B1H or B1V is present in the field-free state.

Somit erlaubt der schaltbare Lichtfilter 5 dieser vierten Ausgestaltung im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit die Umschaltung zwischen einem Sichtschutz in der vertikalen bzw. der horizontalen Richtung und keinem Sichtschutzeffekt (oben/unten geschützt B1V bzw. links/rechts geschützt B1H vs. kein Sichtschutz B3).Thus, the switchable light filter 5 of this fourth embodiment, in conjunction with an image display unit, allows switching between visual protection in the vertical or horizontal direction and no visual protection effect (top/bottom protected B1V or left/right protected B1H vs. no visual protection B3).

Für besondere Anwendungsfälle kann ein schaltbarer Lichtfilter 5 -unabhängig welcher vorgenannten Ausgestaltung- in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen den jeweils möglichen Betriebszuständen ermöglicht wird. Im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit würde dies heißen, dass beispielsweise nur ein Teil der Bildfläche zwischen einem Sichtschutz (z.B. Betriebsart B1H oder B2) und keinem Sichtschutzeffekt (z.B. Betriebsart B3, ggf. auch B1V) für freie Sicht umgeschaltet werden kann, während der dazu komplementäre Teil der Bildfläche permanent in einem Sichtschutzmodus (z.B. Betriebsart B1H oder B2) oder in keinem Sichtschutzmodus (z.B. Betriebsart B3, ggf. auch B1V) befindlich ist.For special applications, a switchable light filter 5--regardless of the aforementioned embodiment--can be divided into several separately switchable segments, so that it is possible to switch over locally between the respective possible operating states. In conjunction with an image display unit, this would mean that, for example, only a part of the image area can be switched between a visual protection (e.g. operating mode B1H or B2) and no visual protection effect (e.g. operating mode B3, possibly also B1V) for a clear view, while the complementary Part of the screen is permanently in a privacy mode (e.g. operating mode B1H or B2) or in no privacy mode (e.g. mode B3, possibly also B1V).

Es können sogar mehrere, voneinander geometrisch getrennte, solche Segmente vorhanden sein, die separat oder gemeinsam zwischen den Betriebsarten umgeschaltet werden können.There can even be several such segments that are geometrically separate from one another and can be switched between the operating modes separately or together.

Wie vorstehend schon angemerkt, erlangt die Erfindung besondere Bedeutung durch Kombination eines vorbeschriebenen schaltbaren Lichtfilters mit einer Bildwiedergabeeinheit zu einem Bildschirm.As already noted above, the invention acquires particular importance through the combination of a switchable light filter as described above with an image display unit to form a screen.

Ein solcher Bildschirm, der in mindestens einem ersten Betriebszustand B1V und/oder B3 für einen in der horizontalen Richtung freien Sichtmodus und in mindestens einem zweiten Betriebszustand B1H und/oder B2 für einen in der horizontalen Richtung eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfasst

  • - einen wie vorstehend beschriebenen schaltbaren Lichtfilter einer der vier genannten Ausgestaltungen, und
  • - eine dem schaltbaren Lichtfilter von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.
Such a screen, which can be operated in at least a first operating state B1V and/or B3 for a horizontally free viewing mode and in at least a second operating state B1H and/or B2 for a horizontally restricted viewing mode
  • - a switchable light filter as described above, one of the four configurations mentioned, and
  • - an image reproduction unit which is arranged upstream or downstream of the switchable light filter as seen from the perspective of an observer.

Vorteilhaft entspricht die Bildwiedergabeeinheit einem LCD-Panel, dessen einer Polarisationsfilter dem Polarisationsfilter P entspricht. Dabei kann es sich um den vorder- oder rückseitigen Polarisator im LCD-Aufbau handeln.The image display unit advantageously corresponds to an LCD panel, one polarization filter of which corresponds to the polarization filter P. This can be the front or rear polarizer in the LCD assembly.

Außerdem kann vorteilhaft der schaltbare Lichtfilter zwischen dem LCD-Panel und dessen Hintergrundbeleuchtung angeordnet sein, um zwischen einem ersten Betriebszustand B3 (oder B1V) für einen freien Sichtmodus und einem zweiten Betriebszustand B1H bzw. B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus umzuschalten, weil das Licht der Hintergrundbeleuchtung aufgrund des schaltbaren Lichtfilters in horizontaler Richtung einmal fokussiert (B2 bzw. B1H) und einmal nicht fokussiert (B3 bzw. B1V) wird. Mit „Fokussierung“ ist dabei nicht eine Fokussierung nach Art von Linsen gemeint, sondern eine Einengung des Abstrahlbereichs bzw. Transmission in Abhängigkeit des Einstrahlwinkels.In addition, the switchable light filter can advantageously be arranged between the LCD panel and its backlight in order to switch between a first operating state B3 (or B1V) for a clear view mode and a second operating state B1H or B2 for a restricted view mode, because the light from the backlight due to the switchable light filter in the horizontal direction once focused (B2 or B1H) and once not focused (B3 or B1V). "Focusing" does not mean focusing in the manner of lenses, but a narrowing of the emission area or transmission depending on the angle of incidence.

Ein solcher Bildschirm findet vorteilhaft Verwendung in einem mobilen Gerät, einem Kraft-, Luft- oder Wasserfahrzeug, in einem Zahlterminal oder in einem Zugangssystem.Such a screen is advantageously used in a mobile device, a motor vehicle, aircraft or watercraft, in a payment terminal or in an access system.

Dabei kann zwischen den genannten Betriebsarten umgeschaltet werden, um sensitive Daten zu schützen, d.h. für nur einen Betrachter wahrnehmbar darzustellen, oder alternativ Bildinhalte gleichzeitig für mehrere Betrachter darzustellen.It is possible to switch between the above-mentioned operating modes in order to protect sensitive data, i.e. to display them perceptibly for only one viewer, or alternatively to display image content for several viewers at the same time.

Grundsätzlich können im Rahmend der Erfindung auch zusätzliche Retardierungsfilme zum Einsatz kommen, um die Polarisationszustände weiter anpassen zu können. Dies gilt für die vorgenannten wie auch für die noch nachfolgend beschriebene Ausgestaltung der Erfindung.In principle, additional retardation films can also be used within the scope of the invention in order to be able to further adapt the polarization states. This applies to the aforementioned as well as to the embodiment of the invention described below.

Die Anwendungsvielfalt des erfindungsgemäßen optischen Elements endet jedoch nicht bei Anwendungen zu Darstellung von Bildinhalten mit oder ohne Sichtschutzeffekte. Vielmehr sind weitere Anwendungen möglich, wenn spezielle Eigenschaften einer Beleuchtungseinrichtung gewünscht sind. Denkbar sind Ausgestaltungen des optischen Elements 1, bei denen definierte Polarisationskontraste erzeugt werden. Diese wiederum können im Rahmen der optischen Sensorik eingesetzt werden.However, the variety of applications for the optical element according to the invention does not end with applications for displaying image content with or without visual protection effects. Rather, other applications are possible if special properties of a lighting device are desired. Configurations of the optical element 1 in which defined polarization contrasts are generated are conceivable. These in turn can be used in the context of optical sensors.

Insofern umfasst die Erfindung auch ein Messgerät zur optischen Detektion von Eigenschaften der Oberfläche und/oder des Volumens eines Objektes O, umfassend

  • - mindestens ein Modul M1, M2, .. bestehend in dieser Reihenfolge aus einer ersten Linse oder einem ersten Linsenraster L1 mit Mikrolinsen, einem schaltbaren oder nicht schaltbaren erfindungsgemäßen optischen Element 1 wie weiter oben beschrieben, und einer zweiten Linse oder einem zweiten Linsenraster L2,
  • - eine Lichtquelle LS,
  • - einen optischen Detektor D,
  • - optional einen Strahlteiler ST,
  • - optional abbildende Optiken L3 und L4,
  • - optional polarisationsrotierende Schichten 4,
  • - wobei in einer ersten Alternative für eine optische Detektion in Transmission das Messgerät in der Reihenfolge Lichtquelle LS, erstes Modul M1, Objekt O, zweites Modul M2 sowie optischer Detektor D aufgebaut ist, und
  • - wobei in einer zweiten Alternative für eine optische Detektion in Reflektion das Messgerät in der Reihenfolge Lichtquelle LS, Strahlteiler ST, erstes Modul M1 sowie Objekt O, aufgebaut ist, wobei hier der optische Detektor D zum Empfang von durch den Strahlteiler ST ausgekoppelten optischen Signalen geeignet neben den vorgenannten Komponenten angeordnet ist,
  • - so dass der optische Detektor D polarisationsmaskierte optische Informationen detektieren kann, wobei für die Linse oder jede Mikrolinse des dem jeweils dem optischen Detektor D zugewandten Linsenrasters L1 des entsprechenden Moduls M1 oder M2 eine Polarisationsinformation vorliegt.
In this respect, the invention also includes a measuring device for the optical detection of properties of the surface and/or the volume of an object O, including
  • - at least one module M1, M2, .. consisting in this order of a first lens or a first lens array L1 with microlenses, a switchable or non-switchable optical element 1 according to the invention as described above, and a second lens or a second lens array L2,
  • - a light source LS,
  • - an optical detector D,
  • - optionally a beam splitter ST,
  • - optional imaging optics L3 and L4,
  • - optional polarization-rotating layers 4,
  • - In a first alternative for optical detection in transmission, the measuring device is constructed in the order of light source LS, first module M1, object O, second module M2 and optical detector D, and
  • - In a second alternative for optical detection in reflection, the measuring device is constructed in the order of light source LS, beam splitter ST, first module M1 and object O, with the optical detector D being suitable here for receiving optical signals coupled out by the beam splitter ST is arranged next to the aforementioned components,
  • - So that the optical detector D can detect polarization-masked optical information, polarization information being present for the lens or each microlens of the respective optical detector D facing lens array L1 of the corresponding module M1 or M2.

Dazu zeigt 8 die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Durchlicht arbeitet, unter Nutzung eines optischen Elements 1, und 9 die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Reflektion arbeitet, ebenfalls unter Nutzung eines optischen Elements 1.For this shows 8th the basic sketch of a measuring device that works in transmitted light, using an optical element 1, and 9 the basic sketch of a measuring device that works in reflection, also using an optical element 1.

Im Folgenden wird der Transmissionsaufbau (Durchlicht) beschrieben. Für das Verständnis des Aufbaus wird zunächst auf die optischen Elemente eingegangen, die für das Wirkprinzip notwendig sind. Die Lichtquelle LS kann kollimiertes Licht oder Licht einer Köhlerbeleuchtung aussenden, andere Beleuchtungsmodi sind ebenfalls von der Erfindung abgedeckt. Der gewünschte polare Polarisationszustand wird mit Hilfe des 4f-Systems M1 erzeugt, in dessen Zentrum sich das optische Element 1 befindet, das die polare Polarisation erzeugt. In den technischen Implementierungen ist es vorteilhaft, zusätzlich mit abbildenden Optiken (L3 und L4) zu arbeiten, um beispielsweise höhere Auflösungen zu erreichen. Das Element 4, welches die Polarisation drehen kann, ist optional und kann genutzt werden, um den Kontrast zu optimieren.The transmission structure (transmitted light) is described below. To understand the structure, the optical elements that are necessary for the operating principle are first discussed. The light source LS can emit collimated light or light from Koehler illumination, other illumination modes are also covered by the invention. The desired polar polarization state is generated with the aid of the 4f system M1, in the center of which is the optical element 1 that generates the polar polarization. In the technical implementations, it is advantageous to also work with imaging optics (L3 and L4) in order to achieve higher resolutions, for example. Element 4, which can rotate polarization, is optional and can be used to optimize contrast.

Ein solches Messgerät erlaubt vielseitige Anwendungen zur Messung etwa von Oberflächen, Krümmungen oder anisotropen Brechzahlen. Dabei wird insbesondere die richtungs- und/oder polarisationsabhängige Abschwächung und/oder Polarisationsänderung des Lichtes genutzt, um optisch Unterschiede sichtbar zu machen. Optional kann die Messung mit dem erfindungsgemäßen Messgerät auch konfokal durchgeführt werden, beispielsweise um Streueigenschaften von Partikeln zu ermitteln.Such a measuring device allows a wide range of applications for measuring surfaces, curvatures or anisotropic refractive indices, for example. In particular, the direction- and/or polarization-dependent weakening and/or polarization change of the light is used in order to make optical differences visible. Optionally, the measurement can also be carried out confocally with the measuring device according to the invention, for example in order to determine the scattering properties of particles.

Die grundlegende Idee der Messung ist, dass das Licht mit dem optischen Element 1 in den polaren Polarisationszustand gebracht wird. Dieses Licht interagiert mit der Probe beispielweise auf Grund von Oberflächenkrümmungen, Oberflächenrauigkeiten oder anisotropen Brechzahlen und die anfängliche Polarisation wird gestört. Nach dem zweiten Durchgang durch das optische Element 1 wird das Licht entsprechend der Polarisationsänderung abgeschwächt. Diese Abschwächung wird durch einen Flächensensor (z.B. CCD-Sensor, CMOS-Sensor, Fotoplatte oder Art verwandt) detektiert und kann mit einem geeigneten Modell in physikalische Eigenschaften überführt werden. Der Vorteil liegt in der Schnelligkeit des Verfahrens, da zahlreiche Ausbreitungswinkel des Lichts gleichzeitig mit einer Messung erfasst werden und somit Rückschlüsse auf Richtungsabhängigkeiten möglich sind.The basic idea of the measurement is that the light is brought into the polar polarization state with the optical element 1. This light interacts with the sample, for example due to surface curvatures, surface roughness or anisotropic refractive indices, and the initial polarization is disturbed. After the second passage through the optical element 1, the light is attenuated in accordance with the polarization change. This weakening is detected by a surface sensor (e.g. CCD sensor, CMOS sensor, photo plate or similar) and can be converted into physical properties with a suitable model. The advantage lies in the speed of the method, since numerous propagation angles of the light are recorded simultaneously with one measurement and conclusions on directional dependencies are therefore possible.

Dieses Verfahren kann zum Beispiel bei der Vermessung von Flüssigkristallschichten vorteilhaft eingesetzt werden. Hierzu wird die Messung in Transmission durchgeführt. Das Licht ist jeweils für unterschiedliche Einfallswinkel α > 30° gegenüber der Flächennormale linear polarisiert. In Folge des Durchgangs durch einen Flüssigkristall werden die linearen Polarisationen der unterschiedlichen Einfallswinkel wegen der unterschiedlichen Orientierung zwischen der Polarisation des Lichts und aufgrund der anisotropen Brechzahl verschieden in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt, welche mit Hilfe des zweiten optischen Elements 1 sichtbar gemacht wird. Daraus lassen sich die Orientierung der Hauptachsen des Flüssigkristalls, Drehungen der Hauptachsen, Phasenverzögerungen und Neigungswinkel von Flüssigkristallschichten bestimmen.This method can be used advantageously when measuring liquid crystal layers, for example. For this purpose, the measurement is carried out in transmission. The light is linearly polarized in relation to the surface normal for different angles of incidence α > 30°. As a result of the passage through a liquid crystal, the linear polarizations of the different angles of incidence are converted differently into elliptically polarized light due to the different orientation between the polarization of the light and due to the anisotropic refractive index, which with the help of the second optical element 1 is made visible. From this, the orientation of the main axes of the liquid crystal, rotations of the main axes, phase delays and tilt angles of liquid crystal layers can be determined.

In 10 ist die Prinzipskizze eines Messgerätes, das in Durchlicht arbeitet, in einer zweiten Ausgestaltung unter Nutzung eines optischen Elements 1, gezeigt. Die Funktionsweise ist analog derjenigen, die in 8 beschrieben wurde.In 10 is the schematic diagram of a measuring device that works in transmitted light, in a second embodiment using an optical element 1, is shown. The functionality is analogous to that in 8th was described.

Das vorstehend beschriebene optische Element, der schaltbare Lichtfilter und das Messgerät lösen die gestellte Aufgaben: Es wurde zunächst ein optisches Element beschrieben, bei dem Licht, welches es durchdringt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung und seinen Polarisationseigenschaften und explizit -nicht aber in Abhängigkeit seiner Position- transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird. Ferner wurde ein das optische Element verwendender schaltbarer Lichtfilter, der die Transmission von Licht winkelabhängig (optional senkrecht) beeinflusst, beschrieben, wobei hier zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Dabei sind insbesondere Winkeleinschränkungen in der Transmission in bestimmte Richtungen umschaltbar.The optical element described above, the switchable light filter and the measuring device solve the tasks set: First, an optical element was described in which the light that penetrates it depends on its direction of incidence and its polarization properties and explicitly - but not depending on its position - is transmitted or partially or totally absorbed. Furthermore, a switchable light filter using the optical element, which influences the transmission of light as a function of the angle (optionally perpendicular), was described, it being possible here to switch between at least two operating states. In particular, angular restrictions in the transmission can be switched in certain directions.

Das optische Element bzw. darauf basierende Systeme sind preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar, um eine Umschaltung zwischen einem - mindestens in der horizontalen Richtung bestehenden- Sichtschutz und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms grundsätzlich nicht herabgesetzt wird. Weiterhin ist das erfindungsgemäße optische Element auch für Messanwendungen anwendbar, wie zu dem erfindungsgemäßen Messgerät beschrieben.The optical element or systems based on it can be implemented inexpensively and can be universally used in particular with different types of screens in order to enable switching between a visual protection—at least in the horizontal direction—and a free viewing mode, with the resolution of such a screen not being reduced in principle . Furthermore, the optical element according to the invention can also be used for measuring applications, as described for the measuring device according to the invention.

Die vorangehend beschriebene Erfindung kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und/oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe oder beim Lesen von Emails auf mobilen Geräten. Die Erfindung kann -wie weiter oben beschrieben- auch im PKW angewendet werden, um wahlweise dem Fahrer oder Beifahrer störende Bildinhalte vorzuenthalten.The invention described above can be advantageously used in combination with an image display device wherever confidential data is displayed and/or entered, such as when entering a PIN or for data display at ATMs or payment terminals or for entering passwords or when reading emails on mobile devices Devices. As described above, the invention can also be used in passenger cars in order to selectively withhold disturbing image content from the driver or passenger.

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Claims (10)

Optisches Element (1), umfassend, - mindestens eine, bevorzugt mehr als fünf, Schichten (S1, S2, ...), - wobei jede Schicht (S1, S2, ...) Material mit einer Vielzahl Licht absorbierender elektrischer Absorptionsdipole umfasst, welche mindestens in einem ersten Zustand parallel zu einer wählbaren Vorzugsrichtung ausgerichtet sind oder um diese herum fluktuieren, wobei die besagte Vorzugsrichtung einen Winkel zwischen 0° und 45° zur Flächennormale der Schicht S1 einschließt, - so dass Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber den Schichten (S1, S2, ...) und seinen Polarisationseigenschaften transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird.Optical element (1), comprising, - at least one, preferably more than five layers (S1, S2, ...), - wherein each layer (S1, S2, ...) comprises material with a plurality of light-absorbing electric absorption dipoles which, in at least a first state, are oriented parallel to or fluctuate around a selectable preferential direction, said preferential direction having an angle between 0 ° and 45° to the surface normal of layer S1, - so that light which is incident on the optical element is transmitted or partially or completely absorbed depending on its direction of incidence relative to the layers (S1, S2, ...) and its polarization properties. Optisches Element (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schichten (S1, S2, ...) in ihrer Struktur nicht-periodisch aufgebaut ist.Optical element (1) after claim 1 , characterized in that each of the layers (S1, S2, ...) is constructed non-periodically in its structure. Optisches Element (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Lamination einer Vielzahl von Polymerfolienpolarisatoren und/oder durch Fotoausrichtung von Molekülen oder Partikeln hergestellt wird.Optical element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that it is produced by lamination of a plurality of polymer film polarisers and/or by photoalignment of molecules or particles. Optisches Element (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht absorbierenden elektrischen Absorptionsdipole in jeder Schicht (S1, S2, ...) in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Absolutwert und/oder in ihrer Dichte variiert werden können, um die jeweilige Schicht (S1, S2, ...) in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können.Optical element (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the light-absorbing electrical absorption dipoles in each layer (S1, S2, ...) can be varied in their orientation and/or their absolute value and/or in their density in order to adapt the respective layer (S1, S2, . ..) in at least two different states. Optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Lichtfilter (5) in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt ist, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen den jeweils möglichen Betriebszuständen ermöglicht wird.Optical element (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the switchable light filter (5) is divided into a plurality of separately switchable segments, so that local switching between the respective possible operating states is made possible. Optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich in Betrachtungsrichtung vor oder hinter dem optischen Element (1) ein Polarisationsfilter (P) befindet.Optical element (1) according to one of Claims 1 until 5 , A polarization filter (P) being located in front of or behind the optical element (1) in the viewing direction. Bildschirm, der in mindestens einem ersten Betriebszustand für einen in der horizontalen Richtung freien Sichtmodus und in mindestens einem zweiten Betriebszustand für einen in der horizontalen Richtung eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend - ein optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, und - eine dem optischen Element (1) von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.Screen which can be operated in at least a first operating state for a horizontally free viewing mode and in at least a second operating state for a horizontally restricted viewing mode, comprising - an optical element (1) according to one of Claims 1 until 6 , and - an image reproduction unit which is arranged upstream or downstream of the optical element (1) as seen from an observer. Bildschirm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildwiedergabeeinheit ein LCD-Panel ist, dessen einer Polarisationsfilter dem Polarisationsfilter (P), wenn vorhanden, entspricht.screen after claim 7 , characterized in that the image display unit is an LCD panel, one polarizing filter of which corresponds to the polarizing filter (P), if present. Verwendung eines Bildschirms nach Anspruch 7 oder 8 in einem mobilen Gerät, einem Kraft-, Luft- oder Wasserfahrzeug, in einem Zahlterminal oder in einem Zugangssystem.Using a screen after claim 7 or 8th in a mobile device, a motor vehicle, aircraft or watercraft, in a payment terminal or in an access system. Verwendung eines optischen Elements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem statischen Bild oder einem dynamischen Bildgeber, um Werbeinhalte nur in einem eingeschränkten Sichtbereich sichtbar zu machen.Use of an optical element (1) according to one of Claims 1 until 6 with a static image or a dynamic image generator to make advertising content visible only in a limited field of vision.
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