DE102015012271A1

DE102015012271A1 - Verfahren und Bildschirm zur sicheren Darstellung von Informationen

Info

Publication number: DE102015012271A1
Application number: DE102015012271.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Klippstein; Jürgen Schwarz
Original assignee: SiOptica GmbH
Current assignee: SiOptica GmbH
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2035-09-22
Also published as: DE102015012271B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Bildschirms (1) in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, umfassend die Schritte: Anordnung eines schaltbaren optischen Elements (3), welches die Umschaltung zwischen den mindestens zwei Betriebsarten B1 und B2 gewährleistet, in Betrachtungsrichtung eines Betrachters (5) unmittelbar vor einem Bildschirm (1), Darstellung eines Bildinhaltes auf dem Bildschirm (1), wobei das optische Element (3) mindestens zwei transparente leitfähige Schichten (3a, 3b) sowie eine Vielzahl von Teilstrukturen (4) enthält, die entlang einer oder gleichzeitig mehrerer Vorzugsrichtungen (5a, 5b, ...) ausgerichtet sind, wobei jede Teilstruktur (4) gebildet wird aus mindestens einem Anteil (4a) festen, transparenten Materials mit einem festen Brechungsindex n und aus mindestens einem Anteil (4b) an Flüssigkristallen, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung gegenüber dem spannungslosen Zustand ihren Brechungsindex von n0 auf nV mit n0 <> nV ändern, wobei alle Anteile (4b) in Kontakt mit beiden leitfähigen Schichten (3a, 3b) sind, wobei ferner in jeder Teilstruktur (4) jede Grenzfläche (4c) zwischen den Anteilen (4a) und (4b) ausgebildet ist als plane Fläche, Fläche mit einer definierten Rauheit, gekrümmte Fläche, Fläche mit sägezahnförmigem Querschnitt, linsenrasterförmige Fläche und/oder als sonstige Freiformfläche, Anlegen oder Abschalten einer elektrischen Spannung zwischen beiden leitfähigen Schichten (3a, 3b), so dass entweder alle Anteile (4a) und (4b) aller Teilstrukturen (4) jeweils in etwa den gleichen Brechungsindex n für einen freien Sichtmodus B1 aufweisen oder die jeweiligen Anteile (4a) und (4b) einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, wodurch auf Grund der optischen Wirkungen der dann optisch aktiven Grenzflächen (4c) zwischen den jeweiligen Anteilen (4a) und (4b) für einen eingeschränkten Sichtmodus B2 der dargestellte Bildinhalt nur aus einem eingeschränkten Sichtwinkelbereich α unbeeinträchtigt und in voller Auflösung des Bildschirms (1) sichtbar ist, wobei der Sichtwinkelbereich α kleiner als der Halbraum vor dem Bildschirm (1) ist. Die Erfindung betrifft ferner ein das Verfahren umsetzendes Bildschirmsystem.

Description

Während in den letzten Jahren bei der Entwicklung von Flüssigkristallbildschirmen (LCD) wesentliche Anstrengungen darauf konzentriert wurden, den Sehwinkel für Betrachter zu vergrößern, so dass Betrachter aus einem möglichst großen Blickwinkelbereich das Bild in möglichst ebenso guter Qualität wahrnehmen können, wie bei direkter Draufsicht, und dabei auch – insbesondere im Hinblick auf Fernseh- und Computerbildschirme – große Fortschritte erzielt worden sind, gibt es oft Situationen, bei denen ein sehr großer Blickwinkelbereich von Nachteil ist, beispielsweise bei der Eingabe von Geheimzahlen auf Bildschirmen von Bankautomaten. Zunehmend werden auch Applikationen für mobile Geräte wie Tablet-PCs oder Mobiltelefone und auch Notebooks verfügbar, mit denen Bankgeschäfte erledigt werden können, oder andere, persönliche Angaben oder sensible Daten angezeigt werden. Insofern ist für die Benutzer solcher Geräte eine Kontrolle des Blickwinkels notwendig, um beispielsweise zu verhindern, dass sensible Daten von beliebigen Dritten wahrgenommen werden können, die sich im großen Blickwinkelbereich aufhalten. Andererseits ist es für eine Vielzahl von anderen Anwendungen, beispielsweise für das Betrachten von stehenden oder bewegten Bildern in der Regel das Ziel, einen möglichst großen Betrachtungswinkel zu haben. Dabei ist es jedoch wünschenswert, für all diese Anwendungen, sensible oder weniger sensible, den gleichen Bildschirm zu verwenden, nicht zuletzt um Kosten zu sparen. Auch bei Bankautomaten oder PIN-Eingabegeräten im Kassenbereich von Geschäften muss nicht für die ganze Zeit der Blickwinkelbereich auf den jeweiligen, davor stehenden Nutzer eingeengt sein, vielmehr kann in den Pausen, in denen das Gerät nicht benutzt wird, der Bildschirm zur Darstellung anderer Informationen, beispielsweise Werbung, verwendet werden, die von möglichst vielen Personen eingesehen werden soll.
Insofern ist es also wünschenswert, ein- und dasselbe Gerät sowohl für sensible Vorgänge, bei denen ein enger Blickwinkelbereich notwendig ist, als auch für nicht private Anwendungen, bei denen ein möglichst weiter Blickwinkelbereich gewünscht ist, zu verwenden, nicht zuletzt, um den Eigentümern der Geräte Kosten zu ersparen.
Im Stand der Technik existieren dazu verschiedene Ansätze, die jedoch einige Nachteile aufweisen.
So sind seit Langem Zusatzfolien bekannt, die auf Mikro-Lamellen basieren. Diese wurden bereits für kleine, mobile Bildschirme eingesetzt, um deren optischen Datenschutz zu verbessern. Allerdings sind solche Folien nicht zwischen einem engen und einem weiten Blickwinkelbereich umschaltbar, vielmehr ist ein händisches Auflegen und Entfernen erforderlich. Auch müssen die Folien getrennt vom Bildschirm transportiert werden, wenn sie für die jeweilige Applikation nicht benötigt werden.
In der US 6,765,550 wird ein verbesserter, auf Mikro-Lamellen basierender Sichtschutz beschrieben. Die Mikro-Lamellen sind hier schaltbar. Hier ist jedoch die Handhabung des Filters, der jeweils mechanisch, d. h. von Hand angebaut oder entfernt werden muss, nachteilig. Zudem ist der Lichtverlust im geschützten Modus sehr hoch, so dass dieser Sichtschutz in Umgebungen mit hoher Helligkeit kaum eingesetzt werden kann.
In der US 6,2111,930 wird der Einsatz eines zweiten LC-Bildschirms mit Sichtschutz für Bankautomaten beschrieben. Die rückwärtige Beleuchtung, das Backlight, wird dabei so kollimiert, dass nur durch das Ausschalten eines zwischengeschalteten Diffusors Licht durch diese Anordnung geht. Auch hier ist der technische Aufwand und sind die damit verbundenen Kosten hoch.
In der WO 2012/033583 wird die Umschaltung zwischen freier und eingeschränkter Sicht mittels der Ansteuerung von Flüssigkristallen zwischen sogenannten „chromonischen” Schichten erzeugt. Ähnlich wie bei den vorab beschriebenen Folien ist hier jedoch der Lichtverlust sehr hoch, zudem ist die technische Realisierung recht aufwendig und teuer.
In der WO 2009/050505 wird eine in einem Muster permanent lichtblockierende Maskenstruktur beschrieben, bei der die Umschaltung zwischen einer öffentlichen und einer nicht öffentlichen Betriebsart über die Verwendung unterschiedlicher Pixelgruppen für die beiden Betriebsarten erfolgt. Dabei ist jedoch die Helligkeit gegenüber einem nicht mit einer Maskenstruktur belegten Bildschirm permanent stark reduziert und geht mit einem Verlust an Auflösung im öffentlichen Sicht-Modus einher.
In der JP 2005-134678 wird ein Bildschirm beschrieben, bei dem mittels der Ansteuerung von Flüssigkristallen zwischen einem öffentlichen und einem nicht-öffentlichen Modus umgeschaltet werden kann. Diese Lösung erfordert eine sehr komplexe Herstellung von mehrschichtigen, aber dennoch ansteuerbaren LC-Zellen. Sie ist daher kostenintensiv, zudem tritt, wie bei den anderen bereits genannten Ansätzen, ein deutlicher Helligkeitsverlust ein.
In der US 7,675,568 wird eine Umschaltung zwischen einem weiten Blickwinkelbereich und einem engen Blickwinkelbereich durch eine nicht-statische, in der Regel periodische Barriere offenbart, der Bildschirm wird entsprechend mit Bildinhalten angesteuert. Die Helligkeit ist gegenüber einem Bildschirm ohne eine solche Barriere vermindert, ebenso die Auflösung im Modus mit einem weiten Blickwinkelbereich.
In der WO 2013/049088 schließlich wird eine Umschaltung zwischen solchen Betriebsmodi beschrieben, die auf der Verwendung eines Materials (PDLC) basiert, dessen Streueigenschaften gesteuert werden können, so dass eine Umschaltung zwischen einem streuenden und einem nicht-streuenden Zustand erfolgen kann. Das Material befindet sich in strukturierten Kanälen. Dieser Ansatz ist jedoch technisch sehr aufwendig und reduziert ebenfalls die Helligkeit des Bildschirms erheblich. Weiterhin ist es dort notwendig, für den freien Sichtmodus das PDLC-Material mit einer Wechselspannung von einigen 10 Volt zu beaufschlagen, so dass ein Stromverbrauch entsteht und gleichzeitig auch ein Verletzungsrisiko bei Zerstörung des Gerätes auf Grund der Spannung besteht.
Bei dem im Stand der Technik bekannten Verfahren und Anordnungen führt die Bereitstellung der Möglichkeit einer Umschaltung zwischen einem privaten, geschützten Modus mit sehr engem Blickwinkelbereich und einem öffentlichen, ungeschützten Betriebsmodus mit einem weiten Blickwinkelbereich in der Regel dazu, dass die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduziert und/oder die Auflösung im ungeschützten Betriebsmodus stark reduziert wird. Zudem ist meistens die Herstellung technisch aufwendig und damit kostenintensiv, in einigen Fällen wird auch ein weiteres, nur mit hohem Aufwand herstellbares aktives optisches Element zur Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi benötigt, was ebenso mit höheren Kosten verbunden ist.
Beschreibung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und einen Bildschirm zur sicheren Darstellung von Informationen zu entwickeln, wobei beides mit einfachen Mitteln sicher und kostengünstig umsetzbar sein soll. Darüber hinaus soll vorteilhaft eine teilweise oder vollständige Umschaltung zwischen dem sicheren Betriebsmodus und einem ungeschützten Betriebsmodus möglich sein, wobei die sichtbare Auflösung in beiden Betriebsarten der Grundauflösung des eingesetzten Bildschirms entsprechen soll. Die Helligkeit soll so wenig wie möglich vermindert werden. Schließlich soll die Lösung auch für selbstleuchtende Bildschirmarten wie etwa OLED einsetzbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Verfahren zum Betreiben eines Bildschirms in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, umfassend die folgenden Schritte

– (in der Regel dauerhafte) Anordnung eines schaltbaren optischen Elements, welches die Umschaltung zwischen den mindestens zwei Betriebsarten B1 und B2 gewährleistet, in Betrachtungsrichtung eines Betrachters unmittelbar vor einem Bildschirm,
– Darstellung eines Bildinhaltes auf dem Bildschirm,
– wobei das optische Element mindestens zwei transparente leitfähige Schichten sowie eine Vielzahl von Teilstrukturen enthält, die entlang einer oder gleichzeitig mehrerer Vorzugsrichtungen ausgerichtet sind,
– wobei jede Teilstruktur gebildet wird aus mindestens einem Anteil 4a festen, transparenten Materials mit einem festen Brechungsindex n und aus mindestens einem Anteil 4b an Flüssigkristallen, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung gegenüber dem spannungslosen Zustand ihren Brechungsindex von n₀ auf n_V mit n₀ <> n_V ändern, wobei alle Anteile 4b in Kontakt mit beiden leitfähigen Schichten sind,
– wobei ferner in jeder Teilstruktur jede Grenzfläche 4c zwischen den Anteilen 4a und 4b ausgebildet ist als plane Fläche, Fläche mit einer definierten Rauheit, gekrümmte Fläche, Fläche mit sägezahnförmigem Querschnitt, linsenrasterförmige Fläche und/oder als sonstige Freiformfläche,
– Anlegen oder Abschalten einer elektrischen Spannung zwischen beiden leitfähigen Schichten, so dass entweder alle Anteile 4a und 4b aller Teilstrukturen jeweils in etwa den gleichen Brechungsindex n für einen freien Sichtmodus B1 aufweisen, oder die jeweiligen Anteile 4a und 4b einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, wodurch auf Grund der optischen Wirkungen der dann optisch aktiven Grenzflächen 4c zwischen den jeweiligen Anteilen 4a und 4b für einen eingeschränkten Sichtmodus B2 der dargestellte Bildinhalt nur aus einem eingeschränkten Sichtwinkelbereich α unbeeinträchtigt und in voller Auflösung des Bildschirms sichtbar ist, wobei der Sichtwinkelbereich α kleiner als der Halbraum vor dem Bildschirm ist.

Erfindungswesentlich für die Erzeugung des eingeschränkten Sichtmodus' B2 ist insbesondere, dass auf Grund der Brechzahlveränderungen vermittels der Spannungszu- bzw. -abschaltung die jeweiligen Anteile 4a und 4b einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen. Dadurch entstehen optische Wirkungen der dann optisch aktiven Grenzflächen 4c zwischen den jeweiligen Anteilen 4a und 4b in Form von insbesondere Brechung und Reflexion sowie ggf. – je nach Ausbildung der Oberfläche der Grenzflächen 4c – auch Streuung; Beugungseffekte können ebenso auftreten. Die vorgenannten Brechungs- und Reflexionseffekte an den optisch aktiven Grenzflächen 4c sorgen dafür, dass bei Seitensicht aus Winkeln, die größer sind als (definierbare) Winkel gegenüber der Mittelsenkrechten des Bildschirms oder gegenüber von der Vertikalen durch die Bildschirmmitte des Bildschirms, hinreichend viel Licht von vielen Stellen des Bildschirms dorthin gebrochen bzw. reflektiert wird, so dass von einem solchen Betrachtungspunkt aus ein Betrachter beim Blick auf einen Bildpunkt nicht primär oder überhaupt diesen Bildpunkt sieht, sondern eine starke Überlagerung von Bildinformationen etlicher verschiedener Bildpunkte. Dadurch wirkt das Bild von solchen Blickwinkeln aus gesehen stark überlagert, verwaschen und damit undeutlich und unleserlich.
Dennoch ist es möglich, auch in diesem eingeschränkten Sichtmodus B2 den dargestellten Bildinhalt aus einem eingeschränkten Sichtwinkelbereich α unbeeinträchtigt und in voller Auflösung des Bildschirms wahrzunehmen: Aus Winkeln, die kleiner sind als ein vordefinierter Winkel gegenüber der Mittelsenkrechten des Bildschirms oder gegenüber der Vertikalen durch die Bildschirmmitte des Bildschirms, sind die vorgenannten Brechungs- und Reflexionseffekte (und gfg. auch Streu- bzw. Beugungeffekte) vernachlässigbar. Jeder Bildpunkt kann nur aus derartigen Blickpositionen deutlich gesehen werden, ohne dass es nennenswerte visuelle Überlagerungen mit anderen, verschiedenen Bildpunkten gibt. Aus solchen Blickrichtungen schaut der Betrachter nämlich im Wesentlichen nur durch entweder einen Anteil 4a oder 4b, in der Sichtprojektion nicht aber mehrheitlich durch Grenzflächen 4c, wodurch deren Wirkung dann nicht ins Gewicht fällt. Der Sichtwinkelbereich α ist hierbei kleiner als der Halbraum vor dem Bildschirm.
Als (zwei) transparente leitfähige Schichten kommen beispielsweise ITO-Schichten in Betracht.
Zu dem festen Brechungsindex n(λ) des Anteils 4a an festem, transparentem Material ist noch zu bemerken, dass ein einheitlicher Brechungsindex genau genommen nur für eine bestimmte Wellenlänge λ oder einen Wellenlängenbereich gilt. Praktisch ist es ausreichend, wenn die Brechungsindizes n(λ) über die sichtbaren Farbbereiche Rot, Grün und Blau nicht stärker als max. 5% bis 10% variiert.
Wenn alle Teilstrukturen, d. h. alle Anteile 4a und 4b jeweils in etwa den gleichen Brechungsindex n aufweisen, dann hat das optische Element die Wirkung einer Planparallelen Platte, wodurch der freie Sichtmodus B1 entsteht.
Das Umschalten zwischen den Brechungsindizes n₀ und n_V der Anteile 4b kann verschiedenartig umgesetzt werden:
Entweder gilt n = n₀ und n_V > n oder n = n₀ und n_V < n. Dann würde im spannungsfreien Zustand die freie Sicht des Modus B1 ermöglicht.
Oder es gilt n = n_V und n₀ > n oder n = n_V und n₀ < n. Dann würde im spannungsfreien Zustand die eingeschränkte Sicht des Modus B2 ermöglicht.
Das Verfahren erfordert also in jedem Falle, dass gilt n = n₀ oder n = n_V, jedoch nicht n = n₀ = n_V.
Die Festlegung der Brechungsindizes n, n₀ und n_V geschieht korrespondierend zu der Dimensionierung der Anteile 4a und 4b, um hinreichend starke Brechungseffekte bzw. Reflexionseffekte an den Grenzflächen 4c zu erzielen, wenn diese über die Spannungsbeschaltung entsprechend aktiviert sind.
Das optische Element kann beispielsweise hergestellt werden, indem in einer Folie, z. B. bestehend Polycarbonat oder PET, die gewünschten Anteil der Teilstrukturen 4b eingepresst, hernach mit Flüssigkristallen verfüllt und schließlich mit ITO-Schichten als transparente, leitfähige Schichten abgedeckt werden.
Die Größenordnung der Grundfläche jedes Anteils beträgt etwa 10% bis ein Mehrfaches eines Pixels oder Subpixels des Bildschirmes. Die Höhenausdehnung beträgt etwa 10% bis ein Mehrfaches der Breite eines Pixels oder eines Subpixels des Bildschirmes.
In der Regel besteht auch eine Korrelation der Raumrichtungen, aus denen im Modus B2 der Bildschirm klar sichtbar ist, zu den besagten Vorzugsrichtungen: Gibt es nur eine Vorzugsrichtung, dann ist der Bildinhalt des Bildschirms nur aus definierbaren Winkeln entlang dieser Richtung klar sichtbar. Gibt es hingegen mehrere Vorzugsrichtungen, dann ist der Bildinhalt des Bildschirms nur aus definierbaren Winkeln um den Kreuzungspunkt aus den zwei oder mehr Vorzugsrichtungen klar sichtbar. Abhängig von der konkreten Ausgestaltung aller Brechungsindizes und der Form der Grenzflächen 4c kann es jedoch Abweichungen von dieser Faustregel geben.
Die zwischen beiden leitfähigen Schichten anlegbare, elektrische Spannung kann von der Art her eine Gleich- oder Wechselspannung sein, je nach Art der verwendeten Flüssigkristalle für die Anteile 4b.
Ferner kann es von Vorteil sein, wenn eine teilflächige Umschaltung auf der Bildfläche des Bildschirms zwischen den Modi B1 und B2 erreicht wird, indem nur ein Teil der Anteile 4a der Teilstrukturen mit einer Spannung beaufschlagt werden. Dies ist möglich, indem mindestens eine transparente leitfähige Schicht strukturiert und in Teilflächen separat ansteuerbar ausgebildet ist.
Der Sichtwinkelbereich α kann beispielhaft Winkelbereiche umfassen, die jeweils höchstens plus/minus 30 Grad von der Vertikalen durch die Bildschirmmitte des Bildschirms ausgehen.
Alternativ ist es möglich, dass der Sichtwinkelbereich α Winkelbereiche umfasst, die jeweils höchstens plus/minus 30 Grad von der Bildschirmmitte des Bildschirms ausgehen. α
Schließlich ist noch möglich, durch eine Spannungsvariation den geschützten Sichtbereich, also den Privacy-Winkel α, einstellbar zu gestalten: Hierzu würde die angelegte Spannung für den Sichtmodus B2 in verschiedenen Stufen variiert. Dadurch würde der Brechungsindex n_V variieren, wodurch wiederum die Brechungs- bzw. Reflexionseffekte der Grenzflächen 4c variieren, was die Winkel α beeinflusst, aus welchen man den Bildinhalt des Bildschirms klar bzw. nicht klar sehen kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst von einem Bildschirmsystem, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus nutzbar ist, umfassend:

– eine Ansteuereinheit zur Darstellung von Bildinhalten auf einem Bildschirm,
– ein vor dem Bildschirm (in der Regel dauerhaft) angeordnetes schaltbares optisches Element, welches die Umschaltung zwischen den mindestens zwei Betriebsarten B1 und B2 gewährleistet, in Betrachtungsrichtung eines Betrachters unmittelbar vor einem Bildschirm,
– wobei das optische Element mindestens zwei transparente leitfähige Schichten sowie eine Vielzahl von Teilstrukturen enthält, die entlang einer oder gleichzeitig mehrerer Vorzugsrichtungen ausgerichtet sind,
– wobei jede Teilstruktur gebildet wird aus mindestens einem Anteil 4a festen, transparenten Materials mit einem festen Brechungsindex n und aus mindestens einem Anteil 4b an Flüssigkristallen, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung gegenüber dem spannungslosen Zustand ihren Brechungsindex von n₀ auf n_V mit n₀ <> n_V ändern, wobei alle Anteile 4b in Kontakt mit beiden leitfähigen Schichten sind,
– wobei ferner in jeder Teilstruktur jede Grenzfläche 4c zwischen den Anteilen 4a und 4b ausgebildet ist als plane Fläche, Fläche mit einer definierten Rauheit, gekrümmte Fläche, Fläche mit sägezahnförmigem Querschnitt, linsenrasterförmige Fläche oder als sonstige Freiformfläche,
– Anlegen oder Abschalten einer elektrischen Spannung zwischen beiden leitfähigen Schichten, so dass entweder alle Anteile 4a und 4b aller Teilstrukturen jeweils in etwa den gleichen Brechungsindex n für einen freien Sichtmodus B1 aufweisen oder die jeweiligen Anteile 4a und 4b einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, wodurch auf Grund der optischen Wirkungen der dann optisch aktiven Grenzflächen 4c zwischen den jeweiligen Anteilen 4a und 4b für einen eingeschränkten Sichtmodus B2 der dargestellte Bildinhalt nur aus einem eingeschränkten Sichtwinkelbereich α unbeeinträchtigt und in voller Auflösung des Bildschirms sichtbar ist, wobei der Sichtwinkelbereich α kleiner als der Halbraum vor dem Bildschirm ist.

Die oben beschriebenen Mittel-Wirkungs-Zusammenhänge sowie die Ausgestaltungsmöglichkeiten gelten analog für den erfindungsgemäßen Bildschirm und werden daher hier zur Vermeidung von Redundanzen nicht wiederholt.
Der Bildschirm kann beispielsweise ein LCD-Bildschirm, ein OLED-Bildschirm oder ein FED-Bildschirm sein. Andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Erfindungsgemäß kann ein solches Bildschirmsystem im Modus B2 vorteilhaft zur Eingabe von vertraulichen Daten verwendet werden.
Alternativ kann ein solches Bildschirmsystem im Modus B2 zur Anzeige von vertraulichen Daten verwendet werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigt:
1 den schematischen Aufbau der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 die Wirkungsweise des Aufbaus gemäß 1 im Modus B1,
3 die Wirkungsweise des Aufbaus gemäß 1 im Modus B2,
4 den schematischen Aufbau der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren Variante, hier im Modus B1, sowie
5 die Wirkungsweise des Aufbaus gemäß 4 im Modus B2.
Die 1 gibt den schematischen Aufbau der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder. Dieses Verfahren zum Betreiben eines Bildschirms 1 in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, umfasst die folgenden Schritte

– Anordnung eines schaltbaren optischen Elements 3, welches die Umschaltung zwischen den mindestens zwei Betriebsarten B1 und B2 gewährleistet, in Betrachtungsrichtung eines Betrachters 5 unmittelbar vor einem Bildschirm 1,
– Darstellung eines Bildinhaltes auf dem Bildschirm 1,
– wobei das optische Element 3 mindestens zwei transparente leitfähige Schichten 3a, 3b sowie eine Vielzahl von Teilstrukturen 4 enthält, die entlang einer oder gleichzeitig mehrerer Vorzugsrichtungen 5a, 5b, ... ausgerichtet sind,
– wobei jede Teilstruktur 4 gebildet wird aus mindestens einem Anteil 4a festen, transparenten Materials mit einem festen Brechungsindex n und aus mindestens einem Anteil 4b an Flüssigkristallen, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung gegenüber dem spannungslosen Zustand ihren Brechungsindex von n₀ auf n_V mit n₀ <> n_V ändern, wobei alle Anteile 4b in Kontakt mit beiden leitfähigen Schichten 3a, 3b sind,
– wobei ferner in jeder Teilstruktur 4 jede Grenzfläche 4c (es sind in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur wenige ausgewählte Grenzflächen 4c beschriftet, obwohl es wesentlich mehr von ihnen gibt) zwischen den Anteilen 4a und 4b hier beispielhaft ausgebildet ist als plane Fläche,
– Anlegen oder Abschalten einer elektrischen Spannung zwischen beiden leitfähigen Schichten 3a, 3b, so dass entweder alle Anteile 4a und 4b aller Teilstrukturen 4 jeweils in etwa den gleichen Brechungsindex n für einen freien Sichtmodus B1 aufweisen oder die jeweiligen Anteile 4a und 4b einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, wodurch auf Grund der optischen Wirkungen der dann optisch aktiven Grenzflächen 4c zwischen den jeweiligen Anteilen 4a und 4b für einen eingeschränkten Sichtmodus B2 der dargestellte Bildinhalt nur aus einem eingeschränkten Sichtwinkelbereich α unbeeinträchtigt und in voller Auflösung des Bildschirms 1 sichtbar ist, wobei der Sichtwinkelbereich α kleiner als der Halbraum vor dem Bildschirm 1 ist.

Wenn alle Teilstrukturen 4, d. h. alle Anteile 4a und 4b jeweils in etwa den gleichen Brechungsindex n aufweisen, dann hat das optische Element 3 die Wirkung einer Planparallelen Platte, wodurch der freie Sichtmodus B1 entsteht. Dies ist in 2 gezeigt: Von den als Kästchen gezeichneten Bildpunkten des Bildschirms 1 ausgehende Lichtstrahlen (hier durch 4 Pfeile angedeutet) durchdringen das optische Element 3 auf Grund der Gleichheit der Brechungsindizes in den Anteilen 4a und 4b ohne nennenswerte Brechungs- bzw. Reflexionseffekte. Dadurch ist der Bildinhalt des Bildschirms 1 aus einem breiten Winkelspektrum zu sehen.
Demgegenüber ist für die Erzeugung des eingeschränkten Sichtmodus' B2 insbesondere erfindungswesentlich, dass auf Grund der Brechzahlveränderbarkeit vermittels der Spannungszu- bzw. -abschaltung die jeweiligen Anteile 4a und 4b einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen. Dadurch entstehen optische Wirkungen der dann optisch aktiven Grenzflächen 4c zwischen den jeweiligen Anteilen 4a und 4b in Form von insbesondere Brechung und Reflexion sowie ggf. – je nach Ausbildung der Oberfläche der Grenzflächen 4c – auch Streuung; Beugungseffekt können ebenso auftreten. Dies ist in 3 schematisch dargestellt: Von den als Kästchen gezeichneten Bildpunkten des Bildschirms 1 ausgehende Lichtstrahlen (hier durch 5 z. T. abgeknickte Pfeile angedeutet) durchdringen das optische Element 3 und werden teilweise gebrochen bzw. reflektiert. Diese Brechungs- bzw. und Reflexionseffekte an den optisch aktiven Grenzflächen 4c sorgen dafür, dass bei Seitensicht aus Winkeln, die größer sind als (definierbare) Winkel α gegenüber der Mittelsenkrechten des Bildschirms 1 oder gegenüber von der Vertikalen durch die Bildschirmmitte des Bildschirms 1, hinreichend viel Licht von vielen Stellen des Bildschirms 1 dorthin gebrochen bzw. reflektiert wird, so dass von einem solchen Betrachtungspunkt aus ein Betrachter beim Blick auf einen Bildpunkt nicht primär oder überhaupt diesen Bildpunkt sieht, sondern eine Überlagerung von Bildinformationen etlicher verschiedener Bildpunkte. Dadurch wirkt das Bild von solchen Blickwinkeln aus gesehen stark überlagert, verwaschen und damit undeutlich und unleserlich. Dennoch ist es möglich, auch in diesem eingeschränkten Sichtmodus B2 den dargestellten Bildinhalt aus einem eingeschränkten Sichtwinkelbereich unbeeinträchtigt und in voller Auflösung des Bildschirms 1 wahrzunehmen: Aus Winkeln, die kleiner sind als ein vordefinierter Winkel α gegenüber der Mittelsenkrechten des Bildschirms 1 oder gegenüber der Vertikalen durch die Bildschirmmitte des Bildschirms, sind die vorgenannten Brechungseffekte bzw. Reflexionen (und ggf. auch Streu- bzw. Beugungeffekte) vernachlässigbar. Jeder Bildpunkt kann aus derartigen Blickpositionen deutlich gesehen werden, ohne dass es nennenswerte visuelle Überlagerungen mit anderen Bildpunkten gibt. Dies ist in 3 mit den von den als Kästchen gezeichneten Bildpunkten des Bildschirms 1 symbolisiert, welche nicht durch Brechung bzw. Reflexion abgelenkt werden; die gezeichneten zwei Lichtstrahlen gehen durch die Anteile 4a unabgelenkt hindurch. Denn aus solchen Blickrichtungen schaut der Betrachter nämlich im Wesentlichen nur durch entweder einen Anteil 4a oder 4b, in der Sichtprojektion nicht aber mehrheitlich durch Grenzflächen 4c, wodurch deren Wirkung dann nicht ins Gewicht fällt. Der Sichtwinkelbereich α ist hierbei kleiner als der Halbraum vor dem Bildschirm 1.
Im Ausgestaltungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 sollten die Grenzfläche 4c zwischen den jeweiligen Anteilen 4a und 4b jeweils abwechselnd schräg stehende plane Flächen sein. Dabei sollten die Anteile 4a und 4b vorzugsweise jeweils paarweise eine unterschiedliche Breite und unterschiedliche Winkel aufweisen, und zwar gleichmäßig, aber mikrostatistisch über die Fläche verteilt.
Alternativ ließen sich auch gleichgroße Anteile 4a und 4b verwenden, in jedem Falle sollte aber deren Winkelausrichtung der Grenzflächen 4c alternierend sein, wie in 1 nahegelegt; nur dass dort die Anteile 4a und 4b jeweils nicht gleich groß sind.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist in den 4 und 5 gezeigt. Dort sind die Grenzflächen 4c zwischen den Anteilen 4a und 4b als Flächen mit einer definierten Rauheit ausgebildet. Wenn alle Teilstrukturen 4, d. h. alle Anteile 4a und 4b jeweils in etwa den gleichen Brechungsindex n aufweisen, dann hat auch in diesem Falle das optische Element 3 die Wirkung einer Planparallelen Platte, wodurch der freie Sichtmodus B1 entsteht. Dies ist in 4 gezeigt: Von den als Kästchen gezeichneten Bildpunkten des Bildschirms 1 ausgehende Lichtstrahlen (hier durch 3 Pfeile angedeutet) durchdringen das optische Element 3 auf Grund der Gleichheit der Brechungsindizes in den Anteilen 4a und 4b ohne nennenswerte Brechungs- bzw. Reflexionseffekte. Dadurch ist der Bildinhalt des Bildschirms 1 aus einem breiten Winkelspektrum zu sehen.
Demgegenüber ist für die Erzeugung des eingeschränkten Sichtmodus' B2 insbesondere erfindungswesentlich, dass auf Grund der Brechzahlveränderungen vermittels der Spannungszu- bzw. -abschaltung die jeweiligen Anteile 4a und 4b einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen. Dadurch entstehen optische Wirkungen der dann optisch aktiven Grenzflächen 4c zwischen den jeweiligen Anteilen 4a und 4b in Form von insbesondere Brechung bzw. Reflexion und ggf. – je nach Ausbildung der Oberfläche der Grenzflächen 4c – auch Streuung und Beugung. Dies ist in 5 schematisch dargestellt: Von den als Kästchen gezeichneten Bildpunkten des Bildschirms 1 ausgehende Lichtstrahlen (hier durch 4 z. T. abgeknickte Pfeile angedeutet) durchdringen das optische Element 3 und werden teilweise gebrochen bzw. reflektiert und gestreut. Diese Streu- und Brechungseffekte bzw. Reflexionen an den optisch aktiven Grenzflächen 4c sorgen dafür, dass bei Seitensicht aus Winkeln, die größer sind als (definierbare) Winkel α gegenüber der Mittelsenkrechten des Bildschirms 1 oder gegenüber von der Vertikalen durch die Bildschirmmitte des Bildschirms 1, hinreichend viel Licht von vielen Stellen des Bildschirms 1 dorthin gebrochen wird, so dass von einem solchen Betrachtungspunkt aus ein Betrachter beim Blick auf einen Bildpunkt nicht primär oder überhaupt diesen Bildpunkt sieht, sondern eine Überlagerung von Bildinformationen etlicher verschiedener Bildpunkte. Dadurch wirkt das Bild von solchen Blickwinkeln aus gesehen stark überlagert, verwaschen und damit undeutlich und unleserlich. Dennoch ist es möglich, auch in diesem eingeschränkten Sichtmodus B2 im Beispiel nach 5 den dargestellten Bildinhalt aus einem eingeschränkten Sichtwinkelbereich unbeeinträchtigt und in voller Auflösung des Bildschirms 1 wahrzunehmen: Aus Winkeln, die kleiner sind als ein vordefinierter Winkel α gegenüber der Mittelsenkrechten des Bildschirms 1 oder gegenüber der Vertikalen durch die Bildschirmmitte des Bildschirms, sind die vorgenannten Brechungs- bzw. Reflexionseffekte (und ggf. auch Streu- bzw. Beugungeffekte) vernachlässigbar. Jeder Bildpunkt kann aus derartigen Blickpositionen deutlich gesehen werden, ohne dass es nennenswerte visuelle Überlagerungen mit anderen Bildpunkten gibt. Dies ist in 5 mit den von den als Kästchen gezeichneten Bildpunkten des Bildschirms 1 symbolisiert, welche nicht durch Brechung, Reflexion bzw. Streuung oder Beugung abgelenkt werden; die gezeichneten zwei Lichtstrahlen gehen durch die Anteile 4a unabgelenkt und ungestreut hindurch. Denn aus solchen Blickrichtungen schaut der Betrachter im Wesentlichen nur durch entweder einen Anteil 4a oder 4b, in der Sichtprojektion nicht aber mehrheitlich durch Grenzflächen 4c, wodurch deren Wirkung dann nicht ins Gewicht fällt. Der Sichtwinkelbereich α ist hierbei kleiner als der Halbraum vor dem Bildschirm 1.
Als (zwei) transparente leitfähige Schichten 3a, 3b kommen beispielsweise ITO-Schichten in Betracht.
In den Ausgestaltungsbespielen gemäß den Zeichnungen 1 bis 5 gilt n = n₀ und n_V < n. Dadurch wird im spannungsfreien Zustand die freie Sicht des Modus B1 ermöglicht. Wenn eine elektrische Spannung zwischen den transparenten leitfähigen Schichten 3a und 3b angelegt wird, geht der Brechungsindex der Anteile 4b auf den Wert n_V < n herunter, und der Modus B2 wird eingeschaltet.
Die Festlegung der Brechungsindizes n, n₀ und n_V geschieht korrespondierend zu der Dimensionierung der Anteile 4a und 4b, um hinreichend starke Brechungs- bzw. Reflexionseffekte an den Grenzflächen 4c zu erzielen, wenn diese über die Spannungsbeschaltung entsprechend aktiviert sind.
Die Größenordnung der Grundfläche jedes Anteils 4a bzw. 4b beträgt hier im Durchschnitt etwa 50% der Grundfläche eines Pixels oder Subpixels des Bildschirmes 1. Die Höhenausdehnung liegt in etwa der gleichen Dimension wie die Halft der Breite eines Pixels oder eines Subpixels des Bildschirmes 1.
Die oben beschriebenen Mittel-Wirkungs-Zusammenhänge sowie die Ausgestaltungsmöglichkeiten gelten analog für den erfindungsgemäßen Bildschirm und werden daher hier zur Vermeidung von Redundanzen nicht wiederholt.
Der Bildschirm 1 kann beispielsweise ein LCD-Bildschirm, ein OLED-Bildschirm oder ein FED-Bildschirm sein. Andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren und Bildschirmsysteme zur sicheren Darstellung von Informationen können mit einfachen Mitteln und kostengünstig umgesetzt werden. Darüber hinaus ist – wie gewünscht – vorteilhaft eine teilweise oder vollständige Umschaltung zwischen dem sicheren Betriebsmodus und einem ungeschützten Betriebsmodus möglich, wobei die sichtbare Auflösung in beiden Betriebsarten der Grundauflösung des eingesetzten Bildschirms entspricht. Die Helligkeit des Grundbildschirms wird damit nur geringfügig vermindert. Schließlich ist diese Lösung auch für selbstleuchtende Bildschirmarten wie etwa OLED einsetzbar.
Bezugszeichenliste

1: Bildschirm
3: optisches Element
3a, 3b: transparente leitfähige Schichten
4: Teilstrukturen
4a: Anteil an Teilstrukturen 4
4b: Anteil an Teilstrukturen 4
5: Betrachter
5a, 5b: Vorzugsrichtungen der Teilstrukturen 4
α: eingeschränkter Sichtwinkelbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6765550 [0005]
US 62111930 [0006]
WO 2012/033583 [0007]
WO 2009/050505 [0008]
JP 2005-134678 [0009]
US 7675568 [0010]
WO 2013/049088 [0011]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Bildschirms (1) in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, umfassend die folgenden Schritte – Anordnung eines schaltbaren optischen Elements (3), welches die Umschaltung zwischen den mindestens zwei Betriebsarten B1 und B2 gewährleistet, in Betrachtungsrichtung eines Betrachters (5) unmittelbar vor einem Bildschirm (1), – Darstellung eines Bildinhaltes auf dem Bildschirm (1), – wobei das optische Element (3) mindestens zwei transparente leitfähige Schichten (3a, 3b) sowie eine Vielzahl von Teilstrukturen (4) enthält, die entlang einer oder gleichzeitig mehrerer Vorzugsrichtungen (5a, 5b, ...) ausgerichtet sind, – wobei jede Teilstruktur (4) gebildet wird aus mindestens einem Anteil (4a) festen, transparenten Materials mit einem festen Brechungsindex n und aus mindestens einem Anteil (4b) an Flüssigkristallen, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung gegenüber dem spannungslosen Zustand ihren Brechungsindex von n₀ auf n_V mit n₀ <> n_V ändern, wobei alle Anteile (4b) in Kontakt mit beiden leitfähigen Schichten (3a, 3b) sind, – wobei ferner in jeder Teilstruktur (4) jede Grenzfläche (4c) zwischen den Anteilen (4a) und (4b) ausgebildet ist als plane Fläche, Fläche mit einer definierten Rauheit, gekrümmte Fläche, Fläche mit sägezahnförmigem Querschnitt, linsenrasterförmige Fläche und/oder als sonstige Freiformfläche, – Anlegen oder Abschalten einer elektrischen Spannung zwischen beiden leitfähigen Schichten (3a, 3b), so dass entweder alle Anteile (4a) und (4b) aller Teilstrukturen (4) jeweils in etwa den gleichen Brechungsindex n für einen freien Sichtmodus B1 aufweisen oder die jeweiligen Anteile (4a) und (4b) einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, wodurch auf Grund der optischen Wirkungen der dann optisch aktiven Grenzflächen (4c) zwischen den jeweiligen Anteilen (4a) und (4b) für einen eingeschränkten Sichtmodus B2 der dargestellte Bildinhalt nur aus einem eingeschränkten Sichtwinkelbereich α unbeeinträchtigt und in voller Auflösung des Bildschirms (1) sichtbar ist, wobei der Sichtwinkelbereich α kleiner als der Halbraum vor dem Bildschirm (1) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entweder gilt n = n₀ oder n = n_V, jedoch nicht n = n₀ = n_V.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen beiden leitfähigen Schichten anlegbare elektrische Spannung eine Gleich- oder Wechselspannung ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine teilflächige Umschaltung auf der Bildfläche des Bildschirms (1) zwischen den Modi B1 und B2 erreicht wird, indem nur ein Teil der Anteile (4a) der Teilstrukturen (4) mit einer Spannung beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sichtwinkelbereich α Winkelbereiche umfasst, die jeweils höchstens plus/minus 30 Grad von der Vertikalen durch die Bildschirmmitte des Bildschirms (1) ausgehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sichtwinkelbereich α Winkelbereiche umfasst, die jeweils höchstens plus/minus 30 Grad von der Bildschirmmitte des Bildschirms (1) ausgehen.
Bildschirmsystem, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus nutzbar ist, umfassend: – eine Ansteuereinheit zur Darstellung von Bildinhalten auf einem Bildschirm (1), – ein vor dem Bildschirm (1) angeordnetes schaltbares optisches Element (3), welches die Umschaltung zwischen den mindestens zwei Betriebsarten B1 und B2 gewährleistet, in Betrachtungsrichtung eines Betrachters (5) unmittelbar vor einem Bildschirm (1), – wobei das optische Element (3) mindestens zwei transparente leitfähige Schichten (3a, 3b) sowie eine Vielzahl von Teilstrukturen (4) enthält, die entlang einer oder gleichzeitig mehrerer Vorzugsrichtungen (5a, 5b, ...) ausgerichtet sind, – wobei jede Teilstruktur (4) gebildet wird aus mindestens einem Anteil (4a) festen, transparenten Materials mit einem festen Brechungsindex n und aus mindestens einem Anteil (4b) an Flüssigkristallen, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung gegenüber dem spannungslosen Zustand ihren Brechungsindex von n₀ auf n_V mit n₀ <> n_V ändern, wobei alle Anteile (4b) in Kontakt mit beiden leitfähigen Schichten (3a, 3b) sind, – wobei ferner in jeder Teilstruktur (4) jede Grenzfläche (4c) zwischen den Anteilen (4a) und (4b) ausgebildet ist als plane Fläche, Fläche mit einer definierten Rauheit, gekrümmte Fläche, Fläche mit sägezahnförmigem Querschnitt, linsenrasterförmige Fläche oder als sonstige Freiformfläche, – Anlegen oder Abschalten einer elektrischen Spannung zwischen beiden leitfähigen Schichten (3a, 3b), so dass entweder alle Anteile (4a) und (4b) aller Teilstrukturen (4) jeweils in etwa den gleichen Brechungsindex n für einen freien Sichtmodus B1 aufweisen oder die jeweiligen Anteile (4a) und (4b) einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, wodurch auf Grund der optischen Wirkungen der dann optisch aktiven Grenzflächen (4c) zwischen den jeweiligen Anteilen (4a) und (4b) für einen eingeschränkten Sichtmodus B2 der dargestellte Bildinhalt nur aus einem eingeschränkten Sichtwinkelbereich α unbeeinträchtigt und in voller Auflösung des Bildschirms (1) sichtbar ist, wobei der Sichtwinkelbereich α kleiner als der Halbraum vor dem Bildschirm (1) ist.
Bildschirm (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildschirm (1) ein LCD-Bildschirm, ein OLED-Bildschirm oder ein FED-Bildschirm ist.
Verwendung eines Bildschirms (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8 zur Eingabe von vertraulichen Daten im Modus B2.
Verwendung eines Bildschirms (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8 zur Anzeige von vertraulichen Daten im Modus B2.