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Gebiet der Erfindung
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In den letzten Jahren wurden große Fortschritte zur Verbreiterung des Sehwinkels bei LCDs und OLEDs 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, Mobiltelefonen und Tablet-PCs verfügbar, wie Bankdaten oder andere, persönliche Angaben, und sensible Daten. Dem entsprechend brauchen die Menschen eine Kontrolle darüber, wer diese sensiblen Daten sehen darf; sie müssen wählen können zwischen einem weiten Betrachtungswinkel, um Informationen auf ihrem Display mit anderen zu teilen, z.B. beim Betrachten von Urlaubsfotos oder auch für Werbezwecke. Andererseits benötigen sie einen kleinen Betrachtungswinkel, wenn sie die Bildinformationen vertraulich behandeln wollen.
Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich im Fahrzeugbau: Dort darf der Fahrer bei eingeschaltetem Motor nicht durch Bildinhalte, wie etwa digitale Entertainmentprogramme, abgelenkt werden, während der Beifahrer selbige jedoch auch während der Fahrt betrachten möchte. Mithin wird ein Bildschirm benötigt, der zwischen den entsprechenden Darstellungsmodi umschalten kann.
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Stand der Technik
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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.
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Die Schrift
US 5,956,107 A offenbart eine umschaltbare Lichtquelle, mit der ein Bildschirm in mehreren Modi betrieben werden kann. Nachteilig hierbei ist, dass sämtliche Lichtauskopplung auf Streuung beruht und damit nur geringe Effizienz sowie nicht-optimale Lichtrichtungseffekte erzielt werden. Insbesondere die Erzielung eines fokussierten Lichtkegels wird nicht näher offenbart.
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In der
CN 107734118 A ist ein Bildschirm beschrieben, der mittels zwei Hintergrundbeleuchtungen den Betrachtungswinkel eines Bildschirms kontrollierbar gestaltet.
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Die obere der beiden Hintergrundbeleuchtungen soll hierzu fokussiertes Licht aussenden. Als Ausgestaltung dazu wird insbesondere ein Gitter mit opaken und transparenten Abschnitten genannt. Selbiges führt jedoch mutmaßlich dazu, dass auch das Licht der zweiten Hintergrundbeleuchtung, welches die erste in Richtung eines LCD-Panels durchdringen muss, ebenfalls fokussiert wird und mithin der eigentlich für einen breiten Betrachtungswinkel vorgesehene öffentliche Betrachtungsmodus eine deutliche Winkelschmälerung erleidet.
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Die
US 2007/030240 A1 beschreibt ein optisches Element zur Kontrolle der Lichtausbreitungsrichtung von aus einer Hintergrundbeleuchtung herrührenden Lichtes. Dieses optische Element verlangt beispielsweise Flüssigkristalle in Form von PDLCs, was zum einen teuer, zum anderen aber insbesondere für Endkundenanwendungen sicherheitskritisch ist, da PDLC-Flüssigkristalle in der Regel Spannungen höher als 60V für Ihre Schaltung benötigen.
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In der
CN 1987606 A wird wiederum ein Bildschirm beschrieben, der mittels zwei Hintergrundbeleuchtungen den Betrachtungswinkel eines Bildschirms kontrollierbar gestaltet. Dabei kommt insbesondere ein „first light plate“ zum Einsatz, welches keilförmig sein muss, um die beabsichtigte fokussierte Lichtauskopplung zu ermöglichen. Genaue Details zur Erzielung der fokussierte Lichtauskopplung mit entsprechenden Winkelbedingungen werden nicht offenbart.
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Ferner beschreibt die
US 2018/0267344 A1 einen Aufbau mit zwei flachen Beleuchtungsmodulen. Hierbei wird das Licht des in Betrachtungsrichtung hinten liegenden Beleuchtungsmodules durch eine separate Struktur fokussiert. Nach der Fokussierung muss das Licht noch das vordere Beleuchtungsmodul passieren, welches über Streuelemente verfügt. Somit ist eine starke Lichtfokussierung für einen Sichtschutz nicht optimal umsetzbar.
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Schließlich offenbart die
US 2007/0008456 A1 die Aufteilung eines Lichtabstrahlwinkels in mindestens 3 Bereiche, wobei in der Regel zwei Bereiche davon mit Licht beaufschlagt werden. Hieraus ergibt sich, dass ein Sichtschutz, bei dem ein so beleuchtetes Display verwendet wird, nicht allein aus einer Richtung betrachtbar sein kann.
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Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und / oder ein aktives, zumindest jedoch ein spezielles, optisches Element zur Modi-Umschaltung benötigen und / oder eine aufwändige sowie teure Herstellung erfordern und / oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren und/oder lediglich einen schwachen Sichtschutz ermöglichen.
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Beschreibung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur Beeinflussung der Lichtausbreitungsrichtungen zu beschreiben. Das Verfahren soll preiswert und massenfertigungstauglich umsetzbar und insbesondere mit OLED-Bildschirmen, aber auch mit andersartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sein, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt werden soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Verfahren zur Beeinflussung der Lichtausbreitungsrichtungen mehrerer benachbarter selbstleuchtender und/oder beleuchteter Flächen (F1, F2, F3, ...), welche lichtaustrittsseitig jeweils ein transparentes Substrat umfassen. Dabei weist entweder jede Fläche ein eigenes Substrat auf, oder mehrere oder alle Flächen (F1, F2, F3, ...) nutzen ein gemeinsames Substrat. Dabei ist das besagte Substrat oberhalb, jedoch nicht notwendigerweise unmittelbar oberhalb der Licht erzeugenden Schicht der selbstleuchtenden oder beleuchteten Flächen (F1, F2, F3, ...) angeordnet. Davon ausgehend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:
- - Anordnen von schaltbaren Absorbern lichtaustrittsseitig jeweils auf einer oder mehreren (echten) Teilflächen des jeweiligen Substratanteils mindestens einer Anzahl von Flächen (F1, F2, F3, ...), wobei die räumliche Hauptausbreitungsrichtung dieser schaltbaren Absorber parallel zur Lichtaustrittsfläche des Substrates bzw. der Substrate liegt,
- - Beschränken der Lichtausbreitungen des von jeder einzelnen Fläche (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes dahingehend, dass Licht einer Fläche (F1, F2, F3, ...) nicht durch das Substrat oder den Anteil eines Substrates, welcher bei Parallelprojektion vor einer anderen Fläche befindlich ist, sondern nur durch den Substratanteil, welcher bei Parallelprojektion ausschließlich vor der in Betracht stehenden Fläche befindlich ist, austritt,
- - Einschalten der absorbierenden Wirkung der schaltbaren Absorber für den Betriebszustand B1, so dass ein Teil des von den Flächen (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes absorbiert wird, während das übrige Licht an den Flächenanteilen der Lichtaustrittsseite des Substrates ungehindert austritt, an denen kein schaltbarer Absorber aufgebracht ist, wodurch das Licht der jeweils betroffenen Flächen (F1, F2, F3, ...) jeweils nur aus einem eingeschränkten Betrachtungswinkel sichtbar ist, der insbesondere durch die geometrische Form des schaltbaren Absorbers, die geometrische Form der jeweiligen Fläche (F1, F2, F3, ...) die Brechzahlverhältnisse im Aufbau sowie die Dicke des Substrates definiert wird,
- - Ausschalten der absorbierenden Wirkung der schaltbaren Absorber für den Betriebszustand B2, so dass das von den Flächen (F1, F2, F3, ...) ausgehende Licht bis auf Restabsorptionsverluste der schaltbaren Absorber ungehindert durch selbige propagieren kann, wodurch das Licht der jeweils betroffenen Flächen (F1, F2, F3, ...) aus einem nicht eingeschränkten Betrachtungswinkel (zumindest aber aus einem größeren Betrachtungswinkel als im Betriebszustand B1) sichtbar ist.
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In dieser ersten wie auch in allen folgenden Varianten der Erfindung ist unter einem eingeschränkten Betrachtungswinkel nicht zwingend zu verstehen, dass in bestimmte Richtungen gar kein Licht abgestrahlt wird. Vielmehr kann auch dorthin noch ein gewisses Restlicht abgestrahlt werden, welches allerdings ein angenehmes Sehen verhindert. Typische Werte für solches Restlicht (gemessen als Leuchtdichte) selbst in für die eingeschränkte Sicht vorgesehene Zonen sind wenige Prozent, in der Regel maximal 1% bis 5%, des Peak-Wertes (welcher aus der dedizierten Sichtzone des eingeschränkten Betrachtungswinkels im Maximum wahrnehmbar ist).
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In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst jede Fläche (F1, F2, F3, ...) ein eigenes Substrat (bzw. 1.1, 1.2, 1.3 etc.). Diese Substrate sind dann bevorzugt im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet.
Demgegenüber ist es auch möglich, dass alle Flächen (F1, F2, F3, ...) ein gemeinsames, flächig ausgedehntes Substrat umfassen. Außerdem können jeweils mehrere Cluster von Flächen (F1, F2, F3, ...) ein Substrat umfassen, wobei dann mehrere Substrate vorhanden sind.
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Es ist insbesondere möglich, entweder die allen Flächen (F1, F2, F3, ...) zugeordneten Absorber gleichzeitig für eine vollflächige Umschaltung zwischen den Betriebszuständen B1 und B2 umzuschalten, oder aber nur eine teilflächige Umschaltung zwischen den Betriebszuständen B1 und B2 durchzuführen, indem nur eine echte Teilmenge der Absorber umgeschaltet wird.
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Das Beschränken der Lichtausbreitungen des von jeder einzelnen Fläche (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes erfolgt beispielsweise durch Anordnen von absorbierenden Schichten zwischen -falls vorhanden- den einzelnen Substraten, oder -falls vorhanden- innerhalb des einen, gemeinsamen Substrates.
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Alternativ ist es denkbar, dass das Beschränken der Lichtausbreitungen des von jeder einzelnen Fläche (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes durch Wahl der Brechzahlverhältnisse des Substrates gegenüber Luft derart erfolgt, dass unerwünschte Strahlen in Richtung jeweils benachbarter Teilflächen in die Totalreflexion überführt und somit für die Lichtbilanz ausgelöscht werden. In praxi wird dann an den Schmalseiten des Substrates in der Regel ein Absorber angebracht sein, um dieses Licht zu absorbieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist auf den Teilflächen der Substrate bzw. des Substrates, auf denen jeweils kein schaltbarer Absorber aufgebracht ist, jeweils eine kollimierende Linse angeordnet, um eine weitere Strahlfokussierung zu erreichen und die Einschränkung des Betrachtungswinkels noch besser zu ermöglichen.
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Jeder schaltbare Absorber kann beispielsweise eine elektrochrome Schicht und/oder eine Flüssigkristallschicht und/oder eine auf Elektrophorese basierende Schicht und/oder eine auf Elektrowetting mit absorbierenden Partikeln basierende Schicht umfassen, die jeweils durch ein elektrisches Feld angesteuert werden kann.
In einer weiteren Alternative ist es möglich, dass jeder schaltbare Absorber einen schaltbaren Farbfilter umfasst, der jeweils das Farbspektrum der durch eine Fläche (F1, F2, F3, ...) darunter abgestrahlten Farbe in einem ersten Zustand absorbiert und in einem zweiten Zustand transmittiert, wobei der schaltbare Farbfilter durch ein elektrisches Feld bezüglich seines Zustandes angesteuert werden kann.
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Jeder schaltbare Absorber weist bevorzugt die Geometrie einer Lochblende auf. Diese kann beispielsweise rund, vieleckig, insbesondere rechteckig sein. Die Größenordnung der schaltbaren Absorber in Bezug auf Ihren Flächeninhalt beträgt in der Regel etwa 25% bis 90% einer selbstleuchtenden oder beleuchteten Fläche (F1, F2, F3, ...). In absoluten Zahlen werden das je nach Ausgestaltung der Flächen (F1, F2, F3, ...) einige Dutzend Quadratmikrometer bis einige Quadratmillimeter oder sogar Quadratzentimeter sein. Andere Ausgestaltungen sind denkbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlangt besondere praktische Bedeutung, wenn selbstleuchtende Flächen (F1, F2, F3, ...) in einer Vielzahl vorhanden sind, die jeweils einem kleinsten Pixel (einfarbig/monochrom, z.B. rot, grün oder blau, oder auch vollfarbig) eines OLED-, miniLED-, VCSEL-, QLED-, LED- oder micro-LED-Bildschirms entsprechen, so dass einer solcher Bildschirm zwischen einem Betriebszustand B1 für einen eingeschränkten Betrachtungswinkel und einem Betriebszustand B2 für einen nicht eingeschränkten Betrachtungswinkel umgeschaltet werden kann.
Bei der Bildschirmtechnologie kann es sich allgemein um selbstleuchtende oder beleuchtete handeln, wie etwa auch LCD, SED, FED oder andere. Im Falle eines LCD-Panels wird selbiges in der Regel durch eine flächig ansteuerbare Lichtquelle hinterleuchtet. Es ist aber auch möglich, in diesem Fall ein sogenanntes „Direct Backlight“ zu verwenden, welches lokal unterschiedliche Beleuchtungsstärken ermöglicht. In diesem Fall wird ein Cluster an Pixeln von separat ansteuerbaren LEDs beleuchtet. Auch hier kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommen.
Fernerhin ist es möglich, dass eine flächige Beleuchtungsquelle, etwa eine LCD-Hintergrundbeleuchtung (Direct Backlight oder vollflächig steuerbar) so in einzelne Flächen F1, F2, F3, ... aufgeteilt wird, dass das erfindungsgemäße Verfahren daran umgesetzt werden kann. Damit entsteht eine Hintergrundbeleuchtung, die Licht entweder in einen eingeschränkten Betrachtungswinkel oder aber in einen nicht eingeschränkten Betrachtungswinkel abgibt. Wird eine solche Hintergrundbeleuchtung in Betrachtungsrichtung hinter einem LCD-Panel eingesetzt, so kann letzteres zwischen einem Betriebszustand B1 für einen eingeschränkten Betrachtungswinkel und einem Betriebszustand B2 für einen nicht eingeschränkten Betrachtungswinkel umgeschaltet werden.
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Es ist auch denkbar, dass weitere Betriebszustände B3, B4 etc. einstellbar sind, bei denen die schaltbaren Absorber in einen teilabsorbierenden Zustand geschaltet sind, etwa um Licht von der Seite her aufgrund reduzierter Helligkeit nur bedingt wahrnehmbar zu gestalten.
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Insbesondere ist es für spezielle Anwendungsfälle vorteilhaft, dass in zwei Betriebszuständen B5 und B6 jeweils ein zueinander komplementärer Teil der schaltbaren Absorber komplementär absorbierend und transmittierend geschaltet wird. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung können hier jeweils im Betriebszustand B5 die Hälfte der Absorber absorbierend und die andere Hälfte transmittierend geschaltet sein. Für den Betriebszustand B6 werden dann die Schaltungen invertiert, d.h. die erstgenannte Hälfte wird transmittierend und zweitgenannte Hälfte der Absorber absorbierend geschaltet. Ferner sollen hier pro Pixel mindestens zwei schaltbare Absorber vorhanden sein, wobei je einer der ersten und der zweiten Hälfte angehört. Dann ist es z.B. möglich, dass bei einer zyklischen Taktung der Betriebszustände B5 und B6 das Licht der Flächen abwechselnd in eine Richtung und danach in eine andere Richtung freigegeben werden. Mit anderen Worten, beide einschaltbaren Betriebsarten B5 und B6 werden für eine zeitlich-sequenzielle Lichtrichtungsbeeinflussung zyklisch durchgetaktet. Dies kann beispielweise zur Erzeugung von Abbildungen in zwei verschiedene Richtungen genutzt werden, etwa um zwei verschiedene, zeitlich-sequenziell dargestellte Bilder aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils nacheinander und zyklisch in unterschiedliche Richtungen abzubilden. Wird dies schnell genug, d.h. oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz des menschlichen Auges, dargeboten, so können je nach Richtungsvorgabe und Bildinhalten auf den Flächen F1, F2, F3, ... entweder autostereoskopische Darstellungen (beide Augen eines Betrachters sehen quasi-gleichzeitig zwei verschiedene Bilder) oder gleichzeitig zwei verschiedene Bilder für zwei verschiedene Betrachter (sogenanntes Dual-View) ermöglicht werden.
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Es ist grundsätzlich auch möglich, mehr als zwei Bilder zeitlich sequenziell in mehr als zwei Richtungen abzubilden. Damit sind z.B. sogenannte Multiview-3D-Systeme möglich, bei denen auch eine gewisse Art der Rundumsicht bei Kopfbewegung ermöglicht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst von einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Beeinflussung der Lichtausbreitungsrichtungen, umfassend
- - mehrere benachbarte selbstleuchtende und/oder beleuchtete Flächen (F1, F2, F3, ...), welche lichtaustrittsseitig (jeweils) ein transparentes Substrat umfassen, wobei besagtes Substrat oberhalb der Licht erzeugenden Schicht der selbstleuchtenden oder beleuchteten Flächen (F1, F2, F3, ...) angeordnet ist,
- - lichtaustrittsseitig jeweils auf einer oder mehreren Teilflächen des jeweiligen Substratanteils mindestens einer Anzahl von Flächen (F1, F2, F3, ...) angeordnete schaltbare Absorber, wobei die räumliche Hauptausbreitungsrichtung dieser schaltbaren Absorber parallel zur Lichtaustrittsfläche des Substrates bzw. der Substrate liegt,
- - Mittel zum Beschränken der Lichtausbreitungen des von jeder einzelnen Fläche (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes dahingehend, dass Licht einer Fläche (F1, F2, F3, ...) nicht durch das Substrat oder den Anteil eines Substrates, welcher bei Parallelprojektion vor einer anderen Fläche befindlich ist, sondern nur durch den Substratanteil, welcher bei Parallelprojektion ausschließlich vor der in Betracht stehenden Fläche befindlich ist, austritt,
- - Mittel zum Ein- und Ausschalten der absorbierenden Wirkung der schaltbaren Absorber, so dass
- - die absorbierende Wirkung der schaltbaren Absorber für den Betriebszustand B1 eingeschaltet ist, wodurch ein Teil des von den Flächen (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes absorbiert wird, während das übrige Licht an den Flächenanteilen der Lichtaustrittsseite des Substrates ungehindert austritt, an denen kein schaltbarer Absorber aufgebracht ist, wodurch das Licht der jeweils betroffenen Flächen (F1, F2, F3, ...) jeweils nur aus einem eingeschränkten Betrachtungswinkel sichtbar ist, der insbesondere durch die geometrische Form des schaltbaren Absorbers, die geometrische Form der jeweiligen Fläche (F1, F2, F3, ...) die Brechzahlvertiältnisse im Aufbau sowie die Dicke des Substrates definiert wird, und so dass
- - die absorbierende Wirkung der schaltbaren Absorber für den Betriebszustand B2 ausgeschaltet ist, wodurch das von den Flächen (F1, F2, F3, ...) ausgehende Licht bis auf Restabsorptionsverluste der schaltbaren Absorber ungehindert propagieren kann, wodurch das Licht der jeweils betroffenen Flächen (F1, F2, F3, ...) aus einem nicht eingeschränkten Betrachtungswinkel sichtbar ist.
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Es gelten hier sinngemäß die weiter oben angegebenen Ausgestaltungsvarianten und Mittel-Wirkungszusammenhänge des erfindungsgemäßen Verfahrens, die hier aus Redundanzgründen nicht wiederholt werden sollen.
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Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Betriebszustand B1,
- 2 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Betriebszustand B2,
- 3 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Beschränkung von schräg gerichteten Strahlen in einer ersten Ausgestaltung,
- 4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Beschränkung von schräg gerichteten Strahlen in einer zweiten Ausgestaltung,
- 5 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer erweiterten Ausgestaltung im Betriebszustand B1,
- 6 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer erweiterten Ausgestaltung im Betriebszustand B2, sowie
- 7a-7h Prinzipskizzen in Draufsicht zu möglichen Ausgestaltungsvarianten der schaltbaren Absorber.
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Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder.
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In 1 ist eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Betriebszustand B1 wiedergegeben. 2 zeigt demgegenüber den Betriebszustand B2. Bei dem in Rede stehenden erfindungsgemäßen Verfahren zur Beeinflussung der Lichtausbreitungsrichtungen mehrerer benachbarter selbstleuchtender und/oder beleuchteter Flächen (F1, F2, F3, ...), welche lichtaustrittsseitig jeweils ein transparentes Substrat 1 umfassen, weist entweder jede Fläche ein eigenes Substrat 1 auf, oder alle Flächen (F1, F2, F3, ...) nutzen ein gemeinsames Substrat 1. Dabei ist das besagte Substrat 1 oberhalb, jedoch nicht notwendigerweise unmittelbar oberhalb der Licht erzeugenden Schicht der selbstleuchtenden oder beleuchteten Flächen (F1, F2, F3, ...) angeordnet, wie in 1 gezeigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst nun die folgenden Schritte:
- - Anordnen von schaltbaren Absorbern 2 lichtaustrittsseitig jeweils auf einer oder mehreren (echten) Teilflächen des jeweiligen Substratanteils mindestens einer Anzahl von Flächen (F1, F2, F3, ...), wobei die räumliche Hauptausbreitungsrichtung dieser schaltbaren Absorber 2 parallel zur Lichtaustrittsfläche des Substrates bzw. der Substrate 1 liegt,
- - Beschränken der Lichtausbreitungen des von jeder einzelnen Fläche (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes dahingehend, dass Licht einer Fläche (F1, F2, F3, ...) nicht durch das Substrat 1 oder den Anteil eines Substrates 1, welcher bei Parallelprojektion vor einer anderen Fläche befindlich ist, sondern nur durch den Substratanteil 1, welcher bei Parallelprojektion ausschließlich vor der in Betracht stehenden Fläche befindlich ist, austritt, (dies wird weiter unten noch näher anhand von 3 und 4 erläutert),
- - Einschalten der absorbierenden Wirkung der schaltbaren Absorber 2 für den Betriebszustand B1 -wie in 1 dargestellt-, so dass ein Teil des von den Flächen (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes absorbiert wird, während das übrige Licht an den Flächenanteilen der Lichtaustrittsseite des Substrates 1 ungehindert austritt, an denen kein schaltbarer Absorber 2 aufgebracht ist, wodurch das Licht der jeweils betroffenen Flächen (F1, F2, F3, ...) jeweils nur aus einem eingeschränkten Betrachtungswinkel sichtbar ist, der insbesondere durch die geometrische Form des schaltbaren Absorbers 2, die geometrische Form der jeweiligen Fläche (F1, F2, F3, ...) die Brechzahlverhältnisse im Aufbau sowie die Dicke des Substrates 1 definiert wird,
- - Ausschalten der absorbierenden Wirkung der schaltbaren Absorber 2 für den Betriebszustand B2 -wie in 2 dargestellt-, so dass das von den Flächen (F1, F2, F3, ...) ausgehende Licht bis auf Restabsorptionsverluste der schaltbaren Absorber 2 ungehindert durch selbige propagieren kann, wodurch das Licht der jeweils betroffenen Flächen (F1, F2, F3, ...) aus einem nicht eingeschränkten Betrachtungswinkel (zumindest aber aus einem größeren Betrachtungswinkel als im Betriebszustand B1) sichtbar ist.
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In dieser ersten wie auch in allen folgenden Varianten der Erfindung ist unter einem eingeschränkten Betrachtungswinkel nicht zwingend zu verstehen, dass in bestimmte Richtungen gar kein Licht abgestrahlt wird. Vielmehr kann auch dorthin noch ein gewisses Restlicht abgestrahlt werden, welches allerdings ein angenehmes Sehen verhindert. Typische Werte für solches Restlicht (gemessen als Leuchtdichte) selbst in für die eingeschränkte Sicht vorgesehene Zonen sind wenige Prozent des Peak-Wertes (welcher aus der dedizierten Sichtzone des eingeschränkten Betrachtungswinkels wahrnehmbar ist).
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In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst jede Fläche (F1, F2, F3, ...) ein eigenes Substrat 1 (bzw. 1.1, 1.2, 1.3 etc.). Diese Substrate sind dann bevorzugt im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet.
Demgegenüber ist es in einer zweiten Ausgestaltung auch möglich, dass alle Flächen (F1, F2, F3, ...) ein gemeinsames, flächig ausgedehntes Substrat 1 umfassen.
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Es ist insbesondere möglich, entweder die allen Flächen (F1, F2, F3, ...) zugeordneten Absorber 2 gleichzeitig für eine vollflächige Umschaltung zwischen den Betriebszuständen B1 und B2 umzuschalten, oder aber nur eine teilflächige Umschaltung zwischen den Betriebszuständen B1 und B2 durchzuführen, indem nur eine echte Teilmenge der Absorber 2 umgeschaltet wird.
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Das besagte Beschränken der Lichtausbreitungen des von jeder einzelnen Fläche (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes erfolgt beispielsweise durch Anordnen von absorbierenden Schichten 3 zwischen -falls vorhanden- den einzelnen Substraten 1, oder -falls vorhandeninnerhalb des einen, gemeinsamen Substrates 1. Dieser Ansatz ist in 3 wiedergegeben, wo eine Prinzipskizze der Beschränkung von schräg gerichteten Strahlen in einer ersten Ausgestaltung gezeigt wird. Die absorbierenden Schichten 3 können beispielweise aus opaken Partikeln in einem Kleber, in Silikon oder einem Polymer bestehenden. Alternativ können sie auch als opakes festes Material wie Metall oder einer oder mehreren aufgedampften Schichten bestehen. Gemäß den Verhältnissen nach 3 würden Lichtstrahlen, die z.B. von der Fläche F1 in Richtung des vor der Fläche F2 gelegenen Substratanteiles 1 abgestrahlt sind, von der absorbierenden Schicht 3 ausgelöscht. Umgekehrt gilt gleiches für Strahlen aus der Fläche F2, die in Richtung des vor der Fläche F1 gelegenen Substratanteiles 1 abgestrahlt werden.
In einer besonderen Ausgestaltung kann auch die absorbierende Schicht 3 zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand geschaltet werden. Bevorzugt stehen die Ebenen, in denen die schaltbaren Absorber 2 und die (permanent oder optional schaltbaren) Absorber 3 jeweils angeordnet sind, im Wesentlichen senkrecht aufeinander.
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Demgegenüber zeigt 4 eine Prinzipskizze der Beschränkung von schräg gerichteten Strahlen in einer zweiten Ausgestaltung. Hierbei erfolgt das Beschränken der Lichtausbreitungen des von jeder einzelnen Fläche (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes durch Wahl der Brechzahlverhältnisse des Substrates 1 gegenüber Luft derart, dass unerwünschte Strahlen in Richtung jeweils benachbarter Teilflächen in die Totalreflexion überführt (in 4 mit dem gestrichelten Strahl angedeutet) und somit für die Lichtbilanz ausgelöscht werden. In praxi wird dann an den Schmalseiten des Substrates in der Regel ein -zeichnerisch nicht dargestellter- permanenter Absorber angebracht sein, um dieses Licht aus den Winkeln der Totalreflexion zu absorbieren.
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Andere Varianten zur besagten Beschränkung von schräg gerichteten Strahlen sind denkbar.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist auf den Teilflächen der Substrate 1 bzw. des Substrates 1, auf denen jeweils kein schaltbarer Absorber 2 aufgebracht ist, jeweils eine kollimierende Linse 4 angeordnet, um eine weitere Strahlfokussierung zu erreichen und die Einschränkung des Betrachtungswinkels noch besser zu ermöglichen. Dazu zeigen die 5 eine Prinzipskizze zur Erläuterung dieser Variante im Betriebszustand B1 und die 6 eine Prinzipskizze im Betriebszustand B2.
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Jeder schaltbare Absorber 2 kann beispielsweise eine elektrochrome Schicht und/oder eine Flüssigkristallschicht und/oder eine auf Elektrophorese basierende Schicht und/oder eine auf Elektrowetting mit absorbierenden Partikeln basierende Schicht umfassen, die jeweils durch ein elektrisches Feld angesteuert werden kann. Auf diese Weise kann die absorbierende Wirkung leicht ein- und ausgeschaltet werden. Mittel zur Ansteuerung hierzu sind selbstredend vorhanden.
Im Falle von elektrochromen Schichten als Absorber 2 können diese z.B. preiswert auf das oder die Substrate 1 aufgedampft und mit Elektroden zur Ansteuerung kontaktiert werden. In einer weiteren Alternative ist es möglich, dass jeder schaltbare Absorber 2 einen schaltbaren Farbfilter umfasst, der jeweils das Farbspektrum der durch eine Fläche (F1, F2, F3, ...) darunter abgestrahlten Farbe in einem ersten Zustand absorbiert und in einem zweiten Zustand transmittiert, wobei der schaltbare Farbfilter durch ein elektrisches Feld bezüglich seines Zustandes angesteuert werden kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um Quantenpunkte handeln.
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Jeder schaltbare Absorber 2 weist bevorzugt die Geometrie einer Lochblende auf. Dabei ist es explizit möglich, dass pro schaltbarem Absorber 2 bzw. pro Lochblende mehr als ein (permanent) nicht absorbierender geometrischer Anteil vorgesehen ist. Dazu zeigen die 7a-7g diverse Prinzipskizzen in Draufsicht zu möglichen Ausgestaltungsvarianten der schaltbaren Absorber 2. Ist jeweils vor jeder Fläche (F1, F2, F3, ...) ein Absorber gemäß einer der Zeichnungen 7a-7g angeordnet, so ergeben sich folgende Beeinflussungen der Lichtausbreitungsrichtungen jeweils im Betriebszustand B1 gegenüber dem Betriebszustand B2 (unter der Annahme, dass ein Betrachter die Substrate 1 in etwa um deren Mittelsenkrechte herum betrachten würde):
- - 7a: Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen nach links und rechts sowie oben und unten,
- - 7b: Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen jeweils nur nach links und rechts,
- - 7c: Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen jeweils nur nach links und rechts, wobei die Einschränkung nach rechts hin stärker ist als nach links,
- - 7d: Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen nach links und rechts sowie oben und unten, jedoch mit einem kegelartigen Ausbreitungswinkel, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist,
- - 7e: Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen in alle Richtungen oberhalb des Substrates 1, jedoch mit einem kegelartigen Ausbreitungswinkel, der einen hexagonförmigen Querschnitt aufweist,
- - 7f: Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen in alle Richtungen oberhalb des Substrates 1, jedoch mit einem kegelartigen Ausbreitungswinkel, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, sowie
- - 7h: Einschränkung der Lichtausbreitungsrichtungen in alle Richtungen oberhalb des Substrates 1, jedoch mit einem kegelartigen Ausbreitungswinkel, der zwei kreisförmige Querschnitte aufweist.
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In den genannten Zeichnungen 7a-7g ist an den Stellen, an denen keine Absorberanteile 2 aufgebracht sind, eine Kennzeichnung mit dem Substrat 1 eingezeichnet. Damit soll insbesondere illustriert werden, dass die Absorber 2 nicht gesamten Fläche des bzw. der Substrate(s) 1 abdecken.
Es ist auch möglich, dass verschiedene Absorber 2 verschiedene geometrische Formen aufweisen, beispielsweise gemäß zweier oder mehrerer der Zeichnungen 7a bis 7h. Oftmals werden aber alle Absorber 2 im Wesentlichen die gleiche geometrische Form haben. Bei der Anwendung der gleichen Form auf alle Absorber 2 können diese noch mit einem Korrekturfaktor zum Rande hin geringfügig gestreckt bzw. gestaucht werden.
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In absoluten Zahlen können je nach Ausgestaltung der Flächen (F1, F2, F3, ...) die Oberflächen der Absorber 2 einige Dutzend Quadratmikrometer bis einige Quadratmillimeter, ggf. auch mehr, groß sein.
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Weitere Ausgestaltungen sind denkbar und können je nach Anwendungsfall umgesetzt werden.
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Die Variante nach 7g kann beispielsweise auch so ausgestaltet werden, dass jeweils der linke Absorberteil jedes Absorbers 2 (also der Teil links von der gestrichelten Linie) für einen Betriebszustand B5 absorbierend und die andere, rechte Hälfte transmittierend geschaltet sein. Für den Betriebszustand B6 werden dann die Schaltungen invertiert, d.h. die erstgenannte Hälfte wird transmittierend und zweitgenannte Hälfte der Absorber 2 absorbierend geschaltet. Somit ist es z.B. möglich, dass bei einer zyklischen Taktung der Betriebszustände B5 und B6 das Licht der Flächen abwechselnd in eine Richtung und danach in eine andere Richtung freigegeben werden. Mit anderen Worten, die Betriebsarten B5 und B6 werden für eine zeitlich-sequenzielle Lichtrichtungsbeeinflussung zyklisch durchgetaktet. Dies kann beispielweise zur Erzeugung von Abbildungen in zwei verschiedene Richtungen genutzt werden, etwa um zwei verschiedene, zeitlich-sequenziell dargestellte Bilder aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils nacheinander und zyklisch in unterschiedliche Richtungen abzubilden. Wird dies schnell genug, d.h. oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz des menschlichen Auges, dargeboten, so können je nach Richtungsvorgabe und Bildinhalten auf den Flächen F1, F2, F3, ... entweder autostereoskopische Darstellungen (beide Augen eines Betrachters sehen quasi-gleichzeitig zwei verschiedene Bilder) oder gleichzeitig zwei verschiedene Bilder für zwei verschiedene Betrachter (sogenanntes Dual-View) ermöglicht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlangt besondere praktische Bedeutung, wenn selbstleuchtende Flächen (F1, F2, F3, ...) in einer Vielzahl vorhanden sind, die jeweils einem kleinsten Pixel eines OLED-, miniLED-, VCSEL-, QLED-, LED- oder micro-LED-Bildschirms entsprechen, so dass einer solcher Bildschirm zwischen einem Betriebszustand B1 für einen eingeschränkten Betrachtungswinkel und einem Betriebszustand B2 für einen nicht eingeschränkten Betrachtungswinkel umgeschaltet werden kann.
Als kleinste Pixel kommen entweder RGB-Subpixel (rot, grün, blau), andere monochrome oder auch vollfarbfähige Pixel in Frage, je nach Ausgestaltung der Bildgebertechnologie.
Bei der Bildschirmtechnologie kann es sich allgemein um selbstleuchtende oder beleuchtete handeln, wie etwa LCD, SED, FED oder andere.
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Anhand der Zeichnungen 1 und 2 kann auch die erfindungsgemäße Anordnung zur Beeinflussung der Lichtausbreitungsrichtungen erläutert werden. Diese umfasst
- - mehrere benachbarte selbstleuchtende und/oder beleuchtete Flächen (F1, F2, F3, ...), welche lichtaustrittsseitig (jeweils) ein transparentes Substrat 1 umfassen, wobei besagtes Substrat 1 oberhalb der Licht erzeugenden Schicht der selbstleuchtenden oder beleuchteten Flächen (F1, F2, F3, ...) angeordnet ist,
- - lichtaustrittsseitig jeweils auf einer oder mehreren Teilflächen des jeweiligen Substratanteils mindestens einer Anzahl von Flächen (F1, F2, F3, ...) angeordnete schaltbare Absorber 2, wobei die räumliche Hauptausbreitungsrichtung dieser schaltbaren Absorber 2 parallel zur Lichtaustrittsfläche des Substrates bzw. der Substrate 1 liegt,
- - Mittel zum Beschränken der Lichtausbreitungen des von jeder einzelnen Fläche (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes dahingehend, dass Licht einer Fläche (F1, F2, F3, ...) nicht durch das Substrat 1 oder den Anteil eines Substrates 1, welcher bei Parallelprojektion vor einer anderen Fläche befindlich ist, sondern nur durch den Substratanteil 1, welcher bei Parallelprojektion ausschließlich vor der in Betracht stehenden Fläche befindlich ist, austritt, wobei derartige Ansätze beispielhaft in 3 und 4 gezeigt sind,
- - (zeichnerisch nicht dargestellte) Mittel zum Ein- und Ausschalten der absorbierenden Wirkung der schaltbaren Absorber 2, so dass
- - die absorbierende Wirkung der schaltbaren Absorber 2 für den Betriebszustand B1 eingeschaltet ist, wie in 1 gezeigt, wodurch ein Teil des von den Flächen (F1, F2, F3, ...) ausgehenden Lichtes absorbiert wird, während das übrige Licht an den Flächenanteilen der Lichtaustrittsseite des Substrates 1 ungehindert austritt, an denen kein schaltbarer Absorber 2 aufgebracht ist, wodurch das Licht der jeweils betroffenen Flächen (F1, F2, F3, ...) jeweils nur aus einem eingeschränkten Betrachtungswinkel sichtbar ist, der insbesondere durch die geometrische Form des schaltbaren Absorbers 2, die geometrische Form der jeweiligen Fläche (F1, F2, F3, ...) die Brechzahlverhältnisse im Aufbau sowie die Dicke des Substrates 1 definiert wird, und so dass
- - die absorbierende Wirkung der schaltbaren Absorber 2 für den Betriebszustand B2 ausgeschaltet ist, wie in 2 dargestellt, wodurch das von den Flächen (F1, F2, F3, ...) ausgehende Licht bis auf Restabsorptionsverluste der schaltbaren Absorber 2 ungehindert propagieren kann, wodurch das Licht der jeweils betroffenen Flächen (F1, F2, F3, ...) aus einem nicht eingeschränkten Betrachtungswinkel sichtbar ist.
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Es gelten hierzu sinngemäß die weiter oben angegebenen Ausgestaltungsvarianten und Mittel-Wirkungszusammenhänge, die an dieser Stelle aus Redundanzgründen nicht wiederholt werden sollen.
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Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung zur Beeinflussung der Lichtausbreitungsrichtungen lösen die gestellte Aufgabe: Sowohl das Verfahren als auch die Anordnung sind preiswert und massenfertigungstauglich umsetzbar und insbesondere mit OLED-Bildschirmen, aber auch mit andersartigen Bildschirmtypen universell verwendbar, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt wird.
Die vorangehend beschriebene Erfindung kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und/oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe oder beim Lesen von Emails auf mobilen Geräten. Die Erfindung kann auch im PKW angewendet werden, um den Fahrer wählbar Inhalte sichtbar darzubieten oder ihn alternativ nicht mit störenden Bildinhalten zu beaufschlagen. Weitere Anwendungsfälle liegen im Gebiet der Beleuchtung und Werbung, hierbei insbesondere zur Vermeidung von Licht-Smog.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5956107 A [0003]
- CN 107734118 A [0004]
- US 2007030240 A1 [0006]
- CN 1987606 A [0007]
- US 2018/0267344 A1 [0008]
- US 2007/0008456 A1 [0009]
