DE102021112947A1

DE102021112947A1 - Optisches Element mit variabler Transmission und Bildschirm mit einem solchen optischen Element

Info

Publication number: DE102021112947A1
Application number: DE102021112947.8A
Authority: DE
Inventors: André HEBER; Andreas Bregulla; Yannick Bourgin; Markus Klippstein
Original assignee: SiOptica GmbH
Current assignee: SiOptica GmbH
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2022-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element (1), umfassend, eine oder mehrere Schichten (S1, S2, ...), wobei jede Schicht (S1, S2, ...) Material mit einer Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolen umfasst, wobei jeder Übergangsdipols mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 10 Grad parallel zu einer jeweiligen Vorzugsrichtung, welche jeweils in Abhängigkeit von der Position eines solchen Übergangsdipols innerhalb der jeweiligen Schicht (S1, S2, ...) für diesen wählbar ist, ausgerichtet ist oder um diese herum fluktuiert, und wobei sich mindestens zwei solche Vorzugsrichtungen in einer wählbaren Ebene um mehr als 10 Grad unterscheiden, 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, wobei der höchste Transmissionsgrad für jeden Übergangsdipol in der für seine Position innerhalb der jeweiligen Schicht (S1, S2, ...) jeweils gewählten Vorzugsrichtung vorliegt, wobei eine Toleranz von maximal 10 Grad erlaubt ist. Dabei ist es vorteilhaft möglich, dass jede Schicht (S1, S2, ...) entlang einer wählbaren Referenzlinie auf der jeweiligen Schicht (S1,S2, ...) in verschiedene Bereiche (A1, A2, ...) eingeteilt ist, wobei für jeden Bereich (A1, A2, ...) eine eigene Vorzugsrichtung wählbar ist, welche für alle innerhalb eines Bereiches (A1, A2, ...) liegenden Übergangsdipole der entsprechenden Schicht (S1, S2, ...) gilt, wobei ferner alle Vorzugsrichtungen paarweise verschieden sind und bis auf eine Toleranz von maximal +/-10 Grad in Richtung eines Betrachters (3) weisen.Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Bildschirm mit einem solchen optischen Element (1).

Description

Gebiet der Erfindung
In den letzten Jahren wurden große Fortschritte zur Verbreiterung des Sehwinkels bei LCDs erzielt. Allerdings gibt es oft Situationen, in denen dieser sehr große Sehbereich eines Bildschirms von Nachteil sein kann. Zunehmend werden auch Informationen auf mobilen Geräten wie Notebooks und Tablet-PCs verfügbar, wie Bankdaten oder andere, persönliche Angaben, und sensible Daten. Dem entsprechend brauchen die Menschen eine Kontrolle darüber, wer diese sensiblen Daten sehen darf; sie müssen wählen können zwischen einem weiten Betrachtungswinkel, um Informationen auf ihrem Display mit anderen zu teilen, z.B. beim Betrachten von Urlaubsfotos oder auch für Werbezwecke. Andererseits benötigen sie einen kleinen Betrachtungswinkel, wenn sie die Bildinformationen vertraulich behandeln wollen. Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich im Fahrzeugbau: Dort darf der Fahrer bei eingeschaltetem Motor nicht durch Bildinhalte, wie etwa digitale Entertainmentprogramme, abgelenkt werden, während der Beifahrer selbige jedoch auch während der Fahrt konsumieren möchte. Mithin wird ein Bildschirm benötigt, der zwischen den entsprechenden Darstellungsmodi umschalten kann.
Stand der Technik
Zusatzfolien, die auf Mikro-Lamellen basieren, wurden bereits für mobile Displays eingesetzt, um deren visuellen Datenschutz zu erreichen. Allerdings waren diese Folien nicht (um)schaltbar, sie mussten immer erst per Hand aufgelegt und danach wieder entfernt werden. Auch muss man sie separat zum Display transportieren, wenn man sie nicht gerade braucht. Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes solcher Lamellen-Folien ist ferner mit den einhergehenden Lichtverlusten verbunden.
Die US 6,765,550 B2 beschreibt einen solchen Sichtschutz durch Mikro-Lamellen. Größter Nachteil ist hier die mechanische Entfernung bzw. der mechanische Anbau des Filters sowie der Lichtverlust im geschützten Modus.
In der US 5,993,940 A wird der Einsatz einer Folie beschrieben, die auf ihrer Oberfläche gleichmäßig angeordnete, kleine Prismenstreifen hat, um einen Privacy-Modus zu erzielen. Entwicklung und Herstellung sind recht aufwändig.
In der WO 2012/033583 A1 wird die Umschaltung zwischen freier und eingeschränkter Sicht vermittels der Ansteuerung von Flüssigkristallen zwischen sogenannten „chromonischen“ Schichten erzeugt. Hierbei entsteht ein Lichtverlust und der Aufwand ist recht hoch.
Die US 2012/0235891 A1 beschreibt ein sehr aufwändiges Backlight in einem Bildschirm. Dort kommen gemäß 1 und 15 nicht nur mehrere Lichtleiter zum Einsatz, sondern auch weitere komplexe optische Elemente wie etwa Mikrolinsenelemente 40 und Prismenstrukturen 50, die das Licht von der hinteren Beleuchtung auf dem Weg zur vorderen Beleuchtung umformen. Dies ist teuer und aufwändig umzusetzen und ebenso mit Lichtverlust verbunden. Gemäß der Variante nach 17 in der US 2012/0235891 produzieren beide Lichtquellen 4R und 18 Licht mit einem schmalen Beleuchtungswinkel, wobei das Licht von der hinteren Lichtquelle 18 erst aufwändig in Licht mit einem großen Beleuchtungswinkel, umgewandelt wird. Diese komplexe Umwandlung ist - wie weiter oben schon bemerkt - stark helligkeitsmindernd.
Gemäß der JP 2007-155783 A werden spezielle, aufwändig zu berechnende und herzustellende optische Oberflächen 19 genutzt, die dann Licht je nach Lichteinfallswinkel in verschiedene schmale oder breite Bereiche ablenken. Diese Strukturen ähneln Fresnel-Linsen. Ferner sind Störflanken vorhanden, die Licht in unerwünschte Richtungen ablenken. Somit bleibt unklar, ob wirklich sinnvolle Lichtverteilungen erreicht werden können.
In der US 2013/0308185 A1 wird ein spezieller, mit Stufen ausgebildeter Lichtleiter beschrieben, der Licht auf einer Großfläche in verschiedene Richtungen abstrahlt, je nachdem, aus welcher Richtung er von einer Schmalseite aus beleuchtet wird. Im Zusammenspiel mit einem transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung, z.B. einem LC-Display, kann somit ein zwischen freiem und eingeschränktem Sichtmodus schaltbarer Bildschirm erzeugt werden. Nachteilig ist hierbei u.a., dass der eingeschränkte Sichteffekt entweder nur für links/rechts oder aber für oben/unten, nicht aber für links/rechts/oben/unten gleichzeitig erzeugt werden kann, wie es etwa für bestimmte Zahlungsvorgänge nötig ist. Hinzu kommt, dass auch im eingeschränkten Sichtmodus aus geblockten Einblickwinkeln immer noch ein Restlicht sichtbar ist.
Die WO 2015/121398 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm mit zwei Betriebsarten, bei dem für die Umschaltung der Betriebsarten Streupartikel im Volumen des entsprechenden Lichtleiters vorhanden sind. Die dort gewählten Streupartikel aus einem Polymerisat weisen jedoch in der Regel den Nachteil auf, dass Licht aus beiden Großflächen ausgekoppelt wird, wodurch etwa die Hälfte des Nutzlichtes in die falsche Richtung, nämlich zur Hintergrundbeleuchtung hin, abgestrahlt und dort aufgrund des Aufbaus nicht in hinreichendem Umfang recycelt werden kann. Überdies können die im Volumen des Lichtleiters verteilten Streupartikel aus Polymerisat unter Umständen, insbesondere bei höherer Konzentration, zu Streueffekten führen, die den Sichtschutzeffekt in der geschützten Betriebsart vermindern.
Der Ansatz der Technologie der „Elektrischen Doppelbrechung (EDB)“ beruht auf der Idee, die schaltbaren Flüssigkeitskristalle eines zusätzlich aufgebrachten LC-Panels zur „Filterung“ aller nicht in einem bestimmten Abstrahlwinkel aus der bildgebenden Schicht austretenden Lichtstrahlen zu nutzen. Nachteile dieser Technologie sind ein hoher zusätzlicher Energie- und Kostenaufwand und der schwer veränderbare +/-40° Sweet Spot. Der Absorptionsgrad der LC-Strukturen ist ebenfalls unzureichend, da die Abschwächung der Lichtintensität für Betrachtungswinkel größer des Sweetspots wieder ansteigt, so dass die Lichtintensität für Betrachtungswinkel größer als +/-40° bis zu 3% von der maximalen Lichtintensität beträgt.
Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und/oder ein aufwändiges und teures optisches Element zur Modi-Umschaltung benötigen und/oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren und/oder visuelle Artefakte bei sehr hoch auflösenden Displays aufweisen.
Beschreibung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu beschreiben, bei dem Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung und seinen Polarisationseigenschaften transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird. In einer Weiterbildung soll durch das optische Element die Transmission von Licht winkelabhängig (optional senkrecht) beeinflusst werden, wobei hier zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Dabei sollen insbesondere Winkeleinschränkungen in der Transmission in bestimmte Richtungen umschaltbar sein. Das optische Element bzw. darauf basierende Systeme sollen preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sein, um eine Umschaltung zwischen einem - mindestens in der horizontalen Richtung bestehenden- Sichtschutz und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem optischen Element, umfassend,

- eine oder mehrere Schichten S1, S2, ..., bevorzugt mindestens fünf Schichten S1, S2, ...,
- wobei jede Schicht S1, S2, ... Material mit einer Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolen umfasst,
- wobei jeder Übergangsdipol mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 10 Grad parallel zu einer jeweiligen Vorzugsrichtung, welche jeweils in Abhängigkeit von der Position eines solchen Übergangsdipols innerhalb der jeweiligen Schicht S1, S2, ... für diesen wählbar ist, ausgerichtet ist oder um diese herum fluktuiert, und wobei sich mindestens zwei solche Vorzugsrichtungen in einer wählbaren Ebene um mehr als 10 Grad unterscheiden,
- 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, wobei der höchste Transmissionsgrad für jeden Übergangsdipol in der für seine Position innerhalb der jeweiligen Schicht S1, S2, ... jeweils gewählten Vorzugsrichtung vorliegt, wobei eine Toleranz von maximal 10 Grad erlaubt ist.

Es gilt dabei bevorzugt, dass jede Vorzugsrichtung einen Winkel zwischen 0° und 45° zur Flächennormale der Schicht S1 einschließt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das optische Element derart ausgestaltet dass jede Schicht S1, S2, ... entlang einer wählbaren Referenzlinie auf der jeweiligen Schicht S1,S2, ... in verschiedene Bereiche A1, A2, ... eingeteilt ist, wobei für jeden Bereich A1, A2, ... eine eigene Vorzugsrichtung wählbar ist, welche für alle innerhalb eines Bereiches A1, A2, ... liegenden Übergangsdipole der entsprechenden Schicht S1, S2, ... gilt, wobei ferner alle Vorzugsrichtungen paarweise verschieden sind und bis auf eine Toleranz von maximal +/-10 Grad in Richtung eines Betrachters weisen. Innerhalb einer Schicht S1, S2, ... und innerhalb eines jeden dafür geltenden Bereichs A1, A2, ... sind demnach alle Übergangsdipole mit einer Toleranz von maximal +/-10 Grad jeweils parallel zu der dort geltenden Vorzugsrichtung ausgerichtet.
Vorteilhaft ist jede der Schichten S1, S2, ... in ihrer Struktur nicht-periodisch aufgebaut.
Die Extinktion (also die Absorption) des Lichtes ist von der absoluten Zahl der Übergangsdipole (und somit inhärent auch von der Schichtdicke in der sich die Übergangsdipole befinden) und der Ausrichtung zwischen Übergangsdipol und der Polarisation des einfallenden Lichtes zueinander abhängig. Je nach Implementierung kann die Dichte der besagten Übergangsdipole, deren Stärke oder die Brechzahl in den Schichten S1, S2, ... variieren. Bei einem passiven, also nicht schaltbaren optischen Element kann die Volumendichte der Übergangsdipole gegen 100% gehen.
Für die vereinfachte Modellierung der Transmission wird angenommen, dass die Übergangsdipole parallel zur Einfallsebene orientiert sind. Das optische Element 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 essenziell 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: $I (α) = I_{0} (α) e^{- d (α) N σ_{a b s} (α)}$
Hierin ist α der Propagationsrichtung relativ zur Flächennormale, d(α) die optische Weglänge in Abhängigkeit der Ausbreitungsrichtung, N die Anzahl von absorbierenden Molekülen und σ_abs(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: $I (α) = I_{0} (α) e^{- d / N σ_{a b s} sin {(α)}^{2}}$
Je nach Anwendungsfall ist jede der Schichten S1, S2, ... in ihrer Struktur periodisch oder nicht-periodisch aufgebaut.
Die im Stand der Technik beschriebenen Mikrolamellenfilter (auch „View Control Filter - VCF“ oder „Light Control Filter - LCF“ genannt) machen sich die geometrische Optik zu nutze. Durch die abwechselnde periodische Anordnung von transparenten und absorbieren Schichten wird hier (nahezu) alles einfallende Licht absorbiert, dass sich unter großen Winkeln relativ zu einer definierten Richtung ausbreitet. Es wird dort die Position der Absorber kontrolliert.
Demgegenüber ändert sich bei den erfindungsgemäßen optischen Elementen die Transmission von Licht mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen, da sich hierbei der Absorptionsquerschnitt der Moleküle mit der Ausbreitungsrichtung ändert. Es wird somit bei der Erfindung nicht die Position, sondern vielmehr die Orientierung (Ausrichtung) der Absorber kontrolliert.
Mit anderen Worten: Die Erfindung basiert auf einer richtungsabhängigen Absorption der Lichtstrahlen bei der Passage durch ein erfindungsgemäßes optisches Element, und zwar grundsätzlich unabhängig von der Position der Lichtstrahlen - einmal abgesehen von den für die Übergangsdipole jeweils vorgegebenen Vorzugsrichtungen.
Dies gilt sowohl für nicht schaltbare erfindungsgemäße optische Elemente als auch für -weiter unten noch beschriebene- schaltbare Ausgestaltungen.
Einfache Möglichkeiten, ein optisches Element herzustellen, bestehen darin, dass das optische Element durch Lamination einer Vielzahl von Polymerfolienpolarisatoren und/oder durch Fotoausrichtung von Molekülen oder Partikeln hergestellt wird.
In einer anderen Variante umfasst jeder Übergangsdipol mindestens eine Art eines Farbstoffes, insbesondere eine Art eines Farbstoffmoleküls, bevorzugt mindestens eine Art einer dichroitischen Farbstoffmischung. Dabei kann vorteilhaft ein Farbstoffmolekül einem Übergangsdipol entsprechen. Typischerweise würde ein Farbstoff in Gewichtsprozent 0.01% bis 10%, vorzugsweise 0.1% - 5 % des Materials jeweils der Schichten S1, S2, ... ausmachen. Die Dicke der Schichten S1, S2, ... sollte 0.2 bis 50µm, bevorzugt 0.5 bis 20 µm sein.
Weiterhin ist es möglich, dass die Übergangsdipole (bzw. die Schichten S1, S2, ...) Flüssigkristalle umfassen und/oder mit Flüssigkristallen gemischt sind.
Als bevorzugte Ausgestaltung gilt für die Schichten S1, S2, ... eine Mischung aus Flüssigkristallen mit mindestens einem Farbstoff, besonders mit mindestens einer dichroitischen Farbstoffmischung.
Als dichroitische Farbstoffe bzw. Farbstoffmischungen kommen z.B. Azomethine, Indigoid und Thioindigoid, Merocyanine, Azulenes, Quinophthalonic, Perylene, Phthaloperine, Triphenodioxazine, Quinoxaline, Triazine, Tertrazine, Azo-Farbstoffe und Anthraquinone in Frage. Die Herstellung einer Flüssigkristallfarbstoffmischung ist beispielsweise beschrieben in der US 4,695,131 A .
Ferner sind die die Schichten S1, S2, ... außen abschließenden Oberflächen behandelt (z.B. gebürstet), um eine homogene Oberflächenausrichtung der Übergangsdipole bzw., falls vorhanden, der Flüssigkristalle zu erreichen.
Für eine Schaltbarkeit der optischen Wirkung des erfindungsgemäßen optischen Elements, also für ein schaltbares optisches Element, können die Licht absorbierenden Übergangsdipole in jeder Schicht S1, S2, ... in ihrer Ausrichtung (Orientierung) und/oder ihrem Absolutwert und/oder ihrer Dichte variiert werden, um die jeweilige Schicht S1, S2, ... in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können. Mögliche Ausgestaltungen eines schaltbaren optischen Elements bzw. jeder Schicht S1, S2, ... darin basieren beispielsweise auf Flüssigkristallen und/oder Farbstoffen bzw. Farbstoffmischungen, 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 Übergangsdipole 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.
Hierzu werden insbesondere elektrische Felder verwendet, um die Flüssigkristalle zu drehen. Dabei ist es möglich, dass zum Beispiel entweder ein erstes elektrisches Feld oder ein zweites elektrisches Feld einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, aufweist.
Dabei entspricht mindestens ein solcher Zustand den vorstehend beschriebenen Gegebenheiten und mindestens ein zweiter Zustand ist davon verschieden, weist also mindestens eine andere Vorzugsrichtung auf.
Es ist außerdem möglich, dass das optische Element in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt ist, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen den jeweils mindestens zwei verschiedenen Zuständen ermöglicht wird.
Im Rahmen der Umschaltbarkeit mit mindestens zwei Zuständen ist es somit insbesondere umsetzbar, dass die lokalen jeweiligen Transmissionsmaxima zwischen den mindestens zwei Zuständen in jeweils unterschiedlichen Richtungen liegen.
Alternativ sind Ausgestaltungen eines schaltbaren optischen Elements bzw. jeder Schicht S1, S2, ... darin denkbar, bei denen die Übergangsdipole in einer Flüssigkeit eingebettet sind, welche einem Elektro-Wetting-Verfahren ausgesetzt sind. Auf diese Weise lässt sich insbesondere, aber nicht allein, die Dichte der Übergangsdipole variieren.
Eine Weiterbildung der Erfindung umfasst

- mindestens in optisches Element, wie vorstehend beschrieben, und
- mindestens ein dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordneter Polarisationsfilter P, insbesondere ein linearer Polarisationsfilter P.

Der Polarisationsfilter P ist für die Festlegung bzw. Analyse der Polarisationseigenschaften des das optische Element durchdringenden Lichtes hilfreich und sollte bevorzugt stets vorhanden sein. Die maximale Transmission des optischen Elements ist dann in der Regel jeweils gegeben in Richtungen, die parallel zur Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters P liegen.
Es ist auch möglich, dass zwei solche Polarisationsfilter vorhanden sind, die dann jeweils in Betrachtungsrichtung vor und hinter einem optischen Element angeordnet und hinsichtlich ihrer linearen Polarisationsrichtung im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.
Schließlich liegt auch ein Bildschirm im Rahmen der Erfindung, umfassend

- mindestens in optisches Element, wie vorstehend beschrieben, oder eine Anordnung, wie vorstehend beschrieben, und
- eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.

Vorteilhaft entspricht die Bildwiedergabeeinheit einem LCD-Panel, dessen einer Polarisationsfilter dem vorbeschriebenen Polarisationsfilter P entspricht. Dabei kann es sich um den vorder- oder rückseitigen Polarisator im LCD-Aufbau handeln.
Bei der Bildwiedergabeeinheit kann es sich alternativ auch um ein OLED, ein SED-Display, ein FED-Display, in microLED-Display oder ein VFD Display handeln, vor welchem ein optisches Element angeordnet ist. Da das optische Element unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.
Ein solcher Bildschirm findet vorteilhaft Verwendung in einem mobilen Gerät, einem Kraft-, Luft- oder Wasserfahrzeug, in einem Zahlterminal oder in einem Zugangssystem.
Dabei kann -im Falle eines schaltbaren optischen Elements- zwischen den genannten Betriebsarten umgeschaltet werden, um sensitive Daten zu schützen, d.h. für nur einen Betrachter wahrnehmbar darzustellen, oder alternativ Bildinhalte gleichzeitig für mehrere Betrachter darzustellen.
Ferner kann es ein schaltbares oder nicht schaltbares optisches Element in den weiter vorn beschriebenen Ausgestaltungen zusammen mit einem statischen Bild oder auch einer dynamischen Bildwiedergabeeinheit wie etwa einem LCD-Panel verwendet werden, beispielsweise um Werbeinhalte nur in einem eingeschränkten Sichtbereich sichtbar zu machen.
Die Anwendungsvielfalt des erfindungsgemäßen optischen Elements endet jedoch nicht bei Anwendungen zur Darstellung von Bildinhalten mit oder ohne Sichtschutzeffekte. Vielmehr sind weitere Anwendungen möglich, etwa, wenn spezielle Eigenschaften einer Beleuchtungseinrichtung gewünscht sind. Denkbar sind Ausgestaltungen des optischen Elements, bei denen definierte Polarisationskontraste erzeugt werden. Diese wiederum können im Rahmen der optischen Sensorik eingesetzt werden.
Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigt

1a die Prinzipskizze eines optischen Elements,
1b die Prinzipskizze eines Abschnitts eines schaltbaren optischen Elements in einem ersten Zustand,
1c die Prinzipskizze eines Abschnitts eines schaltbaren optischen Elements in einem zweiten Zustand,
2 die Prinzipskizze eines Aufbaus mit einem schaltbaren optischen Element, sowie
3 eine beispielhafte Darstellung zum Vergleich des über verschiedene Winkel gemessenen Transmissionsverhaltens eines optischen Elements mit dem eines Lamellenfilters im Stand der Technik.

Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder.
Die 1a zeigt die Prinzipskizze eines beispielhaften nicht schaltbaren optischen Elements 1, welches im Rahmen der Erfindung liegt. Selbiges umfasst

- (hier beispielhaft nur) eine Schicht S1,
- wobei diese Schicht S1 Material mit einer Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolen (durch die kleinen Striche der Schicht S1 angedeutet in 1a) umfasst,
- wobei jeder Übergangsdipol mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 10 Grad parallel zu einer jeweiligen Vorzugsrichtung (hier durch die dicken Pfeile angedeutet), welche jeweils in Abhängigkeit von der Position eines solchen Übergangsdipols innerhalb der Schicht S1 für diesen wählbar ist, ausgerichtet ist oder um diese herum fluktuiert, und wobei sich mindestens zwei solche Vorzugsrichtungen in einer wählbaren Ebene (hier der Zeichenebene) um mehr als 10 Grad unterscheiden,
- 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, wobei der höchste Transmissionsgrad für jeden Übergangsdipol in der für seine Position innerhalb der Schicht S1 jeweils gewählten Vorzugsrichtung vorliegt, wobei eine Toleranz von maximal 10 Grad erlaubt ist.

In der hier in 1a gezeigten Ausgestaltung ist das optische Element 1 derart ausgestaltet dass die Schicht S1 entlang einer wählbaren Referenzlinie (hier ihrer Unterkante) in verschiedene Bereiche A1, A2, A3, A4, A5 eingeteilt ist, wobei für jeden Bereich A1, A2, ... eine eigene Vorzugsrichtung (siehe dicke Pfeile) gewählt ist, welche für alle innerhalb eines Bereiches A1, A2, ... liegenden Übergangsdipole der Schicht S1 gilt. Dabei sind alle Vorzugsrichtungen paarweise verschieden voneinander und -bis auf eine Toleranz von maximal +/-10 Grad- weisen sie all in Richtung eines Betrachters 3. Innerhalb der Schicht S1 und innerhalb eines jeden dafür geltenden Bereichs A1, A2, ... sind demnach alle Übergangsdipole mit einer Toleranz von maximal +/-10 Grad jeweils parallel zu der dort geltenden Vorzugsrichtung ausgerichtet.
Aufgrund der definierbaren Transmissionsgrade auf dem optischen Element 1 kann dieses besonders vorteilhaft zur Erzeugung von Sichtschutzlösungen eingesetzt werden.
Die Extinktion (also die Absorption) des Lichtes ist von der absoluten Zahl der Übergangsdipole (und somit inhärent auch von der Schichtdicke in der sich Übergangsdipole befinden) und der Ausrichtung zwischen Übergangsdipol und Polarisation des einfallenden Lichtes zueinander abhängig. Je nach Implementierung kann die Dichte der besagten Übergangsdipole, deren Stärke oder die Brechzahl in den Schichten S1, S2, ... variieren. Bei einem passiven, also nicht schaltbaren optischen Element kann die Volumendichte der Übergangsdipole gegen 100% gehen.
Einfache Möglichkeiten, ein optisches Element 1 zu erzeugen, bestehen darin, dass das optische Element 1 durch Lamination einer Vielzahl von Polymerfolienpolarisatoren und/oder durch Fotoausrichtung von Molekülen oder Partikeln hergestellt wird.
In einer anderen Variante umfasst jeder Übergangsdipol mindestens eine Art eines Farbstoffes, insbesondere eine Art eines Farbstoffmoleküls, bevorzugt mindestens eine Art einer dichroitischen Farbstoffmischung. Dabei kann vorteilhaft ein Farbstoffmolekül einem Übergangsdipol entsprechen. Typischerweise würde ein Farbstoff in Gewichtsprozent 0.01% bis 10%, vorzugsweise 0.1% - 5 % des Materials jeweils der Schichten S1, S2, ... ausmachen. Die Dicke der Schichten S1, S2, ... sollte 0.2 bis 50µm, bevorzugt 0.5 bis 20 µm sein.
Weiterhin ist es möglich, dass die Übergangsdipole (bzw. die Schichten S1, S2, ...) Flüssigkristalle umfassen und/oder mit Flüssigkristallen gemischt sind.
Als bevorzugte Ausgestaltung gilt für die Schichten S1, S2, ... eine Mischung aus Flüssigkristallen mit mindestens einem Farbstoff, besonders mit mindestens einer dichroitischen Farbstoffmischung.
Für eine Schaltbarkeit der optischen Wirkung des erfindungsgemäßen optischen Elements, also für ein schaltbares optisches Element, können die Licht absorbierenden Übergangsdipole 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.
Dazu zeigt 1b die Prinzipskizze eines Abschnitts eines schaltbaren optischen Elements in einem ersten Zustand und 1c die Prinzipskizze in einem zweiten Zustand. Hier sind beispielhaft drei Schichten S1, S2, S3 vorhanden. Die mit der dichroitischen Farbstoffmischung gemischten Flüssigkristalle sind hier durch die ellipsenförmigen Elemente in den Schichten S1, S2, S3 angedeutet, wobei die schwarzen ellipsenförmigen Elemente die Farbstoffmoleküle und die weißen ellipsenförmigen Elemente die Flüssigkristalle stark vereinfacht andeuten sollen. Die Neigung der Ellipse soll ferner die räumliche Ausrichtung andeuten.
Als dichroitische Farbstoffe bzw. Farbstoffmischungen kommen z.B. Azomethine, Indigoid und Thioindigoid, Merocyanine, Azulenes, Quinophthalonic, Perylene, Phthaloperine, Triphenodioxazine, Quinoxaline, Triazine, Tertrazine, Azo-Farbstoffe und Anthraquinone in Frage. Die Herstellung einer Flüssigkristallfarbstoffmischung ist beispielsweise beschrieben in der US 4,695,131 A .
Bei den Substraten S kann es sich um Glass oder ein Polymer oder ein anderes transparentes Material handeln.
Die jeweiligen transparenten Elektroden E1, E2 (z.B. ITO-Schichten) dienen zur Steuerung der Ausrichtung der mit den Farbstoffmischungen gemischten Flüssigkristalle. Mit ihrer Hilfe werden feste oder wechselnde elektrische Felder erzeugt, die die vorgenannte Ausrichtung bewirken.
Die in 1b gezeigte Ausrichtung der Flüssigkristalle samt Farbstoffmischung entspricht in etwa der Ausrichtung gemäß der Vorzugsrichtung des Abschnittes A1 in 1a.
Die in 1c gezeigte Ausrichtung der Flüssigkristalle samt Farbstoffmischung entspricht in etwa der Ausrichtung gemäß der Vorzugsrichtung des Abschnittes A5 in 1a.
Es kann sich aber aufgrund der Änderung der Zustände bei den in 1b und 1c gezeigten Bereiche eines optischen Elements 1 um ein- und dieselben Bereiche handeln, eben zu verschiedenen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Ausrichtungen.
Licht, welches von unten auf das optische Element 1 einfällt, wird im Falle der Gegebenheiten nach 1b in Richtung der entsprechenden Vorzugsrichtung der Übergangsdipole maximal transmittiert; andere Richtungen werden teilweise oder ganz absorbiert. Dies gilt in analoger Weise auch für die Gegebenheiten nach 1c.
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 Übergangsdipole der Flüssigkristalle immer senkrecht zueinander orientiert. Daher findet keine Absorption statt, so dass die oberhalb und unterhalb der Substrate S gezeigte Lichtausbreitungsrichtungen mit s-Polarisation das schaltbare optische Element 1 ungehindert durchdringen.
Werden, wie in 1c gezeigt, die Elektroden E1 und E2 geladen, d.h. sie erzeugen das elektrische Feld EF2 > 0 V/m, so drehen sich die ich Flüssigkristalle in den Schichten S1, S2 und S3. Übersteigt die Spannung und damit die Feldstärke EF2 einen gewissen Schwellwert, so sind Flüssigkristallmoleküle und damit auch Farbstoffmoleküle parallel zu den Feldlinien des elektrischen Feldes EF2 ausgerichtet. Dadurch wird Licht in Abhängigkeit des Winkels α, der Winkel zwischen Ausbreitungsrichtung des Lichts und Flächennormale der Oberfläche der Schicht S1, absorbiert. Die Absorption steigt mit dem Winkel α an. Die Extinktion des elektrischen Feldes des Lichts ist proportional zu sin(α).
Grundsätzlich ist eine Kontrolle der Ausrichtung der Farbstoffmoleküle von Vorteil, um dadurch die Achse des Sichtschutzes zu kontrollieren bzw. um eine definierte Strahllenkung durchzuführen.
Die 2 zeigt die Prinzipskizze eines Aufbaus mit einem schaltbaren optischen Element 1. Dabei sind zwei lineare Polarisationsfilter an den äußeren Flächen vorhanden, wobei deren Polarisationsrichtungen im Wesentlichen (also bis auf wenige Grad Tolerant) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Jeweils innen davon folgt dann jeweils ein transparentes Substrat S, davon wiederum nach innen folgen Elektroden E1 und E2. Die davon nach innen gewandten Ausrichtungsschichten 2 dienen der Ausrichtung von Flüssigkristalle, welche gemischt mit mindestens einem dichroitischen Farbstoff die innenliegenden Schichten S1, S2, ... bilden.
Die Übergangsdipole würden hier gebildet von dem mindestens einen dichroitischen Farbstoff.
Die elektrische Spannung, welche zwischen den Elektroden E1 und E2 angelegt wird, weist bevorzugt Effektivwerte zwischen 0V und 20V auf.
Bei den Ausrichtungsschichten 2 handelt es sich beispielsweise um behandelte Oberflächen (z.B. gebürstete Gläser oder Polymere), um eine homogene Oberflächenausrichtung der Übergangsdipole bzw. der Flüssigkristalle zu erreichen.
Damit können dann beispielsweise die in den 1b und 1c gezeigten Zustände erzeugt werden.
Schließlich zeigt 3 eine beispielhafte Darstellung zum Vergleich des über verschiedene Winkel gemessenen normierten Transmissionsverhaltens eines optischen Elements 1 (durchgezogene Linie) im Zustand gemäß der Ansprüche 1 und 2 mit dem eines Lamellenfilters im Stand der Technik (gestrichelte Linie). Die Abszisse trägt dabei den jeweiligen Messwinkel und die Ordinate die normierte Transmission auf.
Zu sehen ist an der durchgehenden Kurve eine annähernde „Top-Hat“-Verteilung für das Transmissionsverhalten eines beispielhaften erfindungsgemäßen optischen Elements 1, d.h. die Transmission bleibt über einen breiten Winkelbereich von ca. -17° bis +17° bei mindestens 80% stabil. Die Halbwertsbreite beträgt hier in Summe fast 40°. Damit ist eine gute vom Betrachter wahrgenommene Homogenität der Transmission gegeben, wodurch wiederum auch eine gute wahrgenommene Homogenität bei der Beleuchtung bzw. Bildwiedergabe im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit erzielt wird.
Der beispielhafte Lamellenfilter aus dem Stand der Technik, dessen normiertes Transmissionsverhalten in 3 gestrichelt dargestellt ist, hat demgegenüber eine verringerte Halbwertsbreite von lediglich ca. 35°, weist ferner keine „Top-Hat“-ähnliche Verteilung auf und bietet im Winkelbereich von -30° bis -25° sowie +25° bis +30° auch einen schlechteren Sichtschutz (da die Transmission ist dort größer ist als bei dem erfindungsgemäßen optischen Element 1).
Grundsätzlich können im Rahmen der Erfindung auch zusätzliche Retardierungsfilme zum Einsatz kommen, um die Polarisationszustände weiter anpassen zu können.
Das vorstehend beschriebene optische Element löst die gestellte Aufgaben: Es wurde ein optisches Element beschrieben, bei dem Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung und seinen Polarisationseigenschaften transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird. In einer Weiterbildung wird durch das optische Element die Transmission von Licht winkelabhängig (optional senkrecht) beeinflusst, wobei hier zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Dabei sind insbesondere Winkeleinschränkungen in der Transmission in bestimmte Richtungen umschaltbar.
Das optische Element bzw. darauf basierende Systeme ist 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 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 -wie weiter oben beschrieben- auch im PKW angewendet werden, um wahlweise dem Fahrer oder Beifahrer störende Bildinhalte vorzuenthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6765550 B2 [0003]
US 5993940 A [0004]
WO 2012/033583 A1 [0005]
US 2012/0235891 A1 [0006]
US 2012/0235891 [0006]
JP 2007155783 A [0007]
US 2013/0308185 A1 [0008]
WO 2015/121398 A1 [0009]
US 4695131 A [0026, 0054]

Claims

Optisches Element (1), umfassend, - eine oder mehrere Schichten (S1, S2, ...), - wobei jede Schicht (S1, S2, ...) Material mit einer Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolen umfasst, - wobei jeder Übergangsdipol mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 10 Grad parallel zu einer jeweiligen Vorzugsrichtung, welche jeweils in Abhängigkeit von der Position eines solchen Übergangsdipols innerhalb der jeweiligen Schicht (S1, S2, ...) für diesen wählbar ist, ausgerichtet ist oder um diese herum fluktuiert, und wobei sich mindestens zwei solche Vorzugsrichtungen in einer wählbaren Ebene um mehr als 10 Grad unterscheiden, - 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, wobei der höchste Transmissionsgrad für jeden Übergangsdipol in der für seine Position innerhalb der jeweiligen Schicht (S1, S2, ...) jeweils gewählten Vorzugsrichtung vorliegt, wobei eine Toleranz von maximal 10 Grad erlaubt ist.
Optisches Element (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht (S1, S2, ...) entlang einer wählbaren Referenzlinie auf der jeweiligen Schicht (S1,S2, ...) in verschiedene Bereiche (A1, A2, ...) eingeteilt ist, wobei für jeden Bereich (A1, A2, ...) eine eigene Vorzugsrichtung wählbar ist, welche für alle innerhalb eines Bereiches (A1, A2, ...) liegenden Übergangsdipole der entsprechenden Schicht (S1, S2, ...) gilt, wobei ferner alle Vorzugsrichtungen paarweise verschieden sind und bis auf eine Toleranz von maximal +/-10 Grad in Richtung eines Betrachters (3) weisen.
Optisches Element (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schichten (S1, S2, ...) in ihrer Struktur nicht-periodisch aufgebaut ist.
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.
Optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeder Übergangsdipol mindestens einen Farbstoff, bevorzugt eine dichroitische Farbstoffmischung, umfasst.
Optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsdipole und/oder die Schichten (S1, S2, ...) Flüssigkristalle umfassen und/oder mit Flüssigkristallen gemischt sind.
Optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht absorbierenden Übergangsdipole in jeder Schicht (S1, S2, ...) in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Absolutwert variiert werden können, um die jeweilige Schicht (S1, S2, ...) in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können, von denen ein Zustand den Gegebenheiten nach Anspruch 1 oder 2 entspricht und von denen mindestens ein zweiter Zustand davon verschieden ist.
Optisches Element (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt ist, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen den jeweils mindestens zwei verschiedenen Zuständen ermöglicht wird.
Anordnung, umfassend - mindestens in optisches Element (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, und - mindestens ein dem optischen Element (1) von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordneter Polarisationsfilter (P).
Bildschirm, umfassend - mindestens in optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eine Anordnung nach Anspruch 9, und - eine dem optischen Element (1) von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.