TWI792608B - 光學元件及其製造方法 - Google Patents

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安德烈亞斯 布雷古拉
安德烈 希伯
馬克斯 克利夫史坦
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Abstract

本發明係有關於一種呈平面狀延展且具有入光側及出光側之光學元件(1)。光學元件包括交替出現的、由具有不同之第一及第二折射率(N1、N2)之材料所構成的透明的第一及第二區域(B1、B2)，其中，第一折射率(N1)大於第二折射率(N2)。在第二區域(B2)之入光面及出光面上設有不透明的或可切換成不透明的第一及第二層(OB、AB)。與切換成透明的層(OB、AB)相比，當層(OB、AB)不透明時，穿透光學元件(1)的光在傳播方向上受到限制。

Description

光學元件及其製造方法
本發明係有關於一種光學元件及其製造方法。
近年來，在拓寬LCD視角方面取得了較大進展。然而在有些情況下，如此之大的螢幕可視範圍可能會成為缺點。筆記型電腦及平板電腦等行動設備上亦越來越多地提供資訊，如銀行資料或其他個人資訊及敏感資料。相應地，人們需要控制誰能看到此等敏感資料；他們需要能夠選擇寬廣視角，以與他人分享顯示器上的資訊，例如在觀看假日照片時，甚至出於廣告目的。另一方面，若欲保持影像資訊之機密性，則需要較小視角。
汽車工程遇到了類似問題：發動機啟動後駕駛員不允許被影像內容如數位娛樂節目分散注意力，而乘客則希望亦能在行駛期間消費影像內容。因此，需要一種可在相應的呈現模式之間切換之螢幕。
基於微型薄片的附加薄膜已被用於行動顯示器，以實現可視資料保護。然而，此等薄膜不可切(/轉)換；總是須先用手施覆，而後再移除之。不使用時亦須與顯示器分開運送。使用此類薄片式薄膜的一個主要缺點乃是會造成光損失。
US 6,765,550 B2描述此種藉由微型薄片而實現的防窺保護。其最大缺點在於濾光片之機械移除或機械安裝以及保護模式下之光損失。
US 5,993,940 A描述對一種薄膜的使用，該薄膜之表面均勻分佈著小稜鏡條，以實現私密模式。研發及製造難度相當大。
在WO 2012/033583 A1中，藉由控制所謂的「色子」(chromonischen)層之間的液晶，實現自由觀看與限制性觀看之間的轉換。其間會產生光損失，且難度相當高。
US 2012/0235891 A1描述一種極為複雜之螢幕背光燈。根據圖1及圖15，不僅使用了數個導光體，更使用了其他複雜的光學元件，如微透鏡元件40及稜鏡結構50，該等元件將背面照明光轉變為正面照明光。其實現成本高，難度大，且同樣會帶來光損失。根據US 2012/0235891中如圖17所示之變體，兩個光源4R及18皆產生具有狹窄照明角度的光，其中，來自後部光源18的光經過一個複雜的過程後方被轉變成具有大照明角度的光。如前所述，如此複雜之轉換大幅降低了亮度。
根據JP 2007-155783 A，則使用了計算及製造皆較複雜之特殊光學表面19，其根據光的入射角，將光偏轉到不同的或窄或寬之區域。此等結構類似於Fresnel透鏡。此外存在著干擾側面，使光朝不希望之方向偏轉。如此一來，便不確定能否實現真正合理的光分佈。
US 2013/0308185 A1描述一種形成有台階之特殊導光體，根據該導光體自窄面被照亮的方向，該導光體在大表面(Großfläche)上朝不同方向發光。藉由與透射式影像再現裝置如LC顯示器配合，便能產生可在自由觀看模式與限制性觀看模式之間切換的螢幕。其缺點主要在於，限制性觀看效果僅能在左/右或上/下產生，但不能同時在左/右/上/下產生，而例如對於某些支付過程來說，此為必要的。再者，即使在限制性觀看模式下，自受阻的觀看角度仍可看到殘餘光線。
本申請人的WO 2015/121398 A1描述一種具有兩種工作模式之螢幕，其中，為了實現工作模式之轉換，相應導光體之體積中實質上存在散射粒子。然而，該案所選擇的聚合物散射粒子通常存在如下缺點，即光被耦合出兩個大表面，因此大約一半的有用光被發射到錯誤方向，即朝背光方向發射，並且由於結構原因，無法在該處得到足夠程度之回收。此外，分佈在導光體體積中的聚合物散射粒子在某些情況下，特別是在較高濃度下，會產生散射效應，降低保護模式下之防窺效果。
上述方法及配置一般皆具有如下缺點，即明顯降低基本螢幕亮度且/或需要複雜而昂貴的光學元件以進行模式轉換且/或僅提供有限的防窺保護且/或降低自由觀看模式下的解析度且/或僅允許較窄的觀看範圍，亮度在角譜(Winkelspektrum)上減小得如此之快，以至於觀看者看到的影像在亮度上極不均勻。
因此，本發明之目的在於開發一種呈平面狀延展之光學元件，該光學元件能以明確的方式影響入射光之傳播方向，並能可選地在至少兩種工作狀態——自由觀看模式與防窺模式——之間轉換，其中，在防窺模式下，光僅在相較自由觀看模式而言有限的角度範圍內，即以較少的傳播方向自光學元件中射出。該光學元件應當能以低成本實現，特別是應當可普遍用於不同類型之螢幕，以實現防窺模式與自由觀看模式之間的轉換，其中，此種螢幕之解析度實質上不應降低或降低程度可忽略不計。此外，該光學元件原則上應提供實現高頂禮帽式光分佈(Top-Hat-Lichtverteilung)之可能性。此意味著在平均發射角周圍至少7度之角度範圍內，亮度下降不超過15%。
此目的係藉由一種呈平面狀延展且具有入光側及出光側之光學元件而達成，該光學元件至少包括由具有第一折射率之第一透明材料構成的第一區域以及由具有第二折射率之第二透明材料構成的第二區域，第一及第二區域沿著第一光學元件之面積以一維或二維週期序列交替出現，其中，第一折射率在肉眼可見的整個波長範圍內大於第二折射率。該光學元件進一步包括分別位於每個第二區域之入光面上的第一層，該第一層永久不透明或者可在透明狀態與不透明狀態之間切換，以及分別位於每個第二區域之出光面上的第二層，該第二層永久不透明或者可在透明狀態與不透明狀態之間切換。
當第一層處於不透明狀態時，於入光側射到光學元件上的光由於第一層而僅透過第一區域之入光面進入光學元件，並且根據入射角、偏振及第一折射率與第二折射率之比率，於該處a)在第一區域內無阻礙地傳播或被完全反射，隨後在相應之第一區域的出光面上再度被耦合出來，或者b)自第一區域穿透到鄰接的第二區域中，在該第二區域中傳播，若第二層處於不透明狀態，則最終在該第二區域之出光側上被吸收，而若第二層處於透明狀態，則被耦合出來，或者c)在光已經自第一區域穿透到鄰接區域中之情況下，該光再次穿透到另一個相鄰的第一區域中，並且根據此時的既定傳播方向及偏振，在出光面上被耦合出來或在光學元件中進一步傳播，直至被耦合出來或被吸收。其中，情況a)中的無阻礙傳播係指光未到達區域邊界，而是直接穿過第一區域，未被完全反射。
最終結果為，若兩個層中的至少一者，第一層及/或第二層，但較佳第二層為不透明，則與在入光側射到光學元件上的光相比，於出光側離開光學元件的光在其傳播方向上受到限制。
光束進入第一區域的入射角特別是指其方向向量，該方向向量描述了第一區域之入光面——亦稱「下表面」——處的水平及豎向入射角，並且除了偏振狀態外，對光在第一區域B1中或在與第二區域之界面處的進一步傳播極為重要。
原則上，所有不屬於情況a)或b)的光束皆應屬於情況c)。
第一及第二區域之「週期序列」並非指其必須總是等寬且/或等高，而是指第一及第二區域僅僅總是交替出現。但其大小可以變化。
第三種情況c)僅發生在光已經自第一區域穿透到鄰接的第二區域並自該處再次穿透到另一個相鄰的第一區域時，即適用於如下射束：在克服了自第一區域到第二區域的折射率邊界之後，又克服了自相關之第二區域到另一側之相鄰第一區域的下一個折射率邊界，並且根據此時的既定傳播方向及偏振，在出光面上被耦合出來或繼續在光學元件中傳播，直至被耦合出來或被吸收。此種情況對於特殊應用有意義，例如當需要吸收大約30°到50°之中等角度範圍的光傳播方向，但要求比之更大及更小的角度範圍上加載光時。可在對光學元件進行光學模擬的基礎上，藉由為第一及第二折射率確定合適的大小以及藉由適當選擇第一及第二區域之寬度及高度，來包括或排除在c)項下提到之情況。有關細節將在下文介紹。
為了實現根據本發明對入射光傳播方向之較佳限制(即，尚僅存在射束的情況a))，重要的是，第一及第二層實際上不透明。一旦其中一個層不是不透明的，第一區域與第二區域之間的界面處的全反射實際極限角以上之斜光束遂會在第二區域的上邊緣射出，或者視情況會在隨後進入第二區域時例如透過第一區域B1之上邊緣(即出光面)射出。
有利的技術方案設計如下：第二區域之出光面上的每個第一層皆由永久吸收層且/或由至少一個朝遠離光學元件方向反射的層形成。若僅存在一個反射層(此在本發明範圍內是可能的)，則此反射層不言而喻同樣具有不透明的特性。反射特性有助於提高效率，例如，當根據本發明之光學元件被安裝在例如用於LCD面板之照明裝置中時。
此外，第二區域之出光面上的每個第二層皆可由永久吸收層形成。在此情況下，在某些靜態技術方案中，若第一及第二層皆具有永久的不透明特性，並且第一及第二折射率不可變，則光學元件對入射到該光學元件上之光的傳播方向有永久限制作用。
在根據本發明之光學元件的一個特殊技術方案中，第一區域(B1)中之材料的第一折射率(N1)及/或第二區域(B2)中之材料的第二折射率(N2)可在至少兩種狀態之間轉換，從而可分別調製兩個折射率(N1、N2)在第一區域(B1)與第二區域(B2)之間之邊界處的比率，藉此可改變對傳播方向之所述限制。
為此，第一區域及/或第二區域之材料中的至少一者可由液晶構成，該等液晶與電極接觸，以便藉由改變電極上的電壓來引發液晶中線性偏振光的折射率變化。電極若例如佈置於第一區域之出光面及入光面 (即頂面及底面)上，則可以是透明的，例如以氧化銦錫層(ITO層)之形式。然而，若有必要設置電極來改變第二區域之第二折射率，則亦可——特別是在第一及第二層形成為永久吸收層之情況下——使用非透明的電極，視情況甚至可使用不透明的電極。
對於此種設置液晶的技術方案而言，第一層及第二層較佳為永久不透明，以便進一步使得：通常僅情況a)的光束可向上離開光學元件。然而，根據自第一區域到第二區域之界面處的折射率差，情況a)之此等射束具有或窄或寬之傳播方向角度範圍。折射率差越大，此角度範圍便越寬，折射率差越小，此角度範圍便越小。
而在本發明之其他不同的可切換技術方案中，若第一層及/或第二層可在不透明狀態與透明狀態之間轉換，則限制入射到光學元件上之光之傳播方向的特性乃是可開啟及關閉的：僅在兩個層皆不透明之情況下限制光的傳播方向(情況a))。一旦兩個層中的一者不是不透明的，遂不再限制光的傳播方向(情況a)、b)，可能還有c))。如此一來，光學元件是可切換的。在甚至需要將兩個層皆切換成透明之情況下，光學元件僅會——視光的入射方向而定——引起射束偏移及全內反射，但總體上不阻擋任何的光。
在較佳的可切換技術方案中，僅上面的第二層被設計為可進行不透明-透明轉換，而下面的第一層則被建構為永久不透明(且視情況亦為反射性的)。此足以達到預期效果。
兩個層的可轉換性較佳可基於以下原理中之一者，或者同時基於以下原理中之數者：電潤濕、電泳、電致變色及/或液晶單元。當然，其他設計亦是可行的。
在電潤濕情況下，為兩個層中之至少一者定義受電潤濕處理之液體或液體混合物的至少兩種狀態。在第一工作狀態下，相關層會儘可能完全覆蓋第二區域之相應表面，即不透明(此時存在對傳播方向之限制，情況a))，而在第二工作狀態下，相關層僅在儘可能小的面積上覆蓋第二區域之相應表面，即最大程度地透明(此時不存在對傳播方向之限制或僅存在可忽略不計之限制，情況a)、b)，可能還有c))。
在電泳情況下，在液體或凝膠基質中為兩個層中之至少一者提供能電泳移動的不透明粒子。由於電場(可透過透明電極施加該電場)作用，該等粒子會在第一工作狀態下，作為相關層儘可能完全覆蓋第二區域之相應表面，使相關層變成不透明(此時存在對傳播方向之限制)。在具有不同電場分佈的第二工作狀態下，作為相關層的粒子會在儘可能小的面積上覆蓋第二區域之相應表面，或被轉移到儲存器中或分佈在體積中，從而使該層為透明的(此時不存在對傳播方向之限制)。
原則上，此種採用電泳的技術方案亦可如此設計：對於兩個層中之至少一者，特別是對於第二層，由於粒子位置直接在第二區域上或與之隔開一定距離(最大100 μm便足矣)，第二區域表面的全反射結構或者被干擾(光相應地被粒子吸收)，或者不被干擾(粒子相應地被隔開)，從而發生全反射，相應的射束在光學元件中進一步傳播後，至少部分地自第一區域之出光面被耦合出來。一般來說，所有基於所謂的「受抑全內反射(frustrated total internal reflection)」之此種變體或類似變體的光學切換技術皆可在此背景下使用。
此外，亦可考慮使用能夠在電場作用下原位旋轉之Janus粒子(Januspartikel)，其表面大約一半是不透明的，另一半是散射性、白色且/或反射性的。此等Janus粒子同樣可為兩個層中之任一者，以使其在不透明狀態與反射狀態之間轉換，其中，在後一種狀態下，由於反射，相應的射束在光學元件中進一步傳播後至少部分地自第一區域之出光面被耦合出來。
在電致變色情況下，以電致變色材料(例如一些金屬氧化物(TiO 2、NiO、Nb 2O、MoO 3、Ta 2O 5、WO 3、IrO 2、Zr 2O 5))以及相應的透明電極(例如ITO(氧化銦錫，銦摻雜氧化錫)、FTO(氧化氟錫，氟摻雜氧化錫)或AZO(鋁摻雜氧化鋅)，電致變色材料嵌入於其中)形成兩個層。而後，根據施加在電極上的電壓，為兩個層定義至少兩種狀態。在第一工作狀態下，相關層不透明(此時存在對傳播方向之限制)，而在第二工作狀態下，相關層是透明的(此時不存在對傳播方向之限制)。
兩個層亦可形成為液晶單元，例如具有相應偏振器對之TN單元。在此情況下，藉由在電極上施加相應的電場或電壓，液晶單元可相應被切換成不透明(此時存在對傳播方向之限制)或透明(此時不存在對傳播方向之限制)。在此情況下，當根據本發明之光學元件與LCD面板配合使用時，所述偏振器對的一個偏振器亦可物理對應於該LCD面板之偏振器。
一般來說，第一折射率與第二折射率之間的折射率差越小，離開光學元件之光的光分佈便越窄。為了明確物理上的理解，此處須再次指出：「折射率」係指針對選定波長(例如580 nm)之第一或第二折射率，或是指肉眼可見的整個波長範圍內之相關色散曲線。在色散曲線情況下，折射率差乃是指在選定的可見波長λ下對應於兩個折射率之差的相關值。
就此而言，值得一提的是，在特殊技術方案中，該光學元件可形成為非常精確的波長選擇性濾色器：若兩種折射率之色散曲線受波長影響而相交，則對於不透明層來說，在使得第二折射率大於第一折射率的那些波長下，相應的波長範圍將被有效地消隱，即不被光學元件耦合出來，而第一折射率大於第二折射率的波長範圍將被光學元件耦合出來。在此情況下，根據色散曲線之設計，此種具有波長選擇效應的光學元件便須以斜向光來操作，因為在任何情況下，皆須利用第一與第二區域之界面上的全反射極限角來分離光譜。在一個示例性的進一步設計中，此種波長選擇性濾色器將分離兩個光譜，例如，一個在狹窄的UV範圍內，一個在白色的寬譜範圍內。若藉由關閉兩個層中之至少一者的不透明性來取消分離效果，則兩個光譜皆可穿透濾色器。隨後，紫外光可轉變為可見的白光，因此對於白光而言，總體上仍然有在不同角譜之間轉換之可能性。
在該光學元件的一個有利技術方案中，在垂直於光學元件之平行投影中觀察時，第一及第二區域沿著光學元件之面積呈條帶狀交替分佈。如此一來，對光傳播方向的限制將在垂直於而非平行於條帶狀區域時有效。
另一個技術方案則規定：在垂直於光學元件之平行投影中觀察時，第一區域沿著光學元件之面積呈點狀、圓形、橢圓形、矩形、六邊形或其他二維形狀分佈，第二區域則分別在形狀上與之互補。如此一來，對光傳播方向的限制將總是在至少兩個垂直於光學元件表面之平面中有效。實際上，此種光學元件之效果通常為：透射光的光傳播方向以任一個接近於或平行於光學元件中垂線之角度聚焦。在此情況下，「接近於」係指與中垂線或其平行線的偏差——視具體設計而定——小於25°或30°。
第一及第二區域亦可採用其他形狀。其中，對於保持本發明的工作原理來說，要點始終在於使第一及第二區域在光學上直接鄰接，以便儘可能在無氣隙之情況下形成光學折射率躍變(Brechzahlsprung)。
進一步的技術方案規定：在沿垂直於光學元件之上表面的剖面方向觀察時，第一及第二區域呈梯形。透過第一及第二區域之此種構型，針對性地對自光學元件射出之光的傳播方向施加影響：根據具體設計，光沿著表面發生或強或弱之聚焦。此外，例如透過第一及第二區域之平行四邊形剖面形狀，可藉由第一與第二區域之間之界面的伴隨傾斜來實現峰值偏移(Peak-Verschiebung)。梯形形狀之優點在於，角度分佈會因此更好地集中，從而進一步改良防窺模式。
此外，可能有利的是：至少暫時不透明的第一層及/或第二層嵌入構成第一區域之材料中，其中，光學元件之第一區域的材料部分較佳與所述嵌設有相關層的部分無縫銜接。
此外，可在至少一部分第一區域上，較佳在所有的第一區域上，在其出光側(即對於觀看者而言的頂面)設置透鏡結構，較佳為凸透鏡結構。此能支持對自光學元件射出之光的傳播方向施加明確影響。作為替代方案或補充方案，第一區域之入光面 (即對於觀看者而言的底面)可具有凹透鏡結構或凸透鏡結構，以影響進入第一區域之光的入射方向，進而亦對光束最終是否落入前述情況a)、b)或c)施加影響。
原則上，上面的第二層及下面的第一層在本發明範圍內可互換，亦即，特別是當兩個層皆為永久不透明時，無論光學元件的哪個大表面在上或在下，第一光學元件皆會起作用。
此外，為取得最佳效果而在光學元件下方及/或上方設置偏振器，可選擇反射式偏振器，可能是有幫助的。透過偏振器對偏振的控制，能提高對折射率轉換的使用效率。此外，入射光或出射光的p偏振可用於最小化Fresnel反射，即最佳化對光傳播方向之限制。
對於特殊應用，可在光學元件上形成至少一個第一區域，當在垂直於光學元件之平行投影中觀察時，該第一區域之最短延展至少為所有第二區域在垂直於光學元件之平行投影中觀察時之最短延展的20倍大，因此，在所述至少一個第一區域內，除了其邊緣及平行偏移外，相對於射在光學元件上的光而言，自光學元件射出之光的傳播方向不受限制。此僅意味著對傳播方向的限制並不作用於光學元件之整個面積。此種非限制性第一區域亦可在光學元件上重複多次而不互相接觸。
此外，可能有意義的是：除第一及第二區域外，更形成有在形狀及/或折射率方面具有不同於第一及第二區域之參數的其他區域，因此，穿透此等其他區域並自光學元件射出的光在傳播方向上受到的限制與在第一區域中不同。藉此可在光學元件上分佈具有不同光傳播方向限制(一定程度上具有不同聚焦)的區域。
進一步可設想在光學元件上施加附加的反射層及/或附加的吸收層，以進一步加強或調製限制光傳播方向之效果。此外，更可在入光側及/或出光側(即在光學元件之頂面及/或底面)設置保護塗層或基板。然而，在特別是自第一區域耦合出光時，應在確定技術光學尺寸時考慮射束偏移及對光方向的影響。
本發明在上述光學元件與影像再現單元(例如LCD面板、OLED或微型LED或任何其他顯示技術)或與用於透射式影像再現單元(例如LCD面板)之照明裝置的配合使用中獲得了特別的意義。在後一種情況下，特別是採用可切換設計之光學元件將直接整合在用於透射式影像再現單元如LCD面板之照明裝置中。此時，此照明裝置可永久地作為定向背光燈(若第一及第二層為永久不透明)，並且可例如以本申請人的WO 2015/121398或WO 2019/002496所提供之技術方案投入使用。作為替代方案，此種包括至少一個表面發射器及根據本發明之光學元件的照明裝置，當兩個層中之至少一者可在透明模式與不透明模式之間轉換時，亦可直接作為LCD面板的可切換照明裝置。
在上述使用方法中，實現了對影像再現單元之可切換防窺保護：在對於自光學元件射出的光來說僅留下上述情況a)的第一工作狀態下，存在根據具體設計而具有高頂禮帽式分佈之防窺效果。在對於自光學元件射出之射束來說通常適用情況a)及b)且僅在例外情況下亦適用情況c)之第二工作狀態下，形成可自所有方向自由觀看影像再現單元之自由觀看模式。
在根據本發明之光學元件沿觀看方向佈置於影像再現單元前面以選擇性地或永久性地限制影像再現單元的光傳播方向時，影像再現單元上還能可選地存在光學裝置，以將影像再現裝置之各像素所發出的光實質上集中在與第一區域相對之面積上。此點例如可藉由微透鏡網格或光柵而實現，其大致具有像素寬度(或像素高度，視情況而定)之週期。此時，第一區域之週期在最佳情況下應與像素寬度或像素高度之週期相符。
包括至少一個如上所述之光學元件(亦稱第一光學元件)及影像再現單元的螢幕，可例如用於乘用車或行動設備。此外，視情況亦可藉由在影像再現單元前面設置第一光學元件，來為影像再現單元後續加裝或可切換或不可切換之第一光學元件。
本發明亦包括一種製造此種第一光學元件之方法，該方法包括下述步驟。首先，製造具有所需第一區域之陽結構(Positivstruktur)及載體基板之陰結構(Negativstruktur)的模具(即，第二區域填有模具材料，而第一區域未填模具材料；其中，模具中可存在用於載體基板之空腔，在隨後的步驟中將在其中填充特別是用於第一區域之聚合物)。而後用第一聚合物填充模具，該第一聚合物最初呈液態，固化後具有第一折射率。隨後利用紫外光或以冷卻方式固化第一聚合物，接著自模具中移除工件。然後用第二聚合物填充工件中之第二區域的結構，該第二聚合物固化後具有第二折射率。第二聚合物亦利用紫外光或以冷卻方式來固化。
可選地，在第一或第二聚合物固化後，透過保護第一區域的遮罩，用不透明材料或可在透明與不透明之間切換的材料蒸鍍或濺鍍工件之表面(即，自觀看者方向所看到的上表面與下表面)上的第二區域，以獲得第一及第二層，或在該等第二區域上印刷不透明材料。
此外，本發明還包括另一種製造(第一)光學元件之方法，該方法包括下述步驟。首先產生數個基塊，其依次包含以下相互連接的層：作為吸收層的第二層，由具有第二折射率之材料構成的第二透明層，不透明的第一層，以及由具有第一折射率之材料構成的第一透明層。而後將數個基塊堆疊在一起並連接，得到第一堆疊塊。自該堆疊塊上切下具有第二層厚之片體。將此等片體連同位於此等片體之間的、具有第一折射率及第一層厚之第一透明層堆疊在一起並連接，得到第二堆疊塊。隨後自第二堆疊塊上切下光學元件。其中，較佳可將第一層建構為反射性的。例如，基塊之間及/或片體與第一透明層之間可以硫化方式連接在一起。較佳垂直於各個層之面積延展平面(Flächenausdehnungsebene)地進行自第一堆疊塊上切下片體且/或自第二堆疊塊上切下光學元件。
在該光學元件的特殊技術方案中，具有第二折射率之第二透明層亦可被選擇為吸收性的。此時可省略作為吸收層的第二層。
其他可能的替代性生產方法例如有：使用兩種聚合物，以在立體印刷製程中形成具有不同折射率之第一及第二區域B1、B2；對玻璃進行蝕刻，其中，之後較佳用聚合物填充蝕刻區域(第一區域或第二區域)；聚合物的不同交聯；以及使用光控取向分子。在所有情況下，隨後皆會施加如前所述之第一及第二層。當然，該光學元件亦可採用其他製造方法。
本發明之目的亦藉由一種在肉眼可見的波長範圍內限制平面傳播之光之光傳播方向的方法而達成，該方法包括以下步驟。在第一步驟中，藉由平面狀光圈對該光進行平面調製，該光圈至少包含透明的第一區域及不透明的第二區域，該等第一及第二區域沿著光圈之面積以一維或二維週期序列交替出現。在整個波長範圍內，傳播時通過透明第一區域的光發生基於折射率的、與角度有關之分裂，分為在全反射極限角以內(即以小於全反射極限角之角度)在折射率邊界(Brechzahlgrenze)處被反射且最後(即在一次或數次全反射後或在無阻礙傳播後)被耦合出來之射束以及在全反射極限角以外(即以大於此材料組合之全反射極限角的角度)穿透所述折射率邊界、進一步傳播且隨後被吸收器吸收之射束，因此，與原來平面傳播的光相比，被耦合出來的光具有受限的光傳播方向。
此處相應適用上述關於本發明之採用各種設計之(第一)光學元件的說明，其中，第一及第二區域在此可象徵性地相互對應。為避免重複，此處不做詳細解釋。
本發明進一步亦還包括一種光學元件，其由兩種透明互補形狀的一維或二維週期序列組成，該等形狀各自具有不同折射率，其中，該等形狀可選地形成在平面基板上，從而在兩個方向上各形成一個平面。在此，其中一個折射率可有利地等於1，意即，其中一種形狀中的材料例如是空氣。因此，以首選方向射中此種光學元件的光無阻礙地被透射，與所述首選方向成15°以上角度的光則由於全反射及/或Fresnel反射而被光學元件偏轉。出射光的傳播方向在此亦受到影響。前述設計可類比應用，因而在此不再贅述。
最後，本發明還包括另一種呈平面狀延展且具有入光側及出光側之光學元件。該光學元件至少包括由具有第一折射率之透明材料構成的第一區域以及由具有第二折射率之不透明材料構成的第二區域，該等第一及第二區域沿著光學元件之面積以一維或二維週期序列交替出現，其中，在肉眼可見的整個波長範圍內，第一折射率大於第二折射率。由於第二區域的不透明材料，在光學元件之第一大表面上射中該光學元件的光僅透過第一區域之入光面進入光學元件。根據幾何入射方向、偏振及第一折射率與第二折射率之比率，a)光在第一區域內無阻礙傳播或被完全反射，隨後在相應之第一區域的出光面上再度被耦合出來，或者b)自第一區域穿透到鄰接的第二區域中，並且由於第二區域的不透明材料而於該處被吸收。其中，由於第一折射率不同於第二折射率，穿透到第二區域中的射束經折射而更強烈地偏離垂線。與具有相同折射率之材料相比，由此能改良對此種光的吸收。亦即，與沒有折射率差之情況相比，此種射束會被更好或更強烈地消隱。總體而言，與在第一大表面上射中光學元件的光相比，在光學元件之第二大表面上自該光學元件射出的光由此而在其傳播方向上受到限制。
此技術方案特別改良了先前技術：首先，用類似於薄片式濾光器的光學元件亦能實現高頂禮帽式分佈，因為與普遍沒有全反射的先前技術相比，全反射使得更多有用光被透射到期望的受限角度範圍；其次，對穿透第三光學元件之光的角度範圍限制明顯加強，因為不僅不透明的薄片負責光的方向，而且兩個區域之間的折射率差亦使得穿透到第二區域中的射束經折射而更強烈地偏離垂線，因此必須在吸收性材料中走完更長的光路，因而與不存在此種折射率差相比，會被更強烈地消隱。
具有第二折射率的不透明材料之所以被稱為不透明，乃是因為其效果是不透明的。具體來說，該不透明材料實際上係為具有第二折射率之透明材料，但又摻有吸收性材料，特別是吸收性粒子，從而總體上具有不透明效果，換言之，該不透明材料為具有透明部分及不透明部分之材料。不透明材料例如可由作為透明部分的漆或聚合物構成，該漆或聚合物中例如摻有在最大延展方向上尺寸小於500 nm之石墨粒子或尺寸小於200 nm之黑碳(schwarzer Kohlenstoff)奈米粒子(例如碳黑粒子)，以形成不透明部分。作為替代方案或組合方案，不透明材料的不透明部分亦可包含染料或染料混合物。合適的染料例如為吸收可見範圍內所有光線的蘇丹黑。吸收性粒子在不透明材料中的質量占比通常不應超過50%。然而，亦可能出現例外情況。
在一個較佳技術方案中，在每兩個第二區域之間形成由具有第三折射率之其他不透明材料構成的第三區域，其中，第三折射率大於第一折射率且大於第二折射率。在此種特殊情況下，第一與第二折射率之間的折射率差較佳不大於0.1，而第一與第三折射率之間的大差異則有望能提高效率。此外，一方面在光學元件之入光側與第三區域之間可形成第二區域，另一方面在光學元件之出光側與第一區域之出光面之間亦可形成第二區域。以此方式，可進一步加強發光角度範圍之集中，從而改良防窺模式。
其中，具有第三折射率的其他不透明材料與具有第二折射率的不透明材料結構相似，即包括透明部分以及吸收性粒子之質量占比最高為50%的不透明部分。在此種具有三種不同材料之技術方案中，倘若吸收性粒子在具有第三折射率之其他不透明材料中的質量占比足夠高，則其在具有第二折射率之不透明材料中的質量占比亦可遠低於50%。
上述光學元件可有利地在其中一個大表面上，較佳在下方的大表面上，包含鏡面(Verspiegelung)，其中，該鏡面或者為整個大表面的角度相關性鏡面，或者為第二區域之表面上的全鏡面(Vollverspiegelung)。在特殊設計方面針對前述光學元件所提出的實施方案亦適用於此光學元件，此處不再重複說明。
在此方面，本發明進一步包括一種製造最後所說明之光學元件的方法，該方法包括以下步驟。將由透明材料構成且具有第一折射率的第一層以及由不透明材料構成且具有第二折射率的第二層交替地堆疊起來，其中，第一折射率大於第二折射率。而後將此等第一及第二層例如以硫化或黏合方式相互連接。最後自該層複合體上切下光學元件。
一般來說，對於所有光學元件，具有不同折射率之區域之間的界面處之粗糙度R a較佳小於或等於20 nm。
本發明之上述各種技術方案亦可直接在自發光影像再現單元上實現。其中，OLED面板特別適合，下文將更詳細地描述之。然而，其他自發光顯示器類型亦是可想像的。
例如可按以下方式實施：將由具有第一折射率之材料構成的第一區域直接設置於OLED像素的發光區域。在OLED面板的非發光區域設置具有與第一區域互補之結構的第二區域，該等第二區域被至少暫時地——即永久的或可切換的——不透明的第一層及/或第二層覆蓋。第一區域上未覆蓋散射結構，以提高OLED像素之光輸出，但較佳為至少暫時不透明的第一及第二層之頂面。
若在一定限度內改變上述參數，原則上能保持本發明之性能。
可以理解，上述特徵及下文尚待闡述之特徵不僅可在所給出的組合中使用，亦可在其他組合中使用，或者單獨使用，而不偏離本發明之範圍。
圖式未按比例繪製且僅為原理圖。此外為清晰起見，一般僅示出少量光束，儘管實際上存在大量光束。
示例性的第一光學元件1呈平面狀延展並且至少包括由具有第一折射率N1之第一透明材料構成的第一區域B1以及由具有第二折射率N2之第二透明材料構成的第二區域B2，該等第一及第二區域沿著第一光學元件1之面積以一維或二維週期序列交替出現，其中，第一折射率N1在肉眼可見的整個波長範圍內大於第二折射率N2。第一光學元件1進一步包括分別設置在每個第二區域B2之底面上的至少暫時不透明的第一層OB，以及分別設置在每個第二區域B2之頂面上的至少暫時不透明的第二層AB。「至少暫時」在此係指該層或者為永久不透明，或者可在不透明與透明狀態之間轉換。若該層為永久不透明，便不需要是可切換的。頂面通常指光學元件1之出光側，在此具體指第一或第二區域之出光面。同樣，底面對應於光學元件1之入光側，在此具體對應於第一或第二區域之入光面。觀看者或光學元件之使用者看向此元件之頂面，即發光的一面。
若第一層OB處於不透明狀態，於入光側射到光學元件1上的光便會由於第一層而僅透過第一區域B1之入光面進入光學元件1，並於該處視入射角、偏振及第一折射率N1與第二折射率N2之比率而定，或者a)在第一區域B1內完全反射——或無阻礙傳播——並隨後在相應之第一區域B1的出光面上被再度耦合出來，或者b)自第一區域B1穿透到鄰接的第二區域B2中，在該第二區域中傳播，若第二層AB處於不透明狀態，則最終在該第二區域之出光側上被吸收，而若第二層AB處於透明狀態，則被耦合出來，或者c)在光已經自第一區域(B1)穿透到鄰接的第二區域(B2)中之情況下，該光再次穿透到另一個相鄰的第一區域(B1)中，並且根據此時的既定傳播方向及偏振，在出光面上被耦合出來或在光學元件(1)中進一步傳播，直至被耦合出來或被吸收。最終結果為，與在入光側射到光學元件(1)上的光相比，於出光側離開光學元件(1)的光在其傳播方向上受到限制。原則上，所有不屬於情況a)或b)的光束皆應屬於情況c)。在實踐中，第一光學元件1上存在大量第一及第二區域B1、B2。
為此，圖1a示出第一技術方案中之此種第一光學元件1處於第一狀態(即，第一及第二層OB、AB為不透明)時之原理簡圖，在第一狀態下，僅情況a)之射束被耦合出光學元件1。與自下方入射到光學元件1上的射束相比，該等射束之傳播方向受限。上述情況b)之射束在第二層AB上被吸收。自下方入射到第一層OB上的光同樣被吸收。為了確定尺寸，D1表示第一區域B1之寬度，D2表示第二區域B2之寬度，H表示兩個區域B1及B2之相同高度。對於特殊應用，第一及第二區域B1、B2亦可——在一定限度內——具有不同高度。
此外，圖1b示出第一技術方案中之第一光學元件1處於第二狀態時之原理簡圖，在第二狀態下，僅情況a)及b)之射束被耦合出光學元件1。為此，上面的第二層AB處於透明狀態(呈現為虛線)。因此，自光學元件1頂部射出之光的角譜明顯比根據圖1a之條件下(在此條件下僅射出情況a)之光束)的角譜寬。
圖1c進一步示出第一技術方案中之第一光學元件1處於第三狀態時之原理簡圖，在第三狀態下，不吸收射束，而是僅偏移及/或完全反射射束。為此，兩個層AB及OB皆進入透明狀態(呈現為虛線)。
最後，圖1d示出第二技術方案中之第一光學元件1處於第一狀態(即，兩個層AB及OB皆不透明)時之原理簡圖，在第一狀態下，僅情況a)及c)之射束被耦合出光學元件1。第三種情況c)係關於如下射束：在克服了自B1到B2的折射率邊界之後，又克服了到下一個相鄰區域B1的下一個折射率邊界B2，並且根據此時的既定傳播方向及偏振，被耦合出來或繼續在光學元件1中傳播，直至被耦合出來或被吸收，此種情況對於特殊應用有意義，例如當需要吸收大約30°到50°之中等角度範圍的光傳播方向，但要求更大及更小角度上加載光時。可在對光學元件進行光學模擬的基礎上，藉由為第一及第二折射率N1、N2確定合適的大小以及藉由適當選擇第一及第二區域B1、B2之寬度及高度，來包括或排除在c)項下提到之情況。
為了實現對入射光傳播方向之較佳限制(即，尚僅存在射束的情況a)，如圖1a所示)，重要的是，兩個至少暫時不透明的第一層及第二層OB、AB實際上不透明。一旦其中一個層(例如第二層AB)不是不透明的，在全反射實際極限角以上於B1-B2界面處穿透到第二區域B2中的斜光束遂會在其上邊緣處透過不是不透明(nicht-opak)的第二層AB非期望地射出。
此外，圖2示出在垂直於第一光學元件1之平行投影中(即，以俯視角度)觀察時該光學元件1之第一及第二區域B1、B2的原理簡圖，其中，該等區域沿著光學元件1之面積呈條帶狀交替分佈。因此，對光傳播方向的限制將在垂直於而非平行於條帶狀的第一及第二區域B1、B2時有效。
作為替代方案，圖3a示出在垂直於第一光學元件1之平行投影中(即，同樣以俯視角度)觀察時該光學元件1之第一及第二區域B1、B2的原理簡圖，其中，第一區域B1在此係沿著光學元件1之面積呈矩形分佈並且被單一個第二區域B2——在圖中呈黑色——完全包圍，亦即，該等第二區域B2或該第二區域B2的形狀與之互補。因此，對光傳播方向的限制將總是在至少兩個垂直於光學元件1之表面的平面中有效。實際上，此種光學元件1之效果通常為：光的傳播方向以任一個接近於或平行於光學元件中垂線之角度聚焦。「接近於」在此係指與中垂線或其平行線的偏差——視具體設計而定——小於25°或30°。
另外，圖3b示出在垂直於光學元件1之平行投影中觀察時該光學元件之數個區域B1至B4的原理簡圖，其中，區域B1、B3及B4沿著光學元件之面積呈矩形分佈並且被區域B2完全包圍。亦即，除第一及第二區域B1、B2外，此光學元件1亦具有其他區域B3及B4。其中，區域B1、B3及B4分別在形狀及/或折射率方面具有不同參數。鑒於此，穿透此等區域B3及B4並自光學元件1射出的光在傳播方向上受到的限制與在區域B1中不同。藉此可在光學元件1上分佈具有不同光傳播方向限制(一定程度上具有不同聚焦)的區域。根據圖2、圖3a及圖3b的所有變體皆可與根據圖1a至圖1d的條件很好地結合。第一及第二區域B1、B2亦可採用其他形狀。對於保持本發明的工作原理來說，要點始終在於使第一及第二區域B1、B2在光學上直接鄰接，以便儘可能在無氣隙之情況下形成光學折射率躍變。
有利的技術方案設計如下：第二區域B2之底面(即入光面)上的每個至少暫時不透明的第一層OB皆由永久吸收層且/或由至少一個向下反射的層形成。若僅存在一個反射層，則此反射層不言而喻同樣具有不透明的特性。反射特性有助於提高效率，例如，當光學元件1被安裝在例如用於LCD面板之照明裝置中時。此外，第二區域B2之頂面(即出光面)上的每個至少暫時不透明的第二層AB皆可由永久吸收層形成。在此情況下，在某些靜態技術方案中，若兩個層皆具有永久的不透明特性，並且第一及第二折射率N1、N2不可變，則光學元件1對入射到該光學元件上之光的傳播方向有永久限制作用。
而在本發明之其他可切換技術方案中，若第一光學元件1之兩個層中的至少一個層AB及/或OB可在不透明狀態與透明狀態之間轉換，則限制入射到光學元件1上之光之傳播方向的特性可以如下方式開啟及關閉：僅在兩個層AB及OB皆不透明之情況下限制光的傳播方向(情況a)——參見圖1)。一旦兩個層中的一個層AB或OB不是不透明的，遂不再限制光的傳播方向(情況a)及b)，可能還有c)，如圖1b等所示)。如此一來，光學元件1是可切換的。如圖1c所示，在甚至需要將兩個層AB及OB皆切換成透明之情況下，光學元件1僅會在第一區域B1與第二區域B2之間的邊界處由於全內反射而引起射束偏移及方向變化(取決於光的入射方向)，但總體上不阻擋任何的光。
在較佳的可切換技術方案中，僅上面的第二層AB被設計為可進行不透明-透明轉換，而下面的第一層OB則被建構為永久不透明(且視情況亦為反射性的)。此足以達到預期效果。
第一及第二層OB、AB之可轉換性較佳可基於以下原理中之一者，或者同時基於以下原理中之數者：電潤濕、電泳、電致變色及/或液晶單元。在電潤濕情況下，為相關的第一層OB及/或第二層AB定義受電潤濕處理之不透明液體量的至少兩種狀態。為此，圖23以局部圖形式圖示第一技術方案之第一光學元件1被進一步設計成可切換的第十二技術方案，在此處於第一狀態，對應於圖1a。圖24則以局部圖形式圖示第一技術方案之第一光學元件1被進一步設計成可切換的第十二技術方案，在此處於第二狀態，對應於圖1b。在根據兩圖(圖23及圖24)之技術方案中，至少存在以下組件：至少一個平面的電極4(氧化銦錫(ITO))，平面的絕緣層8，透過自表面伸出的薄電極9a伸入液滴11中之平面的電極9，圖中未示出的、與平面的電極4(ITO)及平面的電極9接觸之可控電壓源，以及不透明的液滴11，該等液滴佈置在絕緣層8與電極9之間，且視情況嵌入在凝膠基質或透明液體中，並受到電潤濕影響。
在根據圖23之第一工作狀態下，第二層AB之液滴11會儘可能完全覆蓋第二區域B2之相應表面，即不透明(此時存在對傳播方向之限制)，在根據圖24之第二工作狀態下，第二層AB之液滴11僅在儘可能小的面積上覆蓋第二區域B2之相應表面，即最大程度地透明(此時 不存在對傳播方向之限制)。為此，在電壓源處分別為上述狀態設置所需電壓。
在電泳情況下，在液體或凝膠基質中為第一層OB及/或第二層AB提供能電泳移動的不透明粒子。由於電場(可透過透明電極施加該電場)作用，該等粒子會在第一工作狀態下，作為相關的第一或第二層OB、AB儘可能完全覆蓋第二區域B2之相應表面，使相關的層OB或AB變成不透明(此時存在對傳播方向之限制)。在具有不同電場分佈的第二工作狀態下，作為第一層OB或第二層AB的粒子會在儘可能小的面積上覆蓋第二區域B2之相應表面，或被轉移到儲存器中或分佈在體積中，從而使該層為透明的(此時不存在對傳播方向之限制)。
在其變體中，亦可用能電泳移動的不透明粒子代替兩個層OB及/或AB。在此情況下，此等粒子會或者直接接觸第二區域B2之表面，即兩個層OB及/或AB的部位，以阻礙全反射並形成不透明狀態，或者--在電泳移動後--以最大100μm之間距排列，以允許上述部位處發生全反射，從而使光在光學元件中進一步傳播，直至其在第一區域B1中被耦合出來。
此外，圖22以局部圖形式圖示第一技術方案之第一光學元件1被進一步設計成可切換的第十一技術方案。其中，為了形成第二層AB，至少存在：透明的電極4及6，圖中未示出的、與透明的電極4及6接觸之可控電壓源，至少一個電致變色層5以及可選的保護層7，例如玻璃或聚合物。在電致變色情況下，以電致變色材料(例如金屬氧化物(如TiO2、NiO、Nb2O、MoO3、Ta2O5、WO3、IrO2或Zr2O5))以及相應的透 明的電極4、6(例如ITO(銦摻雜氧化錫)、FTO(氟摻雜氧化錫)或AZO(鋁摻雜氧化鋅)，電致變色材料5被嵌入其中)形成層5。而後，根據施加在電極4、6上的電壓，為電致變色層5且進而同樣為第二層AB定義至少兩種狀態。在第一工作狀態下，第二層AB不透明(此時存在對傳播方向之限制)，在第二工作狀態下，第二層AB是透明的(此時不存在對傳播方向之限制)。此同樣適用於第一層OB。
第一層OB及/或第二層AB亦可形成為液晶單元，例如具有相應偏振器對之TN單元(扭曲向列型液晶單元)。在此情況下，藉由在電極上施加相應的電場或電壓，液晶單元可相應被切換成不透明(此時存在對傳播方向之限制)或透明(此時不存在對傳播方向之限制)。
此外，可能有利的是：第一層OB及/或第二層AB嵌入構成第一區域B1之材料中，其中，光學元件1之第一區域B1的材料部分與上述嵌設有相關層的部分無縫銜接。為此，圖4示出第三技術方案中之第一光學元件的原理簡圖，圖5示出第四技術方案中之第一光學元件的原理簡圖。其中，第一區域B1之具有第一折射率N1的材料可與以上述方式所形成之基板的材料相同，如圖4所示。作為替代方案，第二區域B2可完全被第一區域B1之具有第一折射率N1的材料所包覆，如圖5所示。
進一步的技術方案規定：在沿垂直於光學元件1之上表面的剖面方向觀察時，第一及第二區域B1、B2呈梯形。為此，圖6a至圖6c示出第五、第六及第七技術方案中之第一光學元件1的原理簡圖。透過第一及第二區域B1、B2之此種構型，針對性地對自光學元件1射出之光的傳播方向施加影響：根據具體設計，光沿著表面發生或強(圖6a)或弱(圖6b)之聚焦。此外，例如透過第一及第二區域B1、B2之平行四邊形剖面(圖6c)，可藉由第一區域B1與第二區域B2之間之界面的伴隨傾斜來實現峰值偏移。
此外，可在光學元件1的至少一部分第一區域B1上，較佳在所有的第一區域B1上，在其頂面(即在出光面)設置透鏡結構L，較佳為凸透鏡結構。此能支持對自光學元件1射出之光的傳播方向施加明確影響。為此，圖7示出第八技術方案中之第一光學元件1的原理簡圖。作為替代方案或補充方案，第一區域B1之底面(即入光面)可具有圖中未示出之凹透鏡結構或凸透鏡結構，以影響進入區域B1之光的入射方向，進而亦對光束最終是否落入前述情況a)、b)或c)施加影響。術語「頂面」及「底面」係相對於觀看者而言，光學元件安裝在影像再現裝置中，觀看者僅看到第一光學元件1之出光面，該出光面面向觀看者，因此構成頂面。
圖8示出針對自第一技術方案之第一光學元件1發出之光的三個參數集合之歸一化發光密度模擬，以發射角為橫座標。為此，將根據圖1a及圖2之條件作為基礎。假設第一層OB及第二層AB的不透明度為100%。可非常清楚地看到，在N1=1.6與N2=1.59之間存在0.01的較小折射率差之情況下，可實現高頂禮帽式分佈。此外可看出，在更大角度上可實現係數大小任意之消光。在此計算例中，第一及第二區域B1、B2之相同高度H在32 μm、50 μm與65 μm之間變化。高度H越大，出射光之角度範圍便越窄。所有出射光皆可歸屬於情況a)。
換言之，其作用機制如下：當射束到達第一區域B1與第二區域B2之間(即自第一折射率N1到第二折射率N2)的界面時，該等射束或者被完全反射，或者被折射到(具有折射率N2之)第二區域B2中，具體視入射角而定。此時，若後一種射束被折射到(具有第二折射率N2之)第二區域B2中，則仍有一(小)部分亦被背反射到第一區域B1中(Fresnel反射)。折射率差N1-N2越小，此背反射部分便越小。高度H(受製造技術限制)越大，則此背反射效應越被掩蓋。理想情況下會產生近乎完美的矩形分佈。
圖8至圖10已考慮到上述背反射。注意此等圖中之對數縱座標。圖8至圖10給出第一區域寬度D1、第二區域寬度D2、區域等高H、第一折射率N1及第二折射率N2等基本參數之技術光學尺寸的示例性參數。
作為補充，圖9示出針對自第一技術方案之第一光學元件1發出之光的另外三個參數集合，基於相同的先決條件所進行之歸一化發光密度模擬。此次係在高度H=65 μm為固定之情況下，改變第二折射率N2，且進而亦改變第一折射率N1=1.6與第二折射率N2之間的折射率差(N2=1.56/1.575/1.59)。在此可看出，更大的折射率差允許更多側向角度的光進入。所有出射光皆可歸屬於情況a)。儘管如此，此處亦形成高頂禮帽式分佈。與限制光方向的傳統薄片式濾光器之比較同樣圖示於圖9中。可清楚看到，根據本發明的第一光學元件1與先前技術(即薄片式濾光器)相比性能有大幅改良：一方面，視具體設計而定，自絕對值為25°至約30°之角度起，防窺效果的改善以數量級計。其次，本發明表現出理想的高頂禮帽式分佈。相反，對於通常沒有高頂禮帽式分佈的薄片式濾光器來說，可感知發光密度會隨著設計及觀看位置的不同而波動，在偏離中垂線少許幾度之情況下已然如此。因此，當相對於中垂線自10°以上的角度測量可感知發光密度時，其可能已消解一半。
相對地，圖10示出針對自第二技術方案之第一光學元件1發出之光的一個參數集合之歸一化發光密度模擬，以發射角為橫座標。在此可清楚看到光傳播角度之具有側沿的破壞性分佈。歸屬於情況a)的光處於約-28°與+28°之間的角度，情況c)之額外射束則存在於大約-50°至-77°與+50°至+77°之間。
圖11示出自第一技術方案之第一光學元件1發出的光在-25度至+25度範圍以外(即情況a)的光)之發光密度模擬分量。作為模擬基礎的第一及第二折射率為N1=1.6及N2=1.59。可看到頂部(明亮的)參數窗口，在該參數窗口中，在上述角度範圍內耦合出來的光之比例達到最大。技術人員可據此推導出第一及第二區域B1、B2之寬度D1、D2及高度H的尺寸值，以便對用於情況a)之光學元件1進行最佳化。
此外，圖18示出自第一技術方案(對應於圖1a)及第八技術方案(對應於圖7)之第一光學元件1發出之光的歸一化發光密度之模擬比較，以發射角為橫座標。可以看出，在不破壞高頂禮帽式分佈之情況下使用透鏡L，能顯著改良角度限制效果。
在根據本發明之光學元件1的一個特殊技術方案中，第一區域B1中之材料的第一折射率N1及/或第二區域B2中之材料的第二折射率N2可在至少兩種狀態之間轉換，從而可分別調製區域邊界及折射率邊界B1-B2處之折射率差，藉此可改變對傳播方向之所述限制。為此，圖12示出第九技術方案中之第一光學元件1處於第一狀態時之原理簡圖，在第一狀態下，僅情況a)之射束在較窄的角度範圍內被耦合出光學元件1。在此，在液晶為相應定向之情況下，第二折射率N2=1.49，第一折射率N1=1.5。
圖13示出第九技術方案中之第一光學元件1處於第二狀態時之原理簡圖，在第二狀態下，同樣是僅情況a)之射束在相較圖12之條件而言擴大了的角度範圍內被耦合出光學元件1。在此，在液晶為相應定向之情況下，第二折射率N2=1.49，第一折射率N1=1.6。為此，圖19示出自第九技術方案之第一光學元件1發出的光在對應於圖12及圖13之兩種狀態下的歸一化發光密度之光學模擬比較，以發射角為橫座標。顯然，可藉由光學元件1之上述可切換的第九技術方案來改變角度限制。
對於上述第九技術方案，第一區域B1及/或第二區域B2之材料中的至少一者可由液晶構成，該等液晶與電極接觸，以便藉由改變電極上的電壓來引發液晶中線性偏振光的折射率變化。電極若例如佈置於第一區域B1之頂面及底面(即出光面及入光面)，則可以是透明的，例如以ITO層之形式。對於此技術方案，應注意：第一層OB及第二層AB較佳為永久不透明，且進一步地，通常僅情況a)之光束可向上離開光學元件1。然而，根據自第一區域B1到第二區域B2之界面處的折射率差，情況a)之此等射束具有或窄或寬之傳播方向角度範圍，如圖12、圖13及圖19所示。折射率差越大，此角度範圍便越寬，折射率差越小，此角度範圍便越小。原則上亦可在第九技術方案中設置第三、第四及更多狀態，若應用需要，該等狀態更可對應其他折射率值。
對於特殊應用，可在光學元件1上形成至少一個第一區域B1，當在垂直於光學元件1之平行投影中觀察時，該第一區域之最短延展至少為所有第二區域B2在垂直於光學元件1之平行投影中觀察時之最短延展的20倍大，因此，在所述至少一個第一區域B1內，除了其邊緣及平行偏移外，相對於射在光學元件1上的光而言，自光學元件1射出之光的傳播方向實質上不受限制。為此，圖17示出用於說明此種第十技術方案中之第一光學元件1的原理簡圖。左側無陰影的一半例如對應於單一個完整的第一區域B1，而右側有陰影的一半則具有交替的第一區域B1及第二區域B2，例如對應於光學元件1之第一至第九技術方案。此僅意味著對穿透光學元件1之光之傳播方向的限制並不作用於光學元件1的整個面積，而是在此例子中，僅作用於右側的一半。
本發明在上述第一光學元件1與影像再現單元(例如LCD面板、OLED或微型LED或任何其他顯示技術)或與用於透射式影像再現單元之照明裝置的配合使用中獲得了特別的意義。為此，圖20示出第一技術方案中之第一光學元件1在第一狀態下之原理簡圖(剖面圖、局部圖)，即與透射式影像再現單元「LCD」及背光燈「BLU」配合使用。因此，特別是採用可切換設計之光學元件1直接整合在用於透射式影像再現單元如LCD模組之背光燈BLU中。在此，永久不透明的層OB有利地在底面上是反射性的，因此如圖所示，射中該處的光被反射到背光燈BLU中，並於該處被回收。如此一來，背光燈BLU的光可僅穿透到第一區域B1中，並且在第二層AB不透明時，於該處在光學元件1之第一狀態下受到本發明對光方向之限制。在此情況下，影像再現單元僅被根據本發明 定向的光穿透，並且僅在相應受限的角度範圍內可見，除了散射損失，例如因LCD面板自身所產生之散射損失。若設置光學元件1之第二狀態(圖中未示出)，且在第二狀態下第二層AB被切換為透明，則寬角譜的光將穿透影像再現單元，且後者將在寬角度範圍內可見。
在上述使用方法中，實現了對影像再現單元之可切換防窺保護：在對於自光學元件1射出的光來說僅留下上述情況a)的第一工作狀態下，存在根據具體設計而具有高頂禮帽式分佈之防窺效果。與基於薄片式濾光器之典型光分佈相比，高頂禮帽式分佈會令觀看者更舒適，因為薄片式濾光器會嚴重限制運動自由：即使頭部向一側移動少許幾公分，亦會導致亮度強烈、可見地下降(另見圖9以作對比)。若螢幕足夠大，則甚至在頭部靜止時偶爾亦能發現亮度下降。此現象被高頂禮帽式分佈充分消除。在對於自光學元件1射出之射束來說通常適用情況a)及b)且酌情亦適用情況c)之第二工作狀態下，形成可自所有方向自由觀看影像再現單元之自由觀看模式。
圖21進一步示出第一技術方案中之第一光學元件1在第一狀態下之原理簡圖(剖面圖、局部圖)，即與自發光影像再現單元配合使用。其中，光學元件1在觀看方向上佈置於此種影像再現單元3如OLED面板前面(然而，具有背光燈之LCD面板以及任何其他螢幕技術亦同樣適用)，以便選擇性地或永久性地限制該影像再現單元的光傳播方向。在此情況下，影像再現單元3上還可存在光學裝置，以將影像再現單元3之各像素所發出的光實質上集中在與第一區域B1相對之面積上。此點例如可藉由微透鏡網格或光柵而實現，其大致具有像素寬度(或像素高度，視情況而定)之週期。此時，第一區域B1之週期(即寬度總和D2+D1)在最佳情況下應與像素寬度(或像素高度，視情況而定)之週期相符，並且彼此對準。圖21中以兩條虛線表示影像再現單元3之像素寬度的週期。在此情況下，一個像素大致居中地位於第一區域B1對面。為清楚起見，圖21中未示出上述具有微透鏡網格或光柵之光學裝置，但可以存在。
此外，本發明還包括一種製造第一光學元件1之方法，下面將參照示出簡化原理圖的圖25a至圖25f說明之。該方法包括以下步驟：首先產生數個基塊BL，其依次包含以下相互連接的層：作為吸收層的第二層AB，由具有第二折射率N2之材料構成的第二透明層，不透明且可選地同時為反射性的第一層OB，以及由具有第一折射率N1之材料構成的第一透明層(參見圖25a)。而後將數個基塊BL堆疊在一起，並例如以硫化或黏合方式連接，得到第一堆疊塊ST(參見圖25b)。然後自堆疊塊ST上切下層厚為D2之片體SC，較佳垂直於各第二層AB之面積延展平面(參見圖25c)，其中，作為垂直切割的替代方案，亦可考慮採用約60°至120°之切割角度。隨後將該等片體SC連同位於該等片體之間的、具有第一折射率N1及第一層厚D1之第一透明層堆疊在一起，並例如以硫化或黏合方式連接，得到第二堆疊塊SN(參見圖25d)。最後，較佳垂直於各片體SC之面積延展平面地自第二堆疊塊SN上切下光學元件1(參見圖25e)。最終得到如圖25f所示之(第一)光學元件1。當然，光學元件1亦可採用其他製造方法。
圖15示出第二光學元件2，其由兩種透明互補形狀的一維或二維週期序列組成，該等形狀包括分別具有第一、第二折射率N1、N2之第一及第二區域B1、B2，其中，該等形狀可選地形成在平面基板S上，從而在兩個方向上各形成一個平面。其中，第二折射率N2可有利地等於1，意即，第二區域B2之形狀中的材料例如是空氣。此在圖15中圖示為第一技術方案中之第二光學元件2的原理簡圖。圖16示出相關的示例性射束路徑。因此，以(窄角)首選方向射中此種第二光學元件2的光無阻礙地被透射(參見右側的垂直--即沿首選方向--入射射束)，與所述首選方向成15°以上角度的光(參見左側的斜光束)則由於全反射及/或Fresnel反射而被第二光學元件2偏轉。出射光的傳播方向在此亦受到影響。前述設計可類比應用，因而在此不再贅述。此處相應適用前文提到的設計變體及手段效果關係，為避免重複，此處不再贅述。
最後，本發明還包括第三光學元件10，其呈平面狀延展並且具有入光側及出光側，其原理簡圖見圖26(局部/截面)。該第三光學元件至少包括由具有第一折射率N1之透明材料構成的第一區域E1以及由具有第二折射率N2之不透明材料構成的第二區域E2，該等第一及第二區域沿著光學元件10之面積以一維或二維週期序列交替出現，其中，在肉眼可見的整個波長範圍內，第一折射率N1大於第二折射率N2。由於第二區域E2的不透明材料，在光學元件10之第一大表面上射中該光學元件的光僅透過第一區域E1之入光面進入光學元件10。根據幾何入射方向、偏振及第一折射率N1與第二折射率N2之比率，a)光在第一區域E1內無阻礙傳播或被完全反射。在任何情況下，該光隨後皆會在相應之第一區域E1的出光面上再度被耦合出來。或者b)光自第一區域E1穿透到鄰接的第二區域F2中，並且由於第二區域F2的不透明材料而於該處被吸收。
其中，由於第一折射率N1不同於第二折射率N2，穿透到第二區域E2中的射束經折射而更強烈地偏離垂線。因此，與在第一大表面上射中光學元件10的光相比，在光學元件10之第二大表面上自該光學元件射出的光在其傳播方向上受到限制。具有第二折射率的不透明材料包括對應於第二折射率之透明部分以及由吸收性粒子構成之不透明部分。該等粒子較佳均勻分佈在不透明材料中，且其在不透明材料中的質量占比通常不超過50%。
此第三光學元件10特別改良了先前技術：首先，用類似於薄片式濾光器的第三光學元件亦能實現高頂禮帽式分佈，因為與普遍沒有全反射的先前技術相比，全反射使得更多有用光被透射到期望的受限角度範圍；其次，對穿透第三光學元件10之光的角度範圍限制明顯加強，因為不僅不透明的薄片對光的方向有限制作用，而且區域E1與E2之間的折射率差亦使得穿透到區域E2中的射束經折射而更強烈地偏離垂線，因此必須在吸收性材料中走完更長的光路，而由於路程更長，因而與不存在此種折射率差相比，會被更強烈地吸收。
根據對圖8至圖10的說明可相應得出：0.01之微小折射率差便足以實現出色的角度限制。例如，可藉由摻雜聚合物或透明聚矽氧(Silikon)以作為第三光學元件10之區域E1或E2的材料來實現如此微小之折射率差。若如此，在最簡單的情況下，第三光學元件10的所有區域E1及E2將皆由相同材料構成。然而作為補充方案，區域E1中摻雜透明粒子以提高折射率，區域E2中摻雜不透明的奈米粒子或微粒以確保不透明。
此第三光學元件10可有利地在其中一個大表面上(較佳在第一大表面上)具有鏡面，該鏡面被設計為整個大表面的角度相關性鏡面或被設計為區域E2之表面上的全鏡面。
上述第三光學元件10可有利地整合在用於透射式影像再現單元如LCD面板之照明裝置中。在此情況下，該照明裝置可永久地作為定向背光燈，並且可例如以本申請人的WO 2015/121398或WO 2019/002496所提供之技術方案投入使用。
圖27a-c及圖28示出此種第三光學元件的各種進一步設計，該第三光學元件在此總是與基板M5連接，但該基板並非光學元件的一部分。如前所述，此技術方案中之第三光學元件10亦具有由具有第一折射率N1之第一透明材料M1構成的區域E1以及由具有第二折射率N2之第二不透明材料M2構成的第二區域E2。第二不透明材料M2中摻有吸收性材料，因此在任何情況下，即使原始材料是透明的，光亦會在第二區域被吸收。第二折射率N2對應於透明部分。除第一及第二區域外，特別如圖27c所示，在每兩個第二區域之間形成由具有第三折射率N3之其他不透明材料M3構成的第三區域。其中，第三折射率N3大於第一折射率N1及第二折射率N2。其他不透明材料M3同樣具有決定第三折射率N3的透明部分以及用於確保不透明性的吸收性粒子部分。吸收性粒子在第二不透明材料M2及其他不透明材料M3中的質量占比可達50%，個別情況下亦可更高。在使用其他不透明材料M3之情況下，吸收性粒子在第二不透明材料M2中的質量占比亦可明顯低於50%。例如，圖28中象徵性地圖示了第三區域M3中的粒子。
如圖27a及圖27b所示，由具有第二折射率N2之第二不透明材料M2構成的第二區域E2同樣可一方面形成在光學元件10之入光側與由其他不透明材料M3構成的第三區域之間，另一方面形成在光學元件10之出光側與由第一透明材料M1構成之第一區域E1的出光面之間。此能簡化製造，因為其他不透明材料會形成一個面積上連續的、封閉的層。如圖28所示，由第一透明材料M1及第二不透明材料M2構成之第一及第二區域的截面亦可呈梯形。第一區域E1之梯形形狀亦可在未設其他不透明材料的變體中使用，其優點是：當第三光學元件10用於相應的影像再現設備時，角度分佈會因此更好地集中，從而進一步改良私密/防窺模式。在圖27a中，在光學元件10之入光面上，在基板與此種第二區域之間還進一步施加了鏡面層M4，該鏡面層佈置在基板與由第三材料M3構成的第三區域之間。在此技術方案中，第二區域特別是可延展成薄膜，即比第一及第三區域薄得多，特別是在第一區域之出光面上。
折射率N1、N2及N3採用如下設計：在具有第一折射率N1之第一材料M1與具有第二折射率N2之第二材料M2之間，在某些小角度上會發生全反射，即第二折射率N2小於第一折射率N1。第一折射率N1與第二折射率N2之間之折射率差的絕對值(Betrag)較佳小於0.1。另外的第三材料M3(像第二材料M2一樣摻有吸收性材料)的第三折射率N3大於或等於第一折射率且大於或等於第二折射率，但不小於第一及第二折射率。此會導致未在第一材料M1與第三材料M3之間的界面上被完全反射的光束將在第三材料與第二材料之間的界面上被折射成更大角度。
圖29及圖30示出與此相關的各種情況。在A情況下，光束被反射層背反射，而後在(圖中未示出之)背光單元中被回收。在關於入射角較小之光束的B情況下，該等光束或者在第一與第二區域之間的界面上被完全反射，或者無阻礙地經由第一區域通過光學元件10。在圖30中，此對應於原點與橫軸上第一條虛線之間的區域。以絕對值看，入射角與出射角相同。
針對以大於第一與第二區域界面上之全反射角的角度進入第一區域的光束，必須根據入射角區分兩種情況。在C情況下(僅用虛線繪示以區別於D情況之射束導引)，射束在第一與第二區域之間的界面上被折射成較小角度，並在第二區域之出光面上離開光學元件。根據第二區域之厚度，此僅涉及相當小的角度範圍。在D情況下，來自第一區域的、具有更大入射角的射束首先進入第二區域，並自該處進入第三區域，並且在射中第二與第三區域之間的界面時被折射成更大角度。理想情況下，由此將產生一個沒有光線或光線明顯少於未設第三區域之情況的角度範圍，從而進一步改良私密模式。
前文針對第一光學元件1所說明的一些變體亦可應用於第二光學元件2及第三光學元件10。
上述光學元件達成了前述目的：所描述的光學元件以明確的方式影響入射光之傳播方向，並且能可選地在至少兩種工作狀態之間轉換。每個光學元件皆能以低成本實現，特別是可普遍用於不同類型之螢幕，以實現防窺模式與自由觀看模式之間的轉換，其中，此種螢幕之解析度實質上不降低或降低程度可忽略不計。此外，該等光學元件提供了實現高頂禮帽式光分佈之可能性。
本發明具有多方面之優點。例如，上述作用方式係利用單一個光學元件所產生，該光學元件不一定要有表面結構化。此外，光學元件之第一及第二區域B1、B2可嵌入保護材料中，例如嵌入第一區域B1之材料中。另外，使出射光實現了尤佳之高頂禮帽式分佈，並且在理論模擬中獲得了任意高的私密對比度。在將根據本發明的光學元件應用於LCD面板之背光燈時，可實現較高照明密度。此外，藉由僅一個光學元件便可在兩個平面上(例如同時在左/右及上/下)限制光的傳播。
上述發明可有利地與影像再現裝置結合而普遍用於需要顯示且/或輸入機密資料的地方，如在自動取款機或支付終端上輸入PIN碼或顯示資料，或輸入密碼，或在行動設備上閱讀電子郵件。本發明亦可應用於乘用車，例如，當司機被選擇性地不允許看到乘客的某些影像內容如娛樂節目時。此外，根據本發明之光學元件可用於其他的技術及商業目的，例如用於顯微鏡暗場照明的光對準，更普遍的則是用於照明設備如頭燈之光整形，以及用於測量技術。
1:第一光學元件
2:第二光學元件
3:影像再現單元
4:電極
5:電致變色層，電致變色材料
6:電極
7:保護層
8:絕緣層
9:電極
9a:薄電極
10:第三光學元件
11:液滴
AB:第二層
B1:第一區域
B2:第二區域
B3:區域
B4:區域
BL:基塊
BLU:背光燈
C1:透明的第一區域
C2:不透明的第二區域
D1:寬度，第一層厚
D2:寬度，層厚
E1:第一區域
E2:第二區域
H:高度
L:透鏡結構，透鏡
LCD:透射式影像再現單元
M1:第一透明材料
M2:第二不透明材料
M3:其他不透明材料，第三材料
M4:鏡面層
M5:基板
N1:第一折射率
N2:第二折射率
N3:第三折射率
OB:第一層
S:基板
SC:片體
SN:第二堆疊塊
ST:第一堆疊塊
下面將藉由實施例並參考所附圖式更詳細地解釋本發明，所附圖式同樣披露了本發明之重要特徵。此等實施例僅用於說明目的，不應解釋為限制性的。例如，對具有數個元件或組件之實施例的描述不應被解釋為此等元件或組件全部都是實施所必需的。相反，其他實施例亦可包含替代性的元件及組件、更少的元件或組件或者附加的元件或組件。不同實施例之元件或組件可相互組合，另有說明者除外。針對其中一個實施例所描述的修改與變化亦可應用於其他實施例。為了避免重複，不同圖式中的相同或相應元件以相同符號標示，並且不做多次解釋。其中：
圖1a為第一技術方案中之第一光學元件處於第一狀態時之原理簡圖(剖視圖)，在第一狀態下，僅情況a)之射束被耦合出光學元件，
圖1b為第一技術方案中之第一光學元件處於第二狀態時之原理簡圖(剖視圖)，在第二狀態下，僅情況a)及b)之射束被耦合出光學元件，
圖1c為第一技術方案中之第一光學元件處於第三狀態時之原理簡圖(剖視圖)，在第三狀態下，不吸收射束，而是僅偏移及/或完全反射射束，
圖1d為第二技術方案中之第一光學元件處於第一狀態時之原理簡圖(剖視圖)，在第一狀態下，僅情況a)及c)之射束被耦合出光學元件，
圖2為在垂直於光學元件之平行投影中觀察時該光學元件之第一及第二區域的原理簡圖，其中，該等區域沿著光學元件之面積呈條帶狀交替分佈，
圖3a為在垂直於光學元件之平行投影中觀察時該光學元件之第一及第二區域的原理簡圖，其中，第一區域沿著光學元件之面積呈矩形分佈並且被第二區域完全包圍，
圖3b為在垂直於光學元件之平行投影中觀察時該光學元件之第一至第四區域的原理簡圖，其中，第一、第三及第四區域沿著光學元件之面積呈矩形分佈並且被第二區域完全包圍，
圖4為第三技術方案中之第一光學元件的原理簡圖(剖視圖)，
圖5為第四技術方案中之第一光學元件的原理簡圖(剖視圖)，
圖6a為第五技術方案中之第一光學元件的原理簡圖(剖視圖)，
圖6b為第六技術方案中之第一光學元件的原理簡圖(剖視圖)，
圖6c為第七技術方案中之第一光學元件的原理簡圖(剖視圖)，
圖7為第八技術方案中之第一光學元件的原理簡圖(剖視圖)，
圖8為針對自第一技術方案之第一光學元件發出之光的三個參數集合之歸一化發光密度模擬，以發射角為橫座標，
圖9為針對自第一技術方案之第一光學元件發出之光的另外三個參數集合之歸一化發光密度模擬，以發射角為橫座標，與薄片式濾光器作對比，
圖10為針對自第二技術方案之第一光學元件發出之光的三個參數集合之歸一化發光密度模擬，以發射角為橫座標，
圖11為自第一技術方案之第一光學元件發出的光在-25°至+25°範圍以外之發光密度模擬分量，
圖12為第九技術方案中之第一光學元件處於第一狀態時之原理簡圖(剖視圖)，在第一狀態下，僅情況a)之射束在較窄的角度範圍內被耦合出光學元件，
圖13為第九技術方案中之第一光學元件處於第二狀態時之原理簡圖(剖視圖)，在第二狀態下，僅情況a)之射束在相較圖12之條件而言擴大了的角度範圍內被耦合出光學元件，
圖14為一種方法之區域C1及C2的原理簡圖，其中，此等區域呈條帶狀交替分佈，
圖15為第一技術方案中之第二光學元件的原理簡圖(剖視圖)，
圖16為第一技術方案中之第二光學元件的原理簡圖(剖視圖)，其中，繪製了示例性射束，
圖17為用於說明第十技術方案中之第一光學元件的原理簡圖，
圖18為自第一及第八技術方案之第一光學元件發出之光的歸一化發光密度之模擬比較，以發射角為橫座標，
圖19為自第九技術方案之第一光學元件發出的光在兩種狀態下的歸一化發光密度之模擬比較，以發射角為橫座標，
圖20為第一技術方案中之第一光學元件處於第一狀態時之原理簡圖(剖視圖)，與透射式影像再現單元及背光燈一起使用，
圖21為第一技術方案中之第一光學元件處於第一狀態時之原理簡圖(剖視圖)，與自發光影像再現單元一起使用，
圖22為第一技術方案之第一光學元件被進一步設計成可切換的第十一技術方案(局部圖)，
圖23為第一技術方案之第一光學元件被進一步設計成可切換的第十二技術方案，在此處於第一狀態(局部圖)，
圖24為第一技術方案之第一光學元件被進一步設計成可切換的第十二技術方案，在此處於第二狀態(局部圖)，
圖25a至圖25f為用於說明第一光學元件之製造方法的原理簡圖，
圖26為第三光學元件之原理簡圖，
圖27a至圖27c為第三光學元件在進一步發展中的各種技術方案，
圖28為第三光學元件之另一技術方案，
圖29為各種入射條件下之射束路徑，以及
圖30為透射光與入射光之角度範圍比較。
AB:第二層
B1:第一區域
B2:第二區域
D1:寬度，第一層厚
D2:寬度，層厚
H:高度
OB:第一層

Claims (28)

  1. 一種呈平面狀延展且具有入光側及出光側之光學元件(1)，包括：至少由具有第一折射率(N1)之第一透明材料構成的第一區域(B1)以及由具有第二折射率(N2)之第二透明材料構成的第二區域(B2)，該等第一及第二區域沿著該光學元件(1)之面積以一維或二維週期序列交替出現，其中，該第一折射率(N1)在肉眼可見的整個波長範圍內大於該第二折射率(N2)，分別位於每個該第二區域(B2)之入光面上的第一層(OB)，該第一層永久不透明或者可在透明狀態與不透明狀態之間切換，分別位於每個該第二區域(B2)之出光面上的第二層(AB)，該第二層永久不透明或者可在透明狀態與不透明狀態之間切換，當該等第一層(OB)處於不透明狀態時，於該入光側射到該光學元件(1)上的光由於該等第一層而僅透過該等第一區域(B1)之入光面進入該光學元件(1)，並且根據入射角、偏振及該第一折射率(N1)與該第二折射率(N2)之比率，於該處a)在第一區域(B1)內無阻礙地傳播或被完全反射，隨後在該相應之第一區域(B1)的出光面上再度被耦合出來，或者b)自該第一區域(B1)穿透到鄰接的第二區域(B2)中，在該第二區域中傳播，若該第二層(AB)處於不透明狀態，則最終在該第二區域之出光側上被吸收，而若該第二層(AB)處於透明狀態，則被耦合出來，或者c)在該光已經自該第一區域(B1)穿透到該鄰接的第二區域(B2)中之 情況下，該光再次穿透到另一個相鄰的第一區域(B1)中，並且根據此時的既定傳播方向及偏振，在該出光面上被耦合出來或在該光學元件(1)中進一步傳播，直至被耦合出來或被吸收，如此一來，若至少該第一層(OB)及/或該第二層(AB)為不透明，則與在該入光側射到該光學元件(1)上的光相比，於該出光側離開該光學元件(1)的光在其傳播方向上受到限制。
  2. 如請求項1之光學元件(1)，其中，該等第二區域(B2)之入光面上的每個第一層(OB)皆由永久吸收層且/或由至少一個朝遠離該光學元件(1)方向反射的層形成。
  3. 如請求項1之光學元件(1)，其中，該等第二區域(B2)之出光面上的每個第二層(AB)皆由永久吸收層形成。
  4. 如請求項1之光學元件(1)，其中，該等第一區域(B1)中之該材料的該第一折射率(N1)及/或該等第二區域(B2)中之該材料的該第二折射率(N2)可在至少兩種狀態之間轉換，從而可分別調製該等兩個折射率(N1、N2)在該等第一區域(B1)與該等第二區域(B2)之間之邊界處的比率，藉此可改變對傳播方向之所述限制。
  5. 如請求項4之光學元件(1)，其中，該等第一區域(B1)及/或該等第二區域(B2)之該等材料中的至少一者由液晶構成，該等液晶與電極接觸，以便藉由改變該等電極上的電壓來引發該等液晶中線性偏振光的折射率變化。
  6. 如請求項1之光學元件(1)，其中，該等第二層(AB)及/或該等第一層(OB)可在不透明狀態與透明狀態之間轉換。
  7. 如請求項6之光學元件(1)，其中，此可轉換性基於以下原理中之一者或數者：電潤濕、電泳、電致變色及/或液晶單元。
  8. 如請求項1之光學元件(1)，其中，該等第二層(AB)及/或該等第一層(OB)嵌入構成該等第一區域(B1)之該材料中。
  9. 如請求項8之光學元件(1)，其中，該光學元件(1)之該等第一區域(B1)的該材料部分與所述嵌設有該等第二層(AB)及/或該等第一層(OB)的部分無縫銜接。
  10. 一種製造如前述請求項1至9中任一項之光學元件(1)的方法，包括以下步驟：製造具有第一區域(B1)之陽結構及載體基板之陰結構的模具，用第一聚合物填充該模具，該第一聚合物固化後具有第一折射率(N1)，利用紫外光或以冷卻方式固化該第一聚合物，接著自該模具中移除工件，用第二聚合物填充該工件中之第二區域(B2)的結構，該第二聚合物固化後具有第二折射率(N2)，利用紫外光或以冷卻方式固化該第二聚合物。
  11. 如請求項10之方法，其中，在該第一或第二聚合物固化後，透過保護該等第一區域(B1)的遮罩，用不透明材料或可在透明與不透明之間切換的材料蒸鍍或濺鍍該工件之表面上的該等第二區域(B2)。
  12. 一種呈平面狀延展且具有入光側及出光側之光學元件(10)，包括： 至少由具有第一折射率(N1)之透明材料構成的第一區域(E1)以及由具有第二折射率(N2)之永久不透明材料構成的第二區域(E2)，該等第一及第二區域沿著該光學元件(10)之面積以一維或二維週期序列交替出現，其中，在肉眼可見的整個波長範圍內，該第一折射率(N1)大於該第二折射率(N2)，其中該等第一區域(E1)具有等腰梯形的橫截面，該等腰梯形的較長底邊對應於該等第一區域(E1)的出光面，由於該等第二區域(E2)的該不透明材料，在該光學元件(10)之第一大表面上射中該光學元件的光僅透過該等第一區域(E1)之入光面進入該光學元件(10)，並在該處根據幾何入射方向、偏振及該第一折射率(N1)與該第二折射率(N2)之比率，a)在第一區域(E1)內無阻礙傳播或被完全反射，隨後在相應之第一區域(E1)的出光面上再度被耦合出來，或者b)該第一區域(E1)穿透到鄰接的第二區域(E2)中，並且由於該等第二區域(E2)的該不透明材料而於該處被吸收，其中，由於該第一折射率(N1)不同於該第二折射率(N2)，穿透到第二區域(E2)中的射束經折射而更強烈地偏離垂線，如此一來，與在該第一大表面上射中該光學元件(10)的光相比，在該光學元件(10)之第二大表面上自該光學元件射出的光在其傳播方向上受到限制。
  13. 如請求項12之光學元件(10)，其中，該不透明材料由具有該第二折射率(N2)之透明材料構成，該透明材料中摻有吸收性粒子， 從而總體上具有不透明效果。
  14. 如請求項12之光學元件(10)，其中，該不透明材料由漆或聚合物構成，該漆或聚合物中摻有尺寸小於500nm之石墨粒子、尺寸小於200nm之黑碳奈米粒子、染料或染料混合物以作為吸收性粒子。
  15. 如請求項13之光學元件(10)，其中，該等吸收性粒子之質量占比最高為50%。
  16. 如請求項12之光學元件(10)，其中，該光學元件在該等兩個大表面中之一者上，具有鏡面，該鏡面被設計為該整個大表面的角度相關性鏡面，或被設計為該等第二區域(E2)之表面上的全鏡面。
  17. 如請求項12之光學元件(10)，其中，在每兩個第二區域(E2)之間形成由具有第三折射率(N3)之其他不透明材料(M3)構成的第三區域，其中，該第三折射率(N3)大於該第一折射率(N1)且大於該第二折射率(N2)。
  18. 如請求項17之光學元件(10)，其中，在該光學元件(10)之入光側與該等第三區域之間，以及在該光學元件(10)之出光側與該等第一區域(E1)之出光面之間，同樣形成有第二區域(E2)。
  19. 如請求項17之光學元件(10)，其中，該第一折射率(N1)與該第二折射率(N2)之間之折射率差的絕對值小於0.1。
  20. 如請求項1至9或12至19中任一項之光學元件(1、10)，其中，在垂直於該光學元件(1、10)之平行投影中觀察時，該等第一區域(B1、E1)及該等第二區域(B2、E2)沿著該光學元件(1、10)之面積呈條帶狀交替分佈。
  21. 如請求項1至9或12至19中任一項之光學元件(1、10)，其中，在垂直於該光學元件(1、10)之平行投影中觀察時，該等第一區域(B1、E1)沿著該光學元件(1、10)之面積呈點狀、圓形、橢圓形、矩形或六邊形分佈，該等第二區域(B2、E2)則分別在形狀上與之互補。
  22. 如請求項1至9或12至19中任一項之光學元件(1、10)，其中，在沿垂直於該光學元件(1、10)之上表面的剖面方向觀察時，該等第一區域(B1、E1)及該等第二區域(B2、E2)呈梯形。
  23. 如請求項1至9或12至19中任一項之光學元件(1、10)，其中，在至少一部分該等第一區域(B1、E1)上，在其出光側上設有透鏡結構(L)。
  24. 如請求項1至9或12至19中任一項之光學元件(1、10)，其中，在該光學元件(1、10)之入光側及/或出光側上設有偏振器。
  25. 如請求項1至9或12至19中任一項之光學元件(1、10)，其中，在該光學元件(1、10)上形成有至少一個第一區域(B1、E1)，當在垂直於光學元件(1、10)之平行投影中觀察時，該第一區域之最短延展至少為所有第二區域(B2、E2)在垂直於光學元件(1、10)之平行投影中觀察時之最短延展的20倍大，因此，在所述至少一個第一區域(B1、E1)內，除了其邊緣及平行偏移外，相對於在該入光側射在該光學元件(1)上的光而言，於該出光側自該光學元件(1、10)射出之光的傳播方向不受限制。
  26. 如請求項1至9或12至19中任一項之光學元件(1、10)，其中，除該等第一區域(B1、E1)及該等第二區域(B2、E2)外，更形成有在形狀及/或折射率方面具有不同於該等第一區域(B1、E1)及該等第二區 域(B2、E2)之參數的其他區域，因此，穿透此等其他區域並自該光學元件(1、10)射出的光在傳播方向上受到的限制與在該等第一區域(B1、E1)中不同。
  27. 一種製造如請求項12至15中任一項之光學元件(10)的方法，包括以下步驟：將由透明材料構成且具有第一折射率(N1)的第一層以及由不透明材料構成且具有第二折射率(N2)的第二層交替地堆疊起來，其中，該第一折射率(N1)大於該第二折射率(N2)，將該等第一層及該等第二層相互連接，自層複合體上切下光學元件(10)。
  28. 一種如請求項1至9或12至19中任一項之光學元件(1、10)與影像再現單元(3)配合或與用於透射式影像再現單元(LCD)之背光燈(BLU)配合以選擇性地限制該影像再現單元與透射式影像再現單元之觀看方向的用途。
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