DE102024118438B3 - Switchable light filter, lighting device and screen with such a switchable light filter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen schaltbaren Lichtfilter (5), umfassend ein erstes optisches Element (1), seinerseits umfassend eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten, Mittel (SE1, SE2, ...) zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes (EF1) oder eines zweiten elektrischen Feldes (EF2), wobei für mindestens zwei Bereiche auf dem schaltbaren Lichtfilter (5) jeweils das erste oder das zweite elektrische Feld (EF1, EF2) separat gewählt werden kann, eine Flüssigkristallschicht (3), auf welche das erste elektrische Feld (EF1) oder das zweite elektrische Feld (EF2) wirkt und die in Abhängigkeit davon den Polarisationszustand von durch sie hindurchdringendem Licht beeinflusst, so dass sich die Transmissionseigenschaften des schaltbaren Lichtfilters (5) zwischen einer ersten Betriebsart B1, in welcher das erste elektrische Feld (EF1) anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld (EF2) anliegt, unterscheiden, wobei, wenn auf dem schaltbaren Lichtfilter (5) für mindestens einen ersten Bereich das erste elektrische Feld (EF1) und mindestens einen zweiten Bereich das zweite elektrische Feld (EF2) gewählt ist, für mindestens einen Übergangsbereich zwischen den mindestens zwei Bereichen ein elektrisches Feld (EF3) anliegt oder elektrische Felder (EF3, EF4 ...) anliegen, so dass sich in diesem mindestens einen Übergangsbereich die Transmissionseigenschaften des schaltbaren Lichtfilters (5) von den Transmissionseigenschaften der ersten Betriebsart B1 und der zweiten Betriebsart B2 unterscheiden.
Damit können unangenehm wahrnehmbare Kanten zwischen Bereichen mit der ersten Betriebsart B1 und der zweiten Betriebsart B2 vermieden werden.
The invention relates to a switchable light filter (5), comprising a first optical element (1), in turn comprising a plurality of light-absorbing transition dipole moments, means (SE1, SE2, ...) for selectively generating at least one first electric field (EF1) or one second electric field (EF2), wherein for at least two areas on the switchable light filter (5) the first or the second electric field (EF1, EF2) can be selected separately, a liquid crystal layer (3) on which the first electric field (EF1) or the second electric field (EF2) acts and which, depending thereon, influences the polarization state of light passing through it, so that the transmission properties of the switchable light filter (5) differ between a first operating mode B1, in which the first electric field (EF1) is applied, and a second operating mode B2, in which the second electric field (EF2) is applied, wherein, if the first electric field (EF1) and at least one second region, the second electric field (EF2) is selected, for at least one transition region between the at least two regions an electric field (EF3) is present or electric fields (EF3, EF4 ...) are present, so that in this at least one transition region the transmission properties of the switchable light filter (5) differ from the transmission properties of the first operating mode B1 and the second operating mode B2.
This avoids unpleasantly perceptible edges between areas with the first operating mode B1 and the second operating mode B2.
Description
Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention
In den letzten Jahren wurden große Fortschritte zur Verbreiterung des Sehwinkels bei LCDs erzielt. Allerdings gibt es oft Situationen, in denen dieser sehr große Sehbereich eines Bildschirms von Nachteil sein kann. Zunehmend werden auch Informationen auf mobilen Geräten wie Notebooks und Tablet-PCs verfügbar, wie Bankdaten oder andere, persönliche Angaben, und sensible Daten. Dementsprechend brauchen die Menschen eine Kontrolle darüber, wer diese sensiblen Daten sehen darf; sie müssen wählen können zwischen einem weiten Betrachtungswinkel - einem öffentlichen Modus -, 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 - in einem privaten Modus -, wenn sie die Bildinformationen vertraulich behandeln wollen.In recent years, great strides have been made in widening the viewing angle of LCDs. However, there are often situations in which this very large viewing area of a screen can be a disadvantage. Information, such as banking details and other personal and sensitive data, is increasingly becoming available on mobile devices such as notebooks and tablet PCs. Accordingly, people need control over who can view this sensitive data. They need to be able to choose between a wide viewing angle – a public mode – to share information on their display with others, e.g., when viewing vacation photos or for advertising purposes. On the other hand, they need a narrow viewing angle – a private mode – if they want to keep the image information confidential.
Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich im Fahrzeugbau: Dort darf der Fahrer bei eingeschaltetem Motor nicht durch Bildinhalte, wie etwa digitale Entertainmentprogramme, abgelenkt werden, während der Beifahrer diese jedoch auch während der Fahrt konsumieren möchte. Mithin wird ein Bildschirm benötigt, der zwischen den entsprechenden Darstellungsmodi umschalten kann.A similar problem arises in vehicle construction: The driver must not be distracted by image content, such as digital entertainment programs, when the engine is running, while the passenger also wants to consume these while driving. Therefore, a screen that can switch between the corresponding display modes is required.
Zusatzfolien, die auf Mikro-Lamellen basieren, wurden bereits für mobile Displays eingesetzt, um deren visuellen Datenschutz zu erreichen. Allerdings waren diese Folien nicht schaltbar oder umschaltbar, sie mussten immer erst per Hand aufgelegt und danach wieder entfernt werden. Auch muss man sie separat zum Display transportieren, wenn man sie nicht gerade braucht. Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes solcher Lamellen-Folien ist ferner mit den einhergehenden Lichtverlusten verbunden.Additional films based on micro-louvres have already been used for mobile displays to achieve visual privacy. However, these films were not switchable or reversible; they always had to be applied and removed manually. They also had to be transported separately from the display when not in use. A major disadvantage of using such louvre films is the associated light loss.
Die
In der
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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, d.h. die bestmögliche Blickposition. Der Absorptionsgrad der LC-Strukturen ist ebenfalls unzureichend, da die Abschwächung der Lichtintensität für Betrachtungswinkel größer des Sweetspots wieder ansteigt, so dass die Lichtintensität für Betrachtungswinkel größer als +/-40° bis zu 3% von der maximalen Lichtintensität beträgt.The approach of "Electrical Birefringence (EDB)" technology is based on the idea of using the switchable liquid crystals of an additionally applied LC panel to "filter" all light rays that do not exit the imaging layer at a specific beam angle. Disadvantages of this technology include high additional energy and cost requirements, and the difficulty of changing the +/-40° sweet spot, i.e., the optimal viewing position. The absorption coefficient of the LC structures is also insufficient, as the attenuation of the light intensity increases again for viewing angles greater than the sweet spot, so that the light intensity for viewing angles greater than +/-40° is up to 3% of the maximum light intensity.
Ferner beschreibt die
Schließlich offenbart die
Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und/oder ein aufwendiges und teures optisches Element zur Modi-Umschaltung benötigen und/oder die Auflösung im frei betrachtbaren, öffentlichen Modus reduzieren und/oder visuelle Artefakte bei sehr hoch auflösenden Displays aufweisen. Besonders aber existieren, insofern teilweise Umschaltungen zwischen den Modi möglich sind, zwischen in verschiedenen Modi befindlichen Bereichen sichtbare Kanten, die unangenehm sichtbar sind.The aforementioned methods and arrangements generally have the disadvantage that they significantly reduce the brightness of the base screen and/or require a complex and expensive optical element for mode switching and/or reduce the resolution in the freely viewable, public mode and/or exhibit visual artifacts on very high-resolution displays. However, in particular, where partial switching between modes is possible, there are unpleasantly visible edges between areas in different modes.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, Lichtfilter zu beschreiben, bei welchem Licht, welches in sie einfällt, an verschiedenen Stellen auf dem Lichtfilter bzw. dem Bildschirm mit einem solchen Lichtfilter wahlweise winkelabhängig transmittiert oder teilweise oder (nahezu) ganz absorbiert wird. Dabei sollen sichtbare Kanten zwischen Bereichen verschiedener Transmissionsbereiche vermieden werden. Außerdem soll ein entsprechender Bildschirm bzw. eine Beleuchtungseinrichtung beschrieben werden, dessen winkelabhängige Helligkeitsverteilung teilflächig verändert werden kann, wobei ebenso sichtbare Kanten zwischen in verschiedenen Modi befindlichen Bereichen vermieden werden sollen.The object of the invention is therefore to describe a light filter in which light incident thereon is either transmitted, depending on the angle, or partially or (almost) completely absorbed at various points on the light filter or screen. Visible edges between areas of different transmission ranges are to be avoided. Furthermore, a corresponding screen or lighting device is to be described whose angle-dependent brightness distribution can be partially modified, while also avoiding visible edges between areas in different modes.
Der schaltbare Lichtfilter bzw. ihn verwendende Systeme sollen preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sein, um eine Umschaltung zwischen einem - mindestens in der in Bezug auf einen stehenden oder sitzenden Betrachter horizontalen Richtung bestehenden - Sichtschutz, d.h. einem eingeschränkten Betrachtungsmodus, und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms nicht, auch nicht geringfügig, herabgesetzt werden soll.The switchable light filter or systems using it should be inexpensive to implement and, in particular, universally usable with different types of screens in order to enable switching between a visual protection - at least in the horizontal direction with respect to a standing or sitting viewer - i.e. a restricted viewing mode, and a free viewing mode, whereby the resolution of such a screen should not be reduced, even slightly.
Diese Aufgabe wird in einer ersten Ausgestaltung erfindungsgemäß gelöst durch einen schaltbaren Lichtfilter, umfassend
- - ein erstes optisches Element, seinerseits umfassend
- • eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten,
- • wobei die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand (insbesondere auch permanent) mit einer Toleranz von maximal 20° (bevorzugt maximal 10°) parallel zu einer für das erste optische Element wählbaren ersten Vorzugsrichtung ausgerichtet ist oder um diese herum variiert,
- • so dass Licht, welches in das erste optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seinem Polarisationszustand und von seiner Einfallsrichtung gegenüber dem ersten optischen Element transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird,
- - Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, wobei für mindestens zwei Bereiche auf dem schaltbaren Lichtfilter jeweils das erste oder das zweite elektrische Feld EF1, EF2 separat gewählt werden kann,
- - eine vor oder hinter dem ersten optischen Element angeordnete Flüssigkristallschicht, auf welche das erste elektrische Feld EF1 oder das zweite elektrische Feld EF2 wirkt und die in Abhängigkeit davon den Polarisationszustand von durch sie hindurchdringendem Licht beeinflusst,
- - so dass sich die Transmissionseigenschaften des schaltbaren Lichtfilters zwischen einer ersten Betriebsart B1, in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden,
- - und so dass, wenn auf dem schaltbaren Lichtfilter für mindestens einen ersten Bereich das erste elektrische Feld EF1 und mindestens einen zweiten Bereich das zweite elektrische Feld EF2 gewählt ist, für mindestens einen Übergangsbereich zwischen diesen mindestens zwei Bereichen ein elektrisches Feld EF3 anliegt oder elektrische Felder EF3, EF4 ... anliegen, die von dem ersten und dem zweiten elektrischen Feld EF1, EF2 verschieden sind, so dass sich in diesem mindestens einen Übergangsbereich die Transmissionseigenschaften des schaltbaren Lichtfilters von den Transmissionseigenschaften der ersten Betriebsart B1 und der zweiten Betriebsart B2 unterscheiden.
- - a first optical element, itself comprising
- • a variety of light-absorbing transition dipole moments,
- • wherein the majority of the transition dipole moments are aligned at least in a first state (in particular also permanently) with a tolerance of a maximum of 20° (preferably a maximum of 10°) parallel to a first preferred direction that can be selected for the first optical element or vary around this,
- • so that light incident on the first optical element is transmitted or at least partially absorbed depending on its polarization state and its direction of incidence relative to the first optical element,
- - means for selectively generating at least one first electric field EF1 or one second electric field EF2, wherein for at least two areas on the switchable light filter, the first or the second electric field EF1, EF2 can be selected separately,
- - a liquid crystal layer arranged in front of or behind the first optical element, on which the first electric field EF1 or the second electric field EF2 acts and which, depending thereon, influences the polarisation state of light passing through it,
- - so that the transmission properties of the switchable light filter differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, and a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied,
- - and so that, if the first electric field EF1 is selected on the switchable light filter for at least a first region and the second electric field EF2 is selected for at least a second region, an electric field EF3 is present for at least one transition region between these at least two regions or electric fields EF3, EF4 ... are present which are different from the first and the second electric field EF1, EF2, so that in this at least one transition region the transmission properties of the switchable light filter differ from the transmission properties of the first operating mode B1 and the second operating mode B2.
Vorteilhaft gilt dabei, dass, wenn zum gleichen Zeitpunkt auf dem schaltbaren Lichtfilter für mindestens einen ersten Bereich das erste elektrische Feld EF1 und für mindestens einen zweiten Bereich das zweite elektrische Feld EF2 gewählt ist, für jeweils mindestens einen Übergangsbereich zwischen den zwei Bereichen elektrische Felder EF3, EF4 ... anliegen, die einen stufenweisen und/oder graduellen Übergang von dem ersten elektrischen Feld EF1 zu dem zweiten elektrischen Feld EF2 darstellen, so dass um den mindestens einen Übergangsbereich zwischen den zwei Bereichen herum mindestens drei, bevorzugt mindestens fünf, besonders bevorzugt mindestens zehn voneinander verschiedene Werte der Transmission für einen jeweils wählbaren, aber stets gleichen Winkel, der von der Mittelsenkrechten auf den schaltbaren Lichtfilter um mindestens 5° (z.B. um 25°, 35°, 45° oder größer als 45°) abweicht, erzeugt werden. Somit wird für einen Betrachter ein gradueller Übergang der winkelabhängigen Transmissionswerte zwischen den Bereichen ermöglicht, was sichtbare Kanten vermeidet, da im besagten Übergangsbereich auch ein Übergang vom ersten elektrischen Feld EF1 zum zweiten elektrischen Feld EF2 mit mindestens einem dazwischen anliegenden, resultierenden dritten elektrischen Feld EF3 (bevorzugt jedoch mehreren elektrischen Feldern EF3, EF4 etc.) vorhanden ist, was wiederum die winkelabhängige Transmission des schaltbaren Lichtfilters an solchen Übergangsbereichen anders steuert, als in dem besagten ersten bzw. zweiten Bereich, wo das erste bzw. das zweite elektrische Feld EF1, EF2 anliegt.It is advantageous in this case that if, at the same time, the first electric field EF1 is selected for at least one first region and the second electric field EF2 is selected for at least one second region on the switchable light filter, electric fields EF3, EF4 ... are present for at least one transition region between the two regions, which represent a step-wise and/or gradual transition from the first electric field EF1 to the second electric field EF2, so that around the at least one transition region between the two regions at least three, preferably at least five, particularly preferably at least ten different values of the transmission are generated for a respectively selectable, but always identical angle which deviates from the perpendicular bisector to the switchable light filter by at least 5° (e.g. by 25°, 35°, 45° or greater than 45°). This allows a viewer to experience a gradual transition of the angle-dependent transmission values between the areas, which avoids visible edges, since in said transition area there is also a transition from the first electric field EF1 to the second electric field EF2 with at least one resulting third electric field EF3 (but preferably several electric fields EF3, EF4, etc.) present therebetween, which in turn controls the angle-dependent transmission of the switchable light filter at such transition areas differently than in said first or second area, where the first or second electric field EF1, EF2 is present.
Es ist beispielsweise möglich, dass die Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2 mindestens zwei einander gegenüberliegende flächige transparente Elektroden (z.B. ITO-Schichten) umfassen, zwischen denen sich die Flüssigkristallschicht 3 befindet, wobei mindestens eine dieser transparenten Elektroden in der Nähe der Grenze zwischen den besagten zwei Bereichen unterbrochen ist. Mit „Nähe“ ist hier eine maximale Entfernung von zehn Prozent der größten Ausdehnung der Flüssigkristallschicht gemeint, bevorzugt maximal 5 Prozent. Dies gilt auch für alle folgenden Fälle.For example, it is possible for the means for selectively generating at least a first electric field EF1 or a second electric field EF2 to comprise at least two opposing flat transparent electrodes (e.g., ITO layers) between which the liquid crystal layer 3 is located, with at least one of these transparent electrodes being interrupted near the boundary between said two regions. "Proximity" here means a maximum distance of ten percent of the largest dimension of the liquid crystal layer, preferably a maximum of 5 percent. This also applies to all subsequent cases.
Dabei ist es möglich, dass die mindestens eine unterbrochene transparente Elektrode in der Nähe der Grenze zwischen den besagten zwei Bereichen mehrfach unterbrochen ist.It is possible that the at least one interrupted transparent electrode is interrupted several times near the boundary between the two regions.
Alternativ können auch die beiden transparenten Elektroden in der Nähe der Grenze zwischen den besagten zwei Bereichen unterbrochen sein. Vorteilhaft gilt dabei, dass die jeweiligen Unterbrechungen der transparenten Elektroden bei Parallelprojektion senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des ersten optischen Elements auf das erste optische Element nicht deckungsgleich sind.Alternatively, the two transparent electrodes can be interrupted near the boundary between the two regions. Advantageously, the respective interruptions in the transparent electrodes are not congruent when projected onto the first optical element perpendicular to the propagation direction of the first optical element.
Mittels der vorgenannte Ausgestaltungen unter Verwendung einer oder zweier unterbrochener transparenter Elektroden wird sichergestellt, dass, wenn auf dem schaltbaren Lichtfilter gleichzeitig für mindestens einen ersten Bereich das erste elektrische Feld EF1 und mindestens einen zweiten Bereich das zweite elektrische Feld EF2 gewählt ist, für mindestens einen Übergangsbereich zwischen den mindestens zwei Bereichen ein elektrisches Feld EF3 anliegt oder elektrische Felder EF3, EF4 ... anliegen, die von dem ersten und dem zweiten elektrischen Feld EF1, EF2 verschieden sind, was für die Umsetzung der Erfindung essentiell ist. Die vorgenannte Auflistung an Ausgestaltungen ist jedoch nicht abschließend; es können noch weitere Konfigurationen gefunden werden, die den vorgenannten Effekt erzielen, etwa durch Ergänzung einer weiteren transparenten Elektrode in der Nähe des Übergangsbereiches.By means of the aforementioned embodiments using one or two interrupted transparent electrodes, it is ensured that if the first electric field EF1 and the second electric field EF2 are selected simultaneously for at least a first region on the switchable light filter, an electric field EF3 is applied to at least one transition region between the at least two regions, or electric fields EF3, EF4 ... are applied that are different from the first and second electric fields EF1, EF2, which is essential for the implementation of the invention. However, the aforementioned list of embodiments is not exhaustive; further configurations can be found that achieve the aforementioned effect, for example by adding another transparent electrode near the transition region.
Ferner ist es möglich, dass das erste elektrische Feld EF1 derart auf die Flüssigkristallschicht wirkt, dass durch sie hindurchdringendes, linear polarisiertes Licht in seiner Polarisationsausrichtung um mindestens 86°, bevorzugt um mindestens 88°, gedreht wird, während das zweite elektrische Feld EF2 derart auf die Flüssigkristallschicht wirkt, dass durch sie hindurchdringendes, linear polarisiertes Licht in seiner Polarisationsausrichtung um nicht mehr als 4°, bevorzugt gar nicht, gedreht wird. Dabei ist es möglich, dass zum Beispiel entweder ein erstes elektrisches Feld EF1 oder ein zweites elektrisches Feld EF2 einen feldfreien Zustand für den ersten Bereich beschreibt, während das jeweils andere elektrische Feld eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, für den zweiten Bereich aufweist. Da sich das erste und das zweite elektrische Feld EF1, EF2 zwischen den beiden Bereichen unterscheiden, liegt im Übergangsbereich zwischen den mindestens zwei Bereichen ein elektrisches Feld EF3 an bzw. es liegen elektrische Felder EF3, EF4 ... an, die von dem ersten und dem zweiten elektrischen Feld EF1, EF2 verschieden sind, so dass sich in diesem mindestens einen Übergangsbereich die Transmissionseigenschaften des schaltbaren Lichtfilters von den Transmissions-eigenschaften der ersten Betriebsart B1 und der zweiten Betriebsart B2 unterscheiden.Furthermore, it is possible that the first electric field EF1 acts on the liquid crystal layer in such a way that linearly polarized light passing through it is shifted in its polarization orientation by at least 86°, preferably by at least 88°. is rotated, while the second electric field EF2 acts on the liquid crystal layer in such a way that linearly polarized light penetrating through it is rotated in its polarization orientation by no more than 4°, preferably not at all. It is possible, for example, that either a first electric field EF1 or a second electric field EF2 describes a field-free state for the first region, while the respective other electric field has an absolute field strength greater than zero, e.g. 0.5 MV/m, for the second region. Since the first and second electric fields EF1, EF2 differ between the two regions, an electric field EF3 is present in the transition region between the at least two regions, or electric fields EF3, EF4 ... are present which are different from the first and second electric fields EF1, EF2, so that in this at least one transition region the transmission properties of the switchable light filter differ from the transmission properties of the first operating mode B1 and the second operating mode B2.
Mit einer vorgenannten Ausgestaltung ist es allgemein möglich, dass sich die winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des schaltbaren Lichtfilters zwischen einer ersten Betriebsart B1, in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt, derart unterscheiden, dass sich die Transmissionen für einen jeweils wählbaren, aber stets gleichen Winkel, der von der Mittelsenkrechten auf den schaltbaren Lichtfilter um mindestens 45° abweicht, zwischen beiden Betriebsarten um mindestens einen Faktor zehn, bevorzugt um mindestens einen Faktor 15, unterscheiden.With an aforementioned embodiment, it is generally possible for the angle-dependent transmission properties of the switchable light filter to differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, and a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied, in such a way that the transmissions for a respectively selectable but always identical angle, which deviates from the mid-perpendicular to the switchable light filter by at least 45°, differ between the two operating modes by at least a factor of ten, preferably by at least a factor of 15.
Die Aufgabe der Erfindung wir auch gelöst von einer Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, umfassend
- - eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung, die Licht abstrahlt, sowie
- - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung angeordneten schaltbaren Lichtfilter 5 wie vorstehend beschrieben.
- - a large area backlight that emits light, and
- - a switchable light filter 5 arranged in front of the background lighting in the viewing direction as described above.
Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung gelöst von einem Bildschirm, umfassend
- - eine Bildwiedergabeeinrichtung,
- - in Betrachtungsrichtung vor oder hinter der Bildwiedergabeeinrichtung einen schaltbaren Lichtfilter wie vorstehend beschrieben.
- - an image display device,
- - a switchable light filter as described above in front of or behind the image display device in the viewing direction.
Die Betriebsmodi des vorstehend beschriebenen schaltbaren Lichtfilters lassen sich ohne weiteres auf den Bildschirm übertragen, so dass auch dieser in den oben bereits erwähnten verschiedenen Betriebsmodi, je nach verwendeter Ausgestaltung des schaltbaren Lichtfilters, betrieben werden kann.The operating modes of the switchable light filter described above can be easily transferred to the screen, so that the screen can also be operated in the various operating modes mentioned above, depending on the design of the switchable light filter used.
Bei der Bildwiedergabeeinheit kann es sich alternativ um ein OLED, ein LCD, ein SED, einen Feldemissionsbildschirm (FED), ein microLED-Panel oder eine Vakuum-Fluoreszenzanzeige (VFD) handeln, vor welchem ein schaltbarer Lichtfilter angeordnet ist. Da der schaltbare Lichtfilter unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage. Ein solcher Bildschirm findet vorteilhaft Verwendung in einem mobilen Gerät, einem Kraft-, Luft- oder Wasserfahrzeug, in einem Zahlterminal oder in einem Zugangssystem. Dabei kann zwischen den genannten Betriebsarten umgeschaltet werden, um sensitive Daten zu schützen, d.h. für nur einen Betrachter wahrnehmbar darzustellen, oder alternativ Bildinhalte gleichzeitig für mehrere Betrachter darzustellen.The image display unit can alternatively be an OLED, an LCD, an SED, a field emission display (FED), a microLED panel, or a vacuum fluorescent display (VFD), in front of which a switchable light filter is arranged. Since the switchable light filter is effective regardless of the type of image display unit, any other screen type is also suitable. Such a screen is advantageously used in a mobile device, a motor vehicle, aircraft, or watercraft, in a payment terminal, or in an access system. It is possible to switch between the aforementioned operating modes to protect sensitive data, i.e., to display it so that it is visible to only one viewer, or alternatively to display image content simultaneously for multiple viewers.
Die besagte erste Vorzugsrichtung kann vorteilhaft jeweils einen Winkel zwischen einschließlich 0° und einschließlich 45° zu einer Flächennormale des ersten optischen Elements einschließen. Fernerhin kann in besonderen Ausgestaltungen die erste Vorzugsrichtung über die Fläche des ersten optischen Elements hinweg variieren. Im Sinne der Erfindung gilt dann die über die Fläche durchschnittliche erste Vorzugsrichtung.Said first preferred direction can advantageously enclose an angle between 0° and 45° inclusive with a surface normal of the first optical element. Furthermore, in particular embodiments, the first preferred direction can vary across the surface of the first optical element. For the purposes of the invention, the first preferred direction averaged across the surface then applies.
Das Übergangsdipolmoment - auch als Übergangsmatrixelement bezeichnet - ist eine quantenmechanische Vektorgröße und einem spezifischen Übergang zwischen einem ersten - in der Regel dem Grundzustand - und einem zweiten Zustand - in der Regel einem angeregten Zustand - eines Systems, d.h. eines Atoms, Moleküls oder Festkörpers zugeordnet und entspricht makroskopisch dem elektrischen Dipolmoment, welches mit diesem Übergang verbunden ist. Die Richtung des Vektors definiert die Polarisation des Übergangs, welche ihrerseits bestimmt, wie das System mit einer elektromagnetischen Welle, mit vorgegebener Polarisation wechselwirkt, beim Übergang vom Grundzustand in den angeregten Zustand beispielsweise Licht der entsprechenden Polarisationsrichtung absorbiert. Der Betrag des Vektors korrespondiert zur Stärke der Wechselwirkung bzw. zur Übergangswahrscheinlichkeit.The transition dipole moment—also known as the transition matrix element—is a quantum mechanical vector quantity associated with a specific transition between a first state—usually the ground state—and a second state—usually an excited state—of a system, i.e., an atom, molecule, or solid. It macroscopically corresponds to the electric dipole moment associated with this transition. The direction of the vector defines the polarization of the transition, which in turn determines how the system interacts with an electromagnetic wave of a given polarization, for example, how it absorbs light of the corresponding polarization direction during the transition from the ground state to the excited state. The magnitude of the vector corresponds to the strength of the interaction or the transition probability.
Die erste Vorzugsrichtung entspricht dabei derjenigen Ausrichtung der Übergangsdipolmomente bei vorgegebener Ausbreitungsrichtung von Licht, bei der für beliebige Polarisationsrichtungen des Lichts die Absorption gleich ist.The first preferred direction corresponds to the orientation of the transition dipole moments for a given direction of propagation of light, for which the absorption is the same for any polarization direction of the light.
Als Materialien im Sinne der Erfindung, welche fixierte oder -für die weiter unten beschriebene zweite Ausgestaltung von schaltbaren Lichtfiltern- ausrichtbare Übergangsdipolmomente enthalten, kommen beispielsweise dichroitische Farbstoffe oder Farbstoffmischungen in Frage, welche mit einem die Eigenschaften nicht beeinträchtigenden Trägermaterial kombiniert werden, beispielsweise mit Flüssigkristallen oder Polymeren. Das optische Element kann beispielsweise nur einen Farbstoff enthalten. Es können aber auch mehrere Farbstoffe, d.h. Farbstoffmischungen, in einem einzigen optischen Element enthalten sein. Die genannten Materialien relaxieren im Wesentlichen durch nicht strahlende Prozesse.Suitable materials within the meaning of the invention, which contain fixed or—for the second embodiment of switchable light filters described below—alignable transition dipole moments, include, for example, dichroic dyes or dye mixtures combined with a carrier material that does not impair the properties, for example, liquid crystals or polymers. The optical element can, for example, contain only one dye. However, several dyes, i.e., dye mixtures, can also be contained in a single optical element. The materials mentioned relax essentially through non-radiative processes.
Die Extinktion, also die Absorption, des Lichtes ist von der absoluten Zahl der Übergangsdipolmomente - und somit inhärent auch von der Schichtdicke, in der sich die Übergangsdipolmomente befinden - und der Ausrichtung zwischen Übergangsdipolmoment und der Polarisation des einfallenden Lichtes zueinander abhängig. Je nach Implementierung kann die Dichte der besagten Übergangsdipolmomente, deren Stärke oder die Brechzahl in den Schichten des optischen Elements variieren. Bei einem passiven, nicht schaltbaren optischen Element kann die Volumendichte der Übergangsdipole 100% erreichen.The extinction, or absorption, of light depends on the absolute number of transition dipole moments—and thus inherently also on the layer thickness in which the transition dipole moments are located—and the alignment between the transition dipole moment and the polarization of the incident light. Depending on the implementation, the density of said transition dipole moments, their strength, or the refractive index can vary within the layers of the optical element. In a passive, non-switchable optical element, the volume density of the transition dipoles can reach 100%.
Für die vereinfachte Modellierung der Transmission wird angenommen, dass die Übergangsdipolmomente im optischen Element parallel zur Einfallsebene des Lichts auf das optische Element orientiert sind. Die Einfallsebene bezeichnet dabei eine Ebene, in welcher die Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle liegt, wobei die Oberfläche des ersten optischen Elements und die Einfallsebene einen rechten Winkel einschließen. Die Lichtwelle weist als Transversalwelle einen transversal-magnetischen Schwingungsanteil und einen transversal-elektrischen Schwingungsanteil, welche beide senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen. Licht, welches auf das optische Element trifft, ist in seiner Gesamtheit zunächst unpolarisiert, d.h. die Schwingungsrichtungen der transversal-elektrischen - und dementsprechend auch der transversal-magnetischen - Anteile sind statistisch verteilt. Beim Eintreffen auf die Oberfläche des ersten optischen Elements mit den solchermaßen senkrecht zur Oberfläche des ersten optischen Elements ausgerichteten Übergangsdipolmomenten tritt das Licht in Wechselwirkung mit dem ersten optischen Element bzw. den Übergangsdipolmomenten des darin enthaltenen Materials und wird polarisiert. Dabei werden die Schwingungsanteile, welche in der Einfallsebene liegen, absorbiert. Licht, welches also parallel zur Einfallsebene polarisiert ist, d.h. transversal-magnetisch oder p-polarisiert ist, wird absorbiert, wohingegen Licht, welches senkrecht zur Einfallsebene - also parallel zur Oberfläche des ersten optischen Elements - polarisiert ist, d.h. transversal-elektrisch oder s-polarisiert ist, wird hingegen vollständig transmittiert bzw. lediglich deutlich vermindert absorbiert. Unpolarisiertes Licht, das das erste optische Element nicht parallel zu Übergangsdipolmomenten passiert, wird demnach bei Durchtritt durch das erste optische Element mit Übergangsdipolmomenten, die parallel zur Einfallsebene des Lichts ausgerichtet sind, wenigstens teilweise s-polarisiert.For the simplified modeling of transmission, it is assumed that the transition dipole moments in the optical element are oriented parallel to the plane of incidence of the light onto the optical element. The plane of incidence refers to a plane in which the propagation direction of the light wave lies, with the surface of the first optical element and the plane of incidence forming a right angle. As a transverse wave, the light wave has a transverse magnetic oscillation component and a transverse electrical oscillation component, both of which are perpendicular to each other and perpendicular to the direction of propagation. Light that strikes the optical element is initially unpolarized as a whole, i.e., the oscillation directions of the transverse electrical - and accordingly also the transverse magnetic - components are statistically distributed. When it strikes the surface of the first optical element with the transition dipole moments thus aligned perpendicular to the surface of the first optical element, the light interacts with the first optical element or the transition dipole moments of the material contained therein and becomes polarized. The vibrational components that lie in the plane of incidence are absorbed. Light that is polarized parallel to the plane of incidence, i.e., transversely magnetic or p-polarized, is absorbed, whereas light that is polarized perpendicular to the plane of incidence—i.e., parallel to the surface of the first optical element—i.e., transversely electric or s-polarized, is fully transmitted or absorbed to a significantly reduced extent. Unpolarized light that does not pass through the first optical element parallel to transition dipole moments is therefore at least partially s-polarized upon passing through the first optical element with transition dipole moments aligned parallel to the plane of incidence of the light.
Die Übergangsdipolmomente können -wie vorstehend beschrieben- als ein oder mehrere dichroitische Farbstoff(e), mithin durch derartige Farbstoffmoleküle, ausgebildet sein, welche in einer Guest-Host-Anordnung mit Flüssigkristallmolekülen Flüssigkristalle bilden oder in eine Flüssigkristallschicht integriert sind. Die Farbstoffmoleküle wiederum richten sich dann, parallel zu den Flüssigkristallmolekülen der Flüssigkristallschicht aus. Die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle im spannungslosen elektrischen Feld wird wiederum durch die sie umgebende Oberflächen induziert. Ein mögliches Material für solche Oberflächen ist PMI.The transition dipole moments can—as described above—be formed by one or more dichroic dyes, i.e., by such dye molecules, which form liquid crystals in a guest-host arrangement with liquid crystal molecules or are integrated into a liquid crystal layer. The dye molecules, in turn, then align themselves parallel to the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer. The alignment of the liquid crystal molecules in the voltage-free electric field is, in turn, induced by the surrounding surfaces. One possible material for such surfaces is PMI.
Allgemein kann man hier von mit Farbstoff(en) dotierten Flüssigkristallpolymeren sprechen. Hierzu sind im Stand diverse Ansätze (z.B. thermosettling LCs und epoxy LC) bekannt, auf die daher nicht im Detail eingegangen werden muss. Beispielhaft sei in diesem Zusammenhang auf folgende Veröffentlichungen verwiesen:In general, one can speak of dye-doped liquid crystal polymers. Various approaches (e.g., thermosettling LCs and epoxy LCs) are known in the art, which therefore need not be discussed in detail. The following publications are examples in this context:
Der mindestens eine Farbstoff besteht aus Farbstoffmolekülen, wobei vorteilhaft zu jedem Farbstoffmolekül ein Übergangsdipol bzw. Übergangsdipolmoment assoziiert ist, d.h. jedes Farbstoffmolekül entspricht einem Übergangsdipol bzw. Übergangsdipolmoment. Typischerweise hat ein Farbstoff einen Masseanteil von 0,01 % bis 10 % (oder ggf. auch deutlich mehr), vorzugsweise von 0,1% bis 5 % am Material der jeweiligen Schicht(en) im ersten optischen Element. Die Dicke der Schichten liegt vorzugsweise im Bereich von 0,2 µm bis 50 µm, bevorzugt im Bereich von 0,5 µm bis 20 µm, alle Randwerte jeweils eingeschlossen. Die Farbstoffe bzw. Farbstoffmischungen im ersten optischen Element können in dessen unterschiedlichen Schichten, falls vorhanden, auch unterschiedlich ausgebildet sein.The at least one dye consists of dye molecules, wherein advantageously a transition dipole or transition dipole moment is associated with each dye molecule, ie each dye molecule corresponds to a transition dipole or transition di pole moment. Typically, a dye has a mass fraction of 0.01% to 10% (or possibly significantly more), preferably 0.1% to 5%, of the material of the respective layer(s) in the first optical element. The thickness of the layers is preferably in the range of 0.2 µm to 50 µm, more preferably in the range of 0.5 µm to 20 µm, including all marginal values. The dyes or dye mixtures in the first optical element can also be formed differently in its various layers, if present.
Als bevorzugte Ausgestaltung gilt für jede Schicht eine Mischung aus Flüssigkristallen mit mindestens einem Farbstoff, besonders mit mindestens einer dichroitischen Farbstoffmischung. Als dichroitische Farbstoffe bzw. Farbstoffmischungen kommen z.B. Azomethinfarbstoffe, indigoide und Thioindigoide Farbstoffe, Merocyanine, Azulen, Chinophtalonfarbstoffe, Perylenfarbstoffe, Phthaloperinfarbstoffe, Dioxazinfarbstoffe, Triphenodioxazinfarbstoffe, Chinoxalinfarbstoffe, Triazinfarbstoffe, Tartrazin, Azo-Farbstoffe und Anthraquinonfarbstoffe in Frage. Die Herstellung einer Flüssigkristallfarbstoffmischung ist beispielsweise beschrieben in der
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist weiterhin ein Polarisationsfilter vorhanden, welcher dem ersten optischen Element in der Einfallsrichtung gesehen vor- oder nachgeordnet sein kann. Alternativ kann auch eine λ/4-Verzögerungsschicht vorhanden sein, um ggf. aus zirkular polarisiertem Licht linear polarisiertes Licht zu erzeugen, je nach den Eigenschaften des aus einer entsprechenden Lichtquelle herrührenden Lichtes.In a preferred embodiment, a polarization filter is also present, which can be arranged upstream or downstream of the first optical element in the direction of incidence. Alternatively, a λ/4 retardation layer can also be present to generate linearly polarized light from circularly polarized light, if necessary, depending on the properties of the light originating from a corresponding light source.
Für eine Schaltbarkeit der optischen Wirkung des erfindungsgemäßen schaltbaren Lichtfilters können in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Übergangsdipolmomente in jeder Schicht in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Betrag zwischen dem ersten und mindestens einem zweiten Zustand variiert, um die jeweilige Schicht alternativ in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können. Mögliche Ausgestaltungen eines schaltbaren optischen Elements bzw. jeder Schicht darin basieren beispielsweise auf Flüssigkristallen und/oder Farbstoffen bzw. Farbstoffmischungen, welche in der besagten Flüssigkristallzelle mit homogener Ausrichtung an den Oberflächen angeordnet und darin zwischen mindestens zwei Zuständen gedreht werden können. Dabei werden die Licht absorbierenden Übergangsdipolmomente 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 EF1 oder ein zweites elektrisches Feld EF2 einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, aufweist.To enable the optical effect of the switchable light filter according to the invention to be switchable, in a further embodiment of the invention the transition dipole moments in each layer can be varied in their orientation and/or their magnitude between the first and at least one second state in order to be able to alternatively place the respective layer into at least two different states. Possible embodiments of a switchable optical element or each layer therein are based, for example, on liquid crystals and/or dyes or dye mixtures, which can be arranged in said liquid crystal cell with homogeneous alignment on the surfaces and rotated therein between at least two states. The light-absorbing transition dipole moments are also rotated and can thus assume at least two states of action. In particular, in such embodiments, it is conceivable to achieve more than two states, e.g., three or eight states, each with different optical effects. Other embodiments of the liquid crystal cells are also conceivable. For this purpose, electric fields are used, in particular, to rotate the liquid crystals. It is possible, for example, that either a first electric field EF1 or a second electric field EF2 describes a field-free state, with the other electric field having an absolute field strength greater than zero, e.g. 0.5 MV/m.
Dabei entspricht ein erster solcher Zustand den vorstehend beschriebenen Gegebenheiten und mindestens ein zweiter Zustand ist davon verschieden, weist also mindestens eine andere Vorzugsrichtung auf.A first such state corresponds to the conditions described above and at least a second state is different from this, i.e. has at least one other preferred direction.
Bei derartigen aktiven, also schaltbaren Lichtfiltern sind Volumendichten der Übergangsdipolmomente zwischen 0.1 % und 90 % basierend auf Flüssigkristallen im ersten optischen Element denkbar. Alternativ sind Ausgestaltungen eines ersten optischen Elements bzw. jeder Schicht darin denkbar, bei denen die Übergangsdipolmomente in einer Flüssigkeit eingebettet sind, welche einem Elektro-Wetting-Verfahren ausgesetzt sind. Auf diese Weise lässt sich insbesondere, aber nicht allein, die Dichte der Übergangsdipolmomente variieren.For such active, i.e., switchable, light filters, volume densities of the transition dipole moments between 0.1% and 90% based on liquid crystals in the first optical element are conceivable. Alternatively, configurations of a first optical element or each layer therein are conceivable in which the transition dipole moments are embedded in a liquid subjected to an electrowetting process. In this way, the density of the transition dipole moments can be varied, in particular, but not exclusively.
In der Regel ist der schaltbare Lichtfilter, d.h. hierin insbesondere die Flüssigkristallschicht und/oder die Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2 - unabhängig in welcher der vorgenannten Ausgestaltungen - in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen den jeweils möglichen Betriebszuständen ermöglicht wird, wodurch die vorn genannten mindestens zwei Bereiche ausgebildet werden können. Im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinheit würde dies heißen, dass beispielsweise nur ein Teil der Bildfläche zwischen einem privaten Modus für Sichtschutz und einem öffentlichen Modus mit keinem Sichtschutzeffekt, also für freie Sicht umgeschaltet werden kann, während der dazu komplementäre Teil der Bildfläche permanent in einem Sichtschutzmodus oder in keinem Sichtschutzmodus befindlich ist. Die Erfindung hilft hier, dass ein Betrachter keine „harte“ Kante zwischen den Bereichen wahrnimmt.As a rule, the switchable light filter, i.e., in particular the liquid crystal layer and/or the means for selectively generating at least a first electric field EF1 or a second electric field EF2—regardless of which of the aforementioned embodiments—is divided into several separately switchable segments, thus enabling local switching between the respectively possible operating states, whereby the aforementioned at least two regions can be formed. In conjunction with an image display unit, this would mean that, for example, only a portion of the image surface can be switched between a private mode for privacy protection and a public mode with no privacy protection effect, i.e., for an unobstructed view, while the complementary portion of the image surface is permanently in a privacy protection mode or in no privacy protection mode. The invention helps here to ensure that a viewer does not perceive a "hard" edge between the regions.
Ferner ist es möglich, dass die Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2 auf wählbaren Abschnitten des schaltbaren Lichtfilters wahlweise weitere elektrische Felder EF3, EF4, ... erzeugen können, so dass für die Flüssigkristallschicht dritte, vierte und ggf. weitere Zustände erzeugt werden können, welche dann wiederum dritte vierte und ggf. weitere Absorptions- bzw. Transmissionscharakteristika des schaltbaren Lichtfilters hervorrufen.Furthermore, it is possible for the means for selectively generating at least one first electric field EF1 or one second electric field EF2 on selectable sections of the switchable light filter to selectively generate further electric Fields EF3, EF4, ... can be generated, so that third, fourth and possibly further states can be generated for the liquid crystal layer, which then in turn cause third, fourth and possibly further absorption or transmission characteristics of the switchable light filter.
Überdies kann ein schaltbarer Lichtfilter um ein dem ersten optischen Element baugleiches (oder auch bzgl. seiner Vorzugsrichtung variiertes) zweites optisches Element erweitert werden, zwischen denen sich die Flüssigkristallschicht befindet. Damit ist es möglich, wahlweise Winkelbeschränkungen in der Transmission zwischen einer und zwei Richtungen zu schalten.Furthermore, a switchable light filter can be extended by a second optical element identical to the first (or with a different preferred direction), between which the liquid crystal layer is located. This makes it possible to selectively switch angular restrictions in the transmission between one and two directions.
Idealerweise ist das erste optische Element (und wenn vorhanden, jedes weitere baugleiche optische Element) bzw. die Flüssigkristallschicht des schaltbaren Lichtfilters in ihrer Struktur nicht-periodisch aufgebaut. Dies wird inhärent erreicht, wenn diese Komponenten wie weiter oben beschrieben erzeugt werden und ist für die Vermeidung von unerwünschten optischen Effekten, etwa Moiré-Effekten, im Zusammenspiel etwa mit Bilgebern hilfreich.Ideally, the first optical element (and, if present, any further identical optical elements) or the liquid crystal layer of the switchable light filter has a non-periodic structure. This is inherently achieved when these components are manufactured as described above and is helpful for avoiding undesirable optical effects, such as moiré effects, in conjunction with image sensors, for example.
Für die ersten optischen Elemente kann weiterhin gelten, dass die jeweilige Vorzugsrichtung eines Übergangsdipolmoments in Abhängigkeit von dessen Position auf dem jeweiligen optischen Element wählbar ist.For the first optical elements, it may also be true that the respective preferred direction of a transition dipole moment can be selected depending on its position on the respective optical element.
In diesem Zusammenhang kann es besonders dienlich sein, dass jedes erste optische Element entlang einer wählbaren Referenzlinie auf dem jeweiligen ersten optischen Element in verschiedene Bereiche (A1, A2, ...) eingeteilt ist, wobei für jeden Bereich (A1, A2, ...) eine eigene Bereichs-Vorzugsrichtung wählbar ist, welche für alle innerhalb eines Bereiches (A1, A2, ...) liegenden Übergangsdipolmomente des entsprechenden ersten optischen Elements gilt, wobei alle Bereichs-Vorzugsrichtungen paarweise verschieden sind und bis auf eine Toleranz von maximal +/-10 Grad in Richtung eines Betrachters weisen. Innerhalb eines optischen Elements und innerhalb eines jeden dafür geltenden Bereichs sind demnach alle Übergangsdipolmomente mit einer Toleranz von maximal +/-10° jeweils parallel zu der dort geltenden Vorzugsrichtung ausgerichtet.In this context, it can be particularly useful for each first optical element to be divided into different regions (A1, A2, ...) along a selectable reference line on the respective first optical element, wherein a separate region preferred direction can be selected for each region (A1, A2, ...), which applies to all transition dipole moments of the corresponding first optical element within a region (A1, A2, ...), wherein all region preferred directions are different in pairs and point in the direction of an observer up to a tolerance of maximum +/-10 degrees. Within an optical element and within each region applicable to it, all transition dipole moments are therefore aligned parallel to the preferred direction applicable there, with a tolerance of maximum +/-10°.
Vorteilhaft entspricht die Bildwiedergabeeinheit einem LCD-Panel, dessen einer Polarisationsfilter dem Polarisationsfilter des schaltbaren Lichtfilters entspricht. Dabei kann es sich um den vorder- oder rückseitigen Polarisator im LCD-Aufbau handeln. Außerdem kann vorteilhaft der schaltbare Lichtfilter zwischen dem LCD-Panel und dessen Hintergrundbeleuchtung angeordnet sein, um zwischen einem ersten Betriebszustand für einen freien Sichtmodus und einem zweiten Betriebszustand für einen eingeschränkten Sichtmodus umzuschalten, weil das Licht der Hintergrundbeleuchtung aufgrund des schaltbaren Lichtfilters - beispielsweise bei Umschaltung in horizontaler Richtung - in horizontaler Richtung einmal fokussiert und einmal nicht fokussiert wird. Mit „Fokussierung“ ist dabei nicht eine Fokussierung nach Art von Linsen gemeint, sondern eine Einengung des Abstrahlbereichs bzw. Transmissionsbereiches über die Winkel.Advantageously, the image display unit corresponds to an LCD panel, one of whose polarization filters corresponds to the polarization filter of the switchable light filter. This can be the front or rear polarizer in the LCD structure. Furthermore, the switchable light filter can advantageously be arranged between the LCD panel and its backlight in order to switch between a first operating state for a free view mode and a second operating state for a restricted view mode, because the light from the backlight is sometimes focused and sometimes unfocused in the horizontal direction due to the switchable light filter - for example, when switching in the horizontal direction. "Focusing" does not mean focusing like a lens, but rather a narrowing of the radiation range or transmission range via the angles.
Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden.In principle, the performance of the invention is maintained if the parameters described above are varied within certain limits.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combinations indicated, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:
-
1 die Prinzipskizze eines beispielhaften schaltbaren Lichtfilters in Schnittdarstellung, -
2 eine Prinzipskizze in Draufsicht auf die Mittel zur Erzeugung von elektrischen Feldern in einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung, -
3 einen beispielhaften Graphen zur Transmission eines schaltbaren Lichtfilters im Stand der Technik, sowie -
4 einen beispielhaften Graphen zur Wirkung auf die Transmission des schaltbaren Lichtfilters.
-
1 the schematic diagram of an exemplary switchable light filter in sectional view, -
2 a schematic diagram in plan view of the means for generating electric fields in a further exemplary embodiment, -
3 an exemplary graph of the transmission of a switchable light filter in the prior art, as well as -
4 an example graph showing the effect on the transmission of the switchable light filter.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder.The drawings are not to scale and only represent schematic diagrams.
So zeigt
- - ein erstes optisches Element 1, seinerseits umfassend
- • eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten,
- • wobei die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand (insbesondere auch permanent) mit einer Toleranz von maximal 20° (bevorzugt maximal 10°) parallel zu einer für das erste optische Element wählbaren ersten Vorzugsrichtung (z.B. der Mittelsenkrechten auf das erste optische Element 1) ausgerichtet ist oder um diese herum variiert,
- • so dass Licht, welches in das erste optische Element 1 einfällt, in Abhängigkeit von seinem Polarisationszustand und von seiner Einfallsrichtung gegenüber dem ersten optischen Element 1 transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird,
- - Mittel SE1, SE2, ... (z.B. transparente Elektroden wie ITO-Schichten mit jeweils angeschlossener Ansteuerelektronik) zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, wobei für mindestens zwei Bereiche auf dem schaltbaren Lichtfilter 5 jeweils das erste oder das zweite elektrische Feld EF1, EF2 separat gewählt werden kann, insbesondere auch zum gleichen Zeitpunkt,
- - Eine (aus Betrachtungsrichtung von oben) hinter dem ersten optischen Element 1 angeordnete Flüssigkristallschicht 3, auf welche das erste elektrische Feld EF1 oder das zweite elektrische Feld EF2 wirkt und die in Abhängigkeit davon den Polarisationszustand von durch sie hindurchdringendem Licht beeinflusst,
- - so dass sich die Transmissionseigenschaften des schaltbaren Lichtfilters 5 zwischen einer ersten Betriebsart B1, in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden,
- - und so dass, wenn auf dem schaltbaren Lichtfilter 5 für mindestens einen ersten Bereich das erste elektrische Feld EF1 und mindestens einen zweiten Bereich das zweite elektrische Feld EF2 gewählt ist, für mindestens einen Übergangsbereich zwischen diesen mindestens zwei Bereichen ein elektrisches Feld EF3 anliegt (oder elektrische Felder EF3, EF4 ... anliegen), die von dem ersten und dem zweiten elektrischen Feld EF1, EF2 verschieden sind, so dass sich in diesem mindestens einen Übergangsbereich die Transmissionseigenschaften des schaltbaren Lichtfilters 5 von den Transmissionseigenschaften der ersten Betriebsart B1 und der zweiten Betriebsart B2 unterscheiden.
- - a first optical element 1, in turn comprising
- • a variety of light-absorbing transition dipole moments,
- • wherein the majority of the transition dipole moments are aligned at least in a first state (in particular also permanently) with a tolerance of a maximum of 20° (preferably a maximum of 10°) parallel to a first preferred direction selectable for the first optical element (e.g. the bisector of the first optical element 1) or vary around this,
- • so that light incident on the first optical element 1 is transmitted or at least partially absorbed depending on its polarization state and its direction of incidence relative to the first optical element 1,
- - means SE1, SE2, ... (e.g. transparent electrodes such as ITO layers with connected control electronics) for selectively generating at least one first electric field EF1 or one second electric field EF2, wherein for at least two areas on the switchable light filter 5 the first or the second electric field EF1, EF2 can be selected separately, in particular also at the same time,
- - A liquid crystal layer 3 arranged (from the viewing direction from above) behind the first optical element 1, on which the first electric field EF1 or the second electric field EF2 acts and which, depending thereon, influences the polarization state of light passing through it,
- - so that the transmission properties of the switchable light filter 5 differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, and a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied,
- - and so that, if the first electric field EF1 is selected on the switchable light filter 5 for at least a first region and the second electric field EF2 is selected for at least a second region, an electric field EF3 is present (or electric fields EF3, EF4 ... are present) for at least one transition region between these at least two regions, which are different from the first and the second electric field EF1, EF2, so that in this at least one transition region the transmission properties of the switchable light filter 5 differ from the transmission properties of the first operating mode B1 and the second operating mode B2.
In
Die Substrate S können aus Polymer oder Glas bestehen und grundsätzlich auch an anderer Stelle im Aufbau angeordnet sein.The substrates S can be made of polymer or glass and can in principle also be arranged at other locations in the structure.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist weiterhin ein -zeichnerisch nicht dargestellter- Polarisationsfilter P vorhanden. Alternativ kann auch eine λ/4-Verzögerungsschicht vorhanden sein, um ggf. aus zirkular polarisiertem Licht linear polarisiertes Licht zu erzeugen, je nach den Eigenschaften des aus einer entsprechenden Lichtquelle herrührenden Lichtes.In a preferred embodiment, a polarization filter P (not shown in the drawing) is also present. Alternatively, a λ/4 retardation layer may also be present in order to generate linearly polarized light from circularly polarized light, if necessary, depending on the properties of the light originating from a corresponding light source.
Vorteilhaft gilt bei den Verhältnissen gemäß
Wie in
Mit „Nähe“ ist hier eine maximale Entfernung von zehn Prozent der größten Ausdehnung der Flüssigkristallschicht 3 gemeint, bevorzugt maximal 5 Prozent. Dies gilt auch für alle folgenden Fälle."Proximity" here means a maximum distance of ten percent of the largest dimension of the liquid crystal layer 3, preferably a maximum of 5 percent. This also applies to all subsequent cases.
Mittels der vorgenannte Ausgestaltungen unter Verwendung einer oder zweier unterbrochener transparenter Elektroden wird sichergestellt, dass, wenn auf dem schaltbaren Lichtfilter 5 gleichzeitig für mindestens einen ersten Bereich das erste elektrische Feld EF1 und mindestens einen zweiten Bereich das zweite elektrische Feld EF2 gewählt ist, für mindestens einen Übergangsbereich zwischen den mindestens zwei Bereichen ein elektrisches Feld EF3 anliegt (oder elektrische Felder EF3, EF4 ... anliegen), die von dem ersten und dem zweiten elektrischen Feld EF1, EF2 verschieden sind, was für die Umsetzung der Erfindung essentiell ist. Die vorgenannte Auflistung an Ausgestaltungen ist jedoch nicht abschließend; es können noch weitere Konfigurationen gefunden werden, die den vorgenannten Effekt erzielen, etwa durch Ergänzung einer weiteren transparenten Elektrode in der Nähe des Übergangsbereiches.By means of the aforementioned embodiments using one or two interrupted transparent electrodes, it is ensured that if the first electric field EF1 is selected for at least a first region and the second electric field EF2 is selected for at least a second region on the switchable light filter 5, an electric field EF3 is applied (or electric fields EF3, EF4 ... are applied) for at least one transition region between the at least two regions, which is different from the first and second electric fields EF1, EF2, which is essential for the implementation of the invention. However, the aforementioned list of embodiments is not exhaustive; further configurations can be found that achieve the aforementioned effect, for example by adding another transparent electrode in the vicinity of the transition region.
Ferner ist es möglich, dass das erste elektrische Feld EF1 derart auf die Flüssigkristallschicht 3 wirkt, dass durch sie hindurchdringendes, linear polarisiertes Licht in seiner Polarisationsausrichtung um mindestens 86°, bevorzugt um mindestens 88°, gedreht wird, während das zweite elektrische Feld EF2 derart auf die Flüssigkristallschicht 3 wirkt, dass durch sie hindurchdringendes, linear polarisiertes Licht in seiner Polarisationsausrichtung um nicht mehr als 4°, bevorzugt gar nicht, gedreht wird. Dabei ist es möglich, dass zum Beispiel entweder ein erstes elektrisches Feld EF1 oder ein zweites elektrisches Feld EF2 einen feldfreien Zustand für den ersten Bereich beschreibt, während das jeweils andere elektrische Feld eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, für den zweiten Bereich aufweist. Da sich das erste und das zweite elektrische Feld EF1, EF2 zwischen den beiden Bereichen unterscheiden, liegt im Übergangsbereich zwischen den mindestens zwei Bereichen ein elektrisches Feld EF3 an bzw. es liegen elektrische Felder EF3, EF4 ... an, die von dem ersten und dem zweiten elektrischen Feld EF1, EF2 verschieden sind, so dass sich in diesem mindestens einen Übergangsbereich die Transmissionseigenschaften des schaltbaren Lichtfilters 5 von den Transmissions-eigenschaften der ersten Betriebsart B1 und der zweiten Betriebsart B2 unterscheiden. Bei der Flüssigkristallschicht 3 handelt es sich beispielsweise um eine TN-Zelle oder um eine Vertical-Alignment-LC-Zelle, jeweils mit einer entsprechenden Ansteuerung. Andere Ausgestaltungen sind möglich.Furthermore, it is possible for the first electric field EF1 to act on the liquid crystal layer 3 in such a way that linearly polarized light penetrating it is rotated in its polarization orientation by at least 86°, preferably by at least 88°, while the second electric field EF2 to act on the liquid crystal layer 3 in such a way that linearly polarized light penetrating it is rotated in its polarization orientation by no more than 4°, preferably not at all. It is possible, for example, for either a first electric field EF1 or a second electric field EF2 to describe a field-free state for the first region, while the respective other electric field has an absolute field strength greater than zero, e.g., 0.5 MV/m, for the second region. Since the first and second electric fields EF1, EF2 differ between the two regions, an electric field EF3 is present in the transition region between the at least two regions, or electric fields EF3, EF4 ... are present that are different from the first and second electric fields EF1, EF2, so that in this at least one transition region, the transmission properties of the switchable light filter 5 differ from the transmission properties of the first operating mode B1 and the second operating mode B2. The liquid crystal layer 3 is, for example, a TN cell or a vertical alignment LC cell, each with a corresponding control. Other configurations are possible.
Mit einer vorgenannten Ausgestaltung ist es allgemein möglich, dass sich die winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des schaltbaren Lichtfilters 5 zwischen einer ersten Betriebsart B1, in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt, derart unterscheiden, dass sich die Transmissionen für einen jeweils wählbaren, aber stets gleichen Winkel, der von der Mittelsenkrechten auf den schaltbaren Lichtfilter 5 um mindestens 45° abweicht, zwischen beiden Betriebsarten um mindestens einen Faktor zehn, bevorzugt um mindestens einen Faktor 15, unterscheiden.With an aforementioned embodiment, it is generally possible for the angle-dependent transmission properties of the switchable light filter 5 to differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, and a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied, in such a way that the transmissions for a respectively selectable but always identical angle, which deviates from the mid-perpendicular to the switchable light filter 5 by at least 45°, differ between the two operating modes by at least a factor of ten, preferably by at least a factor of 15.
Die besagte erste Vorzugsrichtung kann vorteilhaft jeweils einen Winkel zwischen einschließlich 0° und einschließlich 45° zu einer Flächennormale des ersten optischen Elements einschließen. Fernerhin kann in besonderen Ausgestaltungen die erste Vorzugsrichtung über die Fläche des ersten optischen Elements hinweg variieren. Im Sinne der Erfindung gilt dann die über die Fläche durchschnittliche erste Vorzugsrichtung.Said first preferred direction can advantageously enclose an angle between 0° and 45° inclusive with a surface normal of the first optical element. Furthermore, in particular embodiments, the first preferred direction can vary across the surface of the first optical element. For the purposes of the invention, the first preferred direction averaged across the surface then applies.
Ferner gibt
Die
Dieses Problem wird durch die Erfindung gelöst:
Als Materialien im Sinne der Erfindung, welche fixierte oder ausrichtbare Übergangsdipolmomente enthalten, kommen beispielsweise dichroitische Farbstoffe oder Farbstoffmischungen in Frage, welche mit einem die Eigenschaften nicht beeinträchtigenden Trägermaterial kombiniert werden, beispielsweise mit Flüssigkristallen oder Polymeren. Das optische Element kann beispielsweise nur einen Farbstoff enthalten. Es können aber auch mehrere Farbstoffe, d.h. Farbstoffmischungen, in einem einzigen optischen Element enthalten sein. Die genannten Materialien relaxieren im Wesentlichen durch nicht strahlende Prozesse.Materials within the meaning of the invention that contain fixed or alignable transition dipole moments include, for example, dichroic dyes or dye mixtures combined with a carrier material that does not impair the properties, such as liquid crystals or polymers. The optical element can, for example, contain only one dye. However, multiple dyes, i.e., dye mixtures, can also be contained in a single optical element. These materials relax essentially through non-radiative processes.
Bei derartigen aktiven, also schaltbaren Lichtfiltern sind Volumendichten der Übergangsdipolmomente zwischen 0.1 % und 90 % basierend auf Flüssigkristallen im ersten optischen Element denkbar. Alternativ sind Ausgestaltungen eines ersten optischen Elements bzw. jeder Schicht darin denkbar, bei denen die Übergangsdipolmomente in einer Flüssigkeit eingebettet sind, welche einem Elektro-Wetting-Verfahren ausgesetzt sind. Auf diese Weise lässt sich insbesondere, aber nicht allein, die Dichte der Übergangsdipolmomente variieren.For such active, i.e., switchable, light filters, volume densities of the transition dipole moments between 0.1% and 90% based on liquid crystals in the first optical element are conceivable. Alternatively, configurations of a first optical element or each layer therein are conceivable in which the transition dipole moments are embedded in a liquid subjected to an electrowetting process. In this way, the density of the transition dipole moments can be varied, in particular, but not exclusively.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe: Es wurden schaltbare Lichtfilter bzw. deren Realisierungen beschrieben, bei welchen Licht, welches in sie einfällt, an verschiedenen Stellen auf dem Lichtfilter bzw. dem Bildschirm mit einem solchen Lichtfilter wahlweise transmittiert oder teilweise oder (nahezu) ganz absorbiert wird. Dabei werden sichtbare Kanten zwischen Bereichen verschiedener Transmissionsbereiche vermieden. Außerdem wurde ein entsprechender Bildschirm bzw. eine Beleuchtungseinrichtung beschrieben, dessen winkelabhängige Helligkeitsverteilung teilflächig verändert werden kann, wobei ebenso sichtbare Kanten zwischen in verschiedenen Modi befindlichen Bereichen vermieden werden.The invention solves the stated problem: Switchable light filters and their implementations have been described, in which light incident upon them is selectively transmitted or partially or (almost) completely absorbed at various locations on the light filter or screen. This avoids visible edges between areas of different transmission ranges. Furthermore, a corresponding screen or lighting device has been described whose angle-dependent brightness distribution can be partially modified, while also avoiding visible edges between areas in different modes.
Ferner sind der schaltbare Lichtfilter bzw. ihn verwendende Systeme preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar, um eine Umschaltung zwischen einem - mindestens in der in Bezug auf einen stehenden oder sitzenden Betrachter horizontalen Richtung bestehenden - Sichtschutz, d.h. einem eingeschränkten Betrachtungsmodus, und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms nicht herabgesetzt wird.Furthermore, the switchable light filter or systems using it can be implemented inexpensively and, in particular, can be used universally with different types of screens in order to enable switching between a visual protection - at least in the horizontal direction with respect to a standing or sitting viewer - i.e. a restricted viewing mode, and a free viewing mode, whereby the resolution of such a screen is not reduced.
Die vorstehend 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 wahlweise dem Fahrer oder Beifahrer störende Bildinhalte vorzuenthalten.The invention described above, in conjunction with an image display device, can be advantageously used wherever confidential data is displayed and/or entered, such as when entering a PIN or displaying data at ATMs or payment terminals, entering a password, or reading emails on mobile devices. The invention can also be used in cars to selectively withhold distracting image content from the driver or passenger.
Claims (10)
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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-
2024
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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