DE102023005411A1 - Switchable light filter, lighting device and screen with such a switchable light filter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen schaltbarer Lichtfilter (5, 5a), umfassend ein erstes optisches Element (1), seinerseits umfassend eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten, 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 zur wahlweisen Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes (EF1) oder eines zweiten elektrischen Feldes (EF2), eine vor oder 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, 5a) zwischen einer ersten Betriebsart B1, in welcher das erste elektrische Feld (EF1) anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das erste elektrische Feld (EF2) anliegt, unterscheiden, wobei
Verbesserungen für die Flüssigkristallschicht (3) bzw. den optischen Stack offenbart werden, um die Transmissionseigenschaften zu verbessern.
The invention relates to a switchable light filter (5, 5a) comprising a first optical element (1), in turn comprising a plurality of light-absorbing transition dipole moments, so that light which is 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 for selectively generating a first electric field (EF1) or a second electric field (EF2), a liquid crystal layer (3) arranged in front of or 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 penetrating through it, so that the transmission properties of the switchable light filter (5, 5a) differ between a first operating mode B1, in which the first electric field (EF1) is present, and a second operating mode B2, in which the first electric field (EF2) is present, wherein
Improvements for the liquid crystal layer (3) or the optical stack are disclosed in order to improve the transmission properties.
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 progress has 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 is also increasingly available on mobile devices such as notebooks and tablet PCs, such as bank details or other personal and sensitive data. Accordingly, people need control over who can see this sensitive data; they must be able to choose between a wide viewing angle - a public mode - to share information on their display with others, e.g. when looking at holiday photos or for advertising purposes. On the other hand, they need a small viewing angle - in 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 wants to consume this content while driving. Therefore, a screen is required that can switch between the corresponding display modes.
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 data protection. However, these films were not switchable or reversible; they always had to be applied by hand and then removed again. They also have to be transported separately to the display when they are not needed. A major disadvantage of using such louvre films is the associated loss of light.
Die
In der
In der
Die
Gemäß der
In der
Die
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 the "Electrical Birefringence (EDB)" technology is based on the idea of using the switchable liquid crystals of an additional LC panel to "filter" all light rays that do not emerge from the imaging layer at a specific beam angle. Disadvantages of this technology are high additional energy and cost expenditure and the difficulty of changing the +/-40° sweet spot, i.e. the best possible viewing position. The absorption level of the LC structures is also inadequate, since the attenuation of the light intensity increases again for viewing angles larger than the sweet spot, so that the light intensity for viewing angles larger than +/-40° is up to 3% of the maximum light intensity.
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.The aforementioned methods and arrangements generally have the disadvantage that they significantly reduce the brightness of the basic 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.
Beschreibung der ErfindungDescription of the Invention
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen schaltbaren Lichtfilter mit einem optischen Element zu beschreiben, bei dem Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung und seinen Polarisationseigenschaften - nicht aber in Abhängigkeit von seiner Position - transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird. Durch die schaltbaren Lichtfilter, welche das optische Element verwenden, soll die Transmission von Licht winkelabhängig - optional in Bezug auf einen sitzenden oder stehenden Betrachter senkrecht - beeinflusst werden, wobei hier zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Dabei soll die Transmission für bestimmte Ausbreitungsrichtungen des Lichts schaltbar sein.The object of the invention is therefore to describe a switchable light filter with an optical element in which light which is incident on the optical element is transmitted or partially or completely absorbed depending on its direction of incidence and its polarization properties - but not depending on its position. The switchable light filters which use the optical element are intended to influence the transmission of light depending on the angle - optionally perpendicular to a seated or standing observer - whereby it is possible to switch between at least two operating states. The transmission should be switchable for certain directions of light propagation.
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. Insbesondere sollen auch für Sichtpositionen, bei denen ein Betrachter nicht allein (aus seiner Sicht) horizontal schräg auf den schaltbaren Lichtfilter schaut, sondern gleichzeitig schräg von oben, eine Winkeleinschränkung von hoher Qualität erzielt und insgesamt eine gute Bildqualität erreicht werden für den Fall, dass ein schaltbarer Lichtfilter vor einer Bildwiedergabeeinrichtung angeordnet wird.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, not even slightly. In particular, a high-quality angle restriction should also be achieved for viewing positions in which a viewer does not only look horizontally (from his point of view) at an angle to the switchable light filter, but also at an angle from above, and good image quality should be achieved overall in the event that a switchable light filter is arranged in front of an image display device.
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,
- - 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 erste elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden,
- - wobei erfindungsgemäß mindestens eine der folgenden Maßnahmen im schaltbaren Lichtfilter umgesetzt ist:
- - die Flüssigkristallschicht umfasst mindestens eine TN-Zelle sowie einen Verzögerungsfilm, wobei der besagte Verzögerungsfilm die in der ersten Betriebsart B1 durch die TN-Zelle durchgeführte Polarisationsänderung für den schaltbaren Lichtfilter durchdringendes Licht zu mindestens 80% aufhebt (ideal sogar zu 90%, 95% oder mehr; dies kann z.B. mittels eines discotischen Films realisiert werden), oder
- - die
Flüssigkristallschicht 3, wenn sie beispielweise mittels PA, FFS-, IPS-, VA-, ADS- (oder vergleichbarer) Technologie realisiert wird, weist in der ersten Betriebsart B1 ihr Transmissionsmaximum in einem Winkel, der zwischen 20° und 80° zu Flächennormalen der Flüssigkristallschicht liegt, auf, so dass die Beeinflussung der Polarisation des den schaltbaren Lichtfilter durchdringenden Lichtes aufgrund der Flüssigkristallschicht für unter dem besagten Winkel, der zwischen 20° und 80° zu Flächennormalen der Flüssigkristallschicht liegt, einfallende Lichtstrahlen maximal ist, wodurch die Beeinflussung der winkelabhängigen Transmission durch das optische Element verstärkt wird, und/oder - - der schaltbare Lichtfilter umfasst weiterhin ein negativ dispersives optisches Element (z.B. einen negativ dispersiven Verzögerungsfilm), oder mehrere optische Elemente, die in der Zusammenwirkung wie ein negativ dispersives optisches Element wirken (dies kann erreicht werden durch die Kombination von verschiedenen Elementen mit unterschiedlich hoher Dispersion), so dass Farbverschiebungen des den schaltbaren Lichtfilter durchdringenden Lichtes (insbesondere im Fall von weißem oder polychrome Licht) mindestens teilweise kompensiert werden.
- - a first optical element, itself comprising
- - a multitude of light-absorbing transition dipole moments,
- - wherein the majority of the transition dipole moments are aligned parallel to a first preferred direction selectable for the first optical element or vary around it, at least in a first state (in particular also permanently) with a tolerance of a maximum of 20° (preferably a maximum of 10°),
- - so that light which is 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 a first electric field EF1 or a second electric field EF2,
- - 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 first electric field EF2 is applied,
- - wherein according to the invention at least one of the following measures is implemented in the switchable light filter:
- - the liquid crystal layer comprises at least one TN cell and a retarder film, wherein said retarder film has the the polarization change carried out by the TN cell in the first operating mode B1 cancels out light penetrating the switchable light filter by at least 80% (ideally even by 90%, 95% or more; this can be achieved by means of a discotic film, for example), or
- - the
liquid crystal layer 3, if it is realized for example by means of PA, FFS, IPS, VA, ADS (or comparable) technology, has its transmission maximum in the first operating mode B1 at an angle that lies between 20° and 80° to the surface normal of the liquid crystal layer, so that the influence of the polarization of the light penetrating the switchable light filter due to the liquid crystal layer is maximum for light rays incident at the said angle, which lies between 20° and 80° to the surface normal of the liquid crystal layer, whereby the influence of the angle-dependent transmission by the optical element is increased, and/or - - the switchable light filter further comprises a negatively dispersive optical element (e.g. a negatively dispersive retardation film), or several optical elements which act together like a negatively dispersive optical element (this can be achieved by combining different elements with different levels of dispersion), so that color shifts of the light penetrating the switchable light filter (in particular in the case of white or polychrome light) are at least partially compensated.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird im Folgenden weiter erklärt:The mode of action of the measures according to the invention is further explained below:
Um einen möglichst optimalen Sichtschutz zu erzielen, muss das elektrische Feld im sichteingeschränkten Modus zu einem möglichst großen Anteil in der Lichteinfallsebene schwingen. Eine Möglichkeit, Abweichungen von der linearen Polarisation sichtbar und messbar zu machen ist es, einen Polarisator senkrecht zu der gewünschten Polarisation auszurichten. Je geringer die Transmission nach dem senkrechten Polarisator, desto besser ist der Sichtschutz mit dem optischen Element.In order to achieve the best possible privacy protection, the electric field in the restricted-view mode must oscillate as much as possible in the plane of incidence of the light. One way to make deviations from linear polarization visible and measurable is to align a polarizer perpendicular to the desired polarization. The lower the transmission after the vertical polarizer, the better the privacy protection with the optical element.
Nematisch gedrehte Flüssigkristallzellen, die sich zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren befinden, haben den Nachteil, dass sie im schwarzen Zustand, d.h. im nicht transmittierenden Zustand zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren, unter nicht senkrechter Betrachtung eine hohe Transmission aufweisen. Je geringer die Transmission, desto stärker ist der Grad der linearen Polarisation. Diese hohe Schwarztransmission und damit die Abweichung von der linearen Polarisation wird durch eine unvollständige Ausrichtung der Flüssigkristalle durch das elektrische Feld nahe den Grenzflächen erzeugt. Die Polarisationsabweichungen können unter anderem mit discotischen Flüssigkristallschichten minimiert werden. Die genannten Schichten sind polymerisiert und die LC-Moleküle ändern nicht ihre Orientierung. Die Reduktion der Polarisationsänderung folgt der Idee, dass im feldbehafteten Zustand die Änderung der Polarisation durch die LC-Zelle mittels des discotischen LC-Films rückgängig gemacht wird. Dabei weisen die LC-Zelle im Feld behafteten Zustand und der discotische LC-Film die vom Betrag her gleiche Doppelbrechung mit unterschiedlichem Vorzeichen auf. Der beschriebene Lichtfilter benötigt für die optimale Funktion möglichst reine Polarisationszustände.Nematically twisted liquid crystal cells located between two crossed polarizers have the disadvantage that they have a high transmission when viewed non-perpendicularly in the black state, i.e. in the non-transmitting state between two crossed polarizers. The lower the transmission, the greater the degree of linear polarization. This high black transmission and thus the deviation from linear polarization is caused by incomplete alignment of the liquid crystals by the electric field near the interfaces. The polarization deviations can be minimized using discotic liquid crystal layers, among other things. The layers mentioned are polymerized and the LC molecules do not change their orientation. The reduction of the polarization change follows the idea that in the field-affected state, the change in polarization by the LC cell is reversed by means of the discotic LC film. The LC cell in the field-affected state and the discotic LC film have the same amount of birefringence with different signs. The light filter described requires the purest possible polarization states for optimal function.
Die genannten Flüssigkristallzelltypen ADS, FFS und IPS weisen im Vergleich zu TN-Anzeigen deutlich geringere (also bessere) Tranmissionen auf, das heißt, dass der Polarisationszustand des Lichts nach der LC-Zelle nur gering von der linearen Polarisation abweicht. Vom Konzept sind FFS-, IPS- und ADS-Flüssigkristallzellgeometrien im Wesentlichen gleich. Im feldfreien Zustand wird das lineare polarisierte Licht im Wesentlichen ohne Änderung der Polarisation transmittiert. Im feldbehafteten Zustand werden die Flüssigkristallmoleküle möglichst ausschließlich in Ebenen parallel zur Oberfläche gedreht. Bedingt durch die Anordnung der Elektroden ist die Drehung der LC-Moleküle unterschiedlich stark. Damit wird die Polarisation des Lichts unterschiedlich stark geändert. Typischerweise sind die LC-Zellen auf eine maximale Transmission unter senkrechtem Einfall optimiert. Für den vorliegenden Fall ist es jedoch von Vorteil, wenn die maximale Polarisationsänderung für nicht senkrechte Fälle erreicht wird. Das kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Zelldicke, der Doppelbrechung der LC-Moleküle oder eine Erhöhung der elektrischen Felder erreicht werden.The liquid crystal cell types ADS, FFS and IPS have significantly lower (i.e. better) transmissions compared to TN displays, which means that the polarization state of the light after the LC cell deviates only slightly from the linear polarization. In terms of concept, FFS, IPS and ADS liquid crystal cell geometries are essentially the same. In the field-free state, the linearly polarized light is transmitted essentially without any change in polarization. In the field-affected state, the liquid crystal molecules are rotated as far as possible exclusively in planes parallel to the surface. Due to the arrangement of the electrodes, the rotation of the LC molecules is different. This changes the polarization of the light to different degrees. Typically, the LC cells are optimized for maximum transmission under perpendicular incidence. For the present case, however, it is advantageous if the maximum polarization change is achieved for non-perpendicular cases. This can be achieved, for example, by increasing the cell thickness, the birefringence of the LC molecules or by increasing the electric fields.
Im Stand der Technik ist bekannt, dass die Leistungsfähigkeit durch die Nutzung von passiven Verzögerungsfiltern verbessert werden kann. Im vertikal ausgerichteten LC-Zellen wird die Leistungsfähigkeit verbessert, indem Verzögerungsplatten mit negativer Doppelbrechung die Doppelbrechung der LC-Zelle rückgängig machen. Die Verzögerungsplatte sorgt dafür, dass das Licht im möglichst linear transmittiert wird.It is known in the art that performance can be improved by using passive delay filters. In vertically aligned LC cells, performance is improved by using delay plates with negative birefringence to reverse the birefringence of the LC cell. The delay plate ensures that the light is transmitted as linearly as possible.
Die wesentliche Herausforderung bei der Umsetzung der beschriebenen Sichtschutzfilter in Bildschirmen ist, dass zahlreiche Komponenten strukturiert sind und nahe beieinander liegen, was oft zu Moiräartefakten führt. Um Mehrfarbigkeit zu erreichen, bilden in der Regel drei Subpixel einen Vollpixel. Hierbei ist es wichtig, dass die einzelnen Subpixel elektrisch und optisch voneinander isoliert werden, um Farbverfälschungen vorzubeugen und einen möglichst großen Teil des Farbraums abdecken zu können. Technisch wird das durch eine schwarze Maske zwischen benachbarten Subpixeln erreicht. Im Falle der LC-Zelle für die Kontrolle des Sichtschutzes, mithin also für die Flüssigkristallschicht im schaltbaren Lichtfilter, ist die starke Isolation benachbarter Pixel nicht notwendig. Die schwarze Maske kann kleiner ausgelegt werden.The main challenge in implementing the described privacy filters in screens is that numerous components are structured and located close to each other, which often leads to moiré artifacts. To achieve multi-color, three subpixels usually form a full pixel. It is important that the individual Subpixels are electrically and optically isolated from each other to prevent color distortions and to be able to cover as large a part of the color space as possible. Technically, this is achieved by a black mask between neighboring subpixels. In the case of the LC cell for controlling the privacy screen, i.e. for the liquid crystal layer in the switchable light filter, the strong isolation of neighboring pixels is not necessary. The black mask can be made smaller.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist weiterhin ein Polarisationsfilter vorhanden, welcher dem ersten optischen Element in der Einfallsrichtung gesehen vor- oder nachgeordnet sein kann. 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.
Ferner ist es vorteilhaft, den vorbeschriebenen schaltbaren Lichtfilter so zu nutzen, dass
- - in einer ersten Betriebsart B1, in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, einerseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht (im Falle von elliptisch polarisiertem Licht sollten die Verhältnisse der Beträge Halbachsen mindestens 1:4 betragen, besser mindestens 1:10 oder größer), welches parallel zur ersten Vorzugsrichtung in den schaltbaren Lichtfilter einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und andererseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches in mindestens einem ersten Winkel von mehr als 35° zu der ersten Vorzugsrichtung, der in einer ersten Ebene liegt, in den schaltbaren Lichtfilter einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, und dass
- - in einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt, einerseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches parallel zu der ersten Vorzugsrichtung in den schaltbaren Lichtfilters einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und andererseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches in mindestens einem zweiten Winkel von mehr als 35° zu der ersten Vorzugsrichtung, der in einer zweiten Ebene liegt, in den schaltbaren Lichtfilter einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei die erste und die zweite Ebene sich in
einem Winkel von 80° bis 100° schneiden, so dass sich die Richtungen der Absorption für die erste Betriebsart B1 und die zweite Betriebsart B2 um jeweils 80° bis 100° unterscheiden.
- - in a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, on the one hand linearly or elliptically polarized light (in the case of elliptically polarized light, the ratios of the semi-axes should be at least 1:4, better at least 1:10 or greater), which is incident on the switchable light filter parallel to the first preferred direction, is transmitted to at least 24% and on the other hand linearly or elliptically polarized light which is incident on the switchable light filter at at least a first angle of more than 35° to the first preferred direction, which lies in a first plane, is absorbed to at least 85%, and that
- - in a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied, on the one hand linearly or elliptically polarized light which is incident on the switchable light filter parallel to the first preferred direction is transmitted to at least 24% and on the other hand linearly or elliptically polarized light which is incident on the switchable light filter at at least a second angle of more than 35° to the first preferred direction, which lies in a second plane, is absorbed to at least 85%, wherein the first and the second plane intersect at an angle of 80° to 100°, so that the directions of absorption for the first operating mode B1 and the second operating mode B2 differ by 80° to 100° in each case.
Die besagte erste Vorzugsrichtung kann vorteilhaft jeweils einen Winkel zwischen einschließlich 0° und einschließlich 45° zu einer Flächennormale des optischen Elements einschließen. Fernerhin kann in besonderen Ausgestaltungen die erste Vorzugsrichtung über die Fläche des optischen Elements hinweg variieren. Im Sinne der Erfindung gilt dann die über die Fläche durchschnittliche erste Vorzugsrichtung.The said first preferred direction can advantageously enclose an angle between 0° and 45° inclusive to a surface normal of the optical element. Furthermore, in special embodiments, the first preferred direction can vary across the surface of the optical element. In the sense 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 Ausgangszustand - in der Regel dem Grundzustand - und einem Endzustand - 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 and is assigned to a specific transition between an initial state - usually the ground state - and a final state - usually an excited state - of a system, i.e. an atom, molecule or solid, and corresponds macroscopically 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 with a given polarization, for example absorbing 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, where 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.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 are, for example, dichroic dyes or dye mixtures which are combined with a carrier material that does not impair the properties, for example with 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, also nicht schaltbaren optischen Element kann die Volumendichte der Übergangsdipole gegen 100% gehen.The extinction, i.e. the absorption, of the 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 the said transition dipole moments, their strength or the refractive index in the layers of the optical element can vary. In a passive, i.e. non-switchable optical element, the volume density of the transition dipoles can approach 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 nicht die Oberfläche des optischen Elements, sondern eine Ebene, in welcher die Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle liegt, wobei die Oberfläche des 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 zwar in seiner Gesamtheit der Lichtwellen 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 optischen Elements mit den solchermaßen senkrecht zur Oberfläche des optischen Elements ausgerichteten Übergangsdipolmomenten tritt das Licht in Wechselwirkung mit dem 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 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 optische Element nicht parallel zu Übergangsdipolmomenten passiert, wird demnach bei Durchtritt durch das optische Element mit Übergangsdipolmomenten, die parallel zur Einfallsebene des Lichts ausgerichtet sind, wenigsten teilweise s-polarisiert.For the simplified modeling of the transmission, it is assumed that the transition dipole moments in the optical element are parallel to the plane of incidence of the light on the optical element are oriented. The plane of incidence does not refer to the surface of the optical element, but rather a plane in which the direction of propagation of the light wave lies, with the surface of the 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-electric oscillation component, both of which are perpendicular to one another and perpendicular to the direction of propagation. Light that hits the optical element is initially unpolarized in its entirety as light waves, i.e. the oscillation directions of the transverse-electric - and accordingly also the transverse-magnetic - components are statistically distributed. When it hits the surface of the optical element with the transition dipole moments aligned perpendicular to the surface of the optical element, the light interacts with the optical element or the transition dipole moments of the material contained therein and is polarized. The oscillation components that lie in the plane of incidence are absorbed. Light that is polarized parallel to the plane of incidence, ie 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 optical element - ie transversely electric or s-polarized, is completely transmitted or only absorbed to a significantly reduced extent. Unpolarized light that does not pass through the optical element parallel to transition dipole moments is therefore at least partially s-polarized when it passes through the optical element with transition dipole moments that are aligned parallel to the plane of incidence of the light.
Diese Eigenschaft ist essenziell bei allen Ausgestaltungen der Erfindung. Im Folgenden wird die Transmission von p-polarisiertem Licht mit einer eingestrahlten Intensität Io(a) modelliert. Die Transmission von Licht durch eine absorbierende Schicht wird durch das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben:
Hierin ist α der Winkel zwischen Propagationsrichtung und Flächennormale, d(α) die optische Weglänge in Abhängigkeit der Ausbreitungsrichtung, N die Anzahl von absorbierenden Molekülen pro Volumen und αabs(α) der Absorptionsquerschnitt in Abhängigkeit des Einfallswinkels. Mit Hilfe des Snellschen Brechungsgesetzes kann aus dem Einfallswinkel β der Propagationswinkel im Medium α berechnet werden. Daraus ergibt sich dann aus der Gleichung des Übergangsdipolmoments und der Änderung des optischen Weges:
Ein erstes optisches Element kann beispielsweise als Laminat von Schichten von Polymerfolienpolarisatoren ausgebildet werden. Andere Herstellungsvarianten und materielle Ausgestaltungen sind selbstverständlich möglich. Alternativ oder in Kombination kann das optische Element auch durch Fotoausrichtung von Molekülen oder Partikeln hergestellt werden.A first optical element can be formed, for example, as a laminate of layers of polymer film polarizers. Other manufacturing variants and material designs are of course possible. Alternatively or in combination, the optical element can also be produced by photo-alignment of molecules or particles.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst von einer zweiten Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters, umfassend
- - ein erstes optisches Element, welches
- - eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten, die in Form von Molekülen einer und/oder in Form eines oder mehrerer dichroitischer Farbstoffe ausgebildet sind, umfasst,
- - wobei die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand 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 und transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird,
- - wobei die Übergangsdipolmomente in eine Flüssigkristallschicht eingebettet sind, so dass die Übergangsdipolmomente in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Betrag zwischen dem ersten und mindestens einem zweiten Zustand variiert werden können, um das erste optische Element alternativ in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können,
- - Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, wobei für das erste optische Element der erste Zustand durch Anlegen des ersten elektrischen Feldes EF1 und der zweite Zustand durch Anlegen des zweiten elektrischen Feldes EF2 erzeugt wird, 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 erste elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden,
- - wobei erfindungsgemäß mindestens eine der folgenden Maßnahmen im schaltbaren Lichtfilter der zweiten Ausgestaltung umgesetzt ist:
- - die Flüssigkristallschicht umfasst mindestens eine TN-Zelle sowie einen Verzögerungsfilm, wobei der besagte Verzögerungsfilm die in der ersten Betriebsart B1 durch die TN-Zelle durchgeführte Polarisationsänderung für den schaltbaren Lichtfilter 5a durchdringendes Licht zu
mindestens 80% aufhebt (bevorzugt sogar zu 90%, 95% oder mehr; dies kann z.B. mittels eines discotischen Films realisiert werden), oder - - die Flüssigkristallschicht 3a, wenn sie beispielweise als mittels PA-, FFS-, IPS-, VA-, ADS- (oder vergleichbarer) Technologie realisiert wird, weist in der ersten Betriebsart B1 ihr Transmissionsmaximum in einem Winkel, der zwischen 20° und 80° zu Flächennormalen der Flüssigkristallschicht liegt, auf, so dass die Beeinflussung der Polarisation des den schaltbaren Lichtfilter durchdringenden Lichtes aufgrund der Flüssigkristallschicht für unter dem besagten Winkel, der zwischen 20° und 80° zu Flächennormalen der Flüssigkristallschicht liegt, einfallende Lichtstrahlen maximal ist, wodurch die Beeinflussung der winkelabhängigen Transmission durch das optische Element verstärkt wird, und/oder
- - der schaltbare Lichtfilter umfasst weiterhin ein negativ dispersives optisches Element (z.B. einen negativ dispersiven Verzögerungsfilm), oder mehrere optische Elemente, die in der Zusammenwirkung wie ein negativ dispersives optisches Element wirken (dies kann erreicht werden durch die Kombination von verschiedenen Elementen mit unterschiedlich hoher Dispersion), so dass Farbverschiebungen des den schaltbaren Lichtfilter durchdringenden Lichtes (insbesondere im Fall von weißem oder buntem Licht) mindestens teilweise kompensiert werden.
- - die Flüssigkristallschicht umfasst mindestens eine TN-Zelle sowie einen Verzögerungsfilm, wobei der besagte Verzögerungsfilm die in der ersten Betriebsart B1 durch die TN-Zelle durchgeführte Polarisationsänderung für den schaltbaren Lichtfilter 5a durchdringendes Licht zu
- - a first optical element which
- - a plurality of light-absorbing transition dipole moments which are formed in the form of molecules of one and/or in the form of one or more dichroic dyes,
- - wherein the majority of the transition dipole moments are aligned parallel to or vary around a first preferred direction selectable for the first optical element, at least in a first state, with a tolerance of a maximum of 20° (preferably a maximum of 10°),
- - so that light which is 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,
- - wherein the transition dipole moments are embedded in a liquid crystal layer, so that the transition dipole moments can be varied in their orientation and/or their amount between the first and at least one second state in order to be able to alternatively place the first optical element into at least two different states,
- - Means for selectively generating at least a first electric field EF1 or a second electric field EF2, wherein for the first optical element the first state is generated by applying the first electric field EF1 and the second state is generated by applying the second electric field EF2, so that the transmission properties of the switchable
light filter 5 can be switched between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, and a second Operating mode B2, in which the first electric field EF2 is applied, - - wherein according to the invention at least one of the following measures is implemented in the switchable light filter of the second embodiment:
- - the liquid crystal layer comprises at least one TN cell and a retarder film, wherein said retarder film cancels the polarization change carried out by the TN cell in the first operating mode B1 for light penetrating the switchable light filter 5a by at least 80% (preferably even by 90%, 95% or more; this can be realized e.g. by means of a discotic film), or
- - the liquid crystal layer 3a, if it is realized, for example, using PA, FFS, IPS, VA, ADS (or comparable) technology, has its transmission maximum in the first operating mode B1 at an angle that lies between 20° and 80° to the surface normal of the liquid crystal layer, so that the influence of the polarization of the light penetrating the switchable light filter due to the liquid crystal layer is maximum for light rays incident at the said angle, which lies between 20° and 80° to the surface normal of the liquid crystal layer, whereby the influence of the angle-dependent transmission by the optical element is increased, and/or
- - the switchable light filter further comprises a negatively dispersive optical element (e.g. a negatively dispersive retardation film), or several optical elements which, when combined, act like a negatively dispersive optical element (this can be achieved by combining different elements with different levels of dispersion), so that color shifts of the light penetrating the switchable light filter (in particular in the case of white or colored light) are at least partially compensated.
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 in Flüssigkristalle der 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 einbettenden Oberflächen induziert. Ein mögliches Material für solche Oberflächen ist PMI.The transition dipole moments can - as described above - be formed as one or more dichroic dye(s), i.e. by such dye molecules, which are integrated in a guest-host arrangement in liquid crystals of the 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 surfaces embedding them. One possible material for such surfaces is PMI.
Allgemein kann man hiervon 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:
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.N. Saba, M. Jawaid, O. Y. Alothman, M. T. Paridah, and A. Hassan, „Recent advances in epoxy resin, naturalfiber-reinforced epoxy composites and their applications,“ Journal of Reinforced Plasticsand Composites, vol. 35, no. 6, 2015 -
.C. Carfagna, E. Amendola, and M. Giamberini, „Liquid crystalline epoxy based thermosetting polymers,“ Progress in Polymer Science, vol. 22, pp. 1607-1647, 1997 -
.V. P. Shibaev and A. Yu. Bobrovsky, „Liquid crystalline polymers: development trends and photocontrollable materials,“ Russian Chemical Reviews, vol. 86, pp. 1024-1072, 2017 -
.T. Ikeda, J.-i. Mamiya, and Y. Yu, „Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers,“ Angew. Chem. Int. Ed., vol. 46, pp. 506-528, 2007
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.N. Saba, M. Jawaid, OY Alothman, MT Paridah, and A. Hassan, "Recent advances in epoxy resin, natural fiber-reinforced epoxy composites and their applications," Journal of Reinforced Plasticsand Composites, vol. 35, no. 6, 2015 -
.C. Carfagna, E. Amendola, and M. Giamberini, “Liquid crystalline epoxy based thermosetting polymers,” Progress in Polymer Science, vol. 22, pp. 1607-1647, 1997 -
.VP Shibaev and A. Yu. Bobrovsky, “Liquid crystalline polymers: development trends and photocontrollable materials,” Russian Chemical Reviews, vol. 86, pp. 1024-1072, 2017 -
.T. Ikeda, J.-i. Mamiya, and Y. Yu, “Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers,” Angew. Chem. Int. Ed., vol. 46, pp. 506-528, 2007
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 a transition dipole or transition dipole moment is advantageously associated with each dye molecule, i.e. each dye molecule corresponds to a transition dipole or transition dipole 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 from 0.2 µm to 50 µm, preferably in the range from 0.5 µm to 20 µm, all marginal values included. The dyes or dye mixtures in the first optical element can also be formed differently in its different 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 P 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 P 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 in order to generate linearly polarized light from circularly polarized light, depending on the properties of the light originating from a corresponding light source.
Für eine Schaltbarkeit der optischen Wirkung des erfindungsgemäßen schaltbaren Lichtfilters werden in dieser zweiten Ausgestaltung der Erfindung also 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 oder ein zweites elektrisches Feld einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, aufweist.In order to switch the optical effect of the switchable light filter according to the invention, in this second embodiment of the invention the transition dipole moments in each layer are varied in their orientation and/or their amount 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 the liquid crystal cell with a homogeneous orientation on the surfaces and can be rotated therein between at least two states. The light-absorbing transition dipole moments are also rotated and can therefore assume at least two states of action. In particular in such embodiments it is conceivable that more than two states, e.g. three or eight states, each with different optical effects, are achieved. 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 or a second electric field describes a field-free state, whereby the other electric field has 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 optischen Element denkbar. Alternativ sind Ausgestaltungen eines 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.In 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 optical element are conceivable. Alternatively, designs of an optical element or each layer therein are conceivable in which the transition dipole moments are embedded in a liquid that is subjected to an electro-wetting process. In this way, in particular, but not only, the density of the transition dipole moments can be varied.
Ferner ist es auch in dieser zweiten Ausgestaltung des schaltbaren Lichtfilters vorteilhaft, diesen so zu nutzen, dass
- - in einer ersten Betriebsart B1, in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, einerseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht (im Falle von elliptisch polarisiertem Licht sollten die Verhältnisse der Beträge der Halbachsen mindestens 1:4 betragen, besser mindestens 1:10 oder größer), welches parallel zur ersten Vorzugsrichtung in den schaltbaren Lichtfilter einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und andererseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches in mindestens einem ersten Winkel von mehr als 35° zu der ersten Vorzugsrichtung, der in einer ersten Ebene liegt, in den schaltbaren Lichtfilter einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, und dass
- - in einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt, einerseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches parallel zu der ersten Vorzugsrichtung in den schaltbaren Lichtfilters einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und andererseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches in mindestens einem zweiten Winkel von mehr als 35° zu der ersten Vorzugsrichtung, der in einer zweiten Ebene liegt, in den schaltbaren Lichtfilter einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei die erste und die zweite Ebene sich in
einem Winkel von 80° bis 100° schneiden, so dass sich die Richtungen der Absorption für die erste Betriebsart B1 und die zweite Betriebsart B2 um jeweils 80° bis 100° unterscheiden.
- - in a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, on the one hand linearly or elliptically polarized light (in the case of elliptically polarized light, the ratios of the amounts of the semi-axes should be at least 1:4, better at least 1:10 or greater), which is incident on the switchable light filter parallel to the first preferred direction, is transmitted to at least 24% and on the other hand linearly or elliptically polarized light which is incident on the switchable light filter at at least a first angle of more than 35° to the first preferred direction, which lies in a first plane, is absorbed to at least 85%, and that
- - in a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied, on the one hand linearly or elliptically polarized light which is incident on the switchable light filter parallel to the first preferred direction is transmitted to at least 24% and on the other hand linearly or elliptically polarized light which is incident on the switchable light filter at at least a second angle of more than 35° to the first preferred direction, which lies in a second plane, is absorbed to at least 85%, wherein the first and the second plane intersect at an angle of 80° to 100°, so that the directions of absorption for the first operating mode B1 and the second operating mode B2 differ by 80° to 100° in each case.
Für besondere Anwendungsfälle können 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. 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.For special applications, 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 - can be divided into several separately switchable segments, so that local switching between the respective possible operating states is possible. In conjunction with an image display unit, this would mean that, for example, only part 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 a clear view, while the complementary part of the image surface is permanently in a privacy protection mode or in no privacy protection mode.
Ferner ist es möglich, dass die Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2 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 that the means for selectively generating at least a first electric field EF1 or a second electric field EF2 can selectively generate further electric fields EF3, EF4, ..., 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 die erste Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters 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, the first design of a switchable light filter can be expanded to include a second optical element that is identical to the first optical element (or has a different preferred direction) and between which the liquid crystal layer is located. This makes it possible to optionally switch angle restrictions in the transmission between one and two directions.
In analoger Weise kann auch die zweite Ausgestaltung eines schaltbaren Lichtfilters um eine zweite, der (ersten) Flüssigkristallschicht baugleiche Flüssigkristallschicht ergänzt werden. Damit ist es etwa möglich, wahlweise Winkelbeschränkungen in der Transmission zwischen keiner, einer und zwei Richtungen zu schalten.In an analogous manner, the second design of a switchable light filter can also be supplemented by a second liquid crystal layer that is identical in construction to the (first) liquid crystal layer. This makes it possible, for example, to optionally switch angle restrictions in the transmission between no, one and two directions.
Idealerweise ist das erste optische Element (und wenn vorhanden, jedes weitere baugleiche optische Element) in der ersten Ausgestaltung des schaltbaren Lichtfilters bzw. die Flüssigkristallschicht in der zweiten Ausgestaltung 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 Moire-Effekten, im Zusammenspiel etwa mit Bilgebern hilfreich.Ideally, the first optical element (and if present, every other identical optical element) in the first design of the switchable light filter or the liquid crystal layer in the second design of the switchable light filter is non-periodic in its structure. This is inherently achieved when these components are produced as described above and is helpful for avoiding undesirable optical effects, such as moiré effects, in interaction with image sensors, for example.
Für die ersten optischen Elemente der ersten und der zweiten Ausgestaltung 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 of the first and second embodiments, it may further apply 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 areas (A1, A2, ...) along a selectable reference line on the respective first optical element, whereby a separate area preferred direction can be selected for each area (A1, A2, ...), which applies to all transition dipole moments of the corresponding first optical element within an area (A1, A2, ...), whereby all area preferred directions are different in pairs and point in the direction of an observer up to a tolerance of a maximum of +/-10 degrees. Within an optical element and within each area applicable to it, all transition dipole moments are therefore aligned parallel to the preferred direction applicable there with a tolerance of a maximum of +/-10°.
Die Erfindung kann überdies vorteilhaft in einer Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm, die in mindestens zwei Betriebsarten BE1 für einen freien Sichtmodus und BE2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, angewendet werden. Diese umfasst
- - eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung, die einen schaltbaren Lichtfilter der ersten oder zweiten Ausgestaltung enthält, und Licht abstrahlt,
- - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist,
- - seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters angeordnete Leuchtmittel, und
- - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung oder vor dem Lichtleiter angeordneten linearen Polarisationsfilter, wodurch Licht, welches von der Hintergrundbeleuchtung ausgeht und den linearen Polarisationsfilter durchdringt, in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt wird,
- - wobei in der Betriebsart BE2 die Hintergrundbeleuchtung ein- und die Leuchtmittel ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart BE1 mindestens die Leuchtmittel eingeschaltet sind.
- - a surface-like backlight which contains a switchable light filter of the first or second embodiment and emits light,
- - a plate-shaped light guide located in front of the background lighting in the viewing direction, which has output coupling elements on at least one of the large surfaces and/or within its volume,
- - illuminants arranged laterally on at least one narrow side of the light guide, and
- - a linear polarisation filter arranged in front of the backlight or in front of the light guide in the viewing direction, whereby light emanating from the backlight and penetrating the linear polarisation filter is restricted in its propagation directions,
- - whereby in operating mode BE2 the backlight is on and the lamps are off, and whereby in operating mode BE1 at least the lamps are switched on.
In dieser Beleuchtungseinrichtung werden die Betriebsarten BE1 und BE2 dann entsprechend zu den Betriebsarten B2 und B1 des darin verbauten schaltbaren Lichtfilters korreliert.In this lighting device, the operating modes BE1 and BE2 are then correlated accordingly to the operating modes B2 and B1 of the switchable light filter installed therein.
Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung durch Kombination eines vorbeschriebenen schaltbaren Lichtfilters mit einer Bildwiedergabeeinheit zu einem Bildschirm. Ein solcher Bildschirm umfasst neben einem schaltbaren Lichtfilter, wie er vorangehend beschrieben wurde, eine dem schaltbaren Lichtfilter von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit. Die Betriebsmodi des vorangehend 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, beispielsweise mindestens in einem ersten Betriebsmodus für einen in horizontaler Richtung freien, öffentlichen Sichtmodus mit uneingeschränktem Abstrahl- bzw. Blickwinkelbereich und einem in horizontaler Richtung eingeschränkten, privaten Sichtmodus mit in horizontaler Richtung gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Abstrahl- bzw. Blickwinkelbereich, so dass Betrachter, die außerhalb dieses eingeschränkten Blickwinkelbereichs positioniert sind, nur im freien Sichtmodus Bildinhalte, welche auf dem Bildschirm dargestellt werden, wahrnehmen können.The invention is particularly important when a switchable light filter as described above is combined with an image display unit to form a screen. Such a screen comprises, in addition to a switchable light filter as described above, an image display unit arranged upstream or downstream of the switchable light filter as seen by a viewer. 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 already mentioned above, depending on the design of the switchable light filter used, for example at least in a first operating mode for a horizontally free, public viewing mode with unrestricted radiation or viewing angle range and a horizontally restricted private viewing mode with a horizontally restricted radiation or viewing angle range compared to the free viewing mode, so that viewers positioned outside this restricted viewing angle range can only perceive image content displayed on the screen in the free viewing mode.
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.The image display unit advantageously 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. In addition, 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 viewing mode and a second operating state for a restricted viewing mode, because the light from the backlight is sometimes focused and sometimes not focused in the horizontal direction due to the switchable light filter - for example when switching in the horizontal direction. "Focusing" does not mean focusing in the manner of lenses, but rather a narrowing of the radiation range or transmission range across the angles.
In diesem Sinne kann die Erfindung zum Einsatz kommen in einem ersten Bildschirm, der in mindestens zwei Betriebsarten BB1 für einen freien Sichtmodus und BB2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann. Dieser umfasst
- - eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung, die einen schaltbaren Lichtfilter der ersten oder der zweiten Ausgestaltung enthält, und Licht abstrahlt, und die optional direkt leuchtend aufgebaut ist,
- - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung angeordneten linearen Polarisationsfilter, wodurch Licht, welches von der Hintergrundbeleuchtung ausgeht und den linearen Polarisationsfilter durchdringt, in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt wird, und
- - eine transmissive Bildwiedergabeeinrichtung (z.B. ein LCD-Panel), welche in Betrachtungsrichtung vor dem Lichtleiter angeordnet ist, und nahe derer oder bevorzugt in welcher der lineare Polarisationsfilter angeordnet ist,
- - wobei in der Betriebsart BB2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart BB1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt.
- - a surface-like extended background lighting, which contains a switchable light filter of the first or second embodiment and emits light, and which is optionally designed to be directly luminous,
- - a linear polarization filter arranged in front of the backlight in the viewing direction, whereby light emanating from the backlight and penetrating the linear polarization filter is restricted in its propagation directions, and
- - a transmissive image display device (e.g. an LCD panel) which is arranged in front of the light guide in the viewing direction and near which or preferably in which the linear polarization filter is arranged,
- - where in the operating mode BB2 the second electric field EF2 is applied and where in the operating mode BB1 the first electric field EF1 is applied.
Auch bei einem solchen Bildschirm ist es möglich, dass der lineare Polarisationsfilter in der transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung angeordnet ist oder ein Teil von ihr ist.Even with such a screen, it is possible that the linear polarization filter is arranged in the transmissive image display device or is a part of it.
Außerdem findet die Erfindung Anwendung in einem zweiten Bildschirm, der in mindestens zwei Betriebsarten BB1 für einen freien Sichtmodus und BB2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann. Dieser umfasst
- - eine Bildwiedergabeeinrichtung,
- - in Betrachtungsrichtung vor der Bildwiedergabeeinrichtung einen schaltbaren Lichtfilter der ersten oder der zweiten Ausgestaltung,
- - wobei in der Betriebsart BB2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart BB1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt.
- - an image display device,
- - in the viewing direction in front of the image display device, a switchable light filter of the first or second embodiment,
- - where in the operating mode BB2 the second electric field EF2 is applied and where in the operating mode BB1 the first electric field EF1 is applied.
Bei der Bildwiedergabeeinheit kann es sich alternativ um ein OLED, einen SED-Bildschirm, 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 SED screen, a field emission screen (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 type of screen can also be used. Such a screen is advantageously used in a mobile device, a motor vehicle, aircraft or water vehicle, in a payment terminal or in an access system. It is possible to switch between the above-mentioned operating modes in order to protect sensitive data, i.e. to display it so that it is perceptible to only one viewer, or alternatively to display image content simultaneously for several viewers.
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 specified, 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, -
2a und2b die Simulationen einer beispielhaften, gedrehten nematischen Flüssigkristallzelle, sowie -
3a und3b die beispielhafte (simulierte) Dispersion von Halbwellenplatten.
-
1 the schematic diagram of an exemplary switchable light filter, -
2a and2b the simulations of an exemplary twisted nematic liquid crystal cell, as well as -
3a and3b the exemplary (simulated) dispersion of half-wave plates.
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 merely represent schematic diagrams.
- - ein erstes optisches
Element 1, seinerseits umfassend- - eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten,
- - wobei die Mehrzahl (bevorzugt sogar mehr als 95%) der Übergangsdipolmomente (permanent) mit einer Toleranz von maximal 20° (bevorzugt maximal 10°) parallel zu einer für das erste optische
Element 1 wählbaren ersten Vorzugsrichtung 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 optischenElement 1 transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird,
- - (zeichnerisch nicht dargestellte) Mittel zur wahlweisen Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, z.B. ITO-Schichten, welche mit einem Signalgenerator verbunden sind,
- - eine vor oder hinter dem ersten optischen
Element 1angeordnete 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 erste elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden,
- - wobei mindestens eine der folgenden Maßnahmen
im schaltbaren Lichtfilter 5 umgesetzt ist:- - die
Flüssigkristallschicht 3 umfasst mindestens eine TN-Zelle sowie einen (zeichnerisch nicht dargestellten) Verzögerungsfilm, wobei der besagte Verzögerungsfilm die in der ersten Betriebsart B1 durch die TN-Zelle durchgeführte Polarisationsänderung fürden schaltbaren Lichtfilter 5 durchdringendes Licht zu mindestens 90% aufhebt (ideal sogar zu 95%, 99% oder mehr; dies kann z.B. mittels eines discotischen Films realisiert werden), oder - - die
Flüssigkristallschicht 3, wenn sie beispielweise mittels PA, FFS-, IPS-, VA-ADS- (oder vergleichbarer) Technologie realisiert wird, weist in der ersten Betriebsart B1 ihr Transmissionsmaximum in einem Winkel, der zwischen 20° und 80° zu Flächennormalen der Flüssigkristallschicht 3 liegt, auf, so dass die Beeinflussung der Polarisation desden schaltbaren Lichtfilter 5 durchdringenden Lichtes aufgrund der Flüssigkristallschicht 3 für unter dem besagten Winkel, der zwischen 20° und 80° zu Flächennormalen der Flüssigkristallschicht 3 liegt, einfallende Lichtstrahlen maximal ist, wodurch die Beeinflussung der winkelabhängigen Transmission durchdas optische Element 1 verstärkt wird, und/oder - - der schaltbare Lichtfilter 5 umfasst weiterhin ein negativ dispersives optisches Element (z.B. einen negativ dispersiven Verzögerungsfilm), oder mehrere optische Elemente, die in der Zusammenwirkung wie ein negativ dispersives optisches Element wirken (dies kann erreicht werden durch die Kombination von verschiedenen Elementen mit unterschiedlich hoher Dispersion), so dass Farbverschiebungen des
den schaltbaren Lichtfilter 5 durchdringenden Lichtes (insbesondere im Fall von weißem oder polychrome Licht) mindestens teilweise kompensiert werden.
- - die
- - a first
optical element 1, itself comprising- - a multitude of light-absorbing transition dipole moments,
- - wherein the majority (preferably even more than 95%) of the transition dipole moments are (permanently) aligned 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 1 or vary around this, - - so that light which is 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 firstoptical element 1,
- - (not shown in the drawing) means for selectively generating a first electric field EF1 or a second electric field EF2, e.g. ITO layers, which are connected to a signal generator,
- - a
liquid crystal layer 3 arranged in front of or behind the firstoptical 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 first electric field EF2 is applied, - - wherein at least one of the following measures is implemented in the switchable light filter 5:
- - the
liquid crystal layer 3 comprises at least one TN cell and a retarder film (not shown in the drawing), wherein the said retarder film cancels the polarization change carried out by the TN cell in the first operating mode B1 for light penetrating the switchablelight filter 5 by at least 90% (ideally even by 95%, 99% or more; this can be realized e.g. by means of a discotic film), or - - the
liquid crystal layer 3, if it is realized for example by means of PA, FFS, IPS, VA-ADS (or comparable) technology, has its transmission maximum in the first operating mode B1 at an angle that lies between 20° and 80° to the surface normal of theliquid crystal layer 3, so that the influence of the polarization of the light penetrating the switchablelight filter 5 due to theliquid crystal layer 3 is maximum for light rays incident at the said angle, which lies between 20° and 80° to the surface normal of theliquid crystal layer 3, whereby the influence of the angle-dependent transmission by theoptical element 1 is increased, and/or - - the switchable
light filter 5 further comprises a negatively dispersive optical element (eg a negatively dispersive retardation film), or several optical elements which act together like a negatively dispersive optical element (this can be achieved by combining different elements with different levels of dispersion), so that color shifts of the light penetrating the switchable light filter 5 (in particular in the case of white or polychrome light) can be at least partially compensated.
- - the
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist weiterhin ein Polarisationsfilter vorhanden, welcher dem ersten optischen Element 1 in der Einfallsrichtung gesehen vor- oder nachgeordnet sein kann.In a preferred embodiment, a polarization filter is also present, which can be arranged upstream or downstream of the first
Die Wirkungsweise der vorgenannten Maßnahmen wird im Folgenden näher erklärt: Um einen möglichst optimalen Sichtschutz zu erzielen, muss das elektrische Feld im sichteingeschränkten Modus zu einem möglichst großen Anteil in der Lichteinfallsebene schwingen. Eine Möglichkeit, Abweichungen von der linearen Polarisation sichtbar und messbar zu machen ist es, einen Polarisator senkrecht zu der gewünschten Polarisation auszurichten. Je geringer die Transmission nach dem senkrechten Polarisator, desto besser ist der Sichtschutz mit dem optischen Element.The way the aforementioned measures work is explained in more detail below: In order to achieve the best possible privacy protection, the electric field in the restricted-view mode must oscillate as much as possible in the plane of incidence of the light. One way to make deviations from linear polarization visible and measurable is to align a polarizer perpendicular to the desired polarization. The lower the transmission after the vertical polarizer, the better the privacy protection with the optical element.
Nematisch gedrehte Flüssigkristallzellen, die sich zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren befinden, haben den Nachteil, dass sie im schwarzen Zustand unter nicht senkrechter Betrachtung eine hohe Transmission aufweisen. Je geringer die Transmission, desto stärker ist der Grad der linearen Polarisation. Diese hohe Schwarztransmission und damit die Abweichung von der linearen Polarisation wird durch eine unvollständige Ausrichtung der Flüssigkristalle durch das elektrische Feld nahe den Grenzflächen erzeugt. Die Polarisationsabweichungen können unter anderem mit discotischen Flüssigkristallschichten minimiert werden. Die genannten Schichten sind polymerisiert und die LC-Moleküle ändern nicht ihre Orientierung. Die Reduktion der Polarisationsänderung folgt der Idee, dass im feldbehafteten Zustand die Änderung der Polarisation durch die LC-Zelle mittels des discotischen LC-Films rückgängig gemacht wird. Dabei weisen die LC-Zelle im Feld behafteten Zustand und der discotische LC-Film die vom Betrag her gleiche Doppelbrechung mit unterschiedlichem Vorzeichen auf. Der beschriebene schaltbare Lichtfilter benötigt für die optimale Funktion möglichst reine Polarisationszustände.Nematically twisted liquid crystal cells located between two crossed polarizers have the disadvantage that they have a high transmission in the black state when viewed from a non-perpendicular angle. The lower the transmission, the stronger the degree of linear polarization. This high black transmission and thus the deviation from linear polarization is caused by incomplete alignment of the liquid crystals by the electric field near the interfaces. The polarization deviations can be minimized using discotic liquid crystal layers, among other things. The layers mentioned are polymerized and the LC molecules do not change their orientation. The reduction of the polarization change follows the idea that in the field-affected state, the change in polarization by the LC cell is reversed by means of the discotic LC film. The LC cell in the field-affected state and the discotic LC film have the same amount of birefringence with different signs. The switchable light filter described requires polarization states that are as pure as possible to function optimally.
Dazu geben die Zeichnungen
Die beiden Zeichnungen
Im feldfreien Zustand ändert sich der Drehwinkel proportional mit der Entfernung der unteren Grenzfläche. Der Polarwinkel ist gleich dem Pretilt-Winkel und konstant über die gesamte Schichtdicke. Physikalisch gesehen wird die Ordnung durch die Wechselwirkung zwischen Grenzfläche und in deren Nähe befindlichen LC-Molekülen induziert. Durch Molekül-Molekül-Wechselwirklungen werden die Moleküle in der gesamten Schicht ausgerichtet.In the field-free state, the angle of rotation changes proportionally with the distance from the lower interface. The polar angle is equal to the pretilt angle and constant over the entire layer thickness. From a physical point of view, the order is induced by the interaction between the interface and the LC molecules located in its vicinity. Molecule-molecule interactions align the molecules throughout the layer.
Legt man ein elektrisches Feld an (z.B. das zweite elektrische Feld EF2), entsteht durch die hohe Polarität der LC-Moleküle entlang der langen Achse eine Kraft, die in Feldrichtung gerichtet ist. Die Ausrichtung der Moleküle wird durch das Gleichgewicht der intramolekularen Wechselwirkung und das elektrische Feld bestimmt. Für die Berechnung wird die freie Energie minimiert. In dem gezeigten Beispiel ist der maximale Neigungswinkel, welcher sich in der Mitte der Zelle befindet, 88°. Der Neigungswinkel nimmt von den Grenzflächen zur Mitte hin zu und weist dort den maximalen Wert auf. Der Drehwinkel (siehe
Zur lokalen Orientierung LC-Moleküle wird auf folgende Referenzen verwiesen:
- „
undOptics of Liquid Crystal Displays“ von Pochi Yeh und Claire Gu, John Wiley & Sons, 2009 - „
sowieDeformation of Nematic Liquid Crystals in an Electric Field“ von Heinz J. Deuling, Pages 123-131 | Received 02 Feb 1972, Published online: 28 Mar 2007 - „
.Deformation Pattern of Twisted Nematic Liquid Crystal Layers in an Electric Field“ von H. J. Deuling, Pages 81-93 | Received 30 Aug 1973, Published online: 21 Mar 2007
- "
andOptics of Liquid Crystal Displays” by Pochi Yeh and Claire Gu, John Wiley & Sons, 2009 - "
as well asDeformation of Nematic Liquid Crystals in an Electric Field” by Heinz J. Deuling, Pages 123-131 | Received 02 Feb 1972, Published online: 28 Mar 2007 - "
.Deformation Pattern of Twisted Nematic Liquid Crystal Layers in an Electric Field” by HJ Deuling, Pages 81-93 | Received 30 Aug 1973, Published online: 21 Mar 2007
Demgegenüber weisen die genannten Flüssigkristallzelltypen ADS, FFS und IPS im Vergleich zu TN-Anzeigen deutlich geringere Transmissionen (d.h. bessere Schwarzwerte) auf, das heißt, dass der Polarisationszustand des Lichts nach der LC-Zelle nur gering von der linearen Polarisation abweicht. Vom Konzept her sind FFS-, IPS- und ADS- Flüssigkristallzellgeometrien im Wesentlichen gleich. Im feldfreien Zustand wird das lineare polarisierte Licht im Wesentlichen ohne Änderung der Polarisation transmittiert. Im feldbehafteten Zustand werden die Flüssigkristallmoleküle möglichst ausschließlich in Ebenen parallel zur Oberfläche gedreht. Bedingt durch die Anordnung der Elektroden ist die Drehung der LC-Moleküle unterschiedlich stark. Damit wird die Polarisation des Lichts unterschiedlich stark geändert. Typischerweise sind derartige LC-Zellen auf eine maximale Transmission unter senkrechtem Einfall optimiert. Für den vorliegenden Fall ist es jedoch von Vorteil, wenn die maximale Polarisationsänderung für nicht senkrechte Fälle erreicht wird. Das kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Zelldicke, der Doppelbrechung der LC-Moleküle oder eine Erhöhung der elektrischen Felder erreicht werden. Im Stand der Technik ist bekannt, dass die Leistungsfähigkeit durch die Nutzung von passiven Verzögerungsplatten verbessert werden kann. Im vertikal ausgerichteten LC-Zellen wird die Leistungsfähigkeit verbessert, indem Verzögerungsplatten mit negativer Doppelbrechung die Doppelbrechung der LC-Zelle rückgängig machen. Die Verzögerungsplatte sorgt dafür, dass das Licht im möglichst linear transmittiert wird.In contrast, the liquid crystal cell types ADS, FFS and IPS have significantly lower transmissions (i.e. better black values) compared to TN displays, which means that the polarization state of the light after the LC cell deviates only slightly from linear polarization. In terms of concept, FFS, IPS and ADS liquid crystal cell geometries are essentially the same. In the field-free state, the linearly polarized light is transmitted essentially without any change in polarization. In the field-affected state, the liquid crystal molecules are rotated as exclusively as possible in planes parallel to the surface. Due to the arrangement of the electrodes, the rotation of the LC molecules is of varying strength. This changes the polarization of the light to varying degrees. Typically, such LC cells are optimized for maximum transmission under perpendicular incidence. For the present case, however, it is advantageous if the maximum polarization change is achieved for non-perpendicular cases. This can be achieved, for example, by increasing the cell thickness, the birefringence of the LC molecules or by increasing the electric fields. It is known in the state of the art that performance can be improved by using passive retardation plates. In vertically aligned LC cells, performance is improved by retardation plates with negative birefringence reversing the birefringence of the LC cell. The retardation plate ensures that the light is transmitted as linearly as possible.
Die Abbildungen
Besagte Abbildungen
- • Keine Dispersion: Die Brechzahldifferenz zwischen ordentlicher und außerordentlicher Brechzahl ist unabhängig von der Wellenlänge,
- • Positive Dispersion: Die Brechzahldifferenz zwischen ordentlicher und außerordentlicher Brechzahl wird größer mit kleiner werdender Wellenlänge,
- • Negative Dispersion: Die Brechzahldifferenz zwischen ordentlicher und außerordentlicher Brechzahl wird kleiner mit kleiner werdender Wellenlänge,
- • Ideale negative Dispersion: Die Brechzahldifferenz ordentlicher und außerordentlicher Brechzahl ist so angepasst, dass die Phasendifferenz zwischen den zwei linearen Polarisationen konstant für alle Wellenlängen konstant ist.
- • No dispersion: The difference in refractive index between ordinary and extraordinary refractive index is independent of the wavelength,
- • Positive dispersion: The difference in refractive index between ordinary and extraordinary refractive index increases with decreasing wavelength,
- • Negative dispersion: The difference in refractive index between ordinary and extraordinary refractive index becomes smaller with decreasing wavelength,
- • Ideal negative dispersion: The difference in refractive index between ordinary and extraordinary refractive indices is adjusted so that the phase difference between the two linear polarizations is constant for all wavelengths.
Für die in
Für die in
In beiden Fällen steht d die jeweilige Dicke der Halbwellenplatte, ne für die außerordentliche Brechzahl und no für die ordentliche Brechzahl, sowie λ für die jeweilige Wellenlänge.In both cases, d stands for the respective thickness of the half-wave plate, n e for the extraordinary refractive index and n o for the ordinary refractive index, and λ for the respective wavelength.
Ferner ist es vorteilhaft, den schaltbaren Lichtfilter 5 so zu nutzen, dass
- - in einer ersten Betriebsart B1, in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, einerseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht (im Falle von elliptisch polarisiertem Licht sollten die Verhältnisse der Beträge Halbachsen mindestens 1:4 betragen, besser mindestens 1:10 oder größer), welches parallel zur ersten Vorzugsrichtung in
den schaltbaren Lichtfilter 5 einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und andererseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches in mindestens einem ersten Winkel von mehr als 35° zu der ersten Vorzugsrichtung, der in einer ersten Ebene liegt, inden schaltbaren Lichtfilter 5 einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, und dass - - in einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt, einerseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches parallel zu der ersten Vorzugsrichtung in
den schaltbaren Lichtfilters 5 einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und andererseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches in mindestens einem zweiten Winkel von mehr als 35° zu der ersten Vorzugsrichtung, der in einer zweiten Ebene liegt, inden schaltbaren Lichtfilter 5 einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei die erste und die zweite Ebene sich ineinem Winkel von 80° bis 100° schneiden, so dass sich die Richtungen der
- - in a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, on the one hand linearly or elliptically polarized light (in the case of elliptically polarized light, the ratios of the semi-axes should be at least 1:4, better at least 1:10 or greater), which is incident parallel to the first preferred direction into the switchable
light filter 5, is transmitted to at least 24% and on the other hand linearly or elliptically polarized light which is incident at at least a first angle of more than 35° to the first preferred direction, which lies in a first plane, into the switchablelight filter 5 is absorbed to at least 85%, and that - - in a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied, on the one hand linearly or elliptically polarized light, which is incident parallel to the first preferred direction in the switchable
light filter 5, is transmitted to at least 24% and on the other hand linearly or elliptically polarized light, which is incident in at least at least a second angle of more than 35° to the first preferred direction, which lies in a second plane, is absorbed to at least 85% into the switchablelight filter 5, wherein the first and the second plane intersect at an angle of 80° to 100°, so that the directions of the
Die besagte erste Vorzugsrichtung kann vorteilhaft jeweils einen Winkel zwischen 0° und 45° zu einer Flächennormale des optischen Elements 1 einschließen. Fernerhin kann in besonderen Ausgestaltungen die erste Vorzugsrichtung über die Fläche des optischen Elements 1 hinweg variieren. Im Sinne der Erfindung gilt dann die über die Fläche durchschnittliche erste Vorzugsrichtung.The said first preferred direction can advantageously enclose an angle between 0° and 45° to a surface normal of the
Als Materialien im Sinne der Erfindung, welche fixierte oder -für die weiter unten beschriebene zweite Ausgestaltung von schaltbaren Lichtfiltern 5- 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 1 kann beispielsweise nur einen Farbstoff enthalten. Es können aber auch mehrere Farbstoffe, d.h. Farbstoffmischungen, in einem einzigen optischen Element 1 enthalten sein.Materials within the meaning of the invention which contain fixed or - for the second embodiment of switchable
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, also nicht schaltbaren optischen Element kann die Volumendichte der Übergangsdipole gegen 100% gehen.The extinction, i.e. the absorption, of the 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 the said transition dipole moments, their strength or the refractive index in the layers of the optical element can vary. In a passive, i.e. non-switchable optical element, the volume density of the transition dipoles can approach 100%.
Die
- - ein erstes optisches Element 1a, welches
- - eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten, die in Form von Molekülen einer und/oder in Form eines oder mehrerer dichroitischer Farbstoffe ausgebildet sind, umfasst,
- - wobei die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 20° (bevorzugt maximal 10°) parallel zu einer für das erste optische
Element 1 wählbaren ersten Vorzugsrichtung ausgerichtet ist oder um diese herum variiert,
- - so dass Licht, welches in das erste optische Element 1a einfällt, in Abhängigkeit von seinem Polarisationszustand und von seiner Einfallsrichtung gegenüber dem ersten optischen Element 1a und transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird,
- - wobei die Übergangsdipolmomente in eine Flüssigkristallschicht 3a eingebettet sind, so dass die Übergangsdipolmomente in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Betrag zwischen dem ersten und mindestens einem zweiten Zustand variiert werden können, um das erste optische Element 1a alternativ in mindestens zwei verschiedene Zustände versetzen zu können,
- - (zeichnerisch nicht dargestellte) Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, wobei für das erste optische Element 1a der erste Zustand durch Anlegen des ersten elektrischen Feldes EF1 und der zweite Zustand durch Anlegen des zweiten elektrischen Feldes EF2 erzeugt wird, so dass sich die Transmissionseigenschaften des schaltbaren Lichtfilters 5a zwischen einer ersten Betriebsart B1, in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das erste elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden,
- - wobei mindestens eine der folgenden Maßnahmen im schaltbaren Lichtfilter 5a der zweiten Ausgestaltung umgesetzt ist:
- - die Flüssigkristallschicht 3a umfasst mindestens eine TN-Zelle sowie einen (zeichnerisch nicht dargestellten) Verzögerungsfilm, wobei der besagte Verzögerungsfilm die in der ersten Betriebsart B1 durch die TN-Zelle durchgeführte Polarisationsänderung für den schaltbaren Lichtfilter 5a durchdringendes Licht zu
mindestens 80% aufhebt (bevorzugt sogar zu 90%, 95% oder mehr; dies kann z.B. mittels eines discotischen Films realisiert werden), oder - - die Flüssigkristallschicht 3a, wenn sie beispielweise als mittels PA-, FFS-, IPS-, VA-, ADS- (oder vergleichbarer) Technologie realisiert wird, weist in der ersten Betriebsart B1 ihr Transmissionsmaximum in einem Winkel, der zwischen 20° und 80° zu Flächennormalen der Flüssigkristallschicht 3a liegt, auf, so dass die Beeinflussung der Polarisation des den schaltbaren Lichtfilter 5a durchdringenden Lichtes aufgrund der Flüssigkristallschicht 3a für unter dem besagten Winkel, der zwischen 20° und 80° zu Flächennormalen der Flüssigkristallschicht 3a liegt, einfallende Lichtstrahlen maximal ist, wodurch die Beeinflussung der winkelabhängigen Transmission durch das optische Element 1a verstärkt wird, und/oder
- - der schaltbare Lichtfilter 5a umfasst weiterhin ein negativ dispersives optisches Element (z.B. einen negativ dispersiven Verzögerungsfilm), oder mehrere optische Elemente, die in der Zusammenwirkung wie ein negativ dispersives optisches Element wirken (dies kann erreicht werden durch die Kombination von verschiedenen Elementen mit unterschiedlich hoher Dispersion), so dass Farbverschiebungen des den schaltbaren Lichtfilter 5a durchdringenden Lichtes (insbesondere im Fall von weißem oder buntem Licht) mindestens teilweise kompensiert werden
- - die Flüssigkristallschicht 3a umfasst mindestens eine TN-Zelle sowie einen (zeichnerisch nicht dargestellten) Verzögerungsfilm, wobei der besagte Verzögerungsfilm die in der ersten Betriebsart B1 durch die TN-Zelle durchgeführte Polarisationsänderung für den schaltbaren Lichtfilter 5a durchdringendes Licht zu
- - a first optical element 1a, which
- - a plurality of light-absorbing transition dipole moments which are formed in the form of molecules of one and/or in the form of one or more dichroic dyes,
- - wherein the majority of the transition dipole moments are aligned parallel to a first preferred direction selectable for the first
optical element 1 or vary around it, at least in a first state, with a tolerance of a maximum of 20° (preferably a maximum of 10°),
- - so that light which is incident on the first optical element 1a is transmitted or at least partially absorbed depending on its polarization state and its direction of incidence relative to the first optical element 1a,
- - wherein the transition dipole moments are embedded in a liquid crystal layer 3a, so that the transition dipole moments can be varied in their orientation and/or their amount between the first and at least one second state in order to be able to alternatively place the first optical element 1a into at least two different states,
- - means (not shown in the drawing) for selectively generating at least a first electric field EF1 or a second electric field EF2, wherein for the first optical element 1a the first state is generated by applying the first electric field EF1 and the second state is generated by applying the second electric field EF2, so that the transmission properties of the switchable light filter 5a 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 first electric field EF2 is applied,
- - wherein at least one of the following measures is implemented in the switchable light filter 5a of the second embodiment:
- - the liquid crystal layer 3a comprises at least one TN cell and a retarder film (not shown in the drawing), wherein said retarder film cancels the polarization change carried out by the TN cell in the first operating mode B1 for light penetrating the switchable light filter 5a by at least 80% (preferably even by 90%, 95% or more; this can be realized e.g. by means of a discotic film), or
- - the liquid crystal layer 3a, if it is realized, for example, using PA, FFS, IPS, VA, ADS (or comparable) technology, has its transmission maximum in the first operating mode B1 at an angle that lies between 20° and 80° to the surface normal of the liquid crystal layer 3a, so that the influence on the polarization of the light penetrating the switchable light filter 5a due to the liquid crystal layer 3a, the incident light rays are at a maximum for the angle in question, which is between 20° and 80° to the surface normal of the liquid crystal layer 3a, whereby the influence of the angle-dependent transmission by the optical element 1a is increased, and/or
- - the switchable light filter 5a further comprises a negatively dispersive optical element (e.g. a negatively dispersive retardation film), or several optical elements which, when combined, act like a negatively dispersive optical element (this can be achieved by combining different elements with different levels of dispersion), so that color shifts of the light penetrating the switchable light filter 5a (in particular in the case of white or colored light) are at least partially compensated
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 in Flüssigkristalle der Flüssigkristallschicht 3a integriert sind. Die Farbstoffmoleküle wiederum richten sich dann, parallel zu den Flüssigkristallmolekülen der Flüssigkristallschicht 3a aus. Die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle im spannungslosen elektrischen Feld wird wiederum durch die sie einbettenden Oberflächen induziert. Ein mögliches Material für solche Oberflächen ist PMI.The transition dipole moments can - as described above - be formed as one or more dichroic dye(s), thus by such dye molecules, which are integrated in a guest-host arrangement in liquid crystals of the liquid crystal layer 3a. The dye molecules in turn then align themselves parallel to the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 3a. The alignment of the liquid crystal molecules in the voltage-free electric field is in turn induced by the surfaces embedding them. 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.In general, we can speak of liquid crystal polymers doped with dye(s). Various approaches are known for this (e.g. thermosettling LCs and epoxy LC), which therefore do not need to be discussed in detail.
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 optischen Element 1 bzw. 1a. 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 optischen Element 1, 1a können in dessen unterschiedlichen Schichten, falls vorhanden, auch unterschiedlich ausgebildet sein.The at least one dye consists of dye molecules, wherein a transition dipole or transition dipole moment is advantageously associated with each dye molecule, i.e. each dye molecule corresponds to a transition dipole or transition dipole 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
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist weiterhin ein Polarisationsfilter P vorhanden, welcher dem ersten optischen Element 1a oder 1 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 P is also present, which can be arranged upstream or downstream of the first
Für eine Schaltbarkeit der optischen Wirkung des erfindungsgemäßen schaltbaren Lichtfilters 5a werden in dieser zweiten Ausgestaltung der Erfindung also 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 1a 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 oder ein zweites elektrisches Feld einen feldfreien Zustand beschreibt, wobei das jeweils andere elektrische Feld eine absolute Feldstärke größer null, z.B. 0,5 MV/m, aufweist.In order to switch the optical effect of the switchable light filter 5a according to the invention, in this second embodiment of the invention the transition dipole moments in each layer are varied in their orientation and/or their amount 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 1a or each layer therein are based, for example, on liquid crystals and/or dyes or dye mixtures, which can be arranged in the liquid crystal cell with homogeneous orientation on the surfaces and can be 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 that more than two states, e.g. three or eight states, each with different optical effects, are achieved. 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 or a second electric field describes a field-free state, whereby the other electric field has 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.
Ferner ist es auch in dieser zweiten Ausgestaltung des schaltbaren Lichtfilters 5a vorteilhaft, diesen so zu nutzen, dass
- - in einer ersten Betriebsart B1, in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, einerseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht (im Falle von elliptisch polarisiertem Licht sollten die Verhältnisse der Beträge der Halbachsen mindestens 1:4 betragen, besser mindestens 1:10 oder größer), welches parallel zur ersten Vorzugsrichtung in den schaltbaren Lichtfilter 5a einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und andererseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches in mindestens einem ersten Winkel von mehr als 35° zu der ersten Vorzugsrichtung, der in einer ersten Ebene liegt, in den schaltbaren Lichtfilter 5a einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, und dass
- - in einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt, einerseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches parallel zu der ersten Vorzugsrichtung in den schaltbaren Lichtfilters 5a einfällt, zu mindestens 24% transmittiert und andererseits linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches in mindestens einem zweiten Winkel von mehr als 35° zu der ersten Vorzugsrichtung, der in einer zweiten Ebene liegt, in den schaltbaren Lichtfilter 5a einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei die erste und die zweite Ebene sich in
einem Winkel von 80° bis 100° schneiden, so dass sich die Richtungen der Absorption für die erste Betriebsart B1 und die zweite Betriebsart B2 um jeweils 80° bis 100° unterscheiden.
- - in a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, on the one hand linearly or elliptically polarized light (in the case of elliptically polarized light, the ratios of the amounts of the semi-axes should be at least 1:4, better at least 1:10 or greater), which is incident parallel to the first preferred direction into the switchable light filter 5a, is transmitted to at least 24% and on the other hand, linearly or elliptically polarized light which is incident on the switchable light filter 5a at at least a first angle of more than 35° to the first preferred direction, which lies in a first plane, is absorbed to at least 85%, and that
- - in a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied, on the one hand linearly or elliptically polarized light which is incident on the switchable light filter 5a parallel to the first preferred direction is transmitted to at least 24% and on the other hand linearly or elliptically polarized light which is incident on the switchable light filter 5a at at least a second angle of more than 35° to the first preferred direction, which lies in a second plane, is absorbed to at least 85%, wherein the first and the second plane intersect at an angle of 80° to 100°, so that the directions of absorption for the first operating mode B1 and the second operating mode B2 differ by 80° to 100° in each case.
Für besondere Anwendungsfälle kann der schaltbare Lichtfilter 5, 5a, d.h. die Flüssigkristallschicht 3, 3a 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, entsprechend Pixeln PLC, unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen den jeweils möglichen Betriebszuständen ermöglicht wird. 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.For special applications, the switchable
Ferner ist es möglich, dass die Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes (EF1) oder eines zweiten elektrischen Feldes (EF2) wahlweise weitere elektrische Felder (EF3, EF4, ...) erzeugen können, so dass für die Flüssigkristallschicht (3, 3a) dritte, vierte und ggf. weitere Zustände erzeugt werden können.Furthermore, it is possible that the means for selectively generating at least a first electric field (EF1) or a second electric field (EF2) can selectively generate further electric fields (EF3, EF4, ...), so that third, fourth and possibly further states can be generated for the liquid crystal layer (3, 3a).
Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung durch Kombination eines vorbeschriebenen schaltbaren Lichtfilters 5, 5a der ersten oder zweiten Ausgestaltung mit einer Bildwiedergabeeinheit (z.B. OLED, microLED, LCD) zu einem Bildschirm. Ein solcher Bildschirm umfasst neben einem schaltbaren Lichtfilter 5, 5a, wie er vorangehend beschrieben wurde, eine dem schaltbaren Lichtfilter von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit. Die Betriebsmodi des vorangehend 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, beispielsweise mindestens in einem ersten Betriebsmodus für einen in horizontaler Richtung freien, öffentlichen Sichtmodus mit uneingeschränktem Abstrahl- bzw. Blickwinkelbereich und einem in horizontaler Richtung eingeschränkten, privaten Sichtmodus mit in horizontaler Richtung gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Abstrahl- bzw. Blickwinkelbereich, so dass Betrachter, die außerhalb dieses eingeschränkten Blickwinkelbereichs positioniert sind, nur im freien Sichtmodus Bildinhalte, welche auf dem Bildschirm dargestellt werden, wahrnehmen können.The invention is particularly important when a switchable
Vorteilhaft entspricht die Bildwiedergabeeinheit einem LCD-Panel, dessen einer Polarisationsfilter dem Polarisationsfilter des schaltbaren Lichtfilters 5, 5a entspricht. Dabei kann es sich um den vorder- oder rückseitigen Polarisator im LCD-Aufbau handeln. Außerdem kann vorteilhaft der schaltbare Lichtfilter 5, 5a 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 5, 5a - 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.The image display unit advantageously corresponds to an LCD panel, one of whose polarization filters corresponds to the polarization filter of the switchable
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe: Es wurden schaltbare Lichtfilter beschrieben (bzw. solche verwendende Systeme), welche preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sind, 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 wird. Insbesondere wird auch für Sichtpositionen, bei denen ein Betrachter nicht allein (aus seiner Sicht) horizontal schräg auf den schaltbaren Lichtfilter schaut, sondern gleichzeitig schräg von oben, eine Winkeleinschränkung von hoher Qualität erzielt und insgesamt eine gute Bildqualität erreicht für den Fall, dass ein schaltbarer Lichtfilter vor einer Bildwiedergabeeinrichtung angeordnet wird.The invention solves the problem: Switchable light filters have been described (or systems using such filters) which 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, not even slightly. In particular, even for viewing positions in which a viewer does not only look horizontally (from his point of view) at an angle to the switchable light filter, but also at an angle from above, a high-quality angle restriction is achieved and overall good image quality is achieved in the event that a switchable light filter is arranged in front of an image display device.
Die vorangehend beschriebene Erfindung kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und/oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe oder beim Lesen von Emails auf mobilen Geräten. Die Erfindung kann - wie weiter oben beschrieben - auch im PKW angewendet werden, um wahlweise dem Fahrer oder Beifahrer störende Bildinhalte vorzuenthalten.The invention described above can be used in conjunction with an image display device to advantage wherever confidential data is displayed and/or entered, such as when entering a PIN or displaying data at cash machines or payment terminals or when entering a password or reading emails on mobile devices. The invention can - as described above - also be used in cars to selectively withhold disturbing image content from the driver or front passenger.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6,765,550 B2 [0004]US 6,765,550 B2 [0004]
- US 5,993,940 A [0005]US 5,993,940 A [0005]
- WO 2012/033583 A1 [0006]WO 2012/033583 A1 [0006]
- US 2012/0235891 A1 [0007]US 2012/0235891 A1 [0007]
- JP 2007-155783 A [0008]JP 2007-155783 A [0008]
- US 2013/0308185 A1 [0009]US 2013/0308185 A1 [0009]
- WO 2015/121398 A1 [0010]WO 2015/121398 A1 [0010]
- US 4,695,131 [0037]US 4,695,131 [0037]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- N. Saba, M. Jawaid, O. Y. Alothman, M. T. Paridah, and A. Hassan, „Recent advances in epoxy resin, naturalfiber-reinforced epoxy composites and their applications,“ Journal of Reinforced Plasticsand Composites, vol. 35, no. 6, 2015 [0035]N. Saba, M. Jawaid, O. Y. Alothman, M. T. Paridah, and A. Hassan, "Recent advances in epoxy resin, natural fiber-reinforced epoxy composites and their applications," Journal of Reinforced Plasticsand Composites, vol. 35, no. 6, 2015 [0035]
- C. Carfagna, E. Amendola, and M. Giamberini, „Liquid crystalline epoxy based thermosetting polymers,“ Progress in Polymer Science, vol. 22, pp. 1607-1647, 1997 [0035]C. Carfagna, E. Amendola, and M. Giamberini, “Liquid crystalline epoxy based thermosetting polymers,” Progress in Polymer Science, vol. 22, pp. 1607-1647, 1997 [0035]
- V. P. Shibaev and A. Yu. Bobrovsky, „Liquid crystalline polymers: development trends and photocontrollable materials,“ Russian Chemical Reviews, vol. 86, pp. 1024-1072, 2017 [0035]V.P. Shibaev and A. Yu. Bobrovsky, “Liquid crystalline polymers: development trends and photocontrollable materials,” Russian Chemical Reviews, vol. 86, pp. 1024-1072, 2017 [0035]
- T. Ikeda, J.-i. Mamiya, and Y. Yu, „Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers,“ Angew. Chem. Int. Ed., vol. 46, pp. 506-528, 2007 [0035]T. Ikeda, J.-i. Mamiya, and Y. Yu, “Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers,” Angew. Chem. Int. Ed., vol. 46, pp. 506-528, 2007 [0035]
- Optics of Liquid Crystal Displays“ von Pochi Yeh und Claire Gu, John Wiley & Sons, 2009 [0070]Optics of Liquid Crystal Displays” by Pochi Yeh and Claire Gu, John Wiley & Sons, 2009 [0070]
- Deformation of Nematic Liquid Crystals in an Electric Field“ von Heinz J. Deuling, Pages 123-131 | Received 02 Feb 1972, Published online: 28 Mar 2007 [0070]Deformation of Nematic Liquid Crystals in an Electric Field” by Heinz J. Deuling, Pages 123-131 | Received 02 Feb 1972, Published online: 28 Mar 2007 [0070]
- Deformation Pattern of Twisted Nematic Liquid Crystal Layers in an Electric Field“ von H. J. Deuling, Pages 81-93 | Received 30 Aug 1973, Published online: 21 Mar 2007 [0070]Deformation Pattern of Twisted Nematic Liquid Crystal Layers in an Electric Field” by H. J. Deuling, Pages 81-93 | Received 30 Aug 1973, Published online: 21 Mar 2007 [0070]
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4695131A (en) | 1983-01-26 | 1987-09-22 | Balkwill Peter H | Disubstituted ethanes and their use in liquid crystal materials and devices |
| US5993940A (en) | 1994-06-21 | 1999-11-30 | 3M Innovative Properties Company | Composite used for light control of privacy |
| US6765550B2 (en) | 2001-04-27 | 2004-07-20 | International Business Machines Corporation | Privacy filter apparatus for a notebook computer display |
| JP2007155783A (en) | 2005-11-30 | 2007-06-21 | Casio Comput Co Ltd | Liquid crystal display |
| WO2012033583A1 (en) | 2010-09-09 | 2012-03-15 | 3M Innovative Properties Company | Switchable privacy filter |
| US20120235891A1 (en) | 2009-12-02 | 2012-09-20 | Rena Nishitani | Liquid crystal display device |
| US20130308185A1 (en) | 2012-05-18 | 2013-11-21 | Reald Inc. | Polarization recovery in a directional display device |
| WO2015121398A1 (en) | 2014-02-17 | 2015-08-20 | Sioptica Gmbh | Switchable lighting device and use thereof |
-
2023
- 2023-06-07 DE DE102023005411.9A patent/DE102023005411A1/en active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4695131A (en) | 1983-01-26 | 1987-09-22 | Balkwill Peter H | Disubstituted ethanes and their use in liquid crystal materials and devices |
| US5993940A (en) | 1994-06-21 | 1999-11-30 | 3M Innovative Properties Company | Composite used for light control of privacy |
| US6765550B2 (en) | 2001-04-27 | 2004-07-20 | International Business Machines Corporation | Privacy filter apparatus for a notebook computer display |
| JP2007155783A (en) | 2005-11-30 | 2007-06-21 | Casio Comput Co Ltd | Liquid crystal display |
| US20120235891A1 (en) | 2009-12-02 | 2012-09-20 | Rena Nishitani | Liquid crystal display device |
| WO2012033583A1 (en) | 2010-09-09 | 2012-03-15 | 3M Innovative Properties Company | Switchable privacy filter |
| US20130308185A1 (en) | 2012-05-18 | 2013-11-21 | Reald Inc. | Polarization recovery in a directional display device |
| WO2015121398A1 (en) | 2014-02-17 | 2015-08-20 | Sioptica Gmbh | Switchable lighting device and use thereof |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| C. Carfagna, E. Amendola, and M. Giamberini, „Liquid crystalline epoxy based thermosetting polymers," Progress in Polymer Science, vol. 22, pp. 1607-1647, 1997 |
| Deformation of Nematic Liquid Crystals in an Electric Field" von Heinz J. Deuling, Pages 123-131 | Received 02 Feb 1972, Published online: 28 Mar 2007 |
| Deformation Pattern of Twisted Nematic Liquid Crystal Layers in an Electric Field" von H. J. Deuling, Pages 81-93 | Received 30 Aug 1973, Published online: 21 Mar 2007 |
| N. Saba, M. Jawaid, O. Y. Alothman, M. T. Paridah, and A. Hassan, „Recent advances in epoxy resin, naturalfiber-reinforced epoxy composites and their applications," Journal of Reinforced Plasticsand Composites, vol. 35, no. 6, 2015 |
| Optics of Liquid Crystal Displays" von Pochi Yeh und Claire Gu, John Wiley & Sons, 2009 |
| T. Ikeda, J.-i. Mamiya, and Y. Yu, „Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers," Angew. Chem. Int. Ed., vol. 46, pp. 506-528, 2007 |
| V. P. Shibaev and A. Yu. Bobrovsky, „Liquid crystalline polymers: development trends and photocontrollable materials," Russian Chemical Reviews, vol. 86, pp. 1024-1072, 2017 |
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