WO2025078173A1 - Optical element, switchable light filter, lighting device, and screen - Google Patents
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- G02F1/13475—Arrangement of liquid crystal layers or cells in which the final condition of one light beam is achieved by the addition of the effects of two or more layers or cells in which at least one liquid crystal cell or layer is doped with a pleochroic dye, e.g. GH-LC cell
Definitions
- US Pat. No. 5,993,940 A describes the use of a film with small, strip-shaped prisms evenly arranged on its surface to achieve a private mode, i.e., a restricted viewing mode with a narrow viewing angle range. Development and production are technically quite complex.
- US 2012/0235891 A1 describes a very complex backlight in a screen.
- Figs. 1 and 15 not only are several light guides used, but also other complex optical elements such as microlens elements 40 and prism structures 50, which transform the light from the rear illumination on its way to the front illumination.
- This is expensive and technically complex to implement and also involves light loss.
- both light sources 4R and 18 produce light with a narrow illumination angle, with the light from the rear light source 18 first being converted, at great expense, into light with a wide illumination angle.
- This complex conversion as already mentioned above, significantly reduces brightness.
- US 2013/0308185 A1 describes a special light guide formed with steps, which radiates light over a large area in different directions, depending on the direction from which it is illuminated from a narrow side.
- a transmissive image display device e.g. an LC display
- a screen that can be switched between free and restricted viewing modes can be created.
- a disadvantage here is, among other things, that the restricted viewing effect can only be created for left/right or for up/down, but not for left/right/up/down simultaneously, as is the case for certain payment transactions are necessary.
- some residual light is still visible from blocked viewing angles.
- WO 2015/121398 A1 by the applicant describes a screen with two operating modes, in which scattering particles are present in the volume of the corresponding light guide for switching between the operating modes.
- the polymer scattering particles selected therein generally have the disadvantage that light is coupled out of both large surfaces, whereby approximately half of the useful light is emitted in the wrong direction, namely toward the background lighting, where it cannot be adequately recycled due to the structure.
- the polymer scattering particles distributed in the volume of the light guide can, under certain circumstances, particularly at higher concentrations, lead to scattering effects that reduce the privacy effect in the protected operating mode.
- the object of the invention is therefore to describe an optical element in which light incident on the optical element is transmitted or partially or completely absorbed depending on its direction of incidence and its polarization properties - not primarily depending on its position. Production-related alignment tolerances are to be counteracted by the optical effect.
- Switchable light filters that use the optical element are intended to influence the transmission of light as a function of the angle - optionally with respect to a seated or standing observer - with switching between at least two operating states. In particular, the transmission behavior is to be switchable for specific directions. Furthermore, lighting devices and screens that use the switchable light filters are to be disclosed.
- the majority of the transition dipole moments are permanently or at least in a first state with a tolerance T with T ⁇ 19°, preferably with T ⁇ 15°, aligned parallel to a first preferred direction selectable for the first optical element or vary around this (the tolerance T applies in both directions, i.e. for the value of a respective angle plus ⁇ T), wherein the first preferred direction is arranged at an angle ⁇ to the perpendicular bisector of the first optical element, wherein the angle ⁇ is measured in a selectable first plane containing said perpendicular bisector, and wherein the transition dipole moments aligned with a tolerance T parallel to the first preferred direction have a density Ni and the remaining transition dipole moments (i.e. those lying outside the described tolerance range) have a density of N2,
- the multitude of light-absorbing transition dipole moments are arranged in a layer at least 0.2 micrometers thick.
- the layer thicknesses of the transition dipole moments can be, for example, from 0.2 pm to 50 pm, preferably 0.2 pm to 20 pm, particularly preferably 1 pm to 10 pm.
- two layers of transition dipole moments are present in the first optical element 1, each of which is between 1 pm and 10 pm thick, wherein both each have a substrate (e.g.
- the invention therefore shows a way of counteracting production-related limitations in the alignment of the transition dipole moments on the optical element by using only optical elements in which the inequality / N 2 > 10 - is fulfilled permanently or at least in the said first state for the ratio of the respective densities Ni and N2 of the transition dipole moments, so that production-related higher tolerance values T due to the correspondingly increased relation of the densities Ni and N2 of the transition dipole moments can be at least partially compensated.
- the inequality N / N 2 > is satisfied permanently or at least in said first state for the ratio of the respective densities Ni and N2 of the transition dipole moments.
- a further object of the invention is achieved according to the invention by a first switchable light filter comprising a first optical element as described above,
- Means for selectively generating a first electric field EF1 or a second electric field EF2 e.g. ITO layers with a connected signal generator, a liquid crystal layer arranged behind or in front of the first optical element in the viewing direction, on which layer 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 when the liquid crystal layer is arranged in front of the first optical element in the viewing direction, a first linear polarization filter arranged in front of the liquid crystal layer in the viewing direction, so that the transmission properties of the first switchable light filter differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, and a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied.
- a first electric field EF1 or a second electric field EF2 e.g. ITO layers with a connected signal generator
- a liquid crystal layer arranged behind or in front of the first optical element in the viewing direction, on which layer the first electric
- transition dipole moments are variable, e.g. via so-called guest-host liquid crystal cells
- guest-host liquid crystal cells may, but do not have to, correspond directly to the aforementioned liquid crystal layer.
- light penetrating the liquid crystal layer is transmitted essentially unchanged when the second electric field EF2 is applied, while when the first electric field EF1 is applied, the incident light is circularly or elliptically polarized, or the polarization of the light is rotated by 90°.
- the liquid crystal molecules are not ideally aligned, leading to an undesirable, slight change in polarization.
- the first electric field EF1 can, for example, have a field strength other than 0 V/pm, approximately on the order of 1 V/pm, e.g., as a square wave at 1 kHz, while the second electric field EF2, for example, has a field strength of 0 V/pm.
- the configuration can also be exactly the opposite, or such that both fields EF1 and EF2 are not field-free.
- the liquid crystal layer is preferably subjected to linearly polarized light or elliptically polarized light, in which the ratio of the major to the minor semi-axis is at least 4:1 (preferably at least 5:1 or more). This can be achieved, for example, by linear polarization filters in the light path, or by ⁇ /4 layers when using circularly polarized light.
- the first optical element (and any further such optical element, if present) and/or the liquid crystal layer and/or the means for generating a first or second electric field EF1, EF2 are divided into several separately switchable segments, so that local switchability between the respectively possible operating states is enabled.
- the switchable light filter comprises at least two first optical elements, wherein a birefringent layer is optionally arranged between at least two such first optical elements.
- the at least two first optical elements could, if appropriate, have different thicknesses of the layers containing the plurality of light-absorbing transition dipole moments, but this is not required.
- a further object of the invention is further achieved by a second switchable light filter comprising a second optical element, in turn comprising • a multitude of light-absorbing transition dipole moments, where the corresponding absorption cross sections are designated o a bs and apply either to one wavelength, to several selected wavelengths or on average to several wavelengths in the light spectrum visible to humans,
- transition dipole moments are formed by one or more dichroic dyes and are each contained in a guest-host arrangement in a second liquid crystal layer
- the majority of the transition dipole moments are aligned, at least in a first state, with a tolerance T with T ⁇ 19°, preferably with T ⁇ 15°, parallel to a second preferred direction selectable for the second optical element or vary around this (here too, the tolerance T applies in both directions, i.e. ⁇ T), wherein the second preferred direction is arranged at an angle ⁇ to the perpendicular bisector of the second optical element, wherein the angle ⁇ is measured in a selectable second plane containing said perpendicular bisector, and wherein the transition dipole moments aligned with a tolerance T parallel to the second preferred direction have a density Ni and the remaining transition dipole moments have a density of N2,
- Transition dipole moments the inequality fulfilled so that higher tolerance values T are at least partially compensated due to the correspondingly increased relation of the densities Ni and N2 of the transition dipole moments, whereby the absorption of p-polarized light incident on the second optical element at angles greater than 45°, measured in the second plane, is increased.
- the at least one first state of the majority of the transition dipole moments can practically also correspond to a second state for a second operating mode B2, which will be described in more detail below.
- the means for selectively generating at least one first electric field EF1 or one second electric field EF2 can also advantageously be designed such that different electric fields EF1, EF2 (or possibly different electric fields EF3, EF4, etc.) are present at different positions on the liquid layer at the same time. This allows for a position-dependent partial switching of the operating modes of the second switchable light filter.
- the second switchable light filter it can optionally apply that on its second optical element, at least in the said second state (for the second operating mode B2), for the ratio of the respective densities Ni and N2 of the transition dipole moments, deviating from the first state, the inequality V, / /V 2 10 - 3 ⁇ iog 10 is satisfied, whereby the absorption of p-polarized light, which is incident on the second optical element at angles greater than 45°, measured in the second plane, is attenuated. In this way, a higher transmission is achieved along the second plane in the second state.
- Operating mode B2 then allows, at least in part, a larger viewing angle when viewed along the second plane, i.e., a free view mode.
- the potential differences between the electrodes for generating the first electric field EF1 and the second electric field EF2 by at least 2 volts can be explicitly provided with electric fields EF3, EF4, etc. that differ from the electric fields EF1 and EF2.
- the operating modes B1, B2, etc. can also differ locally on the switchable light filter, as already indicated above.
- the invention also comprises a first illumination device in a first embodiment for a screen which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted into a viewing angle range which is restricted for a viewer compared to the free view mode, comprising
- a surface-like backlight that radiates light and is optionally directly luminous (e.g. with an LED matrix), as well as
- the invention also comprises a first screen in a first embodiment, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted into a viewing angle range that is restricted for a viewer compared to the free view mode, comprising
- transmissive image display device which is arranged in front of the first or second switchable light filter in the viewing direction
- the first or second linear polarization filter is arranged in the transmissive image display device or is a part of it.
- the invention comprises a second screen which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted into a viewing angle range which is restricted for a viewer compared to the free view mode, comprising
- an image display device whereby in principle any type of image display device is suitable, for example LC panel, OLED, microLED and others,
- the first or second switchable light filter may be subsequently attached to the image display device by a user and/or reversibly.
- a light filter may be sold as a so-called "after-market product.”
- a third optical element is arranged in front of the transmissive image display device in the viewing direction, which third optical element comprises:
- the dye mass density is greater than 1% or even greater than 10%.
- This latter embodiment advantageously provides for reduced transmission in the vertical direction and can thus reduce or completely avoid reflections of image content displayed on the said screen on the windscreen in the vehicle.
- the invention comprises a second illumination device for a screen in a second embodiment, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode, comprising
- 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
- a first or second switchable light filter according to the invention arranged in the viewing direction in front of the background lighting (this also includes a position in front of a screen with which the lighting device is used), as described above,
- limited angular range is meant within the scope of the invention, and in particular with regard to the background lighting, that the corresponding Luminance is concentrated to at least 80% or 90% in a defined angular range, while there may still be residual light outside the defined, restricted angular range, which is usually due to technical reasons. Ideally, such residual light is minimal and decreases at larger angles.
- a corresponding light filter is used in addition to the backlight that emits light in a restricted angular range. This also applies to the variant described below with a light guide that emits or decouples light predominantly in a restricted angular range.
- luminance curves of backlights are typically bell-shaped, particularly over horizontal (and possibly also vertical) angular ranges, although this does not necessarily mean that there is a true concentration of luminance around a smaller angular range.
- the invention comprises a third illumination device for a screen, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode,
- a surface-like backlight that radiates light in an unrestricted angular range and that is optionally designed to be directly luminous (e.g. by means of a locally dimmable LED matrix lighting unit), as well as
- 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, wherein said output coupling elements output the majority of the light coupled laterally into at least one narrow side of the light guide (i.e., more than half, preferably more than 80% or 90%) into a limited angular range,
- a first or second switchable light filter according to the invention arranged in the viewing direction in front of the background illumination, preferably in front of the light guide, as described above, - where in operating mode B2 the backlight is off and the lamps are switched on, and where in operating mode B1 at least the backlight is switched on (optionally the lamps can also be switched on), and
- the invention comprises a fourth illumination device for a screen, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode, comprising
- a surface-like backlight which emits light in a limited angular range and - to limit the angular range of said light - contains a first optical element as described above, and which is optionally designed to be directly luminous, and
- 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
- the first, second, third and/or fourth illumination devices are advantageously combined with a transmissive screen, such as an LC panel, to produce a screen that can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode.
- a transmissive screen such as an LC panel
- the transition dipole moments of a first optical element are formed as at least one, at least two, at least three or more dichroic dye(s) which are arranged in a guest-host Arrangement mixed with the liquid crystals.
- the liquid crystals can preferably be fixed via a curing process.
- transition dipole moments can also be embedded in a liquid crystal layer in a non-fixed manner as a guest-host arrangement, so that the transition dipole moments can be varied in their orientation and/or their magnitude between the first and at least one second state depending on the influence of this liquid crystal layer.
- the dichroic dye molecules within a guest-host arrangement generally align parallel to the liquid crystal molecules.
- the first optical element may be formed as a laminate of layers of polymer film polarizers.
- the aforementioned embodiments also ensure that the first optical element is non-periodic in its structure. This is advantageous because, in interaction with pixel structures of screens, there is no risk of artifacts such as moiré effects.
- the first (or second) preferred direction can, for example, enclose an angle between 0° and 45° to a surface normal of the first (or second) optical element. Furthermore, it is possible for the first or second preferred direction to vary over the surface of the first (or second) optical element. For the purposes of the invention, the average, weighted preferred direction then applies.
- the first and second preferred directions can also be identical or differ in their orientation by only a few degrees (maximum 10°) and both can, in particular, be perpendicular to the respective optical element. This is a preferred case. However, depending on the application, it is also possible for the first and second preferred directions to differ from one another by more than 10°.
- the first or second optical element is divided into different regions (A1, A2, ...) along a selectable reference line, wherein a separate region-preferred direction can be selected for each region (A1, A2, 7), which applies to all transition dipole moments within a region (A1, A2, 7), wherein all region-preferred directions are different in pairs and point in the direction of a viewer up to a maximum tolerance of ⁇ 10 degrees.
- This arrangement has the advantage that the viewer perceives a screen with a first or second switchable light filter as homogeneously illuminated in the restricted viewing mode.
- the transition dipole moment – also referred to as the transition matrix element – is a quantum mechanical vector quantity associated with 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 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, during the transition from the ground state to the excited state, light of the corresponding polarization is absorbed.
- the magnitude of the vector corresponds to the strength of the interaction or the transition probability.
- the first (second) preferred direction corresponds to the orientation of the transition dipole moments of the first (second) optical element for a given propagation direction of light, in which the absorption is the same for any polarization of the light.
- the first or second light filter may further comprise a polarization filter, which is arranged upstream or downstream of the first or second optical element in the direction of incidence.
- a polarization filter which is arranged upstream or downstream of the first or second optical element in the direction of incidence.
- a ⁇ /4 layer is also conceivable, for example, in the case of incident circularly polarized light, which is converted into (essentially) linearly polarized light due to this layer.
- a first exemplary manufacturing variant for a first optical element using the guest-host principle is based on mixtures of dichroic dyes or dichroic dye mixtures with liquid crystal mixtures or -compounds, and comprises the following steps for production (with reference to US 9,481,658 B2 or WO2021/177308A1 paragraph 37ff)
- a low- or non-birefringent substrate is coated with a film that determines the orientation of the molecules relative to the surface, usually parallel or perpendicular to the surface.
- Polymers preferably polyvinyl alcohol or polyimides, are used for this purpose.
- the side chains When exposed to light, the side chains are locally condensed, causing birefringence along the surface.
- thermotropic, liquid crystalline dichroic dyes reference to JP201 1 -237513A, and comprises the following steps:
- Dichroic dyes preferably azo dyes
- dichroic metal nanoparticles preferably gold, silver, copper, and aluminum
- these are usually single dyes or mixtures of typically up to three different dyes to enable absorption across the entire spectrum
- polymers preferably polyvinyl alcohol or polyimides
- thermotropic liquid crystalline compounds or polymers For thermotropic liquid crystalline compounds or polymers, reference is made to JP 201 1 -237513A as an example.
- chemical groups for crosslinking which are bound to the thermotropic liquid crystalline compounds or polymers (crosslinking): metaacrylic groups, epoxy groups, oxetanyl groups, and styrene groups, preferably methacrylic groups.
- these can be polymerizable liquid crystal compounds, such as those described in JP 6268730B2.
- Polymerizable liquid crystalline dichroic dyes for example azo dyes
- 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.
- a dye has a mass fraction of at least 0.01%, preferably from 1% to 15%, of the material of the respective layers of the optical element in question. In special cases, the concentration can even reach 95% in the case of liquid-crystalline dichroic dyes.
- the thickness of the layers is preferably in the range from 0.2 pm to 50 pm, more preferably in the range from 0.5 pm to 20 pm, all boundary values included.
- the dyes or dye mixtures for different layers within an optical element can be different, but do not have to be.
- the tolerance T may also be greater than 19° without jeopardizing the inventive success.
- such a luminance curve is implemented, which, for example, at angles (in particular horizontal from the viewer's perspective or measured in the first plane) from 25°, emits or transmits less than 80%, preferably less than 60% of the maximum radiated or transmitted luminance in (any) direction.
- the privacy protection is enhanced at such angular ranges, because the said luminance curve corresponds to the respective transmission curve of a screen and/or lighting device used with a described switchable light filter.
- a switchable light filter, a lighting device, or such a screen as described above is advantageously used in a mobile device, a motor vehicle, aircraft, or watercraft, in a payment terminal, or in an access system. Switching between the aforementioned operating modes is possible to protect sensitive data, i.e., to display it perceptibly for only one viewer, or alternatively, to display image content simultaneously for multiple viewers.
- Fig. 2 to Fig. 5 show exemplary normalized transmission curves for the incidence of light of two different polarizations (s, p) into the first optical element, plotted against a viewing angle on the first optical element for the respective values of N1/N2,
- Fig. 6a shows a comparison of exemplary normalized transmission curves for the incidence of light of two different polarizations into a first optical element, plotted on a linear scale over a viewing angle on the first optical element for two different values of T and for the same ratio N1/N2,
- Fig. 6b the comparison from Fig. 6a, here in logarithmic scale on the ordinate
- Fig. 7a a comparison of two further exemplary normalized transmission curves each for the incidence of light of two different polarizations into a first optical element, plotted on a linear scale over a viewing angle on the first optical element for two different values of the ratio N1/N2 and with the same value for T,
- Fig. 7b the comparison from Fig.7a, here in logarithmic scale on the ordinate
- Fig. 8 and Fig. 9 further exemplary normalized transmission curves each for the incidence of light of two different polarizations into the first optical element, plotted against a viewing angle on the first optical element, wherein the inequality according to the invention is not observed in each case,
- Fig. 10 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a first switchable light filter
- Fig. 11 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a second switchable light filter
- Fig. 14 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a screen in a second embodiment, which can be operated in at least two operating modes B1 and B2, with a first or second switchable light filter,
- Fig. 15 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device in a second embodiment, with a first or second switchable light filter,
- Fig. 16 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device in a third embodiment, with a first or second switchable light filter, and
- Fig. 17 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device in a fourth embodiment, with a first optical element.
- Fig. 1 shows a schematic diagram of the construction of a first optical element 1 in a permanent (or possibly first) state.
- the first optical element 1 comprises • a multitude of light-absorbing transition dipole moments (represented by the arrows), whereby the corresponding absorption cross sections are designated Oabs and apply either to one wavelength, to several selected wavelengths or on average to several wavelengths in the light spectrum visible to humans,
- the majority of the transition dipole moments are permanently or at least in a first state with a (selectable) tolerance T with T ⁇ 19° parallel to a first preferred direction selectable for the first optical element 1 (see dashed line) or vary around this (the tolerance T applies in both directions, i.e. for the value of a respective angle plus ⁇ T), wherein the first preferred direction is arranged at an angle ⁇ to the perpendicular bisector (see dashed line) of the first optical element 1, wherein the angle ⁇ is measured in a selectable first plane containing said perpendicular bisector, and wherein the transition dipole moments aligned with a tolerance T parallel to the first preferred direction have a density Ni and the remaining transition dipole moments (i.e. those lying outside the described tolerance range) have a density of N2; in the drawing Fig. 1, for a few transition dipole moments selected as examples, it is shown to which density Ni or N2 these respectively belong,
- the plurality of light-absorbing transition dipole moments are arranged in a layer at least 0.2 micrometers thick.
- Layers of transition dipole moments separated by OCA (optically clear adhesive) and/or substrates may be present.
- the layer thicknesses of the transition dipole moments can, for example, be in the sum of all layers present, from 0.2 pm to 50 pm, preferably 0.2 pm to 20 pm, particularly preferably 1 pm to 10 pm.
- at least two layers of transition dipole moments separated by at least one substrate are present.
- the invention shows a way of counteracting manufacturing-related limitations in the alignment of the transition dipole moments on the optical element 1 by using only optical elements 1 in which the inequality N / N 2 > is met, so that manufacturing-related higher tolerance values T are at least partially compensated due to the correspondingly increased ratio of the densities Ni and N 2 of the transition dipole moments.
- This not only increases the absorption of p-polarized light incident on the optical element 1 at angles greater than 45°, measured in the first plane, but also increases the normalized transmission in the preferred direction or in an angular range of a few degrees beyond that.
- absorption coefficients are denoted by a s and a p . These coefficients describe the absorption for s- and p-polarized light, respectively.
- a s reaches the numerical value 0. This describes the propagation of s-polarized light that propagates in the plane that includes the surface normal and the first preferred direction.
- p must be modified using Malus' law. The following relationships are assumed in the simulation:
- the significantly larger tolerance T 19° compared to the conditions according to Figs. 2 and 3 is also (over-)compensated here by the relative increased density N1 of the transition dipole moments.
- the for p-polarized light desired absorption at about 45° is improved compared to the case where the above inequality is not fulfilled.
- the comments given above for Fig. 4 apply accordingly.
- T 10°
- N 10°
- the comparison of the drawings Figs. 6b and 7b therefore allows the conclusion that the absorption for p-polarized light, even at angles with absolute values of less than approximately 30°, can be achieved by a lower tolerance T rather than by a higher ratio of the densities NI/N 2 .
- Fig. 8 and Fig. 9 show further exemplary normalized transmission curves, each for the incidence of light of two different polarizations (p, s) into a first optical element 1, plotted against a viewing angle on the first optical element 1, wherein the inventive inequality n/cf is observed in each case:
- the absorption for p-polarized light is in no way capable of generating a transmission of less than 10% at angles of, for example, ⁇ 45°.
- Fig. 10 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a first switchable light filter 5. This comprises a first optical element 1 as described above,
- a first electric field EF1 or a second electric field EF2 e.g. ITO layers with a connected signal generator
- a liquid crystal layer 3 arranged in the viewing direction (here) in front of the first optical element 1, on which the first electric field EF1 or the second electric field EF2 acts and which, depending thereon, influences the polarization state of light passing through it, since the liquid crystal layer 3 is arranged in the viewing direction in front of the first optical element 1, a first linear polarization filter X arranged in the viewing direction in front of the liquid crystal layer 3, so that the transmission properties of the first switchable light filter 5 differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, and a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied.
- transition dipole moments are variable, e.g. via so-called guest-host liquid crystal cells
- guest-host liquid crystal cells may, but do not have to, correspond directly to the aforementioned liquid crystal layer.
- light penetrating the liquid crystal layer is transmitted substantially unchanged when the first electric field EF1 is applied, while when the second electric field EF2 is applied, the incident light is circularly or elliptically polarized or the polarization of the light is rotated by (substantially) 90°.
- the liquid crystal layer 3 is preferably subjected to linearly polarized light or elliptically polarized light, in which the ratio of the major to the minor semi-axis is at least 4:1 (preferably at least 5:1 or more). This can be achieved, for example, by linear polarization filters in the light path, or by ⁇ /4 layers when using circularly polarized light.
- FIG. 11 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a second switchable light filter 5a, comprising a second optical element 2, in turn comprising
- transition dipole moments are formed by one or more dichroic dyes and are each contained in a guest-host arrangement in a second liquid crystal layer 3a,
- the majority of the transition dipole moments are arranged at least in a first state with a tolerance T with T ⁇ 19° parallel to a value for the second optical element 2 is aligned in a selectable first preferred direction or varies around it (here too, the tolerance T applies in both directions, i.e. ⁇ T), wherein the second preferred direction is arranged at an angle ⁇ to the perpendicular bisector of the second optical element 2, wherein the angle ⁇ is measured in a selectable second plane containing said perpendicular bisector, and wherein the transition dipole moments aligned with a tolerance T parallel to the second preferred direction have a density Ni and the remaining transition dipole moments have a density of N2 (for an explanation of the geometric relationships, Fig. 1 can be used in a figurative sense; in this case, the optical element 1 would correspond to the second liquid crystal layer 3a),
- first electric field EF1 or a second electric field EF2 means for selectively generating at least a first electric field EF1 or a second electric field EF2, wherein the respective electric field acts on the second liquid crystal layer 3a, so that the transmission properties of the second switchable light filter 5a differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied and the second liquid crystal layer 3a is in said first state, and a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied and the second liquid crystal layer 3a is in a second state, wherein on the second optical element 2, at least in said first state, the inequality is satisfied for the ratio of the respective densities Ni and N2 of the transition dipole moments so that higher tolerance values T are at least partially compensated due to the correspondingly increased relation of the densities Ni and N2 of the transition dipole moments, whereby the absorption of p-polarized light which is incident on the second optical element 2 at angles greater than 45°, measured in the second plane, is increased.
- the means for selectively generating at least one first electric field EF1 or one second electric field EF2 can also advantageously be designed such that different electric fields EF1, EF2 (or possibly different electric fields EF3, EF4, etc.) are present at different positions on the liquid layer 3a at the same time. This allows for a position-dependent partial switching of the operating modes of the second switchable light filter 5a.
- the second switchable light filter 5a it can optionally apply that on its second optical element 2 at least in the said second state for the ratio of the respective densities Ni and IXL of the transition dipole moments, the is satisfied, whereby the absorption of p- polarized light incident on the second optical element 2 at angles greater than 45°, measured in the second plane, is attenuated. In this way, a higher transmission is achieved along the second plane in said second state.
- the potential differences between the electrodes for generating the first electric field EF1 and the second electric field EF2 differ by at least 2 volts in both the first switchable light filter 5 and the second switchable light filter 5a.
- Further operating modes B3, B4, etc. with electric fields EF3, EF4, etc. that differ from the electric fields EF1 and EF2 can be explicitly provided.
- the operating modes B1, B2, etc. can also differ locally on the first or second switchable light filter 5, 5a, as already indicated above.
- FIG. 12 the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device for a screen, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted into a viewing angle range that is restricted for a viewer compared to the free view mode, is shown in a first embodiment with a first or second switchable light filter 5, 5a, comprising
- a surface-like backlight 8 which radiates light and which is optionally directly luminous (e.g. with a locally dimmable LED matrix), as well as - a first or second switchable light filter 5, 5a arranged in front of the background lighting 8 in the viewing direction as described above.
- Fig. 13 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a screen in a first embodiment, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted into a viewing angle range that is restricted for a viewer compared to the free view mode, with a first or second switchable light filter 5, 5a, which comprises
- transmissive image display device 11 which is arranged in front of the first or second switchable light filter 5, 5a in the viewing direction,
- the first or second linear polarization filter P is arranged in the transmissive image display device 11 or is a part of it, e.g. as a rear (light input side) polarization filter of an LCD panel as image display device 11.
- an image display device 12 whereby in principle any type of image display device 12 is possible, for example LC panel, OLED, microLED or others, - in the viewing direction in front of the image display device 12, a first or second switchable light filter 5, 5a according to the invention as described above,
- a surface-like extended background illumination 8b which radiates light in a limited angular range (indicated by the 2 almost parallel exemplary beams), and which is optionally designed to be directly luminous, and
- a plate-shaped light guide 9 located in front of the background lighting 8b in the viewing direction, which has output coupling elements on at least one of the large surfaces and/or within its volume
- Fig. 16 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device for a screen, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode, in a third embodiment, with a first or second switchable light filter 5, 5a, comprising
- a surface-like backlight 8c which radiates light in an unrestricted angular range (which is indicated in Fig. 16 with the exemplary three beams that are not approximately parallel), and which is optionally designed to be directly luminous (e.g. by means of a locally dimmable LED matrix lighting unit), and
- a plate-shaped light guide 9c located in front of the background lighting 8c in the viewing direction, which has output coupling elements on at least one of the large surfaces and/or within its volume, wherein said output coupling elements output the majority of the light coupled laterally into at least one narrow side of the light guide 9c (i.e., more than half, preferably more than 80% or 90%) into a limited angular range (see two almost parallel beams), - illuminants 10 arranged laterally on at least one narrow side of the light guide 9c, and
- Fig. 17 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device for a screen, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode, in a fourth embodiment, with a first optical element 1, comprising
- the first, second, third and/or fourth illumination devices are advantageously combined with a transmissive screen, such as an LC panel, to produce a screen that can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode.
- transition dipole moments can also be embedded in a non-fixed manner as a guest-host arrangement in a liquid crystal layer, so that the transition dipole moments can be varied in their orientation and/or their magnitude between the first and at least one second state depending on the influence of this liquid crystal layer.
- the dichroic dye molecules generally align parallel to the liquid crystal molecules.
- the aforementioned embodiments also ensure that the first optical element is non-periodic in its structure. This is advantageous because, in interaction with pixel structures of screens, there is no risk of artifacts such as moiré effects.
- the first (or second) preferred direction can, for example, enclose an angle between 0° and 45° to a surface normal of the first (or second) optical element 1, 2. Furthermore, it is possible for the first preferred direction to vary across the surface of the first (or second) optical element 1, 2. For the purposes of the invention, the average, weighted preferred direction then applies.
- the first or second switchable light filter 5, 5a may further comprise a polarization filter which is assigned to the first or second optical element 1, 2 is arranged upstream or downstream in the direction of incidence.
- a 4X layer is also conceivable, for example, in the case of incident circularly polarized light, which is converted into (essentially) linearly polarized light due to this layer.
- 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.
- a dye has a mass fraction of at least 0.01%, preferably from 1% to 15%, of the material of the respective layers of the optical element in question. In special cases, the concentration can even reach 95% in the case of liquid-crystalline dichroic dyes.
- the thickness of the layers is preferably in the range from 0.2 pm to 50 pm, more preferably in the range from 0.5 pm to 20 pm, all boundary values included.
- the dyes or dye mixtures for different layers within an optical element 1, 2 can be different, but do not have to be.
- the invention solves the stated problem: An optical element has been described in which light incident on the optical element is transmitted or partially or completely absorbed depending on its direction of incidence and its polarization properties - not primarily but depending on its position. Production-related alignment tolerances are counteracted by the optical effect.
- switchable light filters that use the optical element according to the invention, the transmission of light is influenced depending on the angle - optionally with respect to a seated or standing observer - whereby switching between at least two operating states is possible. In particular, the transmission behavior is switchable for specific directions. Furthermore, lighting devices and screens using the switchable light filters are disclosed.
- the invention described above in conjunction with an image display device, can be advantageously used wherever confidential data is displayed and/or entered, such as when entering a PIN or for data display at ATMs or payment terminals, or when entering a password or reading emails on mobile devices.
- the invention can also be used in cars to selectively withhold disturbing image content from the driver or passenger. List of reference symbols first optical element 2 second optical element
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Abstract
Description
Titel Title
[0001] Optisches Element, schaltbare Lichtfilter, Beleuchtungseinrichtung und Bildschirm [0001] Optical element, switchable light filter, lighting device and screen
Technisches Gebiet der Erfindung Technical field of the invention
[0002] 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. [0002] In recent years, great strides have been made in widening the viewing angle of LCDs. However, there are often situations in which this very large viewing area of a screen can be a disadvantage. Information, such as banking details or other personal and sensitive data, is also becoming increasingly available on mobile devices such as notebooks and tablet PCs. 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 – in order to share information on their display with others, e.g., when viewing holiday photos or for advertising purposes. On the other hand, they need a narrow viewing angle – in a private mode – if they want to keep the image information confidential.
[0003] 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. [0003] A similar problem arises in vehicle construction: There, the driver must not be distracted by image content, such as digital entertainment programs, when the engine is running, while the passenger also wants to consume these while driving. Therefore, a screen is required that can switch between the corresponding display modes.
[0004] 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. [0005] Die US 6,765,550 B2 beschreibt einen solchen Sichtschutz durch Mikro- Lamellen. Größter Nachteil ist hier die mechanische Entfernung bzw. der mechanische Anbau des Filters sowie der Lichtverlust im geschützten Modus. [0004] 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 and removed manually. They also had to be transported separately from the display when not in use. A significant disadvantage of using such louvre films is the associated light loss. [0005] US Pat. No. 6,765,550 B2 describes such a privacy screen using micro-louvres. The major disadvantage is the mechanical removal or installation of the filter, as well as the loss of light in protected mode.
[0006] In der US 5,993,940 A wird der Einsatz einer Folie beschrieben, die auf ihrer Oberfläche gleichmäßig angeordnete, kleine streifenförmige Prismen hat, um einen privaten Modus, d.h. einen eingeschränkten Sichtmodus mit einem kleinen Betrachtungswinkelbereich, zu erzielen. Entwicklung und Herstellung sind technisch recht aufwendig. [0006] US Pat. No. 5,993,940 A describes the use of a film with small, strip-shaped prisms evenly arranged on its surface to achieve a private mode, i.e., a restricted viewing mode with a narrow viewing angle range. Development and production are technically quite complex.
[0007] In der WO 2012/033583 A1 wird die Umschaltung zwischen freier und eingeschränkter Sicht vermittels der Ansteuerung von Flüssigkristallen zwischen sogenannten „chromonischen“ Schichten erzeugt. Hierbei entsteht ein Lichtverlust und der technische Aufwand ist recht hoch. [0007] In WO 2012/033583 A1, switching between unobstructed and restricted view is achieved by controlling liquid crystals between so-called "chromonic" layers. This results in a loss of light and requires considerable technical effort.
[0008] Die US 2012/0235891 A1 beschreibt ein sehr aufwendiges Backlight - eine Hintergrundbeleuchtung - in einem Bildschirm. Dort kommen gemäß Fig.1 und 15 nicht nur mehrere Lichtleiter zum Einsatz, sondern auch weitere komplexe optische Elemente wie etwa Mikrolinsenelemente 40 und Prismenstrukturen 50, die das Licht von der hinteren Beleuchtung auf dem Weg zur vorderen Beleuchtung umformen. Dies ist teuer und technisch aufwendig umzusetzen und ebenso mit Lichtverlust verbunden. Gemäß der Variante nach Fig.17 in der US 2012/0235891 A1 produzieren beide Lichtquellen 4R und 18 Licht mit einem schmalen Beleuchtungswinkel, wobei das Licht von der hinteren Lichtquelle 18 erst aufwendig in Licht mit einem großen Beleuchtungswinkel umgewandelt wird. Diese komplexe Umwandlung ist - wie weiter oben schon bemerkt - stark helligkeitsmindernd. [0008] US 2012/0235891 A1 describes a very complex backlight in a screen. According to Figs. 1 and 15, not only are several light guides used, but also other complex optical elements such as microlens elements 40 and prism structures 50, which transform the light from the rear illumination on its way to the front illumination. This is expensive and technically complex to implement and also involves light loss. According to the variant shown in Fig. 17 in US 2012/0235891 A1, both light sources 4R and 18 produce light with a narrow illumination angle, with the light from the rear light source 18 first being converted, at great expense, into light with a wide illumination angle. This complex conversion, as already mentioned above, significantly reduces brightness.
[0009] In der US 2013/0308185 A1 wird ein spezieller, mit Stufen ausgebildeter Lichtleiter beschrieben, der Licht auf einer Großfläche in verschiedene Richtungen abstrahlt, je nachdem, aus welcher Richtung er von einer Schmalseite aus beleuchtet wird. Im Zusammenspiel mit einem transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung, z.B. einem LC-Display, kann somit ein zwischen freiem und eingeschränktem Sichtmodus schaltbarer Bildschirm erzeugt werden. Nachteilig ist hierbei u.a., dass der eingeschränkte Sichteffekt entweder nur für links/rechts oder aber für oben/unten, nicht aber für links/rechts/oben/unten gleichzeitig erzeugt werden kann, wie es etwa für bestimmte Zahlungsvorgänge nötig ist. Hinzu kommt, dass auch im eingeschränkten Sichtmodus aus blockierten Einblickwinkeln immer noch ein Restlicht sichtbar ist. [0009] US 2013/0308185 A1 describes a special light guide formed with steps, which radiates light over a large area in different directions, depending on the direction from which it is illuminated from a narrow side. In conjunction with a transmissive image display device, e.g. an LC display, a screen that can be switched between free and restricted viewing modes can be created. A disadvantage here is, among other things, that the restricted viewing effect can only be created for left/right or for up/down, but not for left/right/up/down simultaneously, as is the case for certain payment transactions are necessary. In addition, even in restricted view mode, some residual light is still visible from blocked viewing angles.
[0010] Die WO 2015/121398 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm mit zwei Betriebsarten, bei dem für die Umschaltung der Betriebsarten Streupartikel im Volumen des entsprechenden Lichtleiters vorhanden sind. Die dort gewählten Streupartikel aus einem Polymerisat weisen jedoch in der Regel den Nachteil auf, dass Licht aus beiden Großflächen ausgekoppelt wird, wodurch etwa die Hälfte des Nutzlichtes in die falsche Richtung, nämlich zur Hintergrundbeleuchtung hin, abgestrahlt und dort aufgrund des Aufbaus nicht in hinreichendem Umfang recycelt werden kann. Überdies können die im Volumen des Lichtleiters verteilten Streupartikel aus Polymerisat unter Umständen, insbesondere bei höherer Konzentration, zu Streueffekten führen, die den Sichtschutzeffekt in der geschützten Betriebsart vermindern. [0010] WO 2015/121398 A1 by the applicant describes a screen with two operating modes, in which scattering particles are present in the volume of the corresponding light guide for switching between the operating modes. However, the polymer scattering particles selected therein generally have the disadvantage that light is coupled out of both large surfaces, whereby approximately half of the useful light is emitted in the wrong direction, namely toward the background lighting, where it cannot be adequately recycled due to the structure. Furthermore, the polymer scattering particles distributed in the volume of the light guide can, under certain circumstances, particularly at higher concentrations, lead to scattering effects that reduce the privacy effect in the protected operating mode.
[001 1] 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. [001 1] 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 have visual artifacts on very high-resolution displays.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
[0012] Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein optisches Element zu beschreiben, bei welchem Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung und seinen Polarisationseigenschaften - nicht primär aber in Abhängigkeit von seiner Position - transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird. Hierbei soll produktionsbedingten Ausrichtungstoleranzen durch die optische Wirkung begegnet werden. Durch schaltbare Lichtfilter, welche das optische Element verwenden, soll die Transmission von Licht winkelabhängig - optional in Bezug auf einen sitzenden oder stehenden Betrachter- beeinflusst werden, wobei zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Dabei soll insbesondere das Transmissionsverhalten für bestimmte Richtungen umschaltbar sein. Ferner sollen die schaltbaren Lichtfilter nutzende Beleuchtungseinrichtungen und Bildschirme offenbart werden. [0013] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem ersten optischen Element, umfassend [0012] The object of the invention is therefore to describe an optical element in which light incident on the optical element is transmitted or partially or completely absorbed depending on its direction of incidence and its polarization properties - not primarily depending on its position. Production-related alignment tolerances are to be counteracted by the optical effect. Switchable light filters that use the optical element are intended to influence the transmission of light as a function of the angle - optionally with respect to a seated or standing observer - with switching between at least two operating states. In particular, the transmission behavior is to be switchable for specific directions. Furthermore, lighting devices and screens that use the switchable light filters are to be disclosed. [0013] This object is achieved according to the invention by a first optical element comprising
• eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten, wobei die korrespondierenden Absorptionsquerschnitte mit oabs bezeichnet werden und wahlweise für eine Wellenlänge, für mehrere ausgewählte Wellenlängen oder durchschnittlich für mehrere Wellenlängen im für den Menschen sichtbaren Lichtspektrum gelten, • a multitude of light-absorbing transition dipole moments, where the corresponding absorption cross sections are designated o a bs and apply either to one wavelength, to several selected wavelengths or on average to several wavelengths in the light spectrum visible to humans,
• wobei die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente permanent oder mindestens in einem ersten Zustand mit einer T oleranz T mit T<19°, vorzugsweise mit T<15°, parallel zu einer für das erste optische Element wählbaren ersten Vorzugsrichtung ausgerichtet ist oder um diese herum variiert (die Toleranz T gilt in beide Richtungen, also für den Wert eines jeweiligen Winkels zuzüglich ±T), wobei die erste Vorzugsrichtung in einem Winkel a zur Mittelsenkrechten des ersten optischen Elements angeordnet ist, wobei der Winkel a in einer wählbaren ersten Ebene, welche die besagte Mittelsenkrechte enthält, gemessen wird, und wobei die mit einer Toleranz T parallel zur ersten Vorzugsrichtung ausgerichteten Übergangsdipolmomente eine Dichte Ni und die übrigen (also außerhalb des beschriebenen Toleranzbereiches liegenden) Übergangsdipolmomente eine Dichte von N2 aufweisen, • wherein the majority of the transition dipole moments are permanently or at least in a first state with a tolerance T with T<19°, preferably with T<15°, aligned parallel to a first preferred direction selectable for the first optical element or vary around this (the tolerance T applies in both directions, i.e. for the value of a respective angle plus ±T), wherein the first preferred direction is arranged at an angle α to the perpendicular bisector of the first optical element, wherein the angle α is measured in a selectable first plane containing said perpendicular bisector, and wherein the transition dipole moments aligned with a tolerance T parallel to the first preferred direction have a density Ni and the remaining transition dipole moments (i.e. those lying outside the described tolerance range) have a density of N2,
• so dass Licht, welches in das erste optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber dem ersten optischen Element und seines Polarisationszustandes transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird, wobei auf dem optischen Element permanent oder mindestens in dem besagten ersten Zustand für das Verhältnis der jeweiligen Dichten Ni und N2 der Ubergangsdipolmomente die Ungleichung erfüllt ist, so dass höhere Toleranzwerte T aufgrund der dann entsprechend erhöhten Relation der Dichten Ni und N2 der Übergangsdipolmomente mindestens teilweise kompensiert werden, wodurch die Absorption von p-polarisiertem Licht, welches unter Winkeln von größer 45°, gemessen in der ersten Ebene, auf das optische Element einfällt, verstärkt wird. • so that light incident on the first optical element is transmitted or at least partially absorbed depending on its direction of incidence relative to the first optical element and its polarization state, wherein on the optical element permanently or at least in said first state for the ratio of the respective densities Ni and N2 of the transition dipole moments the inequality is satisfied so that higher tolerance values T are at least partially compensated due to the correspondingly increased relation of the densities Ni and N2 of the transition dipole moments, whereby the absorption of p-polarized light incident on the optical element at angles greater than 45°, measured in the first plane, is increased.
[0014] Die Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten sind in einer mindestens 0,2 Mikrometer dicken Schicht angeordnet. Es können auch mehrere, z.B. durch OCA „Optically Clear Adhesive“) und/oder Substrate getrennte Schichten an Übergangsdipolmomenten vorhanden sein. Die Schichtdicken der Übergangsdipolmomente können beispielsweise von 0,2 pm bis 50 pm, bevorzugt 0,2 pm bis 20 pm, besonders bevorzugt 1 pm bis 10 pm, betragen. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind im ersten optischen Element 1 zwei Schichten an Übergangsdipolmomenten vorhanden, welche jeweils zwischen 1 pm bis 10 pm dick sind, wobei beide jeweils über ein Substrat verfügen (z.B. bestehend aus TAC oder einem anderen nicht oder wenig doppelbrechenden Material mit einer Dicke bevorzugt kleiner 100 pm), wobei ferner die beiden Substrate mit den jeweiligen Schichten an Übergangsdipolmomenten mittels eines OCA (Optically Clear Adhesive) aneinander verklebt sind. [0014] The multitude of light-absorbing transition dipole moments are arranged in a layer at least 0.2 micrometers thick. Several, e.g. by OCA (Optically Clear Adhesive) and/or substrates. The layer thicknesses of the transition dipole moments can be, for example, from 0.2 pm to 50 pm, preferably 0.2 pm to 20 pm, particularly preferably 1 pm to 10 pm. In a preferred embodiment, two layers of transition dipole moments are present in the first optical element 1, each of which is between 1 pm and 10 pm thick, wherein both each have a substrate (e.g. consisting of TAC or another non- or slightly birefringent material with a thickness preferably less than 100 pm), wherein furthermore the two substrates with the respective layers of transition dipole moments are glued to one another by means of an OCA (Optically Clear Adhesive).
[0015] Die Erfindung zeigt also einen Weg auf, wie herstellungsbedingten Limitationen in der Ausrichtung der Übergangsdipolmomente auf dem optischen Element zu begegnen ist, indem nur optische Elemente zum Einsatz kommen, bei denen permanent oder mindestens in dem besagten ersten Zustand für das Verhältnis der jeweiligen Dichten Ni und N2 der Übergangsdipolmomente die Ungleichung / N2 > 10 - erfüllt ist, so dass herstellungsbedingte höhere Toleranzwerte T aufgrund der dann entsprechend erhöhten Relation der Dichten Ni und N2 der Übergangsdipolmomente mindestens teilweise kompensiert werden. [0015] The invention therefore shows a way of counteracting production-related limitations in the alignment of the transition dipole moments on the optical element by using only optical elements in which the inequality / N 2 > 10 - is fulfilled permanently or at least in the said first state for the ratio of the respective densities Ni and N2 of the transition dipole moments, so that production-related higher tolerance values T due to the correspondingly increased relation of the densities Ni and N2 of the transition dipole moments can be at least partially compensated.
[0016] Bevorzugt gilt, dass permanent oder mindestens in dem besagten ersten Zustand für das Verhältnis der jeweiligen Dichten Ni und N2 der Ubergangsdipolmomente die Ungleichung N / N2 > erfüllt ist. [0016] Preferably, the inequality N / N 2 > is satisfied permanently or at least in said first state for the ratio of the respective densities Ni and N2 of the transition dipole moments.
[0017] Je größer der relative Anteil der übrigen (also außerhalb des beschriebenen Toleranzbereiches liegenden) Übergangsdipolmomente mit der Dichte von N2 ist, umso schlechter ist auch die allgemeine Transmission des optischen Elements allgemein in allen Richtungen. [0017] The greater the relative proportion of the remaining transition dipole moments (i.e. those lying outside the described tolerance range) with the density of N2, the worse the general transmission of the optical element is in all directions.
[0018] Eine Messung der Relation der Dichten Ni und N2 kann beispielsweise indirekt über DLS (Dynamic Light Scattering)-\/edahrer erfolgen, welche im Stand der Technik bekannt sind und daher hier nicht weiter erläutert werden. Unter Einhaltung der erfindungsgemäßen Ungleichung können dann entsprechend für die Aufgabe geeignete erste optische Elemente nach deren Produktion bewertet und ausgewählt werden. [0019] Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst von einem ersten schaltbaren Lichtfilter, umfassend ein erstes optisches Element wie vorstehend beschrieben, [0018] The relationship between the densities Ni and N2 can be measured indirectly, for example, using DLS (Dynamic Light Scattering) methods, which are known in the art and therefore will not be further explained here. By adhering to the inequality according to the invention, appropriate first optical elements can then be evaluated and selected after their production. [0019] A further object of the invention is achieved according to the invention by a first switchable light filter comprising a first optical element as described above,
Mittel zur wahlweisen Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, z.B. ITO-Schichten mit einem angeschlossenem Signalgenerator, eine in Betrachtungsrichtung hinter oder vor 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, wenn die Flüssigkristallschicht in Betrachtungsrichtung vor dem ersten optischen Element angeordnet ist, einen in Betrachtungsrichtung vor der Flüssigkristallschicht liegenden ersten linearen Polarisationsfilter, so dass sich die Transmissionseigenschaften des ersten schaltbaren Lichtfilters zwischen einer ersten Betriebsart B1 , in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden. Means for selectively generating a first electric field EF1 or a second electric field EF2, e.g. ITO layers with a connected signal generator, a liquid crystal layer arranged behind or in front of the first optical element in the viewing direction, on which layer 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 when the liquid crystal layer is arranged in front of the first optical element in the viewing direction, a first linear polarization filter arranged in front of the liquid crystal layer in the viewing direction, so that the transmission properties of the first switchable light filter differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, and a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied.
[0020] Im Fall, dass die Übergangsdipolmomente veränderbar sind, z.B. über sogenannte Guest-Host-Flüssigkristallzellen, können solche Guest-Host- Flüssigkristallzellen unmittelbar der vorgenannten Flüssigkristallschicht entsprechen, müssen aber nicht. [0020] In the case that the transition dipole moments are variable, e.g. via so-called guest-host liquid crystal cells, such guest-host liquid crystal cells may, but do not have to, correspond directly to the aforementioned liquid crystal layer.
[0021] In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Flüssigkristallschicht durchdringendes Licht bei Anliegen des zweiten elektrischen Feldes EF2 im Wesentlichen unverändert transmittiert, während beim Anliegen des ersten elektrischen Feldes EF1 das einfallende Licht zirkular oder elliptisch polarisiert oder die Polarisation des Lichtes um 90° gedreht wird. Im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass an den Grenzflächen die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle durch elektrische Felder und oberflächeninduzierte Kräfte bestimmt wird, damit sind die Flüssigkristallmoleküle nicht ideal ausgerichtet, was zu einer unerwünschten, geringen Änderung der Polarisation führt. [0021] In a preferred embodiment, light penetrating the liquid crystal layer is transmitted essentially unchanged when the second electric field EF2 is applied, while when the first electric field EF1 is applied, the incident light is circularly or elliptically polarized, or the polarization of the light is rotated by 90°. Essentially, this means that at the interfaces, the orientation of the liquid crystal molecules is determined by electric fields and surface-induced forces. Thus, the liquid crystal molecules are not ideally aligned, leading to an undesirable, slight change in polarization.
[0022] Für Ausgestaltungen mit TN-Flüssigkristallzellen gilt: Die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle unterscheidet sich typischerweise um 90° an den Großflächen, die die Flüssigkristallschicht begrenzen. Eine solche Ausrichtung wird unterstützt durch PMI oder PVA und eine zusätzliche mechanische oder optische Bearbeitung der Oberfläche. Für TN-Flüssigkristallschichten gilt in der Regel ferner, dass bei Umschalten zwischen den elektrischen Feldern EF1 und EF2 die Mehrzahl der Flüssigkristalle in der Flüssigkristallschicht um 75 bis 90 Grad aus der Ebene gedreht werden. Im Falle von IPS- und FFS-Flüssigkristallschichten sind die Drehungen der LC-Moleküle kleiner als 45°, typischerweise etwa 25° bis 40° in der Ebene. [0022] For designs with TN liquid crystal cells, the following applies: The alignment of the liquid crystal molecules typically differs by 90° at the large surfaces that define the liquid crystal layer. Such alignment is supported by PMI or PVA and additional mechanical or optical surface treatment. For TN liquid crystal layers, it is also generally true that when switching between the electric fields EF1 and EF2, the majority of the liquid crystals in the liquid crystal layer are rotated out of plane by 75 to 90 degrees. In the case of IPS and FFS liquid crystal layers, the rotations of the LC molecules are less than 45°, typically about 25° to 40° in plane.
[0023] Das erste elektrische Feld EF1 kann beispielsweise eine Feldstärke ungleich 0 V/pm aufweisen, etwa in der Größenordnung von 1 V/pm, z.B. als Rechteckwelle mit 1 kHz, während das zweite elektrische Feld EF2 zum Beispiel eine Feldstärke von 0 V/pm aufweist. Die Ausgestaltung kann jedoch auch genau umgekehrt sein, bzw. auch derart, dass beide Felder EF1 und EF2 nicht feldfrei sein. [0023] The first electric field EF1 can, for example, have a field strength other than 0 V/pm, approximately on the order of 1 V/pm, e.g., as a square wave at 1 kHz, while the second electric field EF2, for example, has a field strength of 0 V/pm. However, the configuration can also be exactly the opposite, or such that both fields EF1 and EF2 are not field-free.
[0024] Wenn die Flüssigkristallschicht in Betrachtungsrichtung hinter dem ersten optischen Element angeordnet ist, fällt auf die Flüssigkristallschicht bevorzugt linear polarisiertes Licht oder elliptisch polarisiertes Licht ein, bei welchem das Verhältnis von großer zu kleiner Halbachse mindestens 4:1 beträgt (bevorzugt mindestens 5:1 oder mehr). Erreichbar ist dies beispielsweise durch lineare Polarisationsfilter im Lichtweg, oder auch durch X/4-Schichten im Falle des Einsatzes von zirkular polarisiertem Licht. [0024] If the liquid crystal layer is arranged behind the first optical element in the viewing direction, the liquid crystal layer is preferably subjected to linearly polarized light or elliptically polarized light, in which the ratio of the major to the minor semi-axis is at least 4:1 (preferably at least 5:1 or more). This can be achieved, for example, by linear polarization filters in the light path, or by λ/4 layers when using circularly polarized light.
[0025] Vorteilhaft gilt, dass das erste optische Element (und jedes weitere solche optische Element, so vorhanden) und/oder die Flüssigkristallschicht und/oder die Mittel zur Erzeugung eines ersten oder zweiten elektrischen Feldes EF1 , EF2 in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt ist, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen den jeweils möglichen Betriebszuständen ermöglicht wird. [0025] Advantageously, the first optical element (and any further such optical element, if present) and/or the liquid crystal layer and/or the means for generating a first or second electric field EF1, EF2 are divided into several separately switchable segments, so that local switchability between the respectively possible operating states is enabled.
[0026] In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der schaltbare Lichtfilter mindestens zwei erste optische Elemente, wobei optional eine doppelbrechende Schicht zwischen mindestens zwei solchen ersten optischen Elementen angeordnet ist. Außerdem könnten ggf. die mindestens zwei ersten optischen Elemente voneinander verschiedene Dicken der jeweils die Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten enthaltenen Schichten aufweisen, müssen aber nicht. [0026] In a further embodiment, the switchable light filter comprises at least two first optical elements, wherein a birefringent layer is optionally arranged between at least two such first optical elements. Furthermore, the at least two first optical elements could, if appropriate, have different thicknesses of the layers containing the plurality of light-absorbing transition dipole moments, but this is not required.
[0027] Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst von einem zweiten schaltbaren Lichtfilter, umfassend ein zweites optisches Element, seinerseits umfassend • eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten, wobei die korrespondierenden Absorptionsquerschnitte mit oabs bezeichnet werden und wahlweise für eine Wellenlänge, für mehrere ausgewählte Wellenlängen oder durchschnittlich für mehrere Wellenlängen im für den Menschen sichtbaren Lichtspektrum gelten, [0027] A further object of the invention is further achieved by a second switchable light filter comprising a second optical element, in turn comprising • a multitude of light-absorbing transition dipole moments, where the corresponding absorption cross sections are designated o a bs and apply either to one wavelength, to several selected wavelengths or on average to several wavelengths in the light spectrum visible to humans,
• wobei die Übergangsdipolmomente durch einen oder mehrere dichroitische Farbstoffe gebildet und jeweils in einer Guest-Host-Anordnung in einer zweiten Flüssigkristallschicht enthalten sind, • wherein the transition dipole moments are formed by one or more dichroic dyes and are each contained in a guest-host arrangement in a second liquid crystal layer,
• wobei ferner die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand mit einer T oleranz T mit T<19°, vorzugsweise mit T<15°, parallel zu einer für das zweite optische Element wählbaren zweiten Vorzugsrichtung ausgerichtet ist oder um diese herum variiert (auch hier gilt die Toleranz T in beide Richtungen, also ±T), wobei die zweite Vorzugsrichtung in einem Winkel a zur Mittelsenkrechten des zweiten optischen Elements angeordnet ist, wobei der Winkel a in einer wählbaren zweiten Ebene, welche die besagte Mittelsenkrechte enthält, gemessen wird, und wobei die mit einer Toleranz T parallel zur zweiten Vorzugsrichtung ausgerichteten Übergangsdipolmomente eine Dichte Ni und die übrigen Übergangsdipolmomente eine Dichte von N2 aufweisen, • wherein furthermore, the majority of the transition dipole moments are aligned, at least in a first state, with a tolerance T with T<19°, preferably with T<15°, parallel to a second preferred direction selectable for the second optical element or vary around this (here too, the tolerance T applies in both directions, i.e. ±T), wherein the second preferred direction is arranged at an angle α to the perpendicular bisector of the second optical element, wherein the angle α is measured in a selectable second plane containing said perpendicular bisector, and wherein the transition dipole moments aligned with a tolerance T parallel to the second preferred direction have a density Ni and the remaining transition dipole moments have a density of N2,
• so dass Licht, welches in das zweite optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber dem zweiten optischen Element, seines Polarisationszustandes und dem Zustand der zweiten Flüssigkristallschicht am Ort des Lichteinfalls transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird,• so that light which is incident on the second optical element is transmitted or at least partially absorbed depending on its direction of incidence relative to the second optical element, its polarization state and the state of the second liquid crystal layer at the location of the light incidence,
Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, wobei das jeweilige elektrische Feld auf die zweite Flüssigkristallschicht wirkt, so dass sich die Transmissionseigenschaften des zweiten schaltbaren Lichtfilters zwischen einer ersten Betriebsart B1 , in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt und die zweite Flüssigkristallschicht im besagten ersten Zustand ist, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt und die zweite Flüssigkristallschicht in einem zweiten Zustand ist, unterscheiden, wobei auf dem zweiten optischen Element mindestens in dem besagten ersten Zustand für das Verhältnis der jeweiligen Dichten Ni und N2 derMeans for selectively generating at least one first electric field EF1 or one second electric field EF2, wherein the respective electric field acts on the second liquid crystal layer, so that the transmission properties of the second switchable light filter differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied and the second liquid crystal layer is in said first state, and a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied and the second liquid crystal layer is in a second state, wherein on the second optical element at least in said first state for the ratio of the respective densities Ni and N2 of the
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Ubergangsdipolmomente die Ungleichung erfüllt ist, so dass höhere Toleranzwerte T aufgrund der dann entsprechend erhöhten Relation der Dichten Ni und N2 der Übergangsdipolmomente mindestens teilweise kompensiert werden, wodurch die Absorption von p-polarisiertem Licht, welches unter Winkeln von größer 45°, gemessen in der zweiten Ebene, auf das zweite optische Element einfällt, verstärkt wird. Transition dipole moments the inequality fulfilled so that higher tolerance values T are at least partially compensated due to the correspondingly increased relation of the densities Ni and N2 of the transition dipole moments, whereby the absorption of p-polarized light incident on the second optical element at angles greater than 45°, measured in the second plane, is increased.
[0028] Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass beim zweiten schaltbaren Lichtfilter allgemein gelten kann, dass der mindestens eine erste Zustand der Mehrzahl der Übergangsdipolmomente praktisch auch einem zweiten Zustand für eine, weiter unten noch im Detail beschriebene zweite Betriebsart B2, entsprechen kann. d.h. insbesondere, dass die Randbedingungen für den ersten Zustand - betreffend u.a. die Toleranz und die Ausrichtung zur zweiten Vorzugsrichtung - auch für den zweiten Zustand gelten. [0028] It should be noted at this point that, in the case of the second switchable light filter, it can generally be the case that the at least one first state of the majority of the transition dipole moments can practically also correspond to a second state for a second operating mode B2, which will be described in more detail below. This means, in particular, that the boundary conditions for the first state—concerning, among other things, the tolerance and the alignment with the second preferred direction—also apply to the second state.
[0029] Die Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2 können auch vorteilhaft so ausgelegt sein, dass an unterschiedlichen Positionen auf der Flüssigkeitsschicht zur gleichen Zeit unterschiedliche elektrische Felder EF1 , EF2 (oder ggf. davon verschiedene elektrische Felder EF3, EF4, etc.) anliegen. Damit kann eine positionsabhängige Teilumschaltung der Betriebsarten des zweiten schaltbaren Lichtfilters erreicht werden. [0029] The means for selectively generating at least one first electric field EF1 or one second electric field EF2 can also advantageously be designed such that different electric fields EF1, EF2 (or possibly different electric fields EF3, EF4, etc.) are present at different positions on the liquid layer at the same time. This allows for a position-dependent partial switching of the operating modes of the second switchable light filter.
[0030] Für den zweiten schaltbaren Lichtfilter kann optional gelten, dass auf dessen zweitem optischen Element mindestens in dem besagten zweiten Zustand (für die zweite Betriebsart B2) für das Verhältnis der jeweiligen Dichten Ni und N2 der Übergangsdipolmomente abweichend vom ersten Zustand die Ungleichung V, / /V2 10 - 3 ■ iog10 erfüllt ist, wodurch die Absorption von p-polarisiertem Licht, welches unter Winkeln von größer 45°, gemessen in der zweiten Ebene, auf das zweite optische Element einfällt, abgeschwächt wird. Auf diese Weise wird entlang der zweiten Ebene in dem besagten zweiten Zustand eine höhere Transmission erreicht. Die Betriebsart B2 erlaubt dann bei Betrachtung entlang der zweiten Ebene mindestens teilweise einen größeren Betrachtungswinkel, also einen freien Sichtmodus. [0030] For the second switchable light filter, it can optionally apply that on its second optical element, at least in the said second state (for the second operating mode B2), for the ratio of the respective densities Ni and N2 of the transition dipole moments, deviating from the first state, the inequality V, / /V 2 10 - 3 ■ iog 10 is satisfied, whereby the absorption of p-polarized light, which is incident on the second optical element at angles greater than 45°, measured in the second plane, is attenuated. In this way, a higher transmission is achieved along the second plane in the second state. Operating mode B2 then allows, at least in part, a larger viewing angle when viewed along the second plane, i.e., a free view mode.
[0031] Vorteilhaft unterscheiden sich sowohl beim ersten schaltbaren Lichtfilter als auch beim zweiten schaltbaren Lichtfilter die Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden zur Erzeugung des ersten elektrischen Feldes EF1 und des zweiten elektrischen Feldes EF2 um mindestens 2 Volt. Es können explizit noch weitere Betriebsarten B3, B4, etc. mit von den elektrischen Feldern EF1 und EF2 abweichenden elektrischen Feldern EF3, EF4 etc. vorgesehen sein. Außerdem können sich die Betriebsarten B1 , B2, etc. auch, wie weiter vorn schon angedeutet, lokal auf dem schaltbaren Lichtfilter unterscheiden. [0031] Advantageously, both in the first switchable light filter and in the second switchable light filter, the potential differences between the electrodes for generating the first electric field EF1 and the second electric field EF2 by at least 2 volts. Further operating modes B3, B4, etc. can be explicitly provided with electric fields EF3, EF4, etc. that differ from the electric fields EF1 and EF2. Furthermore, the operating modes B1, B2, etc. can also differ locally on the switchable light filter, as already indicated above.
[0032] Die Erfindung umfasst auch eine erste Beleuchtungseinrichtung in einer ersten Ausgestaltung für einen Bildschirm, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, umfassend [0032] The invention also comprises a first illumination device in a first embodiment for a screen which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted into a viewing angle range which is restricted for a viewer compared to the free view mode, comprising
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung, die Licht abstrahlt, und die optional direkt leuchtend (z.B. mit einer LED-Matrix) aufgebaut ist, sowie - a surface-like backlight that radiates light and is optionally directly luminous (e.g. with an LED matrix), as well as
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung angeordneten erfindungsgemäßen ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter wie vorstehend beschrieben. - a first or second switchable light filter according to the invention arranged in front of the background lighting in the viewing direction as described above.
[0033] Dies ergänzend umfasst die Erfindung ebenfalls einen ersten Bildschirm in einer ersten Ausgestaltung, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, umfassend [0033] In addition to this, the invention also comprises a first screen in a first embodiment, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted into a viewing angle range that is restricted for a viewer compared to the free view mode, comprising
- eine erste Beleuchtungseinrichtung, wie vorstehend beschrieben, - a first lighting device as described above,
- sowie, wenn in dem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter der ersten Beleuchtungseinrichtung kein erster linearer Polarisationsfilter angeordnet ist, einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung angeordneten zweiten linearen Polarisationsfilter, wodurch Licht, welches von der Hintergrundbeleuchtung ausgeht und den zweiten linearen Polarisationsfilter durchdringt, in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt wird, und - and, if no first linear polarization filter is arranged in the first or second switchable light filter of the first illumination device, a second linear polarization filter arranged in front of the background illumination in the viewing direction, whereby light emanating from the background illumination and penetrating the second linear polarization filter is restricted in its propagation directions, and
- eine transmissive Bildwiedergabeeinrichtung, welche in Betrachtungsrichtung vor dem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter angeordnet ist, - a transmissive image display device which is arranged in front of the first or second switchable light filter in the viewing direction,
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt. - where in operating mode B2 the second electric field EF2 is applied and where in operating mode B1 the first electric field EF1 is applied.
[0034] Dabei gilt bevorzugt, dass der erste oder zweite lineare Polarisationsfilter in der transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung angeordnet oder ein Teil von ihr ist. [0035] Ferner umfasst die Erfindung einen zweiten Bildschirm, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, umfassend [0034] It is preferred that the first or second linear polarization filter is arranged in the transmissive image display device or is a part of it. [0035] Furthermore, the invention comprises a second screen which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted into a viewing angle range which is restricted for a viewer compared to the free view mode, comprising
- eine Bildwiedergabeeinrichtung, wobei hier grundsätzlich jede Art von Bildwiedergabeeinrichtung in Frage kommt, beispielsweise LC-Panel, OLED, microLED und andere, - an image display device, whereby in principle any type of image display device is suitable, for example LC panel, OLED, microLED and others,
- in Betrachtungsrichtung vor der Bildwiedergabeeinrichtung einen erfindungsgemäßen ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter wie weiter vorn beschrieben, - in the viewing direction in front of the image display device, a first or second switchable light filter according to the invention as described above,
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt. - where in operating mode B2 the second electric field EF2 is applied and where in operating mode B1 the first electric field EF1 is applied.
[0036] Hierbei kann optional gelten, dass der erste oder zweite schaltbare Lichtfilter nachträglich durch einen Nutzer und/oder reversibel an der Bildwiedergabeeinrichtung angebracht ist. In diesem Falle kann ein Lichtfilter als sogenanntes „After- Market- Product“ vertrieben werden. [0036] Optionally, the first or second switchable light filter may be subsequently attached to the image display device by a user and/or reversibly. In this case, a light filter may be sold as a so-called "after-market product."
[0037] Für einige vorbeschrieben erste und zweite Bildschirme kann es beim Einsatz in PKW vorteilhaft sein, wenn in Betrachtungsrichtung vor der transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung ein drittes optisches Element angeordnet ist, welches umfasst: [0037] For some of the first and second screens described above, it may be advantageous when used in cars if a third optical element is arranged in front of the transmissive image display device in the viewing direction, which third optical element comprises:
• eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten; hierbei ist die Farbstoffmassendichte größer als 1% bzw. sogar größer als 10%. • a large number of light-absorbing transition dipole moments; the dye mass density is greater than 1% or even greater than 10%.
• wobei die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand mit einer T oleranz von maximal 20° (alternativ 10°) parallel zu einer für das dritte optische Element wählbaren dritten Vorzugsrichtung ausgerichtet ist oder um diese herum fluktuiert, wobei die dritte Vorzugsrichtung in einem Winkel oci zur Mittelsenkrechten des dritten optischen Elements angeordnet ist (hierbei kann beispielsweise gelten ai = 0°, ai = ±2° oder Betrag(oci) > 2°), wobei der Winkel oci in einer wählbaren dritten Ebene, welche die besagte Mittelsenkrechte enthält, gemessen wird; die dritte Ebene liegt bevorzugt senkrecht zur ersten Ebene des ersten optischen Elements, • so dass Licht, welches in das dritte optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber dem dritten optischen Element und seines Polarisationszustandes transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird. • wherein the majority of the transition dipole moments are aligned, at least in a first state, with a tolerance of a maximum of 20° (alternatively 10°) parallel to a third preferred direction selectable for the third optical element or fluctuate around this, wherein the third preferred direction is arranged at an angle oci to the perpendicular bisector of the third optical element (for example, ai = 0°, ai = ±2° or amount(oci) > 2° can apply), wherein the angle oci is measured in a selectable third plane containing said perpendicular bisector; the third plane is preferably perpendicular to the first plane of the first optical element, • so that light which is incident on the third optical element is transmitted or at least partially absorbed depending on its direction of incidence relative to the third optical element and its polarization state.
[0038] Diese letztgenannte Ausgestaltung sorgt vorteilhaft für eine reduzierte Transmission in vertikaler Richtung, und kann damit im Fahrzeug Reflexionen von auf dem besagten Bildschirm dargestellten Bildinhalten auf der Windschutzscheibe vermindern oder ganz vermeiden. [0038] This latter embodiment advantageously provides for reduced transmission in the vertical direction and can thus reduce or completely avoid reflections of image content displayed on the said screen on the windscreen in the vehicle.
[0039] Ferner umfasst die Erfindung eine zweite Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm in einer zweiten Ausgestaltung, die in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, umfassend [0039] Furthermore, the invention comprises a second illumination device for a screen in a second embodiment, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode, comprising
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung, die Licht in einen eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt, und die optional direkt leuchtend aufgebaut ist, sowie - a surface-like extended backlight that radiates light in a limited angular range and which is optionally designed to be directly illuminated, and
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist, - 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,
- seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters angeordnete Leuchtmittel, und - illuminants arranged laterally on at least one narrow side of the light guide, and
- optional einen linearen Polarisationsfilter, - optionally a linear polarization filter,
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung (dies schließt auch eine Position vor einem Bildschirm, mit welchem die Beleuchtungseinrichtung verwendet wird, ein) angeordneten erfindungsgemäßen ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter, wie weiter vorn beschrieben, - a first or second switchable light filter according to the invention arranged in the viewing direction in front of the background lighting (this also includes a position in front of a screen with which the lighting device is used), as described above,
- wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung ein- und die Leuchtmittel ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel eingeschaltet sind, und - wherein in operating mode B2 the backlight is switched on and the lamps are switched off, and wherein in operating mode B1 at least the lamps are switched on, and
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt. - where in operating mode B2 the second electric field EF2 is applied and where in operating mode B1 the first electric field EF1 is applied.
[0040] Mit „eingeschränktem Winkelbereich“ ist Rahmen der Erfindung, und insbesondere bezüglich der Hintergrundbeleuchtung gemeint, dass die entsprechende Leuchtdichte in einem definierten Winkelbereich zu mindestens 80% oder 90% konzentriert ist, während es außerhalb des definierten eingeschränkten Winkelbereichs durchaus auch noch Restlicht geben kann, was in der Regel technisch bedingt ist. Idealerweise ist solches Restlicht minimal und nimmt zu größeren Winkeln hin ab. Um eine besonders starke Minimierung zu erreichen, kommt zusätzlich zu der in einen eingeschränkten Winkelbereich Licht abstrahlenden Hintergrundbeleuchtung ein entsprechender Lichtfilter zu Einsatz. Dies gilt auch für die nachfolgend beschriebene Variante mit einem Lichtleiter, der Licht mehrheitlich in einen eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt bzw. auskoppelt. Im Gegensatz zu dieser Ausgestaltung der Erfindung sind Leuchtdichtekurven von Hintergrundbeleuchtungen über insbesondere horizontale (ggf. auch vertikale) Winkelbereiche hinweg typischerweise glockenförmig, wobei jedoch keine echte Konzentration der Leuchtdichte um einen kleineren Winkelbereich vorliegen muss. [0040] By “limited angular range” is meant within the scope of the invention, and in particular with regard to the background lighting, that the corresponding Luminance is concentrated to at least 80% or 90% in a defined angular range, while there may still be residual light outside the defined, restricted angular range, which is usually due to technical reasons. Ideally, such residual light is minimal and decreases at larger angles. In order to achieve particularly strong minimization, a corresponding light filter is used in addition to the backlight that emits light in a restricted angular range. This also applies to the variant described below with a light guide that emits or decouples light predominantly in a restricted angular range. In contrast to this embodiment of the invention, luminance curves of backlights are typically bell-shaped, particularly over horizontal (and possibly also vertical) angular ranges, although this does not necessarily mean that there is a true concentration of luminance around a smaller angular range.
[0041] Weiterhin umfasst die Erfindung eine dritte Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm, die in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann,[0041] Furthermore, the invention comprises a third illumination device for a screen, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode,
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung, die Licht in einen nicht eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt, und die optional direkt leuchtend aufgebaut ist (z.B. mittels einer lokal dimmbaren LED-Matrix- Beleuchtungseinheit), sowie - a surface-like backlight that radiates light in an unrestricted angular range and that is optionally designed to be directly luminous (e.g. by means of a locally dimmable LED matrix lighting unit), as well as
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist, wobei die besagten Auskoppelelemente seitlich in mindestens eine Schmalseite des Lichtleiters eingekoppeltes Licht mehrheitlich (d.h. zu über der Hälfte, bevorzugt zu über 80% oder 90%) in einen eingeschränkten Winkelbereich auskoppeln, - 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, wherein said output coupling elements output the majority of the light coupled laterally into at least one narrow side of the light guide (i.e., more than half, preferably more than 80% or 90%) into a limited angular range,
- seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters angeordnete Leuchtmittel, und - illuminants arranged laterally on at least one narrow side of the light guide, and
- optional einen linearen Polarisationsfilter, - optionally a linear polarization filter,
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung, bevorzugt vor dem Lichtleiter, angeordneten erfindungsgemäßen ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter wie vorstehend beschrieben, - wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung aus- und die Leuchtmittel eingeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet ist (zusätzlich können optional auch die Leuchtmittel eingeschaltet sein), und - a first or second switchable light filter according to the invention arranged in the viewing direction in front of the background illumination, preferably in front of the light guide, as described above, - where in operating mode B2 the backlight is off and the lamps are switched on, and where in operating mode B1 at least the backlight is switched on (optionally the lamps can also be switched on), and
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt. - where in operating mode B2 the second electric field EF2 is applied and where in operating mode B1 the first electric field EF1 is applied.
[0042] Weiterhin umfasst die Erfindung eine vierte Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm, die in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, umfassend [0042] Furthermore, the invention comprises a fourth illumination device for a screen, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode, comprising
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung, die Licht in einen eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt und -zur Einschränkung des Winkelbereiches besagten Lichtes- ein erstes optisches Element, wie weiter vorn beschrieben enthält, und die optional direkt leuchtend aufgebaut ist, sowie- a surface-like backlight which emits light in a limited angular range and - to limit the angular range of said light - contains a first optical element as described above, and which is optionally designed to be directly luminous, and
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist, - 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,
- seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters angeordnete Leuchtmittel, und - illuminants arranged laterally on at least one narrow side of the light guide, and
- wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung ein- und die Leuchtmittel ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel eingeschaltet sind. - where in operating mode B2 the backlight is switched on and the lamps are switched off, and where in operating mode B1 at least the lamps are switched on.
[0043] Die ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Beleuchtungseinrichtungen werden vorteilhaft mit einem transmissiven Bildschirm, etwa einem LC-Panel, kombiniert, um einen Bildschirm zu erzeugen, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann. [0043] The first, second, third and/or fourth illumination devices are advantageously combined with a transmissive screen, such as an LC panel, to produce a screen that can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode.
[0044] Vorteilhaft gilt, dass die Übergangsdipolmomente eines ersten optischen Elements (oder ggf., falls vorhanden, auch eines weiteren ersten oder zweiten oder dritten optischen Elements) ausgebildet sind als mindestens ein, mindestens zwei, mindestens drei oder mehr dichroitische(r) Farbstoff(e), welche in einer Guest-Host- Anordnung mit den Flüssigkristallen gemischt sind. Für permanente Übergangsdipolmomente können die Flüssigkristalle bevorzugt über einen Aushärtungsprozess fixiert werden. [0044] Advantageously, the transition dipole moments of a first optical element (or optionally, if present, also of a further first or second or third optical element) are formed as at least one, at least two, at least three or more dichroic dye(s) which are arranged in a guest-host Arrangement mixed with the liquid crystals. For permanent transition dipole moments, the liquid crystals can preferably be fixed via a curing process.
[0045] Demgegenüber können die Übergangsdipolmomente auch nicht fixiert als Guest-Host-Anordnung in eine Flüssigkristallschicht eingebettet sein, so dass die Übergangsdipolmomente je nach Beeinflussung dieser Flüssigkristallschicht in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Betrag zwischen dem ersten und mindestens einem zweiten Zustand variiert werden können. [0045] In contrast, the transition dipole moments can also be embedded in a liquid crystal layer in a non-fixed manner as a guest-host arrangement, so that the transition dipole moments can be varied in their orientation and/or their magnitude between the first and at least one second state depending on the influence of this liquid crystal layer.
[0046] Die dichroitischen Farbstoffmoleküle innerhalb einer Guest-Host-Anordnung richten sich im Allgemeinen parallel zu den Flüssigkristallmolekülen aus. [0046] The dichroic dye molecules within a guest-host arrangement generally align parallel to the liquid crystal molecules.
[0047] Alternativ kann das erste optische Element als Laminat von Schichten von Polymerfolienpolarisatoren ausgebildet werden. [0047] Alternatively, the first optical element may be formed as a laminate of layers of polymer film polarizers.
[0048] Mittels der vorgenannten Ausgestaltungen wird außerdem gewährleistet, dass das erste optische Element in seiner Struktur nicht-periodisch aufgebaut ist. Dies ist vorteilhaft, weil dann im Zusammenspiel mit Pixelstrukturen von Bildschirmen keine Gefahr für Artefakte wie Moire-Effekte gegeben ist. [0048] The aforementioned embodiments also ensure that the first optical element is non-periodic in its structure. This is advantageous because, in interaction with pixel structures of screens, there is no risk of artifacts such as moiré effects.
[0049] Die erste (bzw. zweite) Vorzugsrichtung kann beispielsweise jeweils einen Winkel zwischen 0° und 45° zu einer Flächennormale des ersten (bzw. zweiten) optischen Elements einschließen. Außerdem ist es möglich, dass die erste bzw. zweite Vorzugsrichtung über die Fläche des ersten (bzw. zweiten) optischen Elements variiert. Im Sinne der Erfindung gilt dann die durchschnittliche, gewichtete Vorzugsrichtung. Die erste und zweite Vorzugsrichtung können auch identisch sein bzw. sich in ihrer Ausrichtung nur um wenige Grad (maximal 10°) unterscheiden und beide insbesondere senkrecht auf dem betreffenden optischen Element stehen. Dies ist ein bevorzugter Fall. Es ist aber auch je nach Anwendungsfall möglich, dass sich die erste und zweite Vorzugsrichtung um mehr als 10° voneinander unterscheiden. [0049] The first (or second) preferred direction can, for example, enclose an angle between 0° and 45° to a surface normal of the first (or second) optical element. Furthermore, it is possible for the first or second preferred direction to vary over the surface of the first (or second) optical element. For the purposes of the invention, the average, weighted preferred direction then applies. The first and second preferred directions can also be identical or differ in their orientation by only a few degrees (maximum 10°) and both can, in particular, be perpendicular to the respective optical element. This is a preferred case. However, depending on the application, it is also possible for the first and second preferred directions to differ from one another by more than 10°.
[0050] Ferner ist es möglich, dass sich mindestens zwei solcher Vorzugsrichtungen in einer wählbaren Ebene um mehr als 10° unterscheiden und/oder dass die jeweilige Vorzugsrichtung eines Übergangsdipolmoments in Abhängigkeit von dessen Position im ersten bzw. zweiten optischen Element wählbar ist. [0051] Außerdem kann es von Vorteil sein, wenn das erste bzw. zweite optische Element entlang einer wählbaren Referenzlinie 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 gilt, wobei alle Bereichs-Vorzugsrichtungen paarweise verschieden sind und bis auf eine Toleranz von maximal ±10 Grad in Richtung eines Betrachters weisen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Betrachter einen Bildschirm mit einem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter im eingeschränkten Sichtmodus als homogen ausgeleuchtet wahrnimmt. [0050] Furthermore, it is possible that at least two such preferred directions differ by more than 10° in a selectable plane and/or that the respective preferred direction of a transition dipole moment is selectable depending on its position in the first or second optical element. [0051] Furthermore, it may be advantageous if the first or second optical element is divided into different regions (A1, A2, ...) along a selectable reference line, wherein a separate region-preferred direction can be selected for each region (A1, A2, ...), which applies to all transition dipole moments within a region (A1, A2, ...), wherein all region-preferred directions are different in pairs and point in the direction of a viewer up to a maximum tolerance of ±10 degrees. This arrangement has the advantage that the viewer perceives a screen with a first or second switchable light filter as homogeneously illuminated in the restricted viewing mode.
[0052] 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 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 wird beispielsweise Licht der entsprechenden Polarisation absorbiert. Der Betrag des Vektors korrespondiert zur Stärke der Wechselwirkung bzw. zur Übergangswahrscheinlichkeit. [0052] The transition dipole moment – also referred to as the transition matrix element – is a quantum mechanical vector quantity associated with 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 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, during the transition from the ground state to the excited state, light of the corresponding polarization is absorbed. The magnitude of the vector corresponds to the strength of the interaction or the transition probability.
[0053] Die erste (zweite) Vorzugsrichtung entspricht dabei derjenigen Ausrichtung der Übergangsdipolmomente des ersten (zweiten) optischen Elements bei vorgegebener Ausbreitungsrichtung von Licht, bei der für beliebige Polarisationen des Lichts die Absorption gleich ist. [0053] The first (second) preferred direction corresponds to the orientation of the transition dipole moments of the first (second) optical element for a given propagation direction of light, in which the absorption is the same for any polarization of the light.
[0054] Der erste oder zweite Lichtfilter kann weiterhin einen Polarisationsfilter umfassen, welcher dem ersten oder dem zweiten optischen Element in der Einfallsrichtung gesehen vor- oder nachgeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine X/4-Schicht denkbar, etwa beim Einfall von zirkular polarisiertem Licht, welches aufgrund dieser Schicht in (im Wesentlichen) linear polarisiertes Licht gewandelt wird. [0054] The first or second light filter may further comprise a polarization filter, which is arranged upstream or downstream of the first or second optical element in the direction of incidence. Alternatively or additionally, a λ/4 layer is also conceivable, for example, in the case of incident circularly polarized light, which is converted into (essentially) linearly polarized light due to this layer.
[0055] Eine erste beispielhafte Herstellungsvariante für ein erstes optisches Element unter Nutzung des Guest-Host-Prinzips basiert auf Mischungen von dichroitischen Farbstoffen oder dichroitischen Farbstoffmischungen mit Flüssigkristallmischungen oder -Verbindungen, und umfasst folgende Schritte zur Herstellung (mit Referenz auf die US 9,481 ,658 B2 bzw. WO2021/177308A1 Absatz 37ff) [0055] A first exemplary manufacturing variant for a first optical element using the guest-host principle is based on mixtures of dichroic dyes or dichroic dye mixtures with liquid crystal mixtures or -compounds, and comprises the following steps for production (with reference to US 9,481,658 B2 or WO2021/177308A1 paragraph 37ff)
Ein gering oder nicht doppelbrechendes Substrat wird mit einem Film beschichtet, der die Ausrichtung der Moleküle relativ zur Oberfläche bestimmt, in der Regel parallel oder senkrecht zur Oberfläche. Hierfür kommen Polymere, bevorzugt Polyvinylalkohol oder Polyimide, zum Einsatz. A low- or non-birefringent substrate is coated with a film that determines the orientation of the molecules relative to the surface, usually parallel or perpendicular to the surface. Polymers, preferably polyvinyl alcohol or polyimides, are used for this purpose.
- Optional: Optische oder mechanische Behandlung der Oberflächen, um die spätere Güte der Molekülausrichtung zu verbessern. - Optional: Optical or mechanical treatment of the surfaces to improve the subsequent quality of molecular alignment.
- Aufbringen der Mischung von dichroitischem Farbstoff und thermotropen flüssigkristallinen Verbindungen oder Polymeren. - Application of the mixture of dichroic dye and thermotropic liquid crystalline compounds or polymers.
Durch Einstrahlung von Licht werden lokal die Seitenketten kondensiert, so dass diese entlang der Oberfläche für Doppelbrechung sorgen. When exposed to light, the side chains are locally condensed, causing birefringence along the surface.
[0056] Eine alternative, zweite Herstellungsvariante nutzt thermotrope, flüssigkristalline dichroitische Farbstoffe (Referenz auf die JP201 1 -237513A), und umfasst folgende Schritte: [0056] An alternative, second manufacturing variant uses thermotropic, liquid crystalline dichroic dyes (reference to JP201 1 -237513A), and comprises the following steps:
Herstellung der entsprechenden Farbstoffe und Hinzufügen einer polaren Gruppe. Preparation of the corresponding dyes and addition of a polar group.
- Aufbringen der Farbstoffmischung sowie Fotoausrichtung und Aushärtung der Farbstoffmischung mittels polarisiertem Licht. - Application of the dye mixture as well as photo-alignment and curing of the dye mixture using polarized light.
[0057] Folgende Materialien kommen für verschiedene Herstellungsvarianten beispielsweise in Frage, wobei diese Aufstellung keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt: [0057] The following materials are suitable for various manufacturing variants, although this list is not exhaustive:
- Als Polymersubstrat mit geringer oder keiner Doppelbrechung: bevorzugt TAC,- As polymer substrate with low or no birefringence: preferably TAC,
- Als dichroitische Substanzen oder Mischungen: Dichroitische Farbstoffe (bevorzugt Azo-Farbstoffe) oder dichroitische Metallnanopartikel (bevorzugt Gold, Silber, Kupfer, und Aluminium); es handelt sich dabei in der Regel um einzelne Farbstoffe oder Mischungen von typischerweise bis zu drei unterschiedlichen Farbstoffen, um die Absorption über das gesamte Spektrum zu ermöglichen, - As dichroic substances or mixtures: Dichroic dyes (preferably azo dyes) or dichroic metal nanoparticles (preferably gold, silver, copper, and aluminum); these are usually single dyes or mixtures of typically up to three different dyes to enable absorption across the entire spectrum,
- Zur Oberflächenbehandlung durch Ausrichtung von Farbstoffen oder flüssigkristallinen Substanzen: Polymere, bevorzugt Polyvinylalkohol oder Polyimide, - For surface treatment by alignment of dyes or liquid crystalline substances: polymers, preferably polyvinyl alcohol or polyimides,
Für thermotrope flüssigkristalline Verbindungen oder Polymere wird beispielhaft auf die JP 201 1 -237513A verwiesen. - Als chemische Gruppen zur Vernetzung, die an die thermotropen flüssigkristallinen Verbindungen oder Polymere gebunden sind (Cross linking): Metaacryloygruppen, Epoxygruppen, eine Oxetanylgruppen, and Styrolgruppen, bevorzugt Methacryloylische Gruppen. Alternativ kann es sich um polymerisierbare Flüssigkristallverbindungen handeln, die etwa in der JP 6268730B2 beschrieben sind. For thermotropic liquid crystalline compounds or polymers, reference is made to JP 201 1 -237513A as an example. - As chemical groups for crosslinking, which are bound to the thermotropic liquid crystalline compounds or polymers (crosslinking): metaacrylic groups, epoxy groups, oxetanyl groups, and styrene groups, preferably methacrylic groups. Alternatively, these can be polymerizable liquid crystal compounds, such as those described in JP 6268730B2.
Polymerisierbare flüssigkristalline dichroitische Farbstoffe, beispielsweise Azo- Farbstoffe Polymerizable liquid crystalline dichroic dyes, for example azo dyes
[0058] 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 mindestens 0,01 %, vorzugsweise von 1% bis 15 % am Material der jeweiligen Schichten des betreffenden optischen Elements. In besonderen Fällen kann die Konzentration im Falle von flüssigkristallinen dichroitischen Farbstoffen sogar 95% erreichen. Die Dicke der Schichten liegt vorzugsweise im Bereich von 0,2 pm bis 50 pm, bevorzugt im Bereich von 0,5 pm bis 20 pm, alle Randwerte jeweils eingeschlossen. Die Farbstoffe bzw. Farbstoffmischungen für unterschiedliche Schichten innerhalb eines optischen Elements können unterschiedlich sein, müssen es aber nicht. [0058] 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 at least 0.01%, preferably from 1% to 15%, of the material of the respective layers of the optical element in question. In special cases, the concentration can even reach 95% in the case of liquid-crystalline dichroic dyes. The thickness of the layers is preferably in the range from 0.2 pm to 50 pm, more preferably in the range from 0.5 pm to 20 pm, all boundary values included. The dyes or dye mixtures for different layers within an optical element can be different, but do not have to be.
[0059] In allen Ausgestaltungen der Erfindung kann gelten, dass für die Toleranz T gilt 5° < T < 19° oder 10° < T < 19°, beispielsweise ist T =5° oder T =10° oder T = 15° oder T =19°. Für sehr geringe Anteile an Dipolmomenten N2, für die beispielsweise gilt N1/N1 >50, kann die Toleranz T auch größer als 19° sein, ohne den erfinderischen Erfolg zu gefährden. [0059] In all embodiments of the invention, the tolerance T may be 5° < T < 19° or 10° < T < 19°, for example, T = 5° or T = 10° or T = 15° or T = 19°. For very small proportions of dipole moments N2, for which, for example, N1/N1 > 50 applies, the tolerance T may also be greater than 19° without jeopardizing the inventive success.
[0060] Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei den beschriebenen Bildwiedergabeeinrichtungen (der Bildschirme) und/oder Beleuchtungseinrichtungen jeweils eine solche Leuchtdichtekurve umgesetzt ist, welche etwa in (insbesondere aus Betrachtersicht horizontalen bzw. in der ersten Ebene gemessenen) Winkeln ab 25° weniger als 80%, bevorzugt weniger als 60% der in (irgend)eine Richtung maximal abgestrahlten oder transmittierten Leuchtdichte abgestrahlt bzw. transmittiert wird. Auf diese Weise wird an solchen Winkelbereichen der Sichtschutz verstärkt, weil die besagte Leuchtdichtekurve mit der jeweiligen Transmissionskurve eines mit einem beschriebenen Bildschirm und/oder eine Beleuchtungseinrichtung verwendeten schaltbaren Lichtfilters multipliziert wird. In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn beispielsweise eine solche besagte Leuchtdichtekurve bei einem Winklel von 45° etwa 50% der maximalen Leuchtdichte aufweist. [0060] Furthermore, it is advantageous if, in the described image display devices (the screens) and/or lighting devices, such a luminance curve is implemented, which, for example, at angles (in particular horizontal from the viewer's perspective or measured in the first plane) from 25°, emits or transmits less than 80%, preferably less than 60% of the maximum radiated or transmitted luminance in (any) direction. In this way, the privacy protection is enhanced at such angular ranges, because the said luminance curve corresponds to the respective transmission curve of a screen and/or lighting device used with a described switchable light filter. In this context, it is also advantageous if, for example, such a luminance curve has approximately 50% of the maximum luminance at an angle of 45°.
[0061] Für bestimmte Anwendungsfälle, bei denen Betrachter mit (i.d.R. vertikal) linear polarisierenden Sonnenbrillen auf einen vorbeschriebenen Bildschirm mit einem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter schauen kann es von Vorteil sein, im Lichtweg in Betrachtungsrichtung vor dem Bildschirm weiterhin eine X/4-Schicht zur Umwandlung von linear polarisiertem in zirkular polarisiertes Licht anzuordnen. Je nach Zustand der ersten Flüssigkristallschicht im ersten schaltbaren Lichtfilter bzw. je nach Zustand der zweiten Flüssigkristallschicht im zweiten schaltbaren Lichtfilter würde dann links oder rechts drehendes, zirkular polarisiertes Licht erzeugt werden, was -mit einer reduzierter Helligkeit- durch eine besagte Sonnenbrille sichtbar ist. Im Falle von gekreuzten linearen Polarisationen einer Sonnenbrille und des vom Bildschirm ausgehenden Lichtes, wenn keine solche X/4-Schicht vorhanden ist, könnte es ansonsten in Abhängigkeit des Zustandes zu dem Fall kommen, dass ein eine solche Sonnenbrille tragender Betrachter im Wesentlichen kein Bild sieht. [0061] For certain applications in which viewers wearing (usually vertically) linearly polarized sunglasses look at a previously described screen with a first or second switchable light filter, it may be advantageous to further arrange an λ/4 layer in the light path in the viewing direction in front of the screen to convert linearly polarized light into circularly polarized light. Depending on the state of the first liquid crystal layer in the first switchable light filter or depending on the state of the second liquid crystal layer in the second switchable light filter, left- or right-rotating, circularly polarized light would then be generated, which - with reduced brightness - is visible through said sunglasses. In the case of crossed linear polarizations of sunglasses and the light emanating from the screen, if no such λ/4 layer is present, it could otherwise happen, depending on the state, that a viewer wearing such sunglasses essentially sees no image.
[0062] Ein vorbeschriebener schaltbarer Lichtfilter, eine Beleuchtungseinrichtung oder 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. [0062] A switchable light filter, a lighting device, or such a screen as described above is advantageously used in a mobile device, a motor vehicle, aircraft, or watercraft, in a payment terminal, or in an access system. Switching between the aforementioned operating modes is possible to protect sensitive data, i.e., to display it perceptibly for only one viewer, or alternatively, to display image content simultaneously for multiple viewers.
[0063] Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden. [0063] In principle, the performance of the invention is maintained if the parameters described above are varied within certain limits.
[0064] 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. Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0064] It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combinations indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention. Short description of the drawings
[0065] 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: Fig. 1 eine Prinzipskizze zum Aufbau eines ersten optischen Elements, [0065] The invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings, which also disclose features essential to the invention. These exemplary embodiments are merely illustrative and are not to be interpreted as limiting. For example, a description of an exemplary embodiment with a plurality of elements or components should not be interpreted as meaning that all of these elements or components are necessary for implementation. Rather, other exemplary embodiments may also contain alternative elements and components, fewer elements or components, or additional elements or components. Elements or components of different exemplary embodiments may be combined with one another unless otherwise stated. Modifications and variations described for one of the exemplary embodiments may also be applicable to other exemplary embodiments. To avoid repetition, identical or corresponding elements in different figures are designated by the same reference numerals and are not explained more than once. They show: Fig. 1 shows a schematic diagram of the structure of a first optical element,
Fig. 2 bis Fig.5 beispielhafte normierte T ransmissionskurven jeweils für den Einfall von Licht zweier verschiedener Polarisationen (s, p) in das erste optische Element, aufgetragen über einem Blickwinkel auf das erste optische Element für die jeweiligen Werte von N1/N2, Fig. 2 to Fig. 5 show exemplary normalized transmission curves for the incidence of light of two different polarizations (s, p) into the first optical element, plotted against a viewing angle on the first optical element for the respective values of N1/N2,
Fig. 6a ein Vergleich beispielhafter normierter Transmissionskurven jeweils für den Einfall von Licht zweier verschiedener Polarisationen in ein erstes optisches Element, aufgetragen in linearem Maßstab über einem Blickwinkel auf das erste optische Element für zwei verschiedene Werte von T und bei jeweils gleichem Verhältnis N1/N2, Fig. 6a shows a comparison of exemplary normalized transmission curves for the incidence of light of two different polarizations into a first optical element, plotted on a linear scale over a viewing angle on the first optical element for two different values of T and for the same ratio N1/N2,
Fig. 6b der Vergleich aus Fig.6a, hier in logarithmischem Maßstab auf der Ordinate, Fig. 7a ein Vergleich zweier weiterer beispielhafter normierter Transmissionskurven jeweils für den Einfall von Licht zweier verschiedener Polarisationen in ein erstes optisches Element, aufgetragen in linearem Maßstab über einem Blickwinkel auf das erste optische Element für zwei verschiedene Werte des Verhältnisses N1/N2 und bei jeweils gleichem Wert für T, Fig. 6b the comparison from Fig. 6a, here in logarithmic scale on the ordinate, Fig. 7a a comparison of two further exemplary normalized transmission curves each for the incidence of light of two different polarizations into a first optical element, plotted on a linear scale over a viewing angle on the first optical element for two different values of the ratio N1/N2 and with the same value for T,
Fig. 7b der Vergleich aus Fig.7a, hier in logarithmischem Maßstab auf der Ordinate, Fig. 8 und Fig.9 weitere beispielhafte normierte Transmissionskurven jeweils für den Einfall von Licht zweier verschiedener Polarisationen in das erste optische Element, aufgetragen über einem Blickwinkel auf das erste optische Element, wobei die erfindungsgemäße Ungleichung jeweils nicht eingehalten ist,Fig. 7b the comparison from Fig.7a, here in logarithmic scale on the ordinate, Fig. 8 and Fig. 9 further exemplary normalized transmission curves each for the incidence of light of two different polarizations into the first optical element, plotted against a viewing angle on the first optical element, wherein the inequality according to the invention is not observed in each case,
Fig. 10 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus eines ersten schaltbaren Lichtfilters, Fig. 10 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a first switchable light filter,
Fig. 11 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus eines zweiten schaltbaren Lichtfilters, Fig. 11 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a second switchable light filter,
Fig. 12 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus einer Beleuchtungseinrichtung in einer ersten Ausgestaltung mit einem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter, Fig. 13 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus eines Bildschirms in einer ersten Ausgestaltung, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 und B2 betrieben werden kann, mit einem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter, Fig. 12 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device in a first embodiment with a first or second switchable light filter, Fig. 13 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a screen in a first embodiment, which can be operated in at least two operating modes B1 and B2, with a first or second switchable light filter,
Fig. 14 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus eines Bildschirms in einer zweiten Ausgestaltung, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 und B2 betrieben werden kann, mit einem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter,Fig. 14 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a screen in a second embodiment, which can be operated in at least two operating modes B1 and B2, with a first or second switchable light filter,
Fig. 15 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus einer Beleuchtungseinrichtung in einer zweiten Ausgestaltung, mit einem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter, Fig. 15 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device in a second embodiment, with a first or second switchable light filter,
Fig. 16 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus einer Beleuchtungseinrichtung in einer dritten Ausgestaltung, mit einem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter, sowie Fig. 16 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device in a third embodiment, with a first or second switchable light filter, and
Fig. 17 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus einer Beleuchtungseinrichtung in einer vierten Ausgestaltung, mit einem ersten optischen Element. Fig. 17 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device in a fourth embodiment, with a first optical element.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
[0066] Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder. In einigen Fällen sind ausgewählte Strahlen dargestellt, während in der Realität eine Vielzahl von Lichtstrahlen vorhanden ist. Gleiches gilt für die Darstellung ausgewählter Dipolmomente in Fig.1 . Betrachtungsrichtungen sollen, wo nötig, in der Blattebene stets von oben angenommen werden. [0066] The drawings are not to scale and merely represent schematic diagrams. In some cases, selected rays are shown, whereas in reality, a multitude of light rays are present. The same applies to the representation of selected dipole moments in Fig. 1. Where necessary, viewing directions should always be assumed to be from above in the plane of the page.
[0067] Es zeigt Fig. 1 eine Prinzipskizze zum Aufbau eines ersten optischen Elements 1 in einem permanenten (oder ggf. ersten) Zustand. Das erste optische Element 1 umfasst • eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten (dargestellt durch die Pfeile), wobei die korrespondierenden Absorptionsquerschnitte mit Oabs bezeichnet werden und wahlweise für eine Wellenlänge, für mehrere ausgewählte Wellenlängen oder durchschnittlich für mehrere Wellenlängen im für den Menschen sichtbaren Lichtspektrum gelten, [0067] Fig. 1 shows a schematic diagram of the construction of a first optical element 1 in a permanent (or possibly first) state. The first optical element 1 comprises • a multitude of light-absorbing transition dipole moments (represented by the arrows), whereby the corresponding absorption cross sections are designated Oabs and apply either to one wavelength, to several selected wavelengths or on average to several wavelengths in the light spectrum visible to humans,
• wobei die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente permanent oder mindestens in einem ersten Zustand mit einer (wählbaren) Toleranz T mit T < 19° parallel zu einer für das erste optische Element 1 wählbaren ersten Vorzugsrichtung (siehe Strichlinie) ausgerichtet ist oder um diese herum variiert (die Toleranz T gilt in beide Richtungen, also für den Wert eines jeweiligen Winkels zuzüglich ±T), wobei die erste Vorzugsrichtung in einem Winkel a zur Mittelsenkrechten (siehe Strichpunktline) des ersten optischen Elements 1 angeordnet ist, wobei der Winkel a in einer wählbaren ersten Ebene, welche die besagte Mittelsenkrechte enthält, gemessen wird, und wobei die mit einer Toleranz T parallel zur ersten Vorzugsrichtung ausgerichteten Übergangsdipolmomente eine Dichte Ni und die übrigen (also außerhalb des beschriebenen Toleranzbereiches liegenden) Übergangsdipolmomente eine Dichte von N2 aufweisen; in der Zeichnung Fig.1 ist für wenige, beispielhaft ausgewählte Übergangsdipolmomente dargestellt, zur welcher Dichte Ni bzw. N2 diese jeweils gehören, • wherein the majority of the transition dipole moments are permanently or at least in a first state with a (selectable) tolerance T with T < 19° parallel to a first preferred direction selectable for the first optical element 1 (see dashed line) or vary around this (the tolerance T applies in both directions, i.e. for the value of a respective angle plus ±T), wherein the first preferred direction is arranged at an angle α to the perpendicular bisector (see dashed line) of the first optical element 1, wherein the angle α is measured in a selectable first plane containing said perpendicular bisector, and wherein the transition dipole moments aligned with a tolerance T parallel to the first preferred direction have a density Ni and the remaining transition dipole moments (i.e. those lying outside the described tolerance range) have a density of N2; in the drawing Fig. 1, for a few transition dipole moments selected as examples, it is shown to which density Ni or N2 these respectively belong,
• so dass Licht, welches in das erste optische Element 1 einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber dem ersten optischen Element 1 und seines Polarisationszustandes transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird, wobei auf dem optischen Element 1 permanent oder mindestens in dem besagten ersten Zustand für das Verhältnis der jeweiligen Dichten Ni und N2 der Ubergangsdipolmomente die Ungleichung erfüllt ist, so dass höhere Toleranzwerte T aufgrund der dann entsprechend erhöhten Relation der Dichten Ni und N2 der Übergangsdipolmomente mindestens teilweise kompensiert werden, wodurch (mindestens) die Absorption von p-polarisiertem Licht, welches unter Winkeln von größer 45°, gemessen in der ersten Ebene, auf das optische Element 1 einfällt, verstärkt wird. • so that light incident on the first optical element 1 is transmitted or at least partially absorbed depending on its direction of incidence relative to the first optical element 1 and its polarization state, wherein on the optical element 1 permanently or at least in said first state for the ratio of the respective densities Ni and N2 of the transition dipole moments the inequality is satisfied so that higher tolerance values T are at least partially compensated due to the correspondingly increased relation of the densities Ni and N2 of the transition dipole moments, whereby (at least) the absorption of p-polarized light which is incident on the optical element 1 at angles greater than 45°, measured in the first plane, is increased.
[0068] Die Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten sind in einer mindestens 0,2 Mikrometer dicken Schicht angeordnet. Es können auch mehrere, z.B. durch OCA (Optically Clear Adhesive) und/oder Substrate getrennte Schichten an Übergangsdipolmomenten vorhanden sein. Die Schichtdicken der Übergangsdipolmomente können beispielsweise in der Summe aller vorhandenen Schichten von 0,2 pm bis 50 pm, bevorzugt 0,2 pm bis 20 pm, besonders bevorzugt 1 pm bis 10 pm, betragen. In besonderen Ausgestaltungen sind mindestens zwei durch mindestens ein Substrat getrennte Schichten an Übergangsdipolmomenten vorhanden. [0068] The plurality of light-absorbing transition dipole moments are arranged in a layer at least 0.2 micrometers thick. Several, e.g. Layers of transition dipole moments separated by OCA (optically clear adhesive) and/or substrates may be present. The layer thicknesses of the transition dipole moments can, for example, be in the sum of all layers present, from 0.2 pm to 50 pm, preferably 0.2 pm to 20 pm, particularly preferably 1 pm to 10 pm. In particular embodiments, at least two layers of transition dipole moments separated by at least one substrate are present.
[0069] Die Erfindung zeigt einen Weg auf, wie herstellungsbedingte Limitationen in der Ausrichtung der Übergangsdipolmomente auf dem optischen Element 1 zu begegnen ist, indem nur optische Elemente 1 zum Einsatz kommen, bei denen permanent oder mindestens in dem besagten ersten Zustand für das Verhältnis der jeweiligen Dichten NI und N2 der Ubergangsdipolmomente die Ungleichung N / N2 > erfüllt ist, so dass herstellungsbedingte höhere Toleranzwerte T aufgrund der dann entsprechend erhöhten Relation der Dichten Ni und N2 der Übergangsdipolmomente mindestens teilweise kompensiert werden. Dadurch wird nicht allein die Absorption von p-polarisiertem Licht, welches unter Winkeln von größer 45°, gemessen in der ersten Ebene, auf das optische Element 1 einfällt, verstärkt, sondern es wird auch die normierte Transmission in der Vorzugsrichtung bzw. in einem Winkelbereich von einigen Grad darüber hinaus erhöht. [0069] The invention shows a way of counteracting manufacturing-related limitations in the alignment of the transition dipole moments on the optical element 1 by using only optical elements 1 in which the inequality N / N 2 > is met, so that manufacturing-related higher tolerance values T are at least partially compensated due to the correspondingly increased ratio of the densities Ni and N 2 of the transition dipole moments. This not only increases the absorption of p-polarized light incident on the optical element 1 at angles greater than 45°, measured in the first plane, but also increases the normalized transmission in the preferred direction or in an angular range of a few degrees beyond that.
[0070] Je größer der Anteil der übrigen (also außerhalb des beschriebenen Toleranzbereiches liegenden) Übergangsdipolmomente mit der Dichte von N2 ist, umso schlechter ist auch die allgemeine Transmission des optischen Elements 1 allgemein, d.h. in allen Richtungen. [0070] The greater the proportion of the remaining transition dipole moments (i.e. those lying outside the described tolerance range) with the density of N 2 , the worse the general transmission of the optical element 1 in general, ie in all directions.
[0071] Näherungsweise, quantitative Simulationen der normierten Transmission des ersten optischen Elements 1 sind für verschiedene Parameter in den Fig.2 bis Fig.9 gezeigt. Die Transmissionen wurden hierbei unabhängig für auf ein optisches Element 1 einfallendes, s- und p-polarisiertes Licht berechnet. In jeder dieser Zeichnungen wird die normierte Transmission mit einer Strichlinie für einfallendes s-polarisiertes Licht und mit einer durchgezogenen Linie für p-polarisiertes Licht gezeigt. Der Ausgangspunkt für die Berechnung der T ransmission durch eine absorbierende Schicht ist das Gesetz von Labert-Beer. Es beinhaltet neben der Dicke der Schicht auch das Produkt aus Extinktionskoeffizient und Konzentration der absorbierenden Spezies. In dem vorliegenden Fall wird die Extinktion näherungsweise mit der Absorption gleichgesetzt, da die Absorption durch sehr kleine Moleküle erzeugt wird, die das Licht nur schwach streuen. Diese Absorptionskoeffizienten werden mit as und ap bezeichnet. Diese Koeffizienten beschreiben entsprechend die Absorption für s- bzw. p-polarisiertes Licht. Für die ideale Ausrichtung der Moleküle parallel zur ersten Vorzugsrichtung erreicht as den Zahlenwert 0. Hiermit lässt sich die Ausbreitung von s-polarisierten Licht beschreiben, dass sich in der Ebene ausbreitet, welche Oberflächennormale und die erste Vorzugsrichtung einschließt. Um auch die Ausbreitung von p-polarisiertem Licht beschreiben zu können, muss ap mit Hilfe des Gesetzes von Malus modifiziert werden. Für die Verhältnisse wird in der Simulation angenommen: [0071] Approximate, quantitative simulations of the normalized transmission of the first optical element 1 are shown for various parameters in Figs. 2 to 9. The transmissions were calculated independently for s- and p-polarized light incident on an optical element 1. In each of these drawings, the normalized transmission is shown with a dashed line for incident s-polarized light and with a solid line for p-polarized light. The starting point for calculating the transmission through an absorbing layer is the Labert-Beer law. In addition to the thickness of the layer, it also includes the product of the extinction coefficient and the concentration of the absorbing species. In the present case, the extinction is approximately equated with the absorption, since the absorption is caused by very small molecules that only weakly absorb the light. scatter. These absorption coefficients are denoted by a s and a p . These coefficients describe the absorption for s- and p-polarized light, respectively. For the ideal alignment of the molecules parallel to the first preferred direction, a s reaches the numerical value 0. This describes the propagation of s-polarized light that propagates in the plane that includes the surface normal and the first preferred direction. In order to also describe the propagation of p-polarized light, a p must be modified using Malus' law. The following relationships are assumed in the simulation:
[0072] Zunächst zeigt Fig. 2 eine erste beispielhafte normierte Transmissionskurve jeweils für den Einfall von Licht zweier verschiedener Polarisationen (s, p) in ein erstes optisches Element 1 , aufgetragen über einem Blickwinkel auf ein erstes optisches Element 1 für einen ersten Wert von NI/N2 = 6,66. Dieses Verhältnis von N1/N2 erfüllt die genannte Ungleichung N±/N2 > 10 - 3 ■ iog10 [(2°1O~T')] zum Beispiel für T = 10 (hier würde genau genommen schon NI/N2 > 6,16 ausreichen). Zu sehen ist, dass bereits ein relativ schlechtes, daher aber für die Herstellung eines ersten optischen Elements 1 eher einfach zu erreichendes Verhältnis der Dichten der Übergangsdipolmomente für p- polarisiertes Licht eine Absorption von mehr als 90% bei 45° erzeugt. [0072] Firstly, Fig. 2 shows a first exemplary normalised transmission curve for the incidence of light of two different polarisations (s, p) into a first optical element 1, plotted against a viewing angle on a first optical element 1 for a first value of N1/N2 = 6.66. This ratio of N1/N2 satisfies the aforementioned inequality N ± / N2 > 10 - 3 ■ iog 10 [ (2 ° 1O ~ T ' ) ] for example for T = 1 0 (here, strictly speaking, N1/ N2 > 6.16 would be sufficient). It can be seen that even a relatively poor ratio of the densities of the transition dipole moments for p-polarised light, which is therefore relatively easy to achieve for the production of a first optical element 1, produces an absorption of more than 90% at 45 °.
[0073] Ferner stellt Fig. 3 eine zweite beispielhafte normierte Transmissionskurve jeweils für den Einfall von Licht zweier verschiedener Polarisationen (s, p) in ein erstes optisches Element 1 , aufgetragen über einem Blickwinkel auf das erste optische Element 1 für einen zweiten Wert von NI/N2 = 7 dar. Dies entspricht dem Grenzwert der besagten Ungleichung für T = 10°. Zu sehen ist auch hier, dass also bereits ein relativ schlechtes, daher aber für die Herstellung eines ersten optischen Elements 1 eher einfach zu erreichendes Verhältnis der Dichten der Übergangsdipolmomente für p- polarisiertes Licht eine Absorption von mehr als 90% etwa bei 45° erzeugt. [0073] Furthermore, Fig. 3 shows a second exemplary normalized transmission curve for the incidence of light of two different polarizations (s, p) into a first optical element 1, plotted against a viewing angle on the first optical element 1 for a second value of NI/N2 = 7. This corresponds to the limit of the said inequality for T = 10°. It can also be seen here that even a relatively poor, but therefore relatively easy to achieve for the production of a first optical element 1, ratio of the densities of the transition dipole moments for p-polarized light produces an absorption of more than 90% at approximately 45°.
[0074] Weiterhin gibt Fig. 4 eine dritte beispielhafte normierte Transmissionskurve jeweils für den Einfall von Licht zweier verschiedener Polarisationen (s, p) in ein erstes optisches Element 1 , aufgetragen über einem Blickwinkel auf das erste optische Element für einen dritten Wert von NI/N2 = 10 dar. Dies entspricht dem Grenzwert der besagten Ungleichung für T = 19°. Die gegenüber den Gegebenheiten nach Fig. 2 und 3 deutlich größere Toleranz T = 19° wird auch hier durch die in der Relation erhöhte Dichte N1 der Übergangsdipolmomente (über-)kompensiert. Die für p-polarisiertes Licht gewünschte Absorption bei ca. 45° ist verbessert, gegenüber dem Fall, dass die vorgenannte Ungleichung nicht erfüllt ist. [0074] Furthermore, Fig. 4 shows a third exemplary normalized transmission curve for the incidence of light of two different polarizations (s, p) into a first optical element 1, plotted against a viewing angle on the first optical element for a third value of NI/N2 = 10. This corresponds to the limit of the said inequality for T = 19°. The significantly larger tolerance T = 19° compared to the conditions according to Figs. 2 and 3 is also (over-)compensated here by the relative increased density N1 of the transition dipole moments. The for p-polarized light desired absorption at about 45° is improved compared to the case where the above inequality is not fulfilled.
[0075] Darüber hinaus zeigt Fig. 5 eine vierte beispielhafte normierte T ransmissionskurve jeweils für den Einfall von Licht zweier verschiedener Polarisationen (s, p) in ein erstes optisches Element 1 , aufgetragen über einem Blickwinkel auf das erste optische Element für einen vierten Wert von NI/N2=16>10. Dies entspricht einer Verschärfung des Grenzwertes der besagten Ungleichung für T=19°, WO - wie oben beschrieben - mindestens N1/N2>10 gelten soll. Die zu Fig.4 vorstehend gegebenen Anmerkungen gelten entsprechend. [0075] Furthermore, Fig. 5 shows a fourth exemplary normalized transmission curve for the incidence of light of two different polarizations (s, p) into a first optical element 1, plotted against a viewing angle on the first optical element for a fourth value of N1/N2=16>10. This corresponds to a tightening of the limit of the said inequality for T=19°, where - as described above - at least N1/N2>10 should apply. The comments given above for Fig. 4 apply accordingly.
[0076] In der Fig. 6a ist ein Vergleich beispielhafter normierter Transmissionskurven jeweils für den Einfall von Licht zweier verschiedener Polarisationen (s, p) in ein erstes optische Element 1 zu sehen, aufgetragen in linearem Maßstab über einem Blickwinkel auf das erste optische Element 1 für zwei verschiedene Werte von T (T = 0° mit dünnen Linien und T = 10° mit dicken Linien) und bei jeweils gleichem beispielhaften Verhältnis N1/N2 = 16,7. Qualitativ sehen jeweils die Kurven für s- bzw. p-polarisiertes Licht vergleichbar aus. Dabei ist offensichtlich, dass sich die Transmission für T = 10° gegenüber T = 0° sichtlich verringert, was durch die größere Toleranz T = 10° der Ausrichtung der Übergangsdipolmomente gegenüber der ersten Vorzugsrichtung bedingt ist: Schlechter ausgerichtete Übergangsdipolmomente, also solche, die eine größere Toleranz aufweisen, bedingen ein größeres Os. [0076] Fig. 6a shows a comparison of exemplary normalized transmission curves for the incidence of light of two different polarizations (s, p) into a first optical element 1, plotted on a linear scale over a viewing angle onto the first optical element 1 for two different values of T (T = 0° with thin lines and T = 10° with thick lines) and for the same exemplary ratio N1/N2 = 16.7. Qualitatively, the curves for s- and p-polarized light are comparable. It is obvious that the transmission for T = 10° is visibly reduced compared to T = 0°, which is due to the larger tolerance T = 10° of the alignment of the transition dipole moments compared to the first preferred direction: poorly aligned transition dipole moments, i.e. those with a larger tolerance, result in a larger Os.
[0077] Die Fig. 6b zeigt den Vergleich aus Fig.6a, jedoch in logarithmischem Maßstab auf der Ordinate. Dabei ist zu erkennen, dass etwa ab Absolutbeträgen des Blickwinkels von mehr als 25° beide Parametersätze etwa gleiche Transmission bzw. Absorption für p-polarisiertes Licht aufweisen, aber die Gesamttransmission für T=10° in der ersten Vorzugsrichtung für p-polarisiertes Licht und in vielen Richtungen für s-polarisiertes Licht um einen Faktor von ca. 1 ,2 verringert wird, was unerwünscht ist. [0077] Figure 6b shows the comparison from Figure 6a, but on a logarithmic scale on the ordinate. It can be seen that, for absolute values of the viewing angle of more than 25°, both sets of parameters exhibit approximately the same transmission or absorption for p-polarized light, but the total transmission for T=10° is reduced by a factor of approximately 1.2 in the first preferred direction for p-polarized light and in many directions for s-polarized light, which is undesirable.
[0078] Demgegenüber gibt Fig. 7a einen Vergleich beispielhafter normierter Transmissionskurven jeweils für den Einfall von Licht zweier verschiedener Polarisationen (s, p) in ein erstes optisches Element 1 wieder, aufgetragen in linearem Maßstab über einem Blickwinkel auf das erste optische Element 1 für zwei verschiedene Werte des Verhältnisses N1/N2 (16,7 mit dicken Linien und 29,2 mit dünnen Linien) und bei jeweils gleichem Wert für T = 10°. Dabei ist offensichtlich, dass sich die T ransmission für das geringere Verhältnis N1/N2 = 16,7 gegenüber N1/N2 = 29,2 sichtlich verringert. [0078] In contrast, Fig. 7a shows a comparison of exemplary normalized transmission curves for the incidence of light of two different polarizations (s, p) into a first optical element 1, plotted on a linear scale over a viewing angle on the first optical element 1 for two different values of the ratio N1/N2 (16.7 with thick lines and 29.2 with thin lines) and with the same value for T = 10°. It is obvious that the transmission is noticeably reduced for the lower ratio N1/N2 = 16.7 compared to N1/N2 = 29.2.
[0079] Die Fig. 7b zeigt den Vergleich aus Fig.7a, jedoch in logarithmischem Maßstab auf der Ordinate. Dabei ist zu erkennen, dass etwa ab Absolutbeträgen des Blickwinkels von mehr als ca. 30° beide Parametersätze etwa gleiche Transmission bzw. Absorption für p-polarisiertes Licht aufweisen, aber die Gesamttransmission für NI/N2 = 16,7 in der ersten Vorzugsrichtung für p-polarisiertes Licht und in vielen Richtungen für s- polarisiertes Licht ist um einen Faktor von ca. 1 ,2 verringert, was unerwünscht ist. Der Vergleich der Zeichnungen Fig.6b und 7b lässt daher den Schluss zu, dass die Absorption für p-polarisiertes Licht auch in Winkeln mit Absolutbeträgen von weniger als ca. 30° eher durch eine geringere Toleranz T als durch ein höheres Verhältnis der Dichten NI/N2 ZU erreichen ist. [0079] Fig. 7b shows the comparison from Fig. 7a, but on a logarithmic scale on the ordinate. It can be seen that, for absolute values of the viewing angle of more than approximately 30°, both sets of parameters have approximately the same transmission or absorption for p-polarized light, but the total transmission for NI/N 2 = 16.7 in the first preferred direction for p-polarized light and in many directions for s-polarized light is reduced by a factor of approximately 1.2, which is undesirable. The comparison of the drawings Figs. 6b and 7b therefore allows the conclusion that the absorption for p-polarized light, even at angles with absolute values of less than approximately 30°, can be achieved by a lower tolerance T rather than by a higher ratio of the densities NI/N 2 .
[0080] Schließlich geben Fig. 8 und Fig.9 weitere beispielhafte normierte Transmissionskurven jeweils für den Einfall von Licht zweier verschiedener Polarisationen (p, s) in ein erstes optisches Element 1 wieder, aufgetragen über einem Blickwinkel auf das erste optische Element 1 , wobei die erfindungsgemäße Ungleichung jeweils n/c f eingehalten ist: Die Absorption für p-polarisiertes Licht ist hier keineswegs mehr in der Lage, in Winkeln von z.B. ±45° eine Transmission von weniger als 10% zu erzeugen. Gemäß Fig.8 beträgt das Verhältnis NI/N2=3 und gemäß Fig.9 ist NI/N2=1 .5. [0080] Finally, Fig. 8 and Fig. 9 show further exemplary normalized transmission curves, each for the incidence of light of two different polarizations (p, s) into a first optical element 1, plotted against a viewing angle on the first optical element 1, wherein the inventive inequality n/cf is observed in each case: The absorption for p-polarized light is in no way capable of generating a transmission of less than 10% at angles of, for example, ±45°. According to Fig. 8, the ratio NI/N 2 =3, and according to Fig. 9, NI/N 2 =1.5.
[0081] Ferner gibt Fig. 10 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus eines ersten schaltbaren Lichtfilters 5 wieder. Dieser umfasst ein erstes optisches Element 1 wie vorstehend beschrieben, [0081] Furthermore, Fig. 10 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a first switchable light filter 5. This comprises a first optical element 1 as described above,
(zeichnerisch nicht dargestellte) Mittel zur wahlweisen Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, z.B. ITO- Schichten mit angeschlossenem Signalgenerator, eine in Betrachtungsrichtung (hier) vor 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, da die Flüssigkristallschicht 3 in Betrachtungsrichtung vor dem ersten optischen Element 1 angeordnet ist, einen in Betrachtungsrichtung vor der Flüssigkristallschicht 3 liegenden ersten linearen Polarisationsfilter X, so dass sich die Transmissionseigenschaften des ersten schaltbaren Lichtfilters 5 zwischen einer ersten Betriebsart B1 , in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden. (not shown in the drawing) means for selectively generating a first electric field EF1 or a second electric field EF2, e.g. ITO layers with a connected signal generator, a liquid crystal layer 3 arranged in the viewing direction (here) in front of the first optical element 1, on which the first electric field EF1 or the second electric field EF2 acts and which, depending thereon, influences the polarization state of light passing through it, since the liquid crystal layer 3 is arranged in the viewing direction in front of the first optical element 1, a first linear polarization filter X arranged in the viewing direction in front of the liquid crystal layer 3, so that the transmission properties of the first switchable light filter 5 differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied, and a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied.
[0082] Im Fall, dass die Übergangsdipolmomente veränderbar sind, z.B. über sogenannte Guest-Host-Flüssigkristallzellen, können solche Guest-Host- Flüssigkristallzellen unmittelbar der vorgenannten Flüssigkristallschicht entsprechen, müssen aber nicht. [0082] In the case that the transition dipole moments are variable, e.g. via so-called guest-host liquid crystal cells, such guest-host liquid crystal cells may, but do not have to, correspond directly to the aforementioned liquid crystal layer.
[0083] In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Flüssigkristallschicht durchdringendes Licht bei Anliegen des ersten elektrischen Feldes EF1 im Wesentlichen unverändert transmittiert, während beim Anliegen des zweiten elektrischen Feldes EF2 das einfallende Licht zirkular oder elliptisch polarisiert oder die Polarisation des Lichtes um (im Wesentlichen) 90° gedreht wird. [0083] In a preferred embodiment, light penetrating the liquid crystal layer is transmitted substantially unchanged when the first electric field EF1 is applied, while when the second electric field EF2 is applied, the incident light is circularly or elliptically polarized or the polarization of the light is rotated by (substantially) 90°.
[0084] Wenn die Flüssigkristallschicht 3 in Betrachtungsrichtung hinter dem ersten optischen Element 1 angeordnet ist, fällt auf die Flüssigkristallschicht 3 bevorzugt linear polarisiertes Licht oder elliptisch polarisiertes Licht ein, bei welchem das Verhältnis von großer zu kleiner Halbachse mindestens 4:1 beträgt (bevorzugt mindestens 5:1 oder mehr). Erreichbar ist dies beispielsweise durch lineare Polarisationsfilter im Lichtweg, oder auch durch X/4-Schichten im Falle des Einsatzes von zirkular polarisiertem Licht. [0084] If the liquid crystal layer 3 is arranged behind the first optical element 1 in the viewing direction, the liquid crystal layer 3 is preferably subjected to linearly polarized light or elliptically polarized light, in which the ratio of the major to the minor semi-axis is at least 4:1 (preferably at least 5:1 or more). This can be achieved, for example, by linear polarization filters in the light path, or by λ/4 layers when using circularly polarized light.
[0085] Weiterhin zeigt Fig. 11 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus eines zweiten schaltbaren Lichtfilters 5a, umfassend ein zweites optisches Element 2, seinerseits umfassend [0085] Furthermore, Fig. 11 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a second switchable light filter 5a, comprising a second optical element 2, in turn comprising
• eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten, wobei die korrespondierenden Absorptionsquerschnitte mit oabs bezeichnet werden und wahlweise für eine Wellenlänge, für mehrere ausgewählte Wellenlängen oder durchschnittlich für mehrere Wellenlängen im für den Menschen sichtbaren Lichtspektrum gelten, • a multitude of light-absorbing transition dipole moments, where the corresponding absorption cross sections are designated o a bs and apply either to one wavelength, to several selected wavelengths or on average to several wavelengths in the light spectrum visible to humans,
• wobei die Übergangsdipolmomente durch einen oder mehrere dichroitische Farbstoffe gebildet und jeweils in einer Guest-Host-Anordnung in einer zweiten Flüssigkristallschicht 3a enthalten sind, • wherein the transition dipole moments are formed by one or more dichroic dyes and are each contained in a guest-host arrangement in a second liquid crystal layer 3a,
• wobei ferner die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz T mit T < 19° parallel zu einer für das zweite optische Element 2 wählbaren ersten Vorzugsrichtung ausgerichtet ist oder um diese herum variiert (auch hier gilt die Toleranz T in beide Richtungen, also ±T), wobei die zweite Vorzugsrichtung in einem Winkel a zur Mittelsenkrechten des zweiten optischen Elements 2 angeordnet ist, wobei der Winkel a in einer wählbaren zweiten Ebene, welche die besagte Mittelsenkrechte enthält, gemessen wird, und wobei die mit einer Toleranz T parallel zur zweiten Vorzugsrichtung ausgerichteten Übergangsdipolmomente eine Dichte Ni und die übrigen Übergangsdipolmomente eine Dichte von N2 aufweisen, (für die Erläuterung der geometrischen Verhältnisse kann im übertragenen Sinne Fig.1 herangezogen werden; dabei würde das optische Element 1 der zweiten Flüssigkristallschicht 3a entsprechen), • further wherein the majority of the transition dipole moments are arranged at least in a first state with a tolerance T with T < 19° parallel to a value for the second optical element 2 is aligned in a selectable first preferred direction or varies around it (here too, the tolerance T applies in both directions, i.e. ±T), wherein the second preferred direction is arranged at an angle α to the perpendicular bisector of the second optical element 2, wherein the angle α is measured in a selectable second plane containing said perpendicular bisector, and wherein the transition dipole moments aligned with a tolerance T parallel to the second preferred direction have a density Ni and the remaining transition dipole moments have a density of N2 (for an explanation of the geometric relationships, Fig. 1 can be used in a figurative sense; in this case, the optical element 1 would correspond to the second liquid crystal layer 3a),
• so dass Licht, welches in das zweite optische Element 2 einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber dem zweiten optischen Element 2, seines Polarisationszustandes und dem Zustand der zweiten Flüssigkristallschicht 3a am Ort des Lichteinfalls transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird, • so that light which is incident on the second optical element 2 is transmitted or at least partially absorbed depending on its direction of incidence relative to the second optical element 2, its polarization state and the state of the second liquid crystal layer 3a at the location of the light incidence,
(zeichnerisch nicht dargestellte) Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, wobei das jeweilige elektrische Feld auf die zweite Flüssigkristallschicht 3a wirkt, so dass sich die Transmissionseigenschaften des zweiten schaltbaren Lichtfilters 5a zwischen einer ersten Betriebsart B1 , in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt und die zweite Flüssigkristallschicht 3a im besagten ersten Zustand ist, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das zweite elektrische Feld EF2 anliegt und die zweite Flüssigkristallschicht 3a in einem zweiten Zustand ist, unterscheiden, wobei auf dem zweiten optischen Element 2 mindestens in dem besagten ersten Zustand für das Verhältnis der jeweiligen Dichten Ni und N2 der Ubergangsdipolmomente die Ungleichung erfüllt ist, so dass höhere Toleranzwerte T aufgrund der dann entsprechend erhöhten Relation der Dichten Ni und N2 der Übergangsdipolmomente mindestens teilweise kompensiert werden, wodurch die Absorption von p-polarisiertem Licht, welches unter Winkeln von größer 45°, gemessen in der zweiten Ebene, auf das zweite optische Element 2 einfällt, verstärkt wird. [0086] Die Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2 können auch vorteilhaft so ausgelegt sein, dass an unterschiedlichen Positionen auf der Flüssigkeitsschicht 3a zur gleichen Zeit unterschiedliche elektrische Felder EF1 , EF2 (oder ggf. davon verschiedene elektrische Felder EF3, EF4, etc.) anliegen. Damit kann eine positionsabhängige Teilumschaltung der Betriebsarten des zweiten schaltbaren Lichtfilters 5a erreicht werden. (not shown in the drawing) means for selectively generating at least a first electric field EF1 or a second electric field EF2, wherein the respective electric field acts on the second liquid crystal layer 3a, so that the transmission properties of the second switchable light filter 5a differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is applied and the second liquid crystal layer 3a is in said first state, and a second operating mode B2, in which the second electric field EF2 is applied and the second liquid crystal layer 3a is in a second state, wherein on the second optical element 2, at least in said first state, the inequality is satisfied for the ratio of the respective densities Ni and N2 of the transition dipole moments so that higher tolerance values T are at least partially compensated due to the correspondingly increased relation of the densities Ni and N2 of the transition dipole moments, whereby the absorption of p-polarized light which is incident on the second optical element 2 at angles greater than 45°, measured in the second plane, is increased. [0086] The means for selectively generating at least one first electric field EF1 or one second electric field EF2 can also advantageously be designed such that different electric fields EF1, EF2 (or possibly different electric fields EF3, EF4, etc.) are present at different positions on the liquid layer 3a at the same time. This allows for a position-dependent partial switching of the operating modes of the second switchable light filter 5a.
[0087] Für den zweiten schaltbaren Lichtfilter 5a kann optional gelten, dass auf dessen zweitem optischen Element 2 mindestens in dem besagten zweiten Zustand für das Verhältnis der jeweiligen Dichten Ni und IXL der Übergangsdipolmomente die erfüllt ist, wodurch die Absorption von p- polarisiertem Licht, welches unter Winkeln von größer 45°, gemessen in der zweiten Ebene, auf das zweite optische Element 2 einfällt, abgeschwächt wird. Auf diese Weise wird entlang der zweiten Ebene in dem besagten zweiten Zustand eine höhere Transmission erreicht. [0087] For the second switchable light filter 5a, it can optionally apply that on its second optical element 2 at least in the said second state for the ratio of the respective densities Ni and IXL of the transition dipole moments, the is satisfied, whereby the absorption of p- polarized light incident on the second optical element 2 at angles greater than 45°, measured in the second plane, is attenuated. In this way, a higher transmission is achieved along the second plane in said second state.
[0088] Vorteilhaft unterscheiden sich sowohl beim ersten schaltbaren Lichtfilter 5 als auch beim zweiten schaltbaren Lichtfilter 5a die Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden zur Erzeugung des ersten elektrischen Feldes EF1 und des zweiten elektrischen Feldes EF2 um mindestens 2 Volt. Es können explizit noch weitere Betriebsarten B3, B4, etc. mit von den elektrischen Feldern EF1 und EF2 abweichenden elektrischen Feldern EF3, EF4 etc. vorgesehen sein. Außerdem können sich die Betriebsarten B1 , B2, etc. auch, wie weiter vorn schon angedeutet, lokal auf dem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter 5, 5a unterscheiden. [0088] Advantageously, the potential differences between the electrodes for generating the first electric field EF1 and the second electric field EF2 differ by at least 2 volts in both the first switchable light filter 5 and the second switchable light filter 5a. Further operating modes B3, B4, etc. with electric fields EF3, EF4, etc. that differ from the electric fields EF1 and EF2 can be explicitly provided. Furthermore, the operating modes B1, B2, etc. can also differ locally on the first or second switchable light filter 5, 5a, as already indicated above.
[0089] In Fig. 12 ist die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus einer Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, in einer ersten Ausgestaltung mit einem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter 5, 5a dargestellt, umfassend [0089] In Fig. 12, the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device for a screen, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted into a viewing angle range that is restricted for a viewer compared to the free view mode, is shown in a first embodiment with a first or second switchable light filter 5, 5a, comprising
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung 8, die Licht abstrahlt, und die optional direkt leuchtend (z.B. mit einer lokal dimmbaren LED-Matrix) aufgebaut ist, sowie - einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 8 angeordneten ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter 5, 5a wie vorstehend beschrieben. - a surface-like backlight 8, which radiates light and which is optionally directly luminous (e.g. with a locally dimmable LED matrix), as well as - a first or second switchable light filter 5, 5a arranged in front of the background lighting 8 in the viewing direction as described above.
[0090] Weiters gibt Fig. 13 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus eines Bildschirms in einer ersten Ausgestaltung, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, mit einem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter 5, 5a, wieder, welcher umfasst [0090] Furthermore, Fig. 13 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a screen in a first embodiment, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted into a viewing angle range that is restricted for a viewer compared to the free view mode, with a first or second switchable light filter 5, 5a, which comprises
- eine erste Beleuchtungseinrichtung, wie vorstehend beschrieben, - a first lighting device as described above,
- sowie, wenn in dem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter 5, 5a der ersten Beleuchtungseinrichtung kein erster linearer Polarisationsfilter angeordnet ist, einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 8 angeordneten zweiten linearen Polarisationsfilter P, wodurch Licht, welches von der Hintergrundbeleuchtung 8 ausgeht und den zweiten linearen Polarisationsfilter P durchdringt, in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt wird, und - and, if no first linear polarization filter is arranged in the first or second switchable light filter 5, 5a of the first illumination device, a second linear polarization filter P arranged in front of the background illumination 8 in the viewing direction, whereby light emanating from the background illumination 8 and penetrating the second linear polarization filter P is restricted in its propagation directions, and
- eine transmissive Bildwiedergabeeinrichtung 1 1 , welche in Betrachtungsrichtung vor dem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter 5, 5a angeordnet ist, - a transmissive image display device 11, which is arranged in front of the first or second switchable light filter 5, 5a in the viewing direction,
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt. - where in operating mode B2 the second electric field EF2 is applied and where in operating mode B1 the first electric field EF1 is applied.
[0091] Dabei gilt bevorzugt, dass der erste oder zweite lineare Polarisationsfilter P in der transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung 1 1 angeordnet oder ein Teil von ihr ist, z.B. als rückseitiger (lichteingangsseitiger) Polarisationsfilter eines LCD-Panels als Bildwiedergabeeinrichtung 11 . [0091] It is preferred that the first or second linear polarization filter P is arranged in the transmissive image display device 11 or is a part of it, e.g. as a rear (light input side) polarization filter of an LCD panel as image display device 11.
[0092] Ferner zeigt Fig. 14 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus eines Bildschirms in einer zweiten Ausgestaltung, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, umfassend [0092] Furthermore, Fig. 14 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a screen in a second embodiment, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted into a viewing angle range that is restricted for a viewer compared to the free view mode, comprising
- eine Bildwiedergabeeinrichtung 12, wobei hier grundsätzlich jede Art von Bildwiedergabeeinrichtung 12 in Frage kommt, beispielsweise LC-Panel, OLED, microLED oder andere, - in Betrachtungsrichtung vor der Bildwiedergabeeinrichtung 12 einen erfindungsgemäßen ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter 5, 5a wie weiter vorn beschrieben, - an image display device 12, whereby in principle any type of image display device 12 is possible, for example LC panel, OLED, microLED or others, - in the viewing direction in front of the image display device 12, a first or second switchable light filter 5, 5a according to the invention as described above,
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt. - where in operating mode B2 the second electric field EF2 is applied and where in operating mode B1 the first electric field EF1 is applied.
[0093] Weiterhin gibt Fig. 15 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus einer Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm in einer zweiten Ausgestaltung, die in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, in einer zweiten Ausgestaltung, mit einem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter 5, 5a, wieder, umfassend [0093] Furthermore, Fig. 15 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device for a screen in a second embodiment, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode, in a second embodiment, with a first or second switchable light filter 5, 5a, comprising
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung 8b, die Licht in einen eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt (angedeutet durch die 2 fast parallelen beispielhaften Strahlen), und die optional direkt leuchtend aufgebaut ist, sowie- a surface-like extended background illumination 8b, which radiates light in a limited angular range (indicated by the 2 almost parallel exemplary beams), and which is optionally designed to be directly luminous, and
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 8b gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter 9, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist, - a plate-shaped light guide 9 located in front of the background lighting 8b in the viewing direction, which has output coupling elements on at least one of the large surfaces and/or within its volume,
- seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters angeordnete Leuchtmittel 10, und - illuminants 10 arranged laterally on at least one narrow side of the light guide, and
- optional einen (zeichnerisch nicht dargestellten) linearen Polarisationsfilter,- optionally a linear polarization filter (not shown in the drawing),
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 8b (dies schließt auch eine Position vor einem Bildschirm, mit welchem die Beleuchtungseinrichtung verwendet wird, ein) angeordneten ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter 5, 5a, wie weiter vorn beschrieben, - a first or second switchable light filter 5, 5a arranged in the viewing direction in front of the background lighting 8b (this also includes a position in front of a screen with which the lighting device is used), as described above,
- wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung 8b ein- und die Leuchtmittel 10 ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel 10 eingeschaltet sind, so dass der Lichtleiter 9 Licht in einen nicht eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt, was in Fig .15 mit den beispielhaften drei Strahlen, die nicht annähernd parallel liegen, angedeutet ist, und - wherein in operating mode B2 the background lighting 8b is switched on and the illuminants 10 are switched off, and wherein in operating mode B1 at least the illuminants 10 are switched on, so that the light guide 9 emits light in an unrestricted angular range, which is indicated in Fig. 15 with the exemplary three beams which are not approximately parallel, and
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt. [0094] Mit „eingeschränktem Winkelbereich“ ist Rahmen der Erfindung, und insbesondere bezüglich der Hintergrundbeleuchtung oder des Bildschirms gemeint, dass die entsprechende Leuchtdichte in einem definierten Winkelbereich zu mindestens 80% oder 90% konzentriert ist, während es außerhalb des definierten eingeschränkten Winkelbereichs durchaus auch noch Restlicht geben kann, was in der Regel technisch bedingt ist. Idealerweise ist solches Restlicht minimal und nimmt zu größeren Winkeln hin ab. Um eine besonders starke Minimierung zu erreichen, kommt zusätzlich zu der in einen eingeschränkten Winkelbereich Licht abstrahlenden Hintergrundbeleuchtung ein entsprechender Lichtfilter zu Einsatz. Dies gilt auch für die nachfolgend beschriebene Variante mit einem Lichtleiter, der Licht mehrheitlich in einen eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt bzw. auskoppelt. Im Gegensatz zu dieser Ausgestaltung der Erfindung sind Leuchtdichtekurven von Hintergrundbeleuchtungen über insbesondere horizontale (ggf. auch vertikale) Winkelbereiche hinweg typischerweise glockenförmig, wobei jedoch keine echte Konzentration der Leuchtdichte um einen kleineren Winkelbereich vorliegen muss. - where in operating mode B2 the second electric field EF2 is applied and where in operating mode B1 the first electric field EF1 is applied. [0094] Within the scope of the invention, and particularly with regard to the backlight or the screen, "limited angular range" means that the corresponding luminance is concentrated to at least 80% or 90% in a defined angular range, while outside the defined limited angular range there may still be residual light, which is usually due to technical reasons. Ideally, such residual light is minimal and decreases at larger angles. To achieve particularly strong minimization, a corresponding light filter is used in addition to the backlight emitting light in a limited angular range. This also applies to the variant described below with a light guide that emits or decouples light predominantly in a limited angular range. In contrast to this embodiment of the invention, luminance curves of backlights are typically bell-shaped, particularly across horizontal (and possibly also vertical) angular ranges, although there need not be a true concentration of luminance around a smaller angular range.
[0095] Die Fig. 16 zeigt die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus einer Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm, die in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann in einer dritten Ausgestaltung, mit einem ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter 5, 5a, umfassend [0095] Fig. 16 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device for a screen, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode, in a third embodiment, with a first or second switchable light filter 5, 5a, comprising
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung 8c, die Licht in einen nicht eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt, (was in Fig.16 mit den beispielhaften drei Strahlen, die nicht annähernd parallel liegen, angedeutet ist), und die optional direkt leuchtend aufgebaut ist (z.B. mittels einer lokal dimmbaren LED-Matrix- Beleuchtungseinheit), sowie - a surface-like backlight 8c, which radiates light in an unrestricted angular range (which is indicated in Fig. 16 with the exemplary three beams that are not approximately parallel), and which is optionally designed to be directly luminous (e.g. by means of a locally dimmable LED matrix lighting unit), and
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 8c gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter 9c, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist, wobei die besagten Auskoppelelemente seitlich in mindestens eine Schmalseite des Lichtleiters 9c eingekoppeltes Licht mehrheitlich (d.h. zu über der Hälfte, bevorzugt zu über 80% oder 90%) in einen eingeschränkten Winkelbereich auskoppeln (siehe zwei nahezu parallele Strahlen), - seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters 9c angeordnete Leuchtmittel 10, und - a plate-shaped light guide 9c located in front of the background lighting 8c in the viewing direction, which has output coupling elements on at least one of the large surfaces and/or within its volume, wherein said output coupling elements output the majority of the light coupled laterally into at least one narrow side of the light guide 9c (i.e., more than half, preferably more than 80% or 90%) into a limited angular range (see two almost parallel beams), - illuminants 10 arranged laterally on at least one narrow side of the light guide 9c, and
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 8c, bevorzugt vor dem Lichtleiter 9c, angeordneten ersten oder zweiten schaltbaren Lichtfilter 5, 5a wie vorstehend beschrieben, - a first or second switchable light filter 5, 5a arranged in the viewing direction in front of the background illumination 8c, preferably in front of the light guide 9c, as described above,
- wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung 9c aus- und die Leuchtmittel 10 eingeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Hintergrundbeleuchtung 8c eingeschaltet ist (zusätzlich können optional auch die Leuchtmittel 10 eingeschaltet sein), und - wherein in operating mode B2 the backlight 9c is switched off and the lamps 10 are switched on, and wherein in operating mode B1 at least the backlight 8c is switched on (optionally the lamps 10 can also be switched on), and
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt. - where in operating mode B2 the second electric field EF2 is applied and where in operating mode B1 the first electric field EF1 is applied.
[0096] Abschließend gibt Fig. 17 die Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus einer Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm, die in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, in einer vierten Ausgestaltung, mit einem ersten optischen Element 1 , umfassend [0096] Finally, Fig. 17 shows the schematic diagram of an exemplary structure of a lighting device for a screen, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode, in a fourth embodiment, with a first optical element 1, comprising
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung 8b, die Licht in einen eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt (siehe zwei fast parallele Strahlen) und die zur Beschränkung des Winkelbereichs ein erstes optisches Element 1 , wie weiter vorn beschrieben enthält, und die optional direkt leuchtend aufgebaut ist, sowie - a surface-like extended background illumination 8b, which emits light in a limited angular range (see two almost parallel beams) and which contains a first optical element 1, as described above, to limit the angular range, and which is optionally constructed to be directly luminous, and
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 8b gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter 9, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist, - a plate-shaped light guide 9 located in front of the background lighting 8b in the viewing direction, which has output coupling elements on at least one of the large surfaces and/or within its volume,
- seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters 9 angeordnete Leuchtmittel 10, und - illuminants 10 arranged laterally on at least one narrow side of the light guide 9, and
- wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung 8b ein- und die Leuchtmittel 10 ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel 10 eingeschaltet sind, so dass der Lichtleiter 9 Licht in einen nicht eingeschränkten Winkelbereich abstrahlt, was in Fig .17 mit den beispielhaften drei Strahlen, die nicht annähernd parallel liegen, angedeutet ist. [0097] Die ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Beleuchtungseinrichtungen werden vorteilhaft mit einem transmissiven Bildschirm, etwa einem LC-Panel, kombiniert, um einen Bildschirm zu erzeugen, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus eingeschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann. - wherein in operating mode B2 the background lighting 8b is switched on and the illuminants 10 are switched off, and wherein in operating mode B1 at least the illuminants 10 are switched on, so that the light guide 9 emits light in an unrestricted angular range, which is indicated in Fig. 17 with the exemplary three beams which are not approximately parallel. [0097] The first, second, third and/or fourth illumination devices are advantageously combined with a transmissive screen, such as an LC panel, to produce a screen that can be operated in at least two operating modes B1 for a free view mode and B2 for a restricted view mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free view mode.
[0098] Vorteilhaft gilt, dass die Übergangsdipolmomente eines ersten optischen Elements 1 (oder ggf., falls vorhanden, auch eines weiteren ersten oder zweiten optischen Elements 1 , 2) ausgebildet sind als ein oder mehrere dichroitische(r) Farbstoff(e), welche in einer Guest-Host-Anordnung mit den Flüssigkristallen gemischt sind. Für permanente Übergangsdipolmomente können die Flüssigkristalle bevorzugt über einen Aushärtungsprozess fixiert werden. [0098] Advantageously, the transition dipole moments of a first optical element 1 (or optionally, if present, also of a further first or second optical element 1, 2) are formed as one or more dichroic dye(s) mixed with the liquid crystals in a guest-host arrangement. For permanent transition dipole moments, the liquid crystals can preferably be fixed via a curing process.
[0099] Demgegenüber können die Übergangsdipolmomente auch nicht fixiert als Guest-Host-Anordnung in einer Flüssigkristallschicht eingebettet sein, so dass die Übergangsdipolmomente je nach Beeinflussung dieser Flüssigkristallschicht in ihrer Ausrichtung und/oder ihrem Betrag zwischen dem ersten und mindestens einem zweiten Zustand variiert werden können. [0099] In contrast, the transition dipole moments can also be embedded in a non-fixed manner as a guest-host arrangement in a liquid crystal layer, so that the transition dipole moments can be varied in their orientation and/or their magnitude between the first and at least one second state depending on the influence of this liquid crystal layer.
[0100] Die dichroitischen Farbstoffmoleküle richten sich im Allgemeinen parallel zu den Flüssigkristallmolekülen aus. [0100] The dichroic dye molecules generally align parallel to the liquid crystal molecules.
[0101] Mittels der vorgenannten Ausgestaltungen wird außerdem gewährleistet, dass das erste optische Element in seiner Struktur nicht-periodisch aufgebaut ist. Dies ist vorteilhaft, weil dann im Zusammenspiel mit Pixelstrukturen von Bildschirmen keine Gefahr für Artefakte wie Moire-Effekte gegeben ist. [0101] The aforementioned embodiments also ensure that the first optical element is non-periodic in its structure. This is advantageous because, in interaction with pixel structures of screens, there is no risk of artifacts such as moiré effects.
[0102] Die erste (bzw. zweite) Vorzugsrichtung kann beispielsweise jeweils einen Winkel zwischen 0° und 45° zu einer Flächennormale des ersten (bzw. zweiten) optischen Elements 1 , 2 einschließen. Außerdem ist es möglich, dass die erste Vorzugsrichtung über die Fläche des ersten (bzw. zweiten) optischen Elements 1 , 2 variiert. Im Sinne der Erfindung gilt dann die durchschnittliche, gewichtete Vorzugsrichtung. [0102] The first (or second) preferred direction can, for example, enclose an angle between 0° and 45° to a surface normal of the first (or second) optical element 1, 2. Furthermore, it is possible for the first preferred direction to vary across the surface of the first (or second) optical element 1, 2. For the purposes of the invention, the average, weighted preferred direction then applies.
[0103] Der erste oder zweite schaltbare Lichtfilter 5, 5a kann weiterhin einen Polarisationsfilter umfassen, welcher dem ersten oder dem zweiten optischen Element 1 , 2 in der Einfallsrichtung gesehen vor- oder nachgeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine X/4-Schicht denkbar, etwa beim Einfall von zirkular polarisiertem Licht, welches aufgrund dieser Schicht in (im Wesentlichen) linear polarisiertes Licht gewandelt wird. [0103] The first or second switchable light filter 5, 5a may further comprise a polarization filter which is assigned to the first or second optical element 1, 2 is arranged upstream or downstream in the direction of incidence. Alternatively or additionally, a 4X layer is also conceivable, for example, in the case of incident circularly polarized light, which is converted into (essentially) linearly polarized light due to this layer.
[0104] 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 mindestens 0,01 %, vorzugsweise von 1% bis 15 % am Material der jeweiligen Schichten des betreffenden optischen Elements. In besonderen Fällen kann die Konzentration im Falle von flüssigkristallinen dichroitischen Farbstoffen sogar 95% erreichen. Die Dicke der Schichten liegt vorzugsweise im Bereich von 0,2 pm bis 50 pm, bevorzugt im Bereich von 0,5 pm bis 20 pm, alle Randwerte jeweils eingeschlossen. Die Farbstoffe bzw. Farbstoffmischungen für unterschiedliche Schichten innerhalb eines optischen Elements 1 , 2 können unterschiedlich sein, müssen es aber nicht. [0104] 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 at least 0.01%, preferably from 1% to 15%, of the material of the respective layers of the optical element in question. In special cases, the concentration can even reach 95% in the case of liquid-crystalline dichroic dyes. The thickness of the layers is preferably in the range from 0.2 pm to 50 pm, more preferably in the range from 0.5 pm to 20 pm, all boundary values included. The dyes or dye mixtures for different layers within an optical element 1, 2 can be different, but do not have to be.
[0105] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe: Es wurde ein optisches Element zu beschrieben, bei welchem Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung und seinen Polarisationseigenschaften - nicht primär aber in Abhängigkeit von seiner Position - transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird. Hierbei wird produktionsbedingten Ausrichtungstoleranzen durch die optische Wirkung begegnet. Durch schaltbare Lichtfilter, welche das erfindungsgemäße optische Element verwenden, wird die T ransmission von Licht winkelabhängig - optional in Bezug auf einen sitzenden oder stehenden Betrachter- beeinflusst, wobei zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Dabei ist insbesondere das Transmissionsverhalten für bestimmte Richtungen umschaltbar. Ferner werden die schaltbaren Lichtfilter nutzende Beleuchtungseinrichtungen und Bildschirme offenbart. [0105] The invention solves the stated problem: An optical element has been described in which light incident on the optical element is transmitted or partially or completely absorbed depending on its direction of incidence and its polarization properties - not primarily but depending on its position. Production-related alignment tolerances are counteracted by the optical effect. By switchable light filters that use the optical element according to the invention, the transmission of light is influenced depending on the angle - optionally with respect to a seated or standing observer - whereby switching between at least two operating states is possible. In particular, the transmission behavior is switchable for specific directions. Furthermore, lighting devices and screens using the switchable light filters are disclosed.
[0106] Die vorstehend beschriebene Erfindung kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und/oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe oder beim Lesen von Emails auf mobilen Geräten. Die Erfindung kann - wie weiter oben beschrieben - auch im PKW angewendet werden, um wahlweise dem Fahrer oder Beifahrer störende Bildinhalte vorzuenthalten. Bezuqszeichenliste erstes optisches Element 2 zweites optisches Element[0106] The invention described above, in conjunction with an image display device, can be advantageously used wherever confidential data is displayed and/or entered, such as when entering a PIN or for data display at ATMs or payment terminals, or when entering a password or reading emails on mobile devices. As described above, the invention can also be used in cars to selectively withhold disturbing image content from the driver or passenger. List of reference symbols first optical element 2 second optical element
3 erste Flüssigkristallschicht3 first liquid crystal layer
3a zweite Flüssigkristallschicht3a second liquid crystal layer
5 erster schaltbarer Lichtfilter5 first switchable light filter
5a zweiter schaltbarer Lichtfilter 8 Hintergrundbeleuchtung5a second switchable light filter 8 backlight
8b Hintergrundbeleuchtung8b Backlight
8c Hintergrundbeleuchtung 8c backlight
9 Lichtleiter 9 light guides
10 Leuchtmittel 11 , 12 Bildwiedergabeeinrichtung10 Light source 11 , 12 Image display device
P, X Polarisationsfilter P, X polarizing filters
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