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WO2024133018A1 - Lichtfilter sowie beleuchtungseinrichtung und bildschirm mit einem solchen lichtfilter - Google Patents

Lichtfilter sowie beleuchtungseinrichtung und bildschirm mit einem solchen lichtfilter Download PDF

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Publication number
WO2024133018A1
WO2024133018A1 PCT/EP2023/086266 EP2023086266W WO2024133018A1 WO 2024133018 A1 WO2024133018 A1 WO 2024133018A1 EP 2023086266 W EP2023086266 W EP 2023086266W WO 2024133018 A1 WO2024133018 A1 WO 2024133018A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
optical element
electric field
light filter
filter
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/086266
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
André HEBER
Original Assignee
Sioptica Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sioptica Gmbh filed Critical Sioptica Gmbh
Priority to KR1020257016798A priority Critical patent/KR20250088811A/ko
Priority to CN202380065545.8A priority patent/CN119895320A/zh
Publication of WO2024133018A1 publication Critical patent/WO2024133018A1/de

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    • G02F1/133634—Birefringent elements, e.g. for optical compensation the refractive index Nz perpendicular to the element surface being different from in-plane refractive indices Nx and Ny, e.g. biaxial or with normal optical axis
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    • G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/13725—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on guest-host interaction
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/07—Polarisation dependent

Definitions

  • US 6 765 550 B2 describes such a privacy screen using micro-louvres.
  • the biggest disadvantage here is the mechanical removal or mechanical installation of the filter as well as the loss of light in protected mode.
  • US 5 993 940 A describes the use of a film that has small strip-shaped prisms evenly arranged on its surface in order to achieve a private mode, i.e. a restricted viewing mode with a small viewing angle range. Development and production are technically quite complex.
  • US 2012/0235891 A1 describes a very complex backlight - a background lighting - in a screen.
  • Fig.1 and Fig.15 not only several light guides are used there, but also other complex optical elements such as microlens elements 40 and prism structures 50, which transform the light from the rear lighting on the way to the front lighting.
  • 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, whereby the light from the rear light source 18 is first converted at great expense into light with a large illumination angle.
  • This complex conversion - as already mentioned above - greatly reduces brightness.
  • US 2013/0308185 A1 describes a special light guide with steps that emits light in different directions over a large area, depending on the direction from which it is illuminated from a narrow side.
  • a transmissive image display device eg an LC display
  • a screen can be created that can be switched between free and restricted viewing mode.
  • the disadvantage here is that the restricted viewing effect can only be created for left/right or up/down, but not for left/right/up/down simultaneously, as is necessary for certain payment transactions.
  • residual light is still visible from blocked viewing angles.
  • WO 2015/121398 A1 of 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 scattering particles made of a polymer selected there generally have the disadvantage that light is coupled out of both large surfaces, whereby about half of the useful light is emitted in the wrong direction, namely towards the background lighting, and cannot be recycled there to a sufficient extent due to the structure.
  • the scattering particles made of polymer distributed in the volume of the light guide can under certain circumstances, particularly at higher concentrations, lead to scattering effects that reduce the visual protection effect in the protected operating mode.
  • 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.
  • the object of the invention is therefore to describe light filters with an optical element in which light which falls into the optical element is transmitted or partially or completely absorbed depending on its direction of incidence and its polarization properties - but not depending on its position.
  • the light filters which use the optical element are intended to influence the transmission of light depending on the angle - optionally perpendicular to a seated or standing observer - with the option of switching between at least two operating states. In particular, the transmission behavior for certain directions should be switchable.
  • the aim of the invention is therefore in particular to reduce the transmission for vertical viewing angles greater than 5° (i.e. to improve privacy protection), while maintaining the transmission for vertical viewing angles less than 5°, again at different horizontal angles at the same time.
  • the term "vertical" is intended here as an example reference for an observer looking at a light filter who is standing or sitting in front of it. The connecting line between the two observer eyes would define the horizontal direction as the reference here. The vertical direction is correspondingly perpendicular to this as the reference.
  • a light filter which comprises a first optical element and a second optical element.
  • each of the two optical elements comprising a plurality of light-absorbing transition dipole moments.
  • the two optical elements are arranged in a stacked manner with respect to a direction of incidence of light, i.e. the light passes through them one after the other.
  • the light passes through the large surfaces one after the other when the optical elements are arranged in a stacked manner.
  • the stacked arrangement should not be understood as meaning that the two optical elements lie next to one another - rather, according to the invention, there is at least one further element between the optical elements, as described further below.
  • the majority of the transition dipole moments are aligned, or fluctuate or vary around, at least in a first state with a tolerance of a maximum of 20° - preferably a maximum of 10° - parallel to a first preferred direction that can be selected for the first optical element and parallel to a second preferred direction that can be selected for the second optical element.
  • the property "at least in a first state” encompasses several possibilities: firstly, that there can be exactly one state; this is a permanent configuration.
  • the formulation also explicitly includes that there can be two or more states.
  • the orientations of the transition dipole moments can be changed, e.g. via so-called guest-host liquid crystal cells. In this way, light that falls into the first optical element or the second optical element is transmitted or at least partially absorbed depending on its direction of incidence relative to the respective optical element and its polarization state.
  • a retardation layer in the form of a C-plate or A-plate is arranged, with which a phase shift greater than A/4 is generated for a given wavelength A, for example an A/2 layer.
  • the phase shift must be greater than A/4.
  • the given wavelength can, for example, be the so-called design wavelength, for which the light filter is optimized using appropriate design programs (e.g. LCD Master, Techwiz, and/or using algorithms known in the art, such as A. Lien; "Extended Jones matrix representation for the twisted nematic liquid-crystal display at oblique incidence", Appl. Phys. Lett. 24 December 1990; 57 (26): 2767-2769. https://doi.org/10.1063/1 -103781 ).
  • linearly or - in particular strongly - elliptically polarized light which is incident on the light filter at least at an angle of 35° to the first or second preferred direction is absorbed to at least 85% if the angle between the electric field of the linearly polarized light or the long semi-axis of the elliptically polarized light and the direction of incidence, (both) projected onto the surface of the light filter, is less than 20°.
  • Strongly elliptically polarized light in this context means that the ratios of the amounts of the semi-axes are at least 1:4, but preferably at least 1:10 or even greater. It is conceivable, for example, that only linearly or strongly elliptically polarized light enters the light filter.
  • the means-effect relationships for improving visual protection based on the above-described inventive combination - first optical element, retardation layer (A or C plate) and second optical element - can be conceptually illustrated as follows:
  • the absorbing transition dipole moments are aligned perpendicular to the surface of an optical element, i.e. the first and second preferred directions are each perpendicular to the optical element in question and are thus identical.
  • the first optical element essentially absorbs p-polarized electric field components. If linearly polarized light now falls into the first optical element, the light is maximally absorbed if the light is polarized exclusively in the plane of incidence.
  • the two-dimensional angle-dependent representation therefore has an hourglass shape for the first optical element.
  • a retardation layer is inserted as an A or C plate made of a uniaxially birefringent material whose extraordinary axis is aligned parallel or perpendicular to the surface.
  • the light transmitted by the retardation layer is now not exclusively polarized along one of the two main axes of the retardation plate, so that s-polarized light entering the retardation plate is at least partially converted into p-polarized light, which can be absorbed by the subsequent second optical element.
  • the original sandur shape changes to a rectangular shape, which is desired for a better and clearer restriction of the view without brightness restrictions in the protected area.
  • each of the optical elements can differ from one another. Alternatively, they can also be identical or almost identical, of course within the scope of technical feasibility. As a rule, each of the optical elements also has a transparent substrate (e.g. glass or a polymer) on which the material with the absorbing transition dipole moments is located.
  • a transparent substrate e.g. glass or a polymer
  • the transition dipole moment - also referred to as transition matrix element - is a quantum mechanical vector quantity and is assigned to a specific transition between an initial state - usually the ground state - and a final state - usually an excited state - of a system, i.e. an atom, molecule or solid. It corresponds to the electric dipole moment associated with this transition.
  • the direction of the vector defines the polarization or, synonymously, the polarization direction of the transition, which in turn determines how the system interacts with an electromagnetic wave with a given polarization and absorbs light of the corresponding polarization direction during the transition from the ground state to the excited state.
  • the magnitude of the vector corresponds to the strength of the interaction or the transition probability.
  • the excited state relaxes through non-radiative processes.
  • the first or second preferred direction corresponds to the orientation of the transition dipole moments of the first or second optical element for a given propagation direction of light, in which the absorption is the same for any polarization direction of the light.
  • the first and second preferred directions can also be identical or differ in their orientation by only a few degrees - a maximum of 10° - and both can in particular be perpendicular to the relevant 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 light filter can also comprise a polarization filter which is arranged upstream or downstream of the first or second optical element in the direction of incidence. If a linear polarization filter is arranged upstream of the first or second optical element in the direction of incidence, it ensures the linear polarization of the light incident on the corresponding optical element.
  • a linear polarization filter is arranged downstream of the first or second optical element in the direction of incidence, it ensures that unwanted polarization components of the light emerging from the first or second optical element are eliminated.
  • an A/4 layer is also conceivable, for example when circularly polarized light is incident, which is converted into essentially linearly polarized light due to this layer.
  • 550 nm or 580 nm can be selected as the corresponding design wavelength A. Other values are explicitly possible.
  • the light filter can also comprise means for selectively generating a first electric field EF1 or a second electric field EF2.
  • a liquid crystal layer is arranged upstream or downstream of the first and/or second optical element, on which the first electric field EF1 or the second electric field EF2 acts and which, depending on this, influences the polarization state of light passing through it, so that the transmission properties of the light filter differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is present, and a second operating mode B2, in which the first electric field EF2 is present. If necessary, further operating modes can be implemented if more fields can be generated.
  • 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 second electric field EF2 can be, for example, 0 V/pm, while the first electric field EF1 can be, for example, from 0.1 V/pm to 10 V/pm in a square wave at 1 kHz.
  • Other embodiments are possible.
  • the object of the invention is also achieved according to the invention by a second embodiment of a light filter. Instead of the first and second optical elements from the previously described embodiment, this comprises a third optical element, which in turn comprises a large number of light-absorbing transition dipole moments.
  • the majority of the transition dipole moments are aligned at least in a first state with a tolerance of a maximum of 20° (preferably a maximum of 10°) parallel to a third preferred direction that can be selected for the third optical element or fluctuate or vary around this.
  • the property "at least in a first state” includes several possibilities: firstly, that there can be exactly one state; this is a permanent embodiment.
  • the wording also explicitly includes that there can be two or more states.
  • the transition dipole moments are variable, e.g. via a guest-host liquid crystal cell, so that light 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.
  • the third optical element is made of a biaxially birefringent material, so that according to the invention the three complex refractive indices of the three main axes x, y, z differ from one another within the third optical element.
  • the three underlying, linearly independent and thus different main axes x, y, z are preferably located in a Cartesian coordinate system.
  • linearly or - in particular strongly - elliptically polarized light which enters the light filter at an angle of at least 35° to the third preferred direction is absorbed to at least 85% if the angle between the electric field of the linearly polarized light or the long semi-axis of the elliptically polarized light and the direction of incidence, (both) projected onto the surface of the light filter, is less than 20°.
  • the light filter may also comprise a linear polarization filter which is arranged in the third optical element seen in the direction of incidence. If a linear polarization filter is arranged in front of the third optical element in the direction of incidence, this ensures the linear polarization of the light incident on the third optical element. If a linear polarization filter is arranged in the direction of incidence after the third optical element, however, this ensures that unwanted polarization components of the light emerging from the third optical element are eliminated.
  • an A/4 layer is also conceivable, for example when circularly polarized light with wavelength A is incident, which is converted into essentially linearly polarized light due to this layer.
  • the three main axes x, y, z differ in that they are linearly independent.
  • the third optical element has a layer thickness d - more precisely, this is the layer thickness of the layer with the absorbing transition dipole moments.
  • i denotes the imaginary part, m, n2, ns are real refractive indices and ki, k2, ks are the corresponding absorption indices.
  • the coordinate directions of the refractive indices n x , n y , n z refer exclusively to the orientation of the main axes and are optionally inclined and/or rotated with respect to a coordinate system of the screen.
  • a third optical element made of a biaxially birefringent material or a third optical element of the second embodiment containing such a material can also be conceptually understood as a multilayer system with the layers “transition dipole moments” and “retardation plate type A”, each alternating.
  • the layer with the transition dipole moments absorbs p-polarized light.
  • the optimal visual protection i.e. the optimal angle-dependent horizontal transmission restriction, is achieved for horizontal viewing angles that have a vertical viewing angle component of 0°. However, if the vertical viewing angle deviates from 0°, the visual protection for constant horizontal viewing angles is reduced.
  • the imaginary layer with the transition dipole moments absorbs p-polarized light
  • the transmitted light is linearly s-polarized.
  • the imaginary type A retardation plate converts the linearly polarized light into elliptically polarized light, which can then be (at least partially) absorbed by a next (imaginary) layer of transition dipole moments, which improves the angle-dependent transmission limitation.
  • a large number of layers of "transition dipole moments" and "type A retardation plate” are present, so that the angle-dependent transmission limitation is significantly improved compared to the prior art due to the design according to the invention.
  • LC mesogens are polymerized, for example, and then doped with dichroic dye molecules or mixtures thereof.
  • a first exemplary manufacturing variant for a first, second or third optical element using the guest-host principle is based on mixtures of dichroic dyes or the combination of dichroic dye mixtures with liquid crystal mixtures or compounds, and comprises the following manufacturing steps (as described, for example, in US 9 481 658 B2 or WO 2021/177308 A1, paragraph 37 ff.):
  • a substrate with low or no birefringence is coated with a film that determines the alignment of the molecules relative to the surface, usually parallel or perpendicular to the surface.
  • Polymers preferably polyvinyl alcohol (PVAL/PVOH) or polyimides (PI), are used for this purpose.
  • the surfaces can be treated optically or mechanically to improve the later quality of the molecular alignment.
  • the mixture of dichroic dye and liquid crystal compounds or polymers is then applied.
  • the side chains are locally condensed by irradiation with light, causing birefringence along the surface.
  • thermotropic, liquid-crystalline dichroic dyes as described for example in JP201 1 -237513 A, and comprises the following steps: preparation of the corresponding dyes and addition of a polar group and application of the dye mixture as well as photo-alignment and curing of the dye mixture by means of polarized light.
  • dichroic substances or mixtures dichroic dyes (preferably azo dyes) or dichroic metal nanoparticles (preferably gold, silver, copper and aluminium); these are usually single dyes of one or mixtures of typically up to three different dyes to enable absorption over significant parts of the emitted 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 -237513 A as an example.
  • thermotropic liquid-crystalline compounds or polymers as chemical groups for cross-linking, which are bound to the thermotropic liquid-crystalline compounds or polymers (so-called cross-linking): metaacrylic groups, epoxy groups, oxetanyl groups, and styrene groups, preferably methacrylic groups.
  • they can be polymerizable liquid-crystalline compounds, which are described in JP 6268730 B2, for example.
  • polymerizable liquid-crystalline dichroic dyes 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, ie each dye molecule corresponds to a transition dipole or transition dipole moment.
  • a dye has a mass fraction of 0.01% to 10%, preferably 0.1% to 5% of the material of the respective layers of the respective optical element. In special cases, the concentration can even reach 95% in the case of liquid-crystalline dichroic dyes. Intermediate values are possible.
  • the thickness of the layers is preferably in the range from 0.2 pm to 50 pm, preferably in the range from 0.5 pm to 20 pm, all marginal values included.
  • the dyes or dye mixtures for different layers within an optical element can be different, but do not have to be.
  • the first, second and third preferred directions can each advantageously enclose an angle between 0° and 45° to a surface normal of the optical element, all edge values included.
  • the first (and if present, also the second or third) preferred direction can vary over the surface of the corresponding optical element.
  • the respective preferred direction is then the average, weighted preferred direction determined over all values.
  • the respective preferred direction of a transition dipole moment can advantageously be selected depending on its position in the respective optical element.
  • first, second or third optical element this is divided into different areas along a selectable reference line, wherein a separate area preferred direction can be selected for each area, which applies to all transition dipole moments within an area, wherein all area preferred directions are different in pairs and point in the direction of an observer within a maximum tolerance of +/-10 0. Within each applicable area, all transition dipole moments are therefore aligned parallel to the preferred direction applicable there with a maximum tolerance of +/-10 0.
  • the light filter can also, in its second embodiment, further comprise means for selectively generating a first electric field EF1 or a second electric field EF2, a liquid crystal layer arranged upstream or downstream of the third optical element, onto which the first electric field EF1 or the second electric field EF2 and which, depending on this, influences the polarization state of light passing through it, so that the transmission properties of the light filter differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is present, and a second operating mode B2, in which the first electric field EF2 is present.
  • a first operating mode B1 in which the first electric field EF1 is present
  • B2 second operating mode B2
  • more than two different electric fields can be generated, corresponding to other possible operating modes - although only one of the electric fields is present at the same time.
  • the switchable liquid crystal layer transmits light incident on it essentially unchanged in a first switching state when the first electric field E1 is applied and in a second switching state, i.e. when the second electric field EF2 is applied, the light is circularly or elliptically polarized or the polarization of the light is rotated by 90°.
  • liquid crystal molecules at the interfaces is determined by electric fields and surface-induced forces. As a result, the liquid crystal molecules are not ideally aligned, which leads to an - undesirable - change in polarization.
  • the invention is of particular importance when used in a lighting device for screens or on or in screens. Therefore, the invention also includes a lighting device for a screen that can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free viewing mode.
  • a lighting device for a screen that can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free viewing mode.
  • - a surface-like backlight which contains a light filter according to the first or second embodiment and emits light
  • a plate-shaped light guide located in front of the background lighting in the viewing direction, which has output coupling elements on at least one of the large surfaces and/or within its volume
  • the operating modes B1 and B2 correlate with the states of the liquid crystal layer caused by the first and second electric fields EF1 and EF2, respectively.
  • the above-described lighting device also allows switching between the above-mentioned operating modes if there is no liquid crystal layer in the light filter, since switching can then be ensured exclusively by changing between background lighting and lighting by the lamps.
  • the invention further includes a screen that can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, in which light is emitted into a viewing angle range that is restricted for a viewer compared to the free viewing mode.
  • This screen comprises
  • a surface-like extended backlight which contains a light filter according to the first or second embodiment - here in each case with a said liquid crystal layer - and emits light, wherein the backlight is optionally designed to be directly luminous,
  • a transmissive image display device which is arranged in the viewing direction in front of the light filter, in particular in front of the background lighting and/or in front of the polarisation filter, - wherein in operating mode B2 the second electric field (EF2) is applied and in operating mode B1 the first electric field (EF1) is applied.
  • the linear polarization filter is advantageously arranged in or on the transmissive image display device, or it is a part of it. It is also possible for the light filter to be integrated into the transmissive image display device and then in particular to have at least one common substrate with the image display device.
  • the invention includes a further screen that can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, in which light is emitted into a viewing angle range that is restricted for a viewer compared to the free viewing mode. This then comprises
  • an image display device e.g. an OLED panel, microLED panel, LCD panel or any other type of screen
  • the backlight is designed in such a way that it essentially does not have a symmetrical luminance distribution (e.g. around the vertical center line from the viewer's perspective), but rather embodies an asymmetrical luminance distribution - e.g. in the horizontal direction.
  • the said backlight has an asymmetrical luminance distribution, wherein the said asymmetry preferably exists with respect to the horizontal direction from the viewer's perspective.
  • the screen can be operated in such a way that either only the passenger can see the image content (operating mode B2), for example for moving images, or that both the driver and passenger can see the image content (operating mode B1), for example for navigation maps.
  • transmissive image display device is an LCD panel, which then emits vertically linear polarized light suitable for polarized sunglasses, for example, the transmission would be limited upwards and downwards from the viewer's perspective, so that reflections on the windshield are minimized.
  • a light filter according to the invention according to the first or second embodiment - here in each case with a said liquid crystal layer - can be arranged not only in front of the image display device in the viewing direction, but also behind the image display device in the viewing direction.
  • the light filter according to the invention is only subsequently attached in front of the image display device.
  • image display devices already present at the user's can be subsequently converted so that they can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode.
  • Such a screen is advantageously used in a mobile device, a motor vehicle, aircraft or water vehicle, in a payment terminal or in an access system. It is possible to switch between the above-mentioned operating modes in order to to protect sensitive data, i.e. to display it so that it is only perceptible to one viewer, or alternatively to display image content simultaneously for several viewers.
  • Fig. 1A shows the schematic diagram of an exemplary two-dimensional angle-dependent representation of the transmission of a light filter in the prior art
  • Fig. 1 B shows the schematic diagram of an exemplary two-dimensional angle-dependent representation of the transmission of a light filter in combination with a biaxial retardation plate in the prior art
  • Fig. 2A shows the schematic diagram of a structure of a light filter in a first embodiment
  • Fig. 2B is a schematic diagram explaining the projection of the long semi-axis of elliptical light and its direction of incidence on a plane
  • Fig. 3A shows the schematic diagram of an extended structure of a light filter for optionally changing the transmission properties of the light filter
  • Fig. 3B shows the schematic diagram of an exemplary two-dimensional angle-dependent representation of the transmission of a light filter in the first embodiment
  • Fig. 4 shows the principle sketch to explain the complex refractive index of a biaxial third optical element
  • Fig. 5 shows the schematic diagram of an exemplary two-dimensional angle-dependent representation of the transmission of a light filter in the second embodiment under a first condition
  • Fig. 6 shows the schematic diagram of an exemplary two-dimensional angle-dependent representation of the transmission of a light filter in the second embodiment under a second condition
  • Fig. 7 shows the principle sketch of an exemplary angle-dependent representation of the transmission of different light filters in the horizontal direction, at a vertical angle of 0°
  • Fig. 8 shows the principle sketch of an exemplary angle-dependent representation of the transmission of various light filters in the horizontal direction, at a vertical angle of 45°,
  • Fig. 9 shows the schematic diagram of the structure of a lighting device for screens using a light filter of the first or second embodiment
  • Fig. 10 shows the schematic diagram of a first structure of a screen which can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, using a light filter of the first or second embodiment,
  • Fig. 11 shows the schematic diagram of a second structure of a screen which can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, using a light filter of the first or second embodiment, and
  • Fig. 12 shows the schematic diagram of a third structure of a screen which can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, using a light filter of the first or second embodiment.
  • the numbers assigned to the lines each represent the transmission normalized to "1" for the corresponding angle pair in polar coordinates.
  • the number "0.12" corresponds to a transmission of 12% for the corresponding direction.
  • vertical is intended here as an example reference for an observer looking at a light filter who is standing or sitting in front of it.
  • the connecting line between the two observer eyes would define the horizontal direction as a reference here. Accordingly, the vertical direction is perpendicular to this as a reference.
  • FIG. 1 B shows the schematic diagram of an exemplary two-dimensional angle-dependent representation of the transmission of such a light filter in combination with a biaxial retardation plate in the prior art.
  • FIG. 2A shows the schematic diagram of the exemplary structure of a light filter 5 in a first embodiment.
  • Such an exemplary light filter 5 in a first embodiment comprises a first optical element 1 and a second optical element 2, wherein each of the two optical elements 1, 2 in turn comprises a plurality of light-absorbing transition dipole moments and both optical elements 1, 2 are arranged in a stacked manner - i.e. as elements of a layer stack - with respect to an incident direction 4 of light.
  • the majority of the transition dipole moments are aligned at least in a first state with a tolerance of a maximum of 20° (preferably a maximum of 10°) parallel to a selectable first preferred direction for the first optical element 1 and for the second optical element 2 parallel to a selectable second preferred direction or fluctuate or vary around this.
  • the property "at least in a first state” includes several possibilities: firstly, that there can be exactly one state; this is a permanent embodiment. However, the formulation also explicitly includes that there can be two or more states. In this case, the transition dipole moments are variable.
  • Fig. 2B shows the schematic diagram of the projection of the long semi-axis 6 of exemplary elliptical light and its direction of incidence 4 onto a plane which corresponds to the surface of the light filter 5.
  • the projection 6a of the long semi-axis 6 and the projection 4a of the direction of incidence 4 enclose the angle a.
  • This enclosed angle a should be less than 20° so that the mean-effect relationships according to the invention take effect.
  • the agent-effect relationships for improving the visual protection due to the above-described inventive combination of the first optical Element 1, retardation layer 7 (A or C plate) and second optical element 2 can be conceptually illustrated as follows: For the explanation, it is assumed that the absorbing transition dipole moments are each aligned essentially perpendicular to the surface of an optical element, i.e. the respective preferred direction is perpendicular to its surface (which is a preferred case).
  • the first optical element 1 essentially absorbs p-polarized electric field components. If linearly polarized light now falls into the first optical element 1, the light is maximally absorbed if the light is polarized exclusively in the plane of incidence.
  • the two-dimensional angle-dependent representation for the first optical element 1 - taken on its own - has an hourglass shape.
  • a retardation layer 7 is inserted as an A or C plate, the extraordinary axis of which is aligned perpendicular or parallel to the surface.
  • the light transmitted by the retardation layer 7 is now not exclusively polarized along a main axis of the retardation layer 7, so that the light s-polarized by the retardation layer 7 is at least partially converted into p-polarized light, which can be absorbed by the subsequent second optical element 2.
  • the original sandur shape in the above-mentioned illustration thus changes more towards a rectangular shape, which is desired.
  • FIG. 3B shows the schematic diagram of an exemplary two-dimensional angle-dependent representation of the transmission of a light filter in the first embodiment.
  • the narrower waist and the reduced transmission values can be seen.
  • first and second preferred directions for the first and second optical elements 1, 2 can also be identical or differ in their orientation by only a few degrees (maximum 10°). This is a preferred case that is assumed for all examples described in the drawings.
  • FIG. 3A shows the schematic diagram of an extended structure of a light filter 5 for optionally changing the transmission properties of this light filter 5.
  • a light filter 5 extended in this way additionally comprises (not shown in the drawing) means for selectively generating at least a first electric field EF1 or a second electric field EF2, for example two ITO layers with control electronics, a liquid crystal layer 3 arranged upstream or downstream of the first and/or second optical element 1, 2, on which the first electric field EF1 or the second electric field EF2 acts and which, depending thereon, influences the polarization state of light passing through it, so that the transmission properties of the light filter 5 differ between a first operating mode B1, in which the first electric field EF1 is present, and a second operating mode B2, in which the first electric field EF2 is present.
  • the light filter 5 can also comprise a polarization filter P, which is arranged upstream or downstream of the first or second optical element 1 or 2 in the direction of incidence, as shown in Fig.3A.
  • light penetrating the liquid crystal layer 3 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°.
  • Fig. 4 shows a schematic diagram to explain the complex refractive index of a third optical element made of a biaxially birefringent material, specifically with reference to a light filter 5a in a second embodiment.
  • An exemplary light filter 5a comprises a third optical element, in turn comprising a plurality of light-absorbing transition dipole moments, wherein the majority of the transition dipole moments are aligned parallel to a third preferred direction that can be selected for the third optical element or fluctuate around this at least in a first state with a tolerance of a maximum of 20° (preferably a maximum of 10°).
  • the property “at least in a first state” includes several possibilities: firstly, that there can be exactly one state; this is a permanent embodiment.
  • the formulation also explicitly includes that there can be two or more states.
  • the transition dipole moments are changeable.
  • light that enters 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.
  • the third optical element consists of a biaxially birefringent material, so that within it the three complex refractive indices of the three - different and linearly independent - main axes differ from one another.
  • the three underlying main axes x, y, z preferably lie in a Cartesian coordinate system.
  • linearly or - in particular strongly - elliptically polarized light which is incident on the light filter 5a in a second embodiment at at least an angle of 35° to the third preferred direction is absorbed to at least 85%, the angle between the electric field of the linearly polarized light or the long semi-axis of the elliptically polarized light and the direction of incidence, (both) projected onto the surface of the light filter 5a, being less than 20°.
  • A
  • the coordinate directions of the refractive indices relate exclusively to the alignment of the main axes and are optionally inclined and/or rotated with respect to a coordinate system of a screen to which a light filter 5a of the second embodiment is attached or in which it is installed.
  • the light filter 5a can also additionally comprise in its second embodiment
  • the measures according to the invention have a negligible influence on the transmission at a vertical angle of 0°, and indeed over the entire horizontal angle spectrum considered. All transmission values below 10 -2 are generally very suitable for practical applications, which is why the differences between the various light filters at angles greater than about 60° are not significant.
  • a lighting device for a screen which can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, in which light is emitted in an angular range that is restricted compared to the free viewing mode, comprises
  • a surface-like backlight 8 which contains a light filter 5 or 5a according to the first or second embodiment and emits light
  • a plate-shaped light guide 9 located in a viewing direction of a viewer in front of the background lighting 8, which has output coupling elements on at least one of the large surfaces and/or within its volume,
  • the operating modes B1 and B2 each correlate with the states of the liquid crystal layer 3, which are caused by the first and second electric fields EF1 and EF2, respectively.
  • the light output in the operating mode B1 is increased because both light from the background lighting 8, transmitted by the light filter 5 or 5a, and light from the light guide 9 are emitted laterally when both the lamps 10 and the background lighting 8 are switched on in the operating mode B1.
  • the above-described lighting device also allows switching between the above-mentioned operating modes, however, if there is no liquid crystal layer 3 in the light filter 5, 5a, since switching can then be ensured solely by changing between the background lighting 8 and lighting by the lamps 10.
  • the invention further includes a screen that can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, in which light is emitted into a viewing angle range that is restricted for a viewer compared to the free viewing mode.
  • Fig. 10 as a schematic diagram of a first structure of such a screen.
  • Such a screen comprises
  • a surface-like extended backlight 8 which contains a light filter 5 or 5a according to the first or second embodiment - here in each case with a said liquid crystal layer 3 - and emits light, wherein the backlight 8 is optionally constructed to be directly luminous (e.g. as a so-called matrix backlight),
  • transmissive image display device 11 (preferably an LCD panel) which is arranged in the viewing direction in front of the background lighting 8 and/or in front of the polarization filter P,
  • the linear polarization filter P is arranged in or on the transmissive image display device 11, or it is a part of it.
  • the invention includes a further screen with a second structure, which can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, in which light is emitted into a viewing angle range that is restricted for a viewer compared to the free viewing mode.
  • a screen is shown in Fig.11 as a schematic diagram and comprises
  • an image display device 12 e.g. an OLED panel, microLED panel, LCD panel or any other type of screen
  • polarization filter P not shown in the drawing
  • retardation layer preferably of type A/4 (which produces substantially linearly or strongly elliptically polarized light from circularly polarized light) between the image display device 12 and the light filter 5 or 5a according to the invention.
  • Fig. 12 shows the schematic diagram of a third structure of a screen that can be operated in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, using a light filter 5 or 5a of the first or second embodiment.
  • a transmissive image display device 11 in particular with an LCD panel, which accordingly also has a background lighting 8a
  • this design variant of the third structure can be implemented:
  • the background lighting 8a is designed in such a way that it essentially does not have a symmetrical luminance distribution around the vertical center line - from the viewer's perspective - but rather embodies an asymmetrical luminance distribution in the horizontal.
  • the said backlight 8a has an asymmetrical luminance distribution, wherein the said asymmetry preferably exists with respect to the horizontal direction from the perspective of a viewer.
  • This third structure of a screen is advantageous for use in vehicles because then, in particular, light which would be emitted in the direction of the passenger window, for example, can be significantly reduced by the design of the background lighting 8a from horizontal angles of 25 degrees or more (compared to the mid-vertical), for example to less than 10% - preferably to less than 2.5% - of the peak brightness, while a deliberately high luminance is present in the direction of the driver. In this way, annoying reflections in the passenger window or possibly on the outside mirror, which is closest to the passenger, are reduced or even avoided.
  • the screen can optionally be operated in such a way that either only the passenger can see image content (operating mode B2), for example for moving images, or that both the driver and front passenger can see image content (operating mode B1), for example for navigation map material.
  • the invention solves the problem: A light filter with an optical element has been described, in which light which falls into the optical element is transmitted or partially or completely absorbed depending on its direction of incidence and its polarization properties.
  • the light filters which use the optical element influence the transmission of light depending on the angle - optionally perpendicular to a seated or standing observer - and optionally switch between at least two operating states.
  • the invention described above can be used in conjunction with an image display device to advantage wherever confidential data is displayed and/or entered, such as when entering a PIN or displaying data at cash machines or payment terminals or when entering a password or reading emails on mobile devices.
  • the invention can - as described above - also be used in a car to optionally withhold disturbing image content from the driver or passenger.

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Abstract

Die Erfindung betrifft in einer ersten Ausgestaltung einen Lichtfilter (5), umfassend ein erstes optisches Element (1) und ein zweites optisches Element (2), wobei jedes der beiden optischen Elemente (1, 2) seinerseits jeweils eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten umfasst, wobei jeweils die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 20° parallel zu einer für das erste optische Element (1) wählbaren ersten Vorzugsrichtung und für das zweite optische Element (2) parallel zu einer wählbaren zweiten Vorzugsrichtung ausgerichtet ist oder um diese herum fluktuiert, so dass Licht, welches in das erste optische Element (1) oder in das zweite optische Element (2) einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber dem jeweiligen optischen Element (1, 2) und seines Polarisationszustandes transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird, eine zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element (1, 2) angeordnete Verzögerungsschicht (7) in Form einer C-Platte oder einer A-Platte, so dass linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches mindestens unter einem Winkel von 35° zur ersten oder zweiten Vorzugsrichtung in den Lichtfilter (5) einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei der Winkel zwischen dem elektrischen Feld des linear polarisierten Lichts oder der langen Halbachse des elliptisch polarisierten Lichts und der Einfallsrichtung, projiziert auf die Oberfläche des Lichtfilters (5), weniger als 20° beträgt. 20 Die Erfindung umfasst weiterhin eine zweite Ausgestaltung mit einem biaxialem Lichtfilter (5a) sowie Anordnungen für Beleuchtungseinrichtung und Bildschirm unter Nutzung erfindungsgemäßer Lichtfilter (5, 5a).

Description

Titel
[0001] Lichtfilter sowie Beleuchtungseinrichtung und Bildschirm mit einem solchen Lichtfilter
Technisches Gebiet der Erfinduna
[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.
[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.
[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. Stand der Technik
[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.
[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.
[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.
[0008] Die US 2012/0235891 A1 beschreibt ein sehr aufwendiges Backlight - eine Hintergrundbeleuchtung - in einem Bildschirm. Dort kommen gemäß Fig.1 und Fig. 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.
[0009] Gemäß der JP 2007-155783 A werden spezielle, aufwendig zu berechnende und herzustellende optische Oberflächen 19 genutzt, die dann Licht je nach Lichteinfallswinkel in verschiedene schmale oder breite Bereiche ablenken. Diese Strukturen ähneln Fresnel-Linsen. Ferner sind Störflanken vorhanden, die Licht in unerwünschte Richtungen ablenken. Somit bleibt unklar, ob wirklich sinnvolle Lichtverteilungen erreicht werden können.
[0010] 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-Dis- play, 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.
[001 1] 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.
[0012] Der Ansatz der Technologie der „Elektrischen Doppelbrechung (EDB)“ beruht auf der Idee, die schaltbaren Flüssigkeitskristalle eines zusätzlich aufgebrachten LC- Panels zur „Filterung“ aller nicht in einem bestimmten Abstrahlwinkel aus der bildgebenden Schicht austretenden Lichtstrahlen zu nutzen. Nachteile dieser Technologie sind ein hoher zusätzlicher Energie- und Kostenaufwand und der schwer veränderbare +/-400 Sweet Spot, d.h. die bestmögliche Blickposition. Der Absorptionsgrad der LC-Strukturen ist ebenfalls unzureichend, da die Abschwächung der Lichtintensität für Betrachtungswinkel größer des Sweetspots wieder ansteigt, so dass die Lichtintensität für Betrachtungswinkel größer als +/-400 bis zu 3% von der maximalen Lichtintensität beträgt.
[0013] 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.
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[0014] Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, Lichtfilter mit einem optischen Element zu beschreiben, bei welchem Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung und seinen Polarisationseigenschaften - nicht aber in Abhängigkeit von seiner Position - transmittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird. Durch die Lichtfilter, welche das optische Element verwenden, soll die T ransmission von Licht winkelabhängig - optional in Bezug auf einen sitzenden oder stehenden Betrachter senkrecht - beeinflusst werden, wobei optional zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Dabei soll insbesondere das Transmissionsverhalten für bestimmte Richtungen umschaltbar sein. Bei im Stand der Technik bekannten derartigen optischen Elementen der vorgenannten Art, bei denen die Richtungsselektivität über die Polarisationseigenschaften erzielt wird, hat - wenn die Absorption des elektrischen Feldes senkrecht zur Filmoberfläche erfolgt- deren Transmissionsgraph, aufgetragen beispielsweise in Falschfarben in einem Polarkoordinatensystem, die ungewollte Form einer Sanduhr. Es ist im Allgemeinen so, dass der Sichtschutz nicht entscheidend durch die Absorption eines solchen optischen Elements erhöht werden kann. Damit bleibt die Sichtschutzwirkung dieses Wirkungsprinzips ohne weitere Verbesserungen begrenzt. Aufgrund der Sanduhrform weist die Transmission mithin als Maß für den Sichtschutz, für Licht, das entlang der horizontalen Richtung linear polarisiert ist, für vertikale Einblickwinkel größer als 5° immer höhere Werte auf als für vertikale Einblickwinkel, die kleiner als 5° sind, und zwar in der Regel für das gesamte oder zumindest den Großteil des horizontalen Winkelspektrums. Ziel der Erfindung ist es daher insbesondere, die Transmission für vertikale Einblickwinkel größer als 5° zu verringern (also den Sichtschutz zu verbessern), während die Transmission für vertikale Einblickwinkel kleiner als 5° erhalten bleiben soll, auch wiederum bei gleichzeitig verschiedenen horizontalen Winkeln. Der Begriff „vertikal“ ist hier als beispielhafte Referenz für einen auf einen Lichtfilter schauenden Betrachter, der sich stehend oder sitzend davor aufhält, gedacht. Die Verbindungslinie der beiden Betrachteraugen würde hier die horizontale Richtung als Referenz definieren. Entsprechend senkrecht dazu liegt die vertikale Richtung als Referenz.
[0015] Diese Aufgabe wird in einer ersten Ausgestaltung erfindungsgemäß gelöst von einem Lichtfilter, welcher ein erstes optisches Element und ein zweites optisches Eie- ment, wobei jedes der beiden optischen Elemente jeweils eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten umfasst. Dabei sind die beiden optischen Elemente in Bezug auf eine Einfallsrichtung von Licht stapelförmig angeordnet, d.h. dass das Licht nacheinander durch sie hindurchtritt. Bei plattenförmigen optischen Elementen mit je zwei Großflächen, die von Schmalseiten umrandet und verbunden sind, tritt das Licht bei einer stapelförmigen Anordnung der optischen Elemente nacheinander durch die Großflächen hindurch. Die stapelförmige Anordnung ist dabei nicht so aufzufassen, dass die beiden optischen Elemente aneinander liegen - vielmehr befinden sich erfindungsgemäß zwischen den optischen Elementen noch mindestens ein weiteres Element, wie weiter unten beschrieben wird.
[0016] Die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente ist dabei mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 20° - bevorzugt maximal 10° - parallel zu einer für das erste optische Element wählbaren ersten Vorzugsrichtung und für das zweite optische Element parallel zu einer wählbaren zweiten Vorzugsrichtung ausgerichtet oder fluktuiert bzw. variiert um diese herum. In diesem Zusammenhang umfasst die Eigenschaft „mindestens in einem ersten Zustand“ mehrere Möglichkeiten: zum einen, dass es genau einen Zustand geben kann; das ist eine permanente Ausgestaltung. Die Formulierung schließt aber explizit auch ein, dass es zwei oder mehr Zustände geben kann. In diesem Falle sind die Übergangsdipolmomente in ihren Ausrichtungen veränderbar, z.B. über sogenannte Guest-Host-Flüssigkristallzellen). Auf diese Weise wird Licht, welches in das erste optische Element oder in das zweite optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber dem jeweiligen optischen Element und seines Polarisationszustandes transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert.
[0017] Zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element ist eine Verzögerungsschicht in Form einer C-Platte oder A-Platte angeordnet, mit welcher für eine vorgegebene Wellenlänge A eine Phasenverschiebung größer als A/4 erzeugt wird, beispielsweise eine A/2-Schicht. in jedem Fall muss die Phasenverschiebung größer als A/4 sein. Die vorgegebene Wellenlänge kann beispielsweise die sogenannten Design-Wellenlänge sein, für welche der Lichtfilter mittels entsprechender Design-Programme (z.B. LCD Master, Techwiz, und/oder unter Nutzung im Stand der Technik bekannter Algorithmen, wie z.B. A. Lien; „Extended Jones matrix representation for the twisted nematic liquid-crystal display at oblique incidence“, Appl. Phys. Lett. 24 December 1990; 57 (26): 2767-2769. https://doi.org/10.1063/1 -103781 ) optimiert wird. Oft nimmt man eine „grüne“ Wellenlänge wie A = 550 nm, grundsätzlich kann aber jede beliebige Wellenlänge aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich verwendet werden.
[0018] Im Ergebnis wird linear oder - insbesondere stark - elliptisch polarisiertes Licht, welches mindestens unter einem Winkel von 35° zur ersten oder zweiten Vorzugsrichtung in den Lichtfilter einfällt, zu mindestens 85% absorbiert, wenn der Winkel zwischen dem elektrischen Feld des linear polarisierten Lichts oder der langen Halbachse des elliptisch polarisierten Lichts und der Einfallsrichtung, (beides) projiziert auf die Oberfläche des Lichtfilters, weniger als 20° beträgt.
[0019] Stark elliptisch polarisiertes Licht heißt in diesem Zusammenhang, dass die Verhältnisse der Beträge der Halbachsen mindestens 1 :4 betragen, besser jedoch mindestens 1 :10 oder noch größer. Es ist z.B. denkbar, dass nur linear oder stark elliptisch polarisiertes Licht in den Lichtfilter einfällt.
[0020] Die Mittel-Wirkungs-Zusammenhänge zur Verbesserung des Sichtschutzes aufgrund der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Kombination - erstes optisches Element, Verzögerungsschicht (A- oder C-Platte) und zweites optisches Element - lassen sich folgendermaßen gedanklich veranschaulichen: Für die Erklärung wird beispielhaft angenommen, dass die absorbierenden Übergangsdipolmomente senkrecht zur Oberfläche eines optischen Elements ausgerichtet sind, d.h. die erste und die zweite Vorzugsrichtung stehen jeweils senkrecht auf dem betreffenden optischen Element und sind somit identisch. Das erste optische Element absorbiert im Wesentlichen p-polarisierte elektrische Feldkomponenten. Fällt nun linear polarisiertes Licht in das erste optische Element ein, wird das Licht maximal absorbiert, wenn das Licht ausschließlich in der Einfallsebene polarisiert ist. Je größer der Winkel zwischen der Einfallsebene und der Polarisationsrichtung ist - bzw. entsprechend der vertikale Einblickwinkel -, desto größer wird die Transmission. Die zweidimensionale winkelabhängige Darstellung hat daher für das erste optische Element eine Sanduhrform. Nun wird nach dem ersten optischen Element eine Verzögerungsschicht als A- oder C-Platte eingefügt aus einem uniaxial doppelbrechendem Material, dessen außerordentliche Achse parallel oder senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet ist. Das von der Verzögerungsschicht transmittierte Licht ist nun nicht ausschließlich entlang einer der beiden Hauptachsen der Verzögerungsplatte polarisiert, so dass durch die Verzögerungsplatte in diese eintretendes s- polarisiertes Licht wenigstens teilweise in p-polarisiertes Licht umgewandelt wird, welches von dem nachfolgenden zweiten optischen Element absorbiert werden kann. Damit verändert sich die ursprüngliche Sandurform hin zu einer Rechtseckform, die für eine bessere und klarere Beschränkung der Sicht ohne Helligkeitseinschränkungen im geschützten Bereich erwünscht ist.
[0021] Die jeweiligen Schichtdicken der Materialien mit den absorbierenden Übergangsdipolmomente im ersten und im zweiten optischen Element können sich voneinander unterscheiden. Alternativ können sie auch identisch oder nahezu identisch sein, selbstverständlich im Rahmen der technischen Umsetzbarkeit. In der Regel weist jedes der optischen Elemente auch ein transparentes Substrat (z.B. Glas oder ein Polymer) auf, worauf sich das Material mit den absorbierenden Übergangsdipolmomenten befindet.
[0022] 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. Es entspricht dem elektrischen Dipolmoment, welches mit diesem Übergang verbunden ist. Die Richtung des Vektors definiert die Polarisation bzw. hier synonym die Polarisationsrichtung des Übergangs, welche ihrerseits bestimmt, wie das System mit einer elektromagnetischen Welle mit vorgegebener Polarisation wechselwirkt und beim Übergang vom Grundzustand in den angeregten Zustand Licht der entsprechenden Polarisationsrichtung absorbiert. Der Betrag des Vektors korrespondiert zur Stärke der Wechselwirkung bzw. zur Übergangswahrscheinlichkeit. Der angeregte Zustand relaxiert durch nicht strahlende Prozesse.
[0023] Die erste oder zweite Vorzugsrichtung entsprechend dabei derjenigen Ausrichtung der Übergangsdipolmomente des ersten bzw. zweiten optischen Elements bei vorgegebener Ausbreitungsrichtung von Licht, bei der für beliebige Polarisationsrichtungen des Lichts die Absorption gleich ist.
[0024] Die erste und zweite Vorzugsrichtung können auch identisch sein bzw. sich in ihrer Ausrichtung nur um wenige Grad - maximal 10° - unterscheiden und beide können 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. [0025] Der Lichtfilter kann außerdem einen Polarisationsfilter umfassen, welcher dem ersten oder dem zweiten optischen Element in der Einfallsrichtung gesehen vor- oder nachgeordnet ist. Bei Anordnung eines linearen Polarisationsfilters in Einfallsrichtung vor dem ersten oder zweiten optischen Element sorgt dieser für die lineare Polarisation des auf das entsprechende optische Element einfallenden Lichtes. Bei Anordnung eines linearen Polarisationsfilters in Einfallsrichtung nach dem ersten oder dem zweiten optischen Element hingegen sorgt dieser für die Auslöschung ungewollter Polarisationsanteile des aus dem ersten oder dem zweiten optischen Element ausfallenden Lichtes. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine A/4-Schicht denkbar, etwa beim Einfall von zirkular polarisiertem Licht, welches aufgrund dieser Schicht in im Wesentlichen linear polarisiertes Licht gewandelt wird. Als entsprechende Design-Wellenlänge A kann beispielhaft 550 nm oder auch 580 nm gewählt werden. Andere Werte sind explizit möglich.
[0026] Der Lichtfilter kann außerdem Mittel zur wahlweisen Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2 umfassen. Damit lassen sich grundsätzlich zwei verschiedene Betriebsarten realisieren. Dem ersten und/oder dem zweiten optischen Element ist eine Flüssigkristallschicht vor- oder nachgeordnet, auf welche das erste elektrische Feld EF1 oder das zweite elektrische Feld EF2 wirkt und die in Abhängigkeit davon den Polarisationszustand von durch sie hindurchdringendem Licht beeinflusst, so dass sich die Transmissionseigenschaften des Lichtfilters zwischen einer ersten Betriebsart B1 , in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das erste elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden. Ggf. können weitere Betriebsarten realisiert werden, wenn mehr Felder erzeugt werden können.
[0027] 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.
[0028] Das zweite elektrische Feld EF2 kann beispielsweise 0 V/pm betragen, während das erste elektrische Feld EF1 beispielsweise von 0.1 V/pm bis 10 V/pm in einer Rechteckwelle mit 1 kHz aufweisen kann. Andere Ausgestaltungen sind möglich. [0029] Die Aufgabe der Erfindung wird auch erfindungsgemäß gelöst von einer zweiten Ausgestaltung eines Lichtfilters. Dieser umfasst anstelle des ersten und zweiten optischen Elements aus der zuvor beschriebenen Ausgestaltung ein drittes optisches Element, welches seinerseits eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten umfasst. Auch hier ist die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 20° (bevorzugt maximal 10°) parallel zu einer für das dritte optische Element wählbaren dritten Vorzugsrichtung ausgerichtet ist oder fluktuiert bzw. variiert um diese herum. In diesem Zusammenhang umfasst die Eigenschaft „mindestens in einem ersten Zustand“ mehrere Möglichkeiten: zum einen, dass es genau einen Zustand geben kann; das ist eine permanente Ausgestaltung. Die Formulierung schließt aber explizit auch ein, dass es zwei oder mehr Zustände geben kann. In diesem Falle sind die Übergangsdipolmomente veränderbar, z.B. über eine Guest-Host-Flüssigkristallzelle, 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.
[0030] Das dritte optische Element ist dabei aus einem biaxial doppelbrechenden Material, so dass sich erfindungsgemäß innerhalb des dritten optischen Elements die drei komplexen Brechzahlen der drei Hauptachsen x, y, z voneinander unterscheiden Die drei zu Grunde liegenden, linear unabhängigen und sich somit unterscheidenden Hauptachsen x, y, z liegen bevorzugt in einem kartesischen Koordinatensystem. In der Konsequenz wird linear oder - insbesondere stark - elliptisch polarisiertes Licht, welches mindestens unter einem Winkel von 35° zur dritten Vorzugsrichtung in den Lichtfilter einfällt, zu mindestens 85% absorbiert, wenn der Winkel zwischen dem elektrischen Feld des linear polarisierten Lichts oder der langen Halbachse des elliptisch polarisierten Lichts und der Einfallsrichtung, (beides) projiziert auf die Oberfläche des Lichtfilters, weniger als 20° beträgt.
[0031] Stark elliptisch polarisiertes Licht heißt auch hier wieder, dass die Verhältnisse der Beträge der Halbachsen mindestens 1 :4 betragen, besser jedoch mindestens 1 :10 oder noch größer.
[0032] In dieser zweiten Ausgestaltung der Erfindung kann der Lichtfilter ebenfalls einen linearen Polarisationsfilter umfassen, welcher dem dritten optischen Element in der Einfallsrichtung gesehen vor- oder nachgeordnet ist. Bei Anordnung eines linearen Polarisationsfilters in Einfallsrichtung vor dem dritten optischen Element sorgt dieser für die lineare Polarisation des auf das dritte optische Element einfallenden Lichtes. Bei Anordnung eines linearen Polarisationsfilters in Einfallsrichtung nach dem dritten optischen Element hingegen sorgt dieser für die Auslöschung ungewollter Polarisationsanteile des aus dem dritten optischen Element austretenden Lichtes. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine A/4-Schicht denkbar, etwa beim Einfall von zirkular polarisiertem Licht mit der Wellenlänge A, welches aufgrund dieser Schicht in im Wesentlichen linear polarisiertes Licht gewandelt wird.
[0033] Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die drei Hauptachsen x, y, z in der Weise, dass sie linear unabhängig sind. Das dritte optische Element weist dabei eine Schichtdicke d auf - genauer gesagt, handelt es sich um die Schichtdicke der Schicht mit den absorbierenden Übergangsdipolmomente. In einer ersten bevorzugten Variante der zweiten Ausgestaltung weist das biaxial doppelbrechende Material des dritten optischen Elements entlang der Hauptachsen die jeweiligen komplexen Brechzahlen nx = n2 - i*k2, ny = ni - i*k2 und nz = - i*ki auf und diese erfüllen die Bedingung |ni - n3| * d > A / 4, wobei gilt ki / k2 > 10. „i“ kennzeichnet dabei den Imaginärteil, m , n2, ns sind reelle Brechzahlen und ki, k2, ks die entsprechenden Absorptionsindizes.
[0034] Die Koordinaten-Richtungen der Brechzahlen nx, ny, nz beziehen sich ausschließlich auf die Ausrichtung der Hauptachsen und sind gegebenenfalls gegenüber einem Koordinatensystem des Bildschirms geneigt und/oder gedreht.
[0035] In einer zweiten bevorzugten Variante der zweiten Ausgestaltung weist das biaxial doppelbrechende Material des dritten optischen Elements entlang der Hauptachsen die jeweiligen komplexen Brechzahlen nx = n2 - i*k2, ny = - i*k2 und nz = ns - i*ki auf, diese erfüllen die Bedingung | - n2| * d > A / 4, wobei gilt ki / k2 > 10 und |n2 - n3| < |ni - n2| / 2.
[0036] Die erfindungsgemäße Wirkungsweise der zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird im Folgenden erklärt:
[0037] Ein drittes optisches Element aus einem biaxial doppelbrechendem Material o- der ein solches Material enthaltendes drittes optisches Element der zweiten Ausgestaltung kann rein gedanklich auch als Mehrschichtsystem mit den Schichten „Übergangsdipolmomente“ und „Verzögerungsplatte Typ A“, jeweils im Wechsel, aufgefasst werden. Die Schicht mit den Übergangsdipolmomenten absorbiert p-polarisiertes Licht. Wenn, was bevorzugt ist, die dritte Vorzugsrichtung senkrecht auf der Großfläche des optischen Elements steht, wird für horizontale Blickwinkel, die eine vertikale Blickwinkelkomponente von 0° aufweisen, der optimale Sichtschutz, also die optimale winkelabhängige horizontale Transmissionsbeschränkung erreicht. Weicht der vertikale Blickwinkel jedoch von 0° ab, verringert sich der Sichtschutz für gleichbleibende horizontale Blickwinkel. Hierzu wird auch auf die in der Beschreibung der Aufgabe genannte ungewünschte Sanduhrform der Transmission im Stand der Technik verwiesen. Da, wie beschrieben, die gedankliche Schicht mit den Übergangsdipolmomenten p-polarisiertes Licht absorbiert, ist das transmittierte Licht linear s-polarisiert. Die gedankliche Verzögerungsplatte vom Typ A konvertiert das linear polarisierte in elliptisch polarisiertes Licht, das wieder von einer nächsten (gedanklichen) Schicht an Übergangsdipolmomenten (mindestens teilweise) absorbiert werden kann, was die winkelabhängige Transmissionsbeschränkung verbessert. Rein gedanklich ist eine Vielzahl an Schichten „Übergangsdipolmomente“ und „Verzögerungsplatte Typ A“ vorhanden, so dass aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung die winkelabhängige Transmissionsbeschränkung gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessert wird.
[0038] Die Herstellung eines biaxialen, dritten optischen Elements erfolgt beispielweise analog zu der Herstellungsweise bekannter biaxialer Filme. Hierzu werden z.B. LC-Me- sogene polymerisiert, und anschließend mit dichroitischen Farbstoffmolekülen oder Mischungen davon dotiert.
[0039] Eine erste beispielhafte Herstellungsvariante für ein erstes, zweites oder drittes optisches Element unter Nutzung des Guest-Host-Prinzips basiert auf Mischungen von dichroitischen Farbstoffen oder der Kombination von dichroitischen Farbstoffmischungen mit Flüssigkristallmischungen oder -Verbindungen, und umfasst folgende Schritte zur Herstellung (wie sie beispielsweise in der US 9 481 658 B2 bzw. WO 2021/177308 A1 , Abs. 37 ff. beschrieben sind): 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 (PVAL/PVOH) oder Polyimide (PI), zum Einsatz. Optional können die Oberflächen optisch oder mechanisch behandelt werden, um die spätere Güte der Molekülausrichtung zu verbessern. Anschließen wird die Mischung von dichroitischem Farbstoff und flüssigkristallinen Verbindungen oder Polymeren aufgebracht. Zuletzt werden durch Einstrahlung von Licht lokal die Seitenketten kondensiert, so dass diese entlang der Oberfläche für Doppelbrechung sorgen.
[0040] Eine alternative, zweite Herstellungsvariante nutzt thermotrope, flüssigkristalline dichroitische Farbstoffe, wie beispielsweise in der JP201 1 -237513 A beschrieben, und umfasst folgende Schritte: Herstellung der entsprechenden Farbstoffe und Hinzufügen einer polaren Gruppe sowie Aufbringen der Farbstoffmischung sowie Fotoausrichtung und Aushärtung der Farbstoffmischung mittels polarisierten Lichts.
[0041] Folgende Materialien kommen für verschiedene Herstellungsvarianten beispielsweise in Frage, wobei diese Aufstellung keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt:
- als Polymersubstrat mit geringer oder keiner Doppelbrechung: bevorzugt 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 einer oder Mischungen von typischerweise bis zu drei unterschiedlichen Farbstoffen, um die Absorption über wesentliche Teile des emittierten Spektrums zu ermöglichen,
- zur Oberflächenbehandlung durch Ausrichtung von Farbstoffen oder flüssigkristallinen Substanzen: Polymere, bevorzugt Polyvinylalkohol oder Polyimide,
Für thermotrope flüssigkristalline Verbindungen oder Polymere wird beispielhaft auf die JP 201 1 -237513 A verwiesen.
- als chemische Gruppen zur Vernetzung, die an die thermotropen flüssigkristallinen Verbindungen oder Polymere gebunden sind (sog. Cross linking): Metaacryloygruppen, Epoxygruppen, eine Oxetanylgruppen, und Styrolgruppen, bevorzugt Methacryloylische Gruppen. Alternativ kann es sich um polymerisierbare Flüssigkristallverbindungen handeln, die etwa in der JP 6268730 B2 beschrieben sind. polymerisierbare flüssigkristalline dichroitische Farbstoffe: Azo- Farbstoffe.
[0042] Der mindestens eine Farbstoff besteht aus Farbstoffmolekülen, wobei vorteilhaft zu jedem Farbstoffmolekül ein Übergangsdipol bzw. Übergangsdipolmoment assoziiert ist, d.h. jedes Farbstoffmolekül entspricht einem Übergangsdipol bzw. Übergangsdipolmoment. Typischerweise hat ein Farbstoff einen Masseanteil von 0,01 % bis 10 %, vorzugsweise von 0,1% bis 5 % am Material der jeweiligen Schichten des betreffenden optischen Elements. In besonderen Fällen kann die Konzentration im Falle von flüssigkristallinen dichroitischen Farbstoffen sogar 95% erreichen. Zwischenwerte sind möglich. 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.
[0043] Für beide Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lichtfilters können vorteilhaft die erste, zweite bzw. dritte Vorzugsrichtung jeweils einen Winkel zwischen 0° und 45° zu einer Flächennormale des optischen Elements einschließen, alle Randwerte jeweils eingeschlossen.
[0044] Außerdem kann in jeder Ausgestaltung der Erfindung die erste (und wenn vorhanden, auch die zweite bzw. dritte) Vorzugsrichtung über die Fläche des entsprechenden optischen Elements variieren. Im Sinne der Erfindung gilt dann als jeweilige Vorzugsrichtung die über alle Werte bestimmte durchschnittliche, gewichtete Vorzugsrichtung. Vorteilhaft ist die jeweilige Vorzugsrichtung eines Übergangsdipolmoments in Abhängigkeit von dessen Position in dem jeweiligen optischen Element wählbar.
[0045] In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eines ersten, zweiten oder dritten optischen Elements ist dieses entlang einer wählbaren Referenzlinie in verschiedene Bereiche eingeteilt, wobei für jeden Bereich eine eigene Bereichs-Vorzugsrichtung wählbar ist, welche für alle innerhalb eines Bereiches liegenden Übergangsdipolmomente gilt, wobei alle Bereichs-Vorzugsrichtungen paarweise verschieden sind und innerhalb einer Toleranz von maximal +/-100 in Richtung eines Betrachters weisen. Innerhalb eines jeden dafür geltenden Bereichs sind demnach alle Übergangsdipolmomente mit einer Toleranz von maximal +/-100 jeweils parallel zu der dort geltenden Vorzugsrichtung ausgerichtet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Betrachter einen Bildschirm mit einem Lichtfilter im eingeschränkten Sichtmodus als homogen ausgeleuchtet wahrnimmt.
[0046] Der Lichtfilter kann auch in seiner zweiten Ausgestaltung weiterhin umfassen Mittel zur wahlweisen Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, eine dem dritten optischen Element vor- oder nachgeordnete Flüssigkristallschicht, auf welche das erste elektrische Feld EF1 oder das zweite elektrische Feld EF2 wirkt und die in Abhängigkeit davon den Polarisationszustand von durch sie hindurchdringendem Licht beeinflusst, so dass sich die Transmissionseigenschaften des Lichtfilters zwischen einer ersten Betriebsart B1 , in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das erste elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden. Auch hier gilt, dass auch mehr als zwei verschiedene elektrische Felder erzeugt werden können, korrespondierend zu weiteren möglichen Betriebsarten - wobei jedoch immer nur eines der elektrischen Felder zur gleichen Zeit anliegt.
[0047] Für beide Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lichtfilters gilt, dass die schaltbare Flüssigkristallschicht in einem ersten Schaltzustand bei Anliegen des ersten elektrischen Feldes E1 auf sie einfallendes Licht im Wesentlichen unverändert transmit- tiert und in einem zweiten Schaltzustand, d.h. bei Anliegen des zweiten elektrischen Feldes EF2, das Licht zirkular oder elliptisch polarisiert oder die Polarisation des Lichtes um 90° dreht.
[0048] „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 - Änderung der Polarisation führt.
[0049] Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung bei ihrer Anwendung in einer Beleuchtungseinrichtung für Bildschirme bzw. an oder in Bildschirmen. Daher schließt die Erfindung auch eine Beleuchtungseinrichtung für einen Bildschirm ein, 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. Diese umfasst
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung, die einen Lichtfilter gemäß der ersten oder zweiten Ausgestaltung enthält und Licht abstrahlt,
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist,
- seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters angeordnete Leuchtmittel, und
- einen in einer Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor der Hintergrundbeleuchtung oder vor dem Lichtleiter angeordneten linearen Polarisationsfilter, wodurch Licht, welches von der Hintergrundbeleuchtung ausgeht und sowohl den besagten Lichtfilter als auch den linearen Polarisationsfilter durchdringt, in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt wird,
- wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet und die Leuchtmittel ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel eingeschaltet sind, d.h. entweder die Leuchtmittel oder sowohl die Leuchtmittel als auch die Hintergrundbeleuchtung.
[0050] Wenn in dem Lichtfilter in der vorbeschriebenen Beleuchtungseinrichtung jeweils eine Flüssigkristallschicht enthalten ist, korrelieren die Betriebsarten B1 und B2 jeweils mit den Zuständen der Flüssigkristallschicht, die durch die ersten und zweiten elektrischen Felder EF1 bzw. EF2 hervorgerufen werden. Die vorbeschriebene Beleuchtungseinrichtung erlaubt die Umschaltbarkeit zwischen den genannten Betriebsarten jedoch ebenso, wenn keine Flüssigkristallschicht im Lichtfilter vorhanden ist, da die Umschaltung dann ausschließlich über den Wechsel zwischen Hintergrundbeleuchtung und Beleuchtung durch die Leuchtmittel gewährleistet werden kann.
[0051] Die Erfindung schließt weiterhin einen Bildschirm ein, 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. Dieser Bildschirm umfasst
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung, die einen Lichtfilter gemäß der ersten oder zweiten Ausgestaltung - hier in jedem Fall mit einer besagten Flüssigkristallschicht - enthält und Licht abstrahlt, wobei die Hintergrundbeleuchtung optional direkt leuchtend aufgebaut ist,
- einen in einer Betrachtungsrichtung des Betrachters des Bildschirms vor der Hintergrundbeleuchtung angeordneten linearen Polarisationsfilter, wodurch Licht, welches von der Hintergrundbeleuchtung ausgeht und sowohl den besagten Lichtfilter als auch den linearen Polarisationsfilter durchdringt, in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt wird, und
- eine transmissive Bildwiedergabeeinrichtung, welche in Betrachtungsrichtung vor dem Lichtfilter, insbesondere vor der Hintergrundbeleuchtung und/oder vor dem Polarisationsfilter angeordnet ist, - wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld (EF2) und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld (EF1 ) anliegt.
[0052] Vorteilhaft ist dabei der lineare Polarisationsfilter in oder an der transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung angeordnet, oder er ist ein Teil von ihr. Es ist überdies möglich, dass der Lichtfilter in die transmissive Bildwiedergabeeinrichtung integriert ist, und dann insbesondere mindestens ein gemeinsames Substrat mit der Bildwiedergabeeinrichtung aufweist.
[0053] Schließlich beinhaltet die Erfindung einen weiteren 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. Dieser umfasst dann
- eine Bildwiedergabeeinrichtung, z.B. ein OLED-Panel, microLED-Panel, LCD-Panel oder jede andere Bildschirmtype,
- in einer Betrachtungsrichtung des Betrachters vor der Bildwiedergabeeinrichtung einen erfindungsgemäßen Lichtfilter gemäß der ersten oder zweiten Ausgestaltung - hier in jedem Fall mit einer besagten Flüssigkristallschicht,
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt.
[0054] Für einen vorbeschriebenen Bildschirm mit transmissiver Bildwiedergabeeinrichtung, insbesondere mit einem LCD-Panel, der demnach auch über eine Hintergrundbeleuchtung verfügt, kann eine besondere Ausgestaltungsvariante umgesetzt werden: Dabei wird die Hintergrundbeleuchtung so ausgestaltet, das sie im Wesentlichen keine (z.B. um die - aus Betrachtersicht - vertikale Mittelinie) symmetrische Leuchtdichteverteilung aufweist, sondern vielmehr - z.B. in der Horizontalen - eine asymmetrische Leuchtdichteverteilung verkörpert. Mit anderen Worten: Die besagte Hintergrundbeleuchtung weist eine asymmetrische Leuchtdichteverteilung auf, wobei bevorzugt die besagte Asymmetrie bezüglich der aus Sicht eines Betrachters horizontalen Richtung vorliegt.
[0055] Dies ist für Einsatzfälle in Fahrzeugen von Vorteil, weil insbesondere Licht, welches in Richtung des Beifahrerfensters abgestrahlt werden würde, durch das Design der Hintergrundbeleuchtung etwa ab horizontalen Winkeln von 25 Grad oder mehr gegenüber der Mittelsenkrechten deutlich vermindert werden kann, beispielsweise auf weniger als 10% - bevorzugt auf weniger als 2.5% - der Peak-Helligkeit, während in Richtung des Fahrers eine gewollt hohe Leuchtdichte vorhanden ist. Auf diese Weise werden störende Reflexionen im Beifahrerfenster oder ggf. auf dem Außenspiegel, welche dem Beifahrer nächstgelegen ist, vermindert oder sogar vermieden. Dennoch kann aufgrund des vor der Bildwiedergabeeinrichtung angebrachten Lichtfilters der Bildschirm wahlweise so betrieben werden, dass entweder nur der Beifahrer Bildinhalte sehen kann (Betriebsart B2), etwa für Bewegtbilder, oder dass sowohl Fahrer als auch Beifahrer Bildinhalte sehen können (Betriebsart B1 ), etwa für Navigationskartenmaterial.
[0056] Außerdem ist es möglich, bei einem solchen Bildschirm in Betrachtungsrichtung vor der transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung jeweils ein weiteres, zusätzliches optisches Element - wie das erste, zweite oder dritte optische Element - anzuordnen. Falls die transmissive Bildwiedergabeeinrichtung ein LCD-Panel ist, welches dann beispielsweise für Polarisationssonnenbrillen passendes, vertikal lineare polarisiertes Licht abstrahlt, würde in diesem Falle die Transmission aus Sicht des Betrachters nach oben und unten limitiert werden, so dass Reflexionen auf der Windschutzscheibe minimiert werden.
[0057] Für einen vorbeschriebenen Bildschirm mit transmissiver Bildwiedergabeeinrichtung, insbesondere mit einem LCD-Panel, gilt darüber hinaus, dass ein erfindungsgemäßer Lichtfilter gemäß der ersten oder zweiten Ausgestaltung - hier in jedem Fall mit einer besagten Flüssigkristallschicht - nicht allein in Betrachtungsrichtung vor der Bildwiedergabeeinrichtung, sondern auch in Betrachtungsrichtung hinter der Bildwiedergabeeinrichtung angeordnet sein kann.
[0058] In besonderen Ausgestaltungen wird der erfindungsgemäße Lichtfilter erst nachträglich vor der Bildwiedergabeeinrichtung angebracht. Auf diese Weise können bei Nutzern bereits vorhandene Bildwiedergabeeinrichtungen nachträglich umgerüstet werden, so dass sie in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden können.
[0059] 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.
[0060] Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibuna der Zeichnunaen
[0061] 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. 1A die Prinzipskizze einer beispielhaften zweidimensionalen winkelabhängigen Darstellung der Transmission eines Lichtfilters im Stand der Technik,
Fig. 1 B die Prinzipskizze einer beispielhaften zweidimensionalen winkelabhängigen Darstellung der Transmission eines Lichtfilters in Kombination mit einer biaxialen Verzögerungsplatte im Stand der Technik,
Fig. 2A die Prinzipskizze eines Aufbaus eines Lichtfilters in einer ersten Ausgestaltung, Fig. 2B eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Projektion der langen Halbachse elliptischen Lichtes und dessen Einfallsrichtung auf eine Ebene,
Fig. 3A die Prinzipskizze eines erweiterten Aufbaus eines Lichtfilters zur wahlweisen Veränderung der Transmissionseigenschaften des Lichtfilters,
Fig. 3B die Prinzipskizze einer beispielhaften zweidimensionalen winkelabhängigen Darstellung der Transmission eines Lichtfilters in der ersten Ausgestaltung,
Fig. 4 die Prinzipskizze zur Erläuterung der komplexen Brechzahl eines biaxialen dritten optischen Elements,
Fig. 5 die Prinzipskizze einer beispielhaften zweidimensionalen winkelabhängigen Darstellung der Transmission eines Lichtfilters in der zweiten Ausgestaltung unter einer ersten Bedingung,
Fig. 6 die Prinzipskizze einer beispielhaften zweidimensionalen winkelabhängigen Darstellung der Transmission eines Lichtfilters in der zweiten Ausgestaltung unter einer zweiten Bedingung,
Fig. 7 die Prinzipskizze einer beispielhaften winkelabhängigen Darstellung der Transmission verschiedener Lichtfilter in horizontaler Richtung, bei vertikalem Winkel von 0°,
Fig. 8 die Prinzipskizze einer beispielhaften winkelabhängigen Darstellung der Transmission verschiedener Lichtfilter in horizontaler Richtung, bei vertikalem Winkel von 45°,
Fig. 9 die Prinzipskizze des Aufbaus einer Beleuchtungseinrichtung für Bildschirme unter Nutzung eines Lichtfilters der ersten oder zweiten Ausgestaltung,
Fig. 10 die Prinzipskizze eines ersten Aufbaus eines Bildschirms, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, unter Nutzung eines Lichtfilters der ersten oder zweiten Ausgestaltung,
Fig. 11 die Prinzipskizze eines zweiten Aufbaus eines Bildschirms, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, unter Nutzung eines Lichtfilters der ersten oder zweiten Ausgestaltung, sowie
Fig. 12 die Prinzipskizze eines dritten Aufbaus eines Bildschirms, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, unter Nutzung eines Lichtfilters der ersten oder zweiten Ausgestaltung. Ausführliche
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der
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[0062] Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder.
[0063] Für die beispielhafte zweidimensionale winkelabhängige Darstellungen der Transmission von Lichtfiltern wiedergebenden Zeichnungen Fig.1 A, 1 B, 3A, 5 und 6 gilt, dass die den Linien zugeordneten Zahlen jeweils die auf „1“ normierte Transmission beim entsprechenden Winkelpaar in Polarkoordinaten wiedergeben. So entspricht beispielsweise in der Darstellung Fig.3 die Zahl „0,12“ einer Transmission von 12% für die entsprechende Richtung.
[0064] Bei im Stand der Technik bekannten Lichtfiltern, bei denen die Richtungsselektivität über die Polarisationseigenschaften erzielt wird, hat - wenn die Absorption des elektrischen Feldes senkrecht zur Filmoberfläche erfolgt - deren zweidimensionale winkelabhängige Darstellung in einem Polarkoordinatensystem der Transmission die ungewollte Form einer Sanduhr. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 1 A als Prinzipskizze dargestellt. Damit bleibt die Sichtschutzwirkung dieses Wirkungsprinzips ohne weitere Verbesserungen begrenzt. Aufgrund der Sanduhrform weist die Transmission mithin als Maß für den Sichtschutz, für Licht, das entlang der horizontalen Richtung linear polarisiert ist, für vertikale Einblickwinkel größer als 5° immer höhere Werte auf als für vertikale Einblickwinkel, die kleiner als +/-5° sind. Dies ist anhand der Fig.1 A gut zu erkennen. Der Begriff „vertikal“ ist hier als beispielhafte Referenz für einen auf einen Lichtfilter schauenden Betrachter, der sich stehend oder sitzend davor aufhält, gedacht. Die Verbindungslinie der beiden Betrachteraugen würde hier die horizontale Richtung als Referenz definieren. Entsprechend senkrecht dazu liegt die vertikale Richtung als Referenz.
[0065] Überlegungen im Stand der Technik führten daher dazu, derartige Lichtfilter mit einer Verzögerungsschicht vom Typ B („B-Platte“) zu kombinieren. Dazu zeigt Fig. 1 B die Prinzipskizze einer beispielhaften zweidimensionalen winkelabhängigen Darstellung der Transmission eines solchen Lichtfilters in Kombination mit einer biaxialen Verzögerungsplatte im Stand der Technik. Zwar wird eine gewisse Verbesserung erreicht, die Ergebnisse sind jedoch nicht für jeden Anwendungsfall zufriedenstellend.
[0066] Demgegenüber gibt nun Fig. 2A die Prinzipskizze des beispielhaften Aufbaus eines Lichtfilters 5 in einer ersten Ausgestaltung wieder. [0067] Ein solcher beispielhafter Lichtfilter 5 in einer ersten Ausgestaltung umfasst ein erstes optisches Element 1 und ein zweites optisches Element 2, wobei jedes der beiden optischen Elemente 1 , 2 seinerseits jeweils eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten umfasst und beide optischen Elemente 1 , 2 in Bezug auf eine Einfallsrichtung 4 von Licht stapelförmig - d. h. als Elemente eines Schichtstapels - angeordnet sind. Dabei ist jeweils die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 20° (bevorzugt maximal 10°) parallel zu einer für das erste optische Element 1 wählbaren ersten Vorzugsrichtung und für das zweite optische Element 2 parallel zu einer wählbaren zweiten Vorzugsrichtung ausgerichtet oder fluktuiert bzw. variiert um diese herum. In diesem Zusammenhang umfasst die Eigenschaft „mindestens in einem ersten Zustand“ mehrere Möglichkeiten: zum einen, dass es genau einen Zustand geben kann; das ist eine permanente Ausgestaltung. Die Formulierung schließt aber explizit auch ein, dass es zwei oder mehr Zustände geben kann. In diesem Falle sind die Übergangsdipolmomente veränderbar. Dadurch wird Licht, welches in das erste optische Element 1 oder in das zweite optische Element 2 einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung gegenüber dem jeweiligen optischen Element 1 , 2 und seines Polarisationszustandes transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert. Zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element 1 , 2 ist eine Verzögerungsschicht 7 in Form einer C-Platte oder A-Platte angeordnet, beispielsweise eine A/2-Schicht; in jedem Fall muss die Phasenverschiebung größer als A/4 sein, so dass linear oder - insbesondere stark - elliptisch polarisiertes Licht, welches mindestens unter einem Winkel von 35° zur ersten oder zweiten Vorzugsrichtung in den Lichtfilter 5 einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wobei der Winkel zwischen dem elektrischen Feld des linear polarisierten Lichts oder der langen Halbachse 6 des elliptisch polarisierten Lichts und der Einfallsrichtung 4, (beides) projiziert auf die Oberfläche des Lichtfilters 5, weniger als 20° beträgt.
[0068] Zum besseren Verständnis zeigt Fig. 2B hierzu die Prinzipskizze der Projektion der langen Halbachse 6 beispielhaften elliptischen Lichtes und dessen Einfallsrichtung 4 auf eine Ebene, welche der Oberfläche des Lichtfilters 5 entspricht. Die Projektion 6a der langen Halbachse 6 und die Projektion 4a der Einfallsrichtung 4 schließen den Winkel a ein. Dieser eingeschlossene Winkel a soll, damit die erfindungsgemäßen Mittel- Wirkungs-Zusammenhänge greifen, kleiner als 20° sein.
[0069] Die Mittel-Wirkungs-Zusammenhänge zur Verbesserung des Sichtschutzes aufgrund der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Kombination aus erstem optischen Elements 1 , Verzögerungsschicht 7 (A- oder C-Platte) und zweitem optischen Element 2 lassen sich folgendermaßen gedanklich veranschaulichen: Für die Erklärung wird angenommen, dass die absorbierenden Übergangsdipolmomente jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche eines optischen Elements ausgerichtet sind, d.h. die jeweilige Vorzugsrichtung steht senkrecht auf dessen Oberfläche (was einen bevorzugten Fall darstellt). Das erste optische Element 1 absorbiert im Wesentlichen p-polarisierte elektrische Feldkomponenten. Fällt nun linear polarisiertes Licht in das erste optische Element 1 ein, wird das Licht maximal absorbiert, wenn das Licht ausschließlich in der Einfallsebene polarisiert ist. Je größer der Winkel zwischen der Einfallsebene und der Polarisation ist bzw. entsprechend der vertikale Einblickwinkel, desto größer wird die Transmission. Die zweidimensionale winkelabhängige Darstellung hat für das erste optische Element 1 - allein für sich genommen - eine Sanduhrform. Nun wird nach dem ersten optischen Element 1 eine Verzögerungsschicht 7 als A- oder C-Platte eingefügt, deren außerordentliche Achse senkrecht oder parallel zur Oberfläche ausgerichtet ist. Das von der Verzögerungsschicht 7 transmittierte Licht ist nun nicht ausschließlich entlang einer Hauptachse der Verzögerungsschicht 7 polarisiert, so dass das durch die Verzögerungsschicht 7 s-polarisierte Licht wenigstens teilweise in p-polarisiertes Licht umgewandelt wird, welches von dem nachfolgenden zweiten optischen Element 2 absorbiert werden kann. Damit verändert sich die ursprüngliche Sandurform in der genannten Darstellung mehr zu einer Rechtseckform hin, die erwünscht ist.
[0070] Hierzu gibt Fig. 3B die Prinzipskizze einer beispielhaften zweidimensionalen winkelabhängigen Darstellung der Transmission eines Lichtfilters in der ersten Ausgestaltung wieder. Im Vergleich mit den Sanduhrformen der Figuren 1 a und 1 b sind die schmalere Taille sowie die verringerten Transmissionswerte zu erkennen.
[0071] Die erste und zweite Vorzugsrichtung für das erste und das zweite optische Element 1 , 2 können auch identisch sein bzw. sich in ihrer Ausrichtung nur um wenige Grad (maximal 10°) unterscheiden. Dies ist ein bevorzugter Fall, der für alle in den Zeichnungen beschriebenen Beispiele angenommen wird.
[0072] Ferner zeigt Fig. 3A die Prinzipskizze eines erweiterten Aufbaus eines Lichtfilters 5 zur wahlweisen Veränderung der Transmissionseigenschaften dieses Lichtfilters 5. Ein solchermaßen erweiterter Lichtfilter 5 umfasst zusätzlich (zeichnerisch nicht dargestellte) Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, beispielsweise zwei ITO-Schichten mit einer Ansteuerelektronik, eine dem ersten und/oder zweiten optischen Element 1 , 2 vor- oder nachgeordnete Flüssigkristallschicht 3, auf welche das erste elektrische Feld EF1 oder das zweite elektrische Feld EF2 wirkt und die in Abhängigkeit davon den Polarisationszustand von durch sie hindurchdringendem Licht beeinflusst, so dass sich die Transmissionseigenschaften des Lichtfilters 5 zwischen einer ersten Betriebsart B1 , in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das erste elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden.
[0073] Auch hier ist eine Verzögerungsschicht 7 (A-Platte oder C-Platte) vorhanden. Der Lichtfilter 5 kann außerdem einen Polarisationsfilter P umfassen, welcher dem ersten oder dem zweiten optischen Element 1 oder 2 in der Einfallsrichtung gesehen vor- oder nachgeordnet ist, wie in Fig.3A gezeigt.
[0074] In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Flüssigkristallschicht 3 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.
[0075] Weiterhin gibt Fig. 4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der komplexen Brechzahl eines dritten optischen Elements aus einem biaxial doppelbrechendem Material wieder, und zwar mit Bezug auf einen Lichtfilter 5a in einer zweiten Ausgestaltung. Ein beispielhafter Lichtfilter 5a umfasst ein drittes optisches Element, seinerseits umfassend eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten, wobei die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 20° (bevorzugt maximal 10°) parallel zu einer für das dritte optische Element wählbaren dritten Vorzugsrichtung ausgerichtet ist oder um diese herum fluktuiert. In diesem Zusammenhang umfasst die Eigenschaft „mindestens in einem ersten Zustand“ mehrere Möglichkeiten: zum einen, dass es genau einen Zustand geben kann; das ist eine permanente Ausgestaltung. Die Formulierung schließt aber explizit auch ein, dass es zwei oder mehr Zustände geben kann. In diesem Falle sind die Übergangsdipolmomente veränderbar. Dadurch wird 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. Wie bereits erwähnt, besteht das dritte optische Element aus einem biaxial doppelbrechendem Material, so dass sich innerhalb dessen die drei komplexen Brechzahlen der drei - unterschiedlichen und linear unabhängigen - Hauptachsen voneinander unterscheiden. Die drei zu Grunde liegenden Hauptachsen x, y, z liegen bevorzugt in einem kartesischen Koordinatensystem. Im Ergebnis wird linear oder - insbesondere stark - elliptisch polarisiertes Licht, welches mindestens unter einem Winkel von 35° zur dritten Vorzugsrichtung in den Lichtfilter 5a in einer zweiten Ausgestaltung einfällt, zu mindestens 85% absorbiert, wobei der Winkel zwischen dem elektrischen Feld des linear polarisierten Lichts oder der langen Halbachse des elliptisch polarisierten Lichts und der Einfallsrichtung, (beides) projiziert auf die Oberfläche des Lichtfilters 5a, weniger als 20° beträgt.
[0076] Zur Fig.4 gilt beispielhaft A =| (m - 02) | * d für eine Wellenlängenverzögerung von Licht mit der Wellenlänge A, (z.B. für A=550nm oder 580nm oder aber für alle Wellenlängen des sichtbaren Wellenlängenbereichs).
[0077] Mit der zweiten Ausgestaltung beispielhaft erzielbare Ergebnisse sind in Fig. 5 dargestellt, welche die Prinzipskizze einer beispielhaften zweidimensionalen winkelabhängigen Darstellung der Transmission eines Lichtfilters 5a in der zweiten Ausgestaltung unter der ersten Bedingung A/2 = |(ni - n2)|-d für eine Wellenlängenverzögerung von Licht mit der Wellenlänge A zeigt.
[0078] In einer ersten bevorzugten Variante der zweiten Ausgestaltung gilt, dass wenn die drei sich unterscheidenden Hauptachsen x, y, z des dritten optischen Elements die jeweiligen komplexen Brechzahlen nx = n2 - i*k2, ny = - i*k2 und nz = - i*ki aufweisen, diese der Bedingung | - n2| * d > A / 4 gehorchen, wobei gilt ki / k2 > 10. Diesbezüglich ist für die Gegebenheiten zum in Fig. 5 gezeigten Ergebnis die Verzögerung beispielhaft zu 5/3*A gesetzt worden. Die Schichtdicke der absorbierenden Übergangsdipolmomente wird auch hier als d bezeichnet.
[0079] Die Koordinaten-Richtungen der Brechzahlen beziehen sich ausschließlich auf die Ausrichtung der Hauptachsen und sind gegebenenfalls gegenüber einem Koordinatensystem eines Bildschirms, an den ein Lichtfilter 5a der zweiten Ausgestaltung angebracht oder in welchen er eingebaut ist, geneigt und/oder gedreht. [0080] In einer zweiten bevorzugten Variante der zweiten Ausgestaltung gilt, dass wenn die drei sich unterscheidenden Hauptachsen x, y, z des dritten optischen Elements die jeweiligen komplexen Brechzahlen nx = n2 - i*k2, ny = - i*k2 und nz = ns - i*ki aufweisen, diese der Bedingung | - n2| * d > A / 4 gehorchen, wobei gilt ki / k2 > 10 und |n2 - ns| |ni - n2| / 2. Dazu zeigt Fig. 6 die Prinzipskizze einer beispielhaften zweidimensionalen winkelabhängigen Darstellung der Transmission eines Lichtfilters in der zweiten Ausgestaltung unter der zweiten Bedingung A / 4 =| ( - n2) | * d für die Wellenlängenverzögerung von Licht mit der Wellenlänge A, wobei hier für die Gegebenheiten zum in Fig. 6 gezeigten Ergebnis beispielhaft die Verzögerung zu 5/6* A gesetzt worden ist.
[0081] Der Lichtfilter 5a kann auch in seiner zweiten Ausgestaltung zusätzlich umfassen
Mittel zur wahlweisen Erzeugung mindestens eines ersten elektrischen Feldes EF1 oder eines zweiten elektrischen Feldes EF2, eine dem dritten optischen Element vor- oder nachgeordnete Flüssigkristallschicht 3, auf welche das erste elektrische Feld EF1 oder das zweite elektrische Feld EF2 wirkt und die in Abhängigkeit davon den Polarisationszustand von durch sie hindurchdringendem Licht beeinflusst, so dass sich die Transmissionseigenschaften des Lichtfilters 5 zwischen einer ersten Betriebsart B1 , in welcher das erste elektrische Feld EF1 anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das erste elektrische Feld EF2 anliegt, unterscheiden.
[0082] Die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Lösungen werden durch die Zeichnungen Fig.7 und Fig.8 dargestellt. So gibt Fig. 7 die Prinzipskizze einer beispielhaften winkelabhängigen Darstellung der (auf im Maximum auf 10°=1 normierten) Transmission verschiedener Lichtfilter in horizontaler Richtung, jeweils bei vertikalem Winkel von 0°, und Fig. 8 bei jeweils vertikalem Winkel von 45° wieder.
[0083] Für Fig.7 und Fig.8 gilt folgende Legende:
Figure imgf000027_0001
Figure imgf000028_0001
[0084] Wie gewünscht, und so in Fig.7 gezeigt, haben die erfindungsgemäßen Maßnahmen vernachlässigbaren Einfluss auf die Transmission bei einem vertikalen Winkel von 0°, und zwar über das gesamte betrachtete horizontale Winkelspektrum. Alle Transmissionswerte unter 10-2 sind für praktische Anwendungen in der Regel sehr gut geeig- net, weswegen die Unterschiede zwischen den verschiedenen Lichtfiltern bei Winkeln mit Betrag größer etwa 60° nicht ins Gewicht fallen.
[0085] Demgegenüber sind die Unterschiede der Transmission bei vertikalem Winkel von 45° über das gesamte betrachtete horizontale Winkelspektrum markant, wie in Fig.8 gezeigt. Alle beispielhaften Ausgestaltungen der hier beschriebenen Lichtfilter zeigen eine deutlich stärkere Reduktion der Transmission in den für verschiedene Anwendungen besonders wichtigen (horizontalen) Winkelbereichen -50° bis -25° und 25° bis 50° als Lichtfilter im Stand der Technik.
[0086] Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung bei ihrer Anwendung in einer Beleuchtungseinrichtung für Bildschirme bzw. an oder in Bildschirmen. Dazu gibt Fig. 9 die Prinzipskizze des Aufbaus einer Beleuchtungseinrichtung für Bildschirme unter Nutzung eines Lichtfilters 5 oder 5a der ersten oder zweiten Ausgestaltung wieder. [0087] Eine 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, umfasst
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung 8, die einen Lichtfilter 5 o- der 5a gemäß der ersten oder zweiten Ausgestaltung enthält und Licht abstrahlt,
- einen in einer Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor der Hintergrundbeleuchtung 8 gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter 9, welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist,
- seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters 9 angeordnete Leuchtmittel 10, und
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 8 oder vor dem Lichtleiter 9 angeordneten linearen Polarisationsfilter P, wodurch Licht, welches von der Hintergrundbeleuchtung 8 ausgeht und sowohl den Lichtfilter 5 oder 5a als auch den linearen Polarisationsfilter P durchdringt, in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt wird,
- wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung 8 ein- und die Leuchtmittel 10 ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel 10 eingeschaltet sind.
[0088] Wenn in dem Lichtfilter 5 oder 5a in der vorbeschriebenen Beleuchtungseinrichtung jeweils eine Flüssigkristallschicht 3 enthalten ist, korrelieren die Betriebsarten B1 und B2 jeweils mit den Zuständen der Flüssigkristallschicht 3, die durch die ersten und zweiten elektrischen Felder EF1 bzw. EF2 hervorgerufen werden. In diesem Falle wird die Lichtausbeute in der Betriebsart B1 erhöht, weil sowohl Licht aus der Hintergrundbeleuchtung 8, transmittiert von dem Lichtfilter 5 oder 5a, als auch Licht von dem Lichtleiter 9 seitlich abgestrahlt wird, wenn in der Betriebsart B1 sowohl die Leuchtmittel 10 als auch die Hintergrundbeleuchtung 8 eingeschaltet sind. Die vorbeschriebene Beleuchtungseinrichtung erlaubt die Umschaltbarkeit zwischen den genannten Betriebsarten jedoch ebenso, wenn keine Flüssigkristallschicht 3 im Lichtfilter 5, 5a vorhanden ist, da die Umschaltung dann allein über den Wechsel zwischen Hintergrundbeleuchtung 8 und Beleuchtung durch die Leuchtmittel 10 gewährleistet werden kann. [0089] Die Erfindung schließt weiterhin einen Bildschirm ein, 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. Dies ist in Fig. 10 als Prinzipskizze eines ersten Aufbaus eines solchen Bildschirms dargestellt. Ein solcher Bildschirm umfasst
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung 8, die einen Lichtfilter 5 o- der 5a gemäß der ersten oder zweiten Ausgestaltung - hier in jedem Fall mit einer besagten Flüssigkristallschicht 3 - enthält und Licht abstrahlt, wobei die Hintergrundbeleuchtung 8 optional direkt leuchtend aufgebaut ist (z.B. als sogenanntes Matrix-Backlight),
- einen in einer Betrachtungsrichtung des Betrachters vor der Hintergrundbeleuchtung 8 angeordneten linearen Polarisationsfilter P, wodurch Licht, welches von der Hintergrundbeleuchtung 8 ausgeht, den Lichtfilter 5 oder 5a und hernach den linearen Polarisationsfilter P durchdringt, in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt wird, und
- eine transmissive Bildwiedergabeeinrichtung 11 (bevorzugt ein LCD-Panel), welche in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung 8 und/oder vor dem Polarisationsfilter P angeordnet ist,
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld (EF2) und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld (EF1 ) anliegt.
[0090] Vorteilhaft ist dabei der lineare Polarisationsfilter P in oder an der transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung 11 angeordnet, oder er ist ein Teil von ihr.
[0091] Ferner beinhaltet die Erfindung noch einen weiteren Bildschirm mit einem zweiten Aufbau, 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. Ein solcher Bildschirm ist in Fig.1 1 als Prinzipskizze dargestellt und umfasst
- eine Bildwiedergabeeinrichtung 12, z.B. ein OLED-Panel, microLED-Panel, LCD- Panel oder jeder andere Bildschirmtyp,
- in einer Betrachtungsrichtung des Betrachters vor der Bildwiedergabeeinrichtung 12 einen erfindungsgemäßen Lichtfilter 5 oder 5a gemäß der ersten oder zweiten Ausgestaltung - hier in jedem Fall mit einer besagten Flüssigkristallschicht 3, wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld EF2 und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld EF1 anliegt, sowie
- optional einen (zeichnerisch nicht dargestellten) Polarisationsfilter P und/oder eine Verzögerungsschicht, bevorzugt vom Typ A/4, (welche aus zirkular polarisiertem Licht im Wesentlichen linear oder stark elliptisch polarisiertes Licht erzeugt) zwischen der Bildwiedergabeeinrichtung 12 und dem erfindungsgemäßen Lichtfilter 5 oder 5a.
[0092] Schließlich zeigt Fig. 12 die Prinzipskizze eines dritten Aufbaus eines Bildschirms, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, unter Nutzung eines Lichtfilters 5 oder 5a der ersten oder zweiten Ausgestaltung. Für einen vorbeschriebenen Bildschirm mit transmissiver Bildwiedergabeeinrichtung 11 , insbesondere mit einem LCD-Panel, der demnach auch über eine Hintergrundbeleuchtung 8a verfügt, kann diese Ausgestaltungsvariante des dritten Aufbaus umgesetzt werden: Dabei wird die Hintergrundbeleuchtung 8a per Design so ausgestaltet, das sie im Wesentlichen keine um die - aus Sicht des Betrachters - vertikale Mittelinie symmetrische Leuchtdichteverteilung aufweist, sondern vielmehr in der Horizontalen eine asymmetrische Leuchtdichteverteilung verkörpert. Dies ist z.B. unter Nutzung von Turning-Filmen und/oder asymmetrischen Diffusoren und/oder asymmetrischen Lamellenfiltern möglich. Mit anderen Worten: Die besagte Hintergrundbeleuchtung 8a weist eine asymmetrische Leuchtdichteverteilung auf, wobei bevorzugt die besagte Asymmetrie bezüglich der aus Sicht eines Betrachters horizontalen Richtung vorliegt.
[0093] Dieser dritte Aufbau eines Bildschirms ist für Einsatzfälle in Fahrzeugen von Vorteil, weil dann insbesondere Licht, welches etwa in Richtung des Beifahrerfensters abgestrahlt würde, durch das Design der Hintergrundbeleuchtung 8a etwa ab horizontalen Winkeln von 25 Grad oder mehr (gegenüber der Mittelsenkrechten) deutlich vermindert werden kann, beispielsweise auf weniger als 10% - bevorzugt auf weniger als 2.5% - der Peak-Helligkeit, während in Richtung des Fahrers eine gewollt hohe Leuchtdichte vorhanden ist. Auf diese Weise werden störende Reflexionen im Beifahrerfenster oder ggf. auf dem Außenspiegel, welche dem Beifahrer am nächsten liegt, vermindert oder sogar vermieden. Dennoch kann aufgrund des vor (oder ggf. auch hinter) der Bildwiedergabeeinrichtung 1 1 angebrachten Lichtfilters 5 oder 5a der Bildschirm wahlweise so betrieben werden, dass entweder nur der Beifahrer Bildinhalte sehen kann (Betriebsart B2), etwa für Bewegtbilder, oder dass sowohl Fahrer als auch Beifahrer Bildinhalte sehen können (Betriebsart B1), etwa für Navigationskartenmaterial.
[0094] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe: Es wurde ein Lichtfilter mit einem optischen Element beschrieben, bei dem Licht, welches in das optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung und seinen Polarisationseigenschaften trans- mittiert oder teilweise oder ganz absorbiert wird. Durch die Lichtfilter, welche das optische Element verwenden, wird die Transmission von Licht winkelabhängig - optional in Bezug auf einen sitzenden oder stehenden Betrachter senkrecht - beeinflusst, wobei optional zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Gleichzeitig wurde es erreicht, die Transmission für vertikale Einblickwinkel größer als 5° zu verringern (also den Sichtschutz zu verbessern), während die Transmission für vertikale Einblickwinkel kleiner als 5° erhalten bleibt.
[0095] Die vorangehend beschriebene Erfindung kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und/oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe o- der 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
1 erstes optisches Element
2 zweites optisches Element
3 Flüssigkristallschicht
4 Einfallsrichtung von Licht
4a Projektion der Einfallsrichtung 4
5 Lichtfilter in einer ersten Ausgestaltung
5a Lichtfilter in einer zweiten Ausgestaltung
6 Lange Halbachse von elliptisch polarisiertem Licht
6a Projektion der langen Halbachse 6
7 Verzögerungsschicht
8 Hintergrundbeleuchtung
8a Hintergrundbeleuchtung mit asymmetrischer Leuchtdichteverteilung
9 Lichtleiter
10 Leuchtmittel
11 transmissive Bildwiedergabeeinrichtung
12 Bildwiedergabeeinrichtung
P Polarisationsfilter (linear)

Claims

Patentansprüche
1 . Lichtfilter (5), umfassend ein erstes optisches Element (1 ) und ein zweites optisches Element (2), wobei jedes der beiden optischen Elemente (1 , 2) jeweils eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten umfasst, wobei beide optischen Elemente (1 , 2) in Bezug auf eine Einfallsrichtung (4) von Licht stapelförmig angeordnet sind,
• wobei jeweils die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 20° parallel zu einer für das erste optische Element (1 ) wählbaren ersten Vorzugsrichtung und für das zweite optische Element (2) parallel zu einer wählbaren zweiten Vorzugsrichtung ausgerichtet ist oder um diese herum fluktuiert,
• so dass Licht, welches in das erste optische Element (1 ) oder in das zweite optische Element (2) einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung (4) gegenüber dem jeweiligen optischen Element (1 , 2) und seines Polarisationszustandes transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird, eine zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element (1 , 2) angeordnete Verzögerungsschicht (7) in Form einer C-Platte oder einer A-Platte, mit welcher für eine vorgegebene Wellenlänge A eine Phasenverschiebung größer als A/4 erzeugt wird, so dass linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches mindestens unter einem Winkel von 35° zur ersten oder zweiten Vorzugsrichtung in den Lichtfilter (5) einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wenn der Winkel zwischen dem elektrischen Feld des linear polarisierten Lichts oder der langen Halbachse (6) des elliptisch polarisierten Lichts und der Einfallsrichtung (4), projiziert auf die Oberfläche des Lichtfilters (5), weniger als 20° beträgt.
2. Lichtfilter (5) nach Anspruch 1 , außerdem umfassend
Mittel zur wahlweisen Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes (EF1 ) oder eines zweiten elektrischen Feldes (EF2), eine dem ersten und/oder zweiten optischen Element (1 , 2) vor- oder nachgeordnete Flüssigkristallschicht (3), auf welche das erste elektrische Feld (EF1 ) oder das zweite elektrische Feld (EF2) wirkt und die in Abhängigkeit davon den Polarisationszustand von durch sie hindurchdringendem Licht beeinflusst, so dass sich die Transmissionseigenschaften des Lichtfilters (5) zwischen einer ersten Betriebsart B1 , in welcher das erste elektrische Feld (EF1 ) anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das erste elektrische Feld (EF2) anliegt, unterscheiden.
3. Lichtfilter (5a), umfassend
• ein drittes optisches Element, seinerseits umfassend eine Vielzahl an Licht absorbierenden Übergangsdipolmomenten,
• wobei die Mehrzahl der Übergangsdipolmomente mindestens in einem ersten Zustand mit einer Toleranz von maximal 20° parallel zu einer für das dritte optische Element wählbaren dritten Vorzugsrichtung ausgerichtet ist oder um diese herum fluktuiert,
• so dass Licht, welches in das dritte optische Element einfällt, in Abhängigkeit von seiner Einfallsrichtung (4) gegenüber dem dritten optischen Element (1 ) und seines Polarisationszustandes transmittiert oder mindestens teilweise absorbiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte optische Element aus einem biaxial doppelbrechendem Material ist, so dass sich innerhalb des dritten optischen Elements die drei komplexen Brechzahlen der drei Hauptachsen (x, y, z) voneinander unterscheiden, so dass linear oder elliptisch polarisiertes Licht, welches mindestens unter einem Winkel von 35° zur dritten Vorzugsrichtung in den Lichtfilter (5a) einfällt, zu mindestens 85% absorbiert wird, wenn der Winkel zwischen dem elektrischen Feld des linear polarisierten Lichts oder der langen Halbachse (6) des elliptisch polarisierten Lichts und der Einfallsrichtung (4), projiziert auf die Oberfläche des Lichtfilters (5a), weniger als 20° beträgt.
4. Lichtfilter (5a) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Hauptachsen (x, y, z) des dritten optischen Elements die jeweiligen komplexen Brechzahlen nx = n2 - i*k2, ny = - i*k2 und nz = - i*ki aufweisen, diese die Bedingung |ni - n2| * d > A / 4 erfüllen, wobei gilt ki / k2 > 10.
5. Lichtfilter (5a) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Hauptachsen (x, y, z) des dritten optischen Elements die jeweiligen komplexen Brechzahlen nx = n2 - i*k2, ny = - i*k2 und nz = ns - i*ki aufweisen, diese die Bedingung |ni - n2| * d > A / 4 erfüllen, wobei gilt ki / k2 > 10 und |n2 - ns| | n 1 - n2| / 2.
6. Lichtfilter (5a) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, außerdem umfassend
Mittel zur wahlweisen Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes (EF1 ) oder eines zweiten elektrischen Feldes (EF2), eine dem dritten optischen Element vor- oder nachgeordnete Flüssigkristallschicht (3), auf welche das erste elektrische Feld (EF1 ) oder das zweite elektrische Feld (EF2) wirkt und die in Abhängigkeit davon den Polarisationszustand von durch sie hindurchdringendem Licht beeinflusst, so dass sich die Transmissionseigenschaften des Lichtfilters (5a) zwischen einer ersten Betriebsart B1 , in welcher das erste elektrische Feld (EF1 ) anliegt, und einer zweiten Betriebsart B2, in welcher das erste elektrische Feld (EF2) anliegt, unterscheiden.
7. 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
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung (8), die einen Lichtfilter (5, 5a) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 enthält und Licht abstrahlt,
- einen in einer Betrachtungsrichtung eines Betrachters vor der Hintergrundbeleuchtung (8) gelegenen, plattenförmigen Lichtleiter (9), welcher auf mindestens einer der Großflächen und / oder innerhalb seines Volumens Auskoppelelemente aufweist,
- seitlich an mindestens einer Schmalseite des Lichtleiters (9) angeordnete Leuchtmittel (10), und
- einen in Betrachtungsrichtung vor der Hintergrundbeleuchtung (8) oder vor dem Lichtleiter (9) angeordneten linearen Polarisationsfilter (P), wodurch Licht, welches von der Hintergrundbeleuchtung (8) ausgeht und sowohl den Lichtfilter (5, 5a) als auch den linearen Polarisationsfilter (P) durchdringt, in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt wird, wobei in der Betriebsart B2 die Hintergrundbeleuchtung (8) eingeschaltet und die Leuchtmittel (10) ausgeschaltet sind, und wobei in der Betriebsart B1 mindestens die Leuchtmittel (10) eingeschaltet sind.
8. Bildschirm, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, umfassend
- eine flächenartig ausgedehnte Hintergrundbeleuchtung (8), die einen Lichtfilter (5) nach Anspruch 2 oder einen Lichtfilter (5a) nach Anspruch 6 enthält und Licht abstrahlt,
- einen in einer Betrachtungsrichtung des Betrachters vor der Hintergrundbeleuchtung (8) angeordneten linearen Polarisationsfilter (P), wodurch Licht, welches von der Hintergrundbeleuchtung ausgeht und sowohl den Lichtfilter (5, 5a) als auch den linearen Polarisationsfilter (P) durchdringt, in seinen Ausbreitungsrichtungen eingeschränkt wird, und
- eine transmissive Bildwiedergabeeinrichtung (1 1 ), welche in Betrachtungsrichtung vor dem Lichtfilter (5, 5a) angeordnet ist,
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld (EF2) und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld (EF1 ) anliegt.
9. Bildschirm nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Polarisationsfilter (P) in der transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung (1 1 ) angeordnet oder ein Teil von ihr ist.
10. Bildschirm, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, umfassend
- eine Bildwiedergabeeinrichtung (12),
- in einer Betrachtungsrichtung des Betrachters vor der Bildwiedergabeeinrichtung (12) einen Lichtfilter (5) nach Anspruch 2 oder einen Lichtfilter (5a) nach Anspruch 6,
- wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld (EF2) und wobei in der Betriebsart B1 das erste elektrische Feld (EF1 ) anliegt.
11. Bildschirm, der in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, in welchem Licht in einen gegenüber dem freien Sichtmodus für einen Betrachter eingeschränkten Blickwinkelbereich abgestrahlt wird, betrieben werden kann, umfassend - eine transmissive Bildwiedergabeeinrichtung (11),
- eine der transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung (11) in einer Betrachtungsrichtung des Betrachters nachgeordnete Hintergrundbeleuchtung (8a), welche eine asymmetrische Leuchtdichteverteilung aufweist,
- einen Lichtfilter (5) nach Anspruch 2 oder einen Lichtfilter (5a) nach Anspruch 6, - wobei in der Betriebsart B2 das zweite elektrische Feld (EF2) und wobei in der
Betriebsart B1 das erste elektrische Feld (EF1) anliegt.
12. Bildschirm nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie bezüglich der aus Sicht eines Betrachters horizontalen Richtung vorliegt.
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