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TWI777794B - 可切換濾光片及其用途 - Google Patents

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TWI777794B
TWI777794B TW110136434A TW110136434A TWI777794B TW I777794 B TWI777794 B TW I777794B TW 110136434 A TW110136434 A TW 110136434A TW 110136434 A TW110136434 A TW 110136434A TW I777794 B TWI777794 B TW I777794B
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light
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TW110136434A
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安德烈 希伯
安德烈亞斯 布雷古拉
揚尼克 布爾金
馬克斯 克利夫史坦
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德商矽光學公司
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Abstract

本發明係有關於一種光學元件(1)，其能以不同設計用於可切換濾光片(5)之各種實施方案中，可切換濾光片另外具有偏振濾光片(P)及/或其他用於改變光的偏振特性之構件，例如液晶層(3)。可切換濾光片(5)與影像再現裝置相結合而實現可開關的防窺效果。 光學元件(1)包括第一層(S1)或者包括第一層(S1)及數個其他層(S2、…)，其中，每個層(S1、S2、…)皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料。每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於可選擇的首選方向定向或圍繞首選方向波動，從而使入射到光學元件中的光根據其相對於層(S1、S2、…)的入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收。

Description

可切換濾光片及其用途
本發明係有關於一種光學元件，其能以不同設計用於可切換濾光片之各種實施方案中，可切換濾光片另外具有偏振濾光片及/或其他用於改變光的偏振特性之構件，例如液晶層。可切換濾光片與影像再現裝置相結合而實現可開關的防窺效果。
近年來，在拓寬LCD視角方面取得了較大進展。然而在有些情況下，如此之大的螢幕可視範圍可能會成為缺點。筆記型電腦及平板電腦等行動設備上亦越來越多地提供資訊，如銀行資料或其他個人資訊及敏感資料。相應地，人們需要控制誰能看到此等敏感資料；他們需要能夠選擇寬廣視角，即公共模式，以與他人分享顯示器上的資訊，例如在觀看假日照片時，甚至出於廣告目的。另一方面，若欲保持影像資訊之機密性，則需要較小視角，即私密模式。
汽車工程遇到了類似問題：發動機啟動後駕駛員不允許被影像內容如數位娛樂節目分散注意力，而乘客則希望亦能在行駛期間消費影像內容。因此，需要一種可在相應的呈現模式之間切換之螢幕。
基於微型薄片的附加薄膜已被用於行動顯示器，以實現可視資料保護。然而，此等薄膜不可切換或不可轉換；總是須先用手施覆，而後再移除之。不使用時亦須與顯示器分開運送。使用此類薄片式薄膜的一個主要缺點乃是會造成光損失。
US 6,765,550 B2描述此種藉由微型薄片而實現的防窺保護。其最大缺點在於濾光片之機械移除或機械安裝以及保護模式下之光損失。
US 5,993,940 A描述對一種薄膜的使用，該薄膜之表面均勻分佈著小的條帶形稜鏡，以實現私密模式，即具有小視角範圍之限制性觀看模式。研發及製造的技術難度相當大。
在WO 2012/033583 A1中，藉由控制所謂的「色子(chromonisch)」層之間的液晶，實現自由觀看與限制性觀看之間的轉換。其間會產生光損失，且技術難度相當高。
US 2012/0235891 A1描述一種極為複雜之螢幕背光燈(Backlight)。根據圖1及圖15，不僅使用了數個導光體，更使用了其他複雜的光學元件，如微透鏡元件40及稜鏡結構50，該等元件將背面照明光轉變為正面照明光。其實現成本高，技術上較複雜，且同樣會帶來光損失。根據US 2012/0235891 A1中如圖17所示之變體，兩個光源4R及18皆產生具有狹窄照明角度的光，其中，來自後部光源18的光經過一個複雜的過程後方被轉變成具有大照明角度的光。如前所述，如此複雜之轉換大幅降低了亮度。
根據JP 2007-155783 A，則使用了計算及製造皆較複雜之特殊光學表面19，其根據光的入射角，將光偏轉到不同的或窄或寬之區域。此等結構類似於菲涅耳(Fresnel)透鏡。此外存在著干擾側面，使光朝不希望之方向偏轉。如此一來，便不確定能否實現真正合理的光分佈。
US 2013/0308185 A1描述一種形成有台階之特殊導光體，根據該導光體自窄面被照亮的方向，該導光體在大表面(Großfläche)上朝不同方向發光。藉由與透射式影像再現裝置如LC顯示器配合，便能產生可在自由觀看模式與限制性觀看模式之間切換的螢幕。其缺點主要在於，限制性觀看效果僅能在左/右或上/下產生，但不能同時在左/右/上/下產生，而例如對於某些支付過程來說，此為必要的。再者，即使在限制性觀看模式下，自受阻的觀看角度仍可看到殘餘光線。
本申請人的WO 2015/121398 A1描述一種具有兩種工作模式之螢幕，其中，為了實現工作模式之轉換，相應導光體之體積中存在散射粒子。然而，該案所選擇的聚合物散射粒子通常存在如下缺點，即光自兩個大表面被輸出耦合，因此大約一半的有用光被發射到錯誤方向，即朝背光方向發射，並且由於結構原因，無法在該處得到足夠程度之回收。此外，分佈在導光體體積中的聚合物散射粒子在某些情況下，特別是在較高濃度下，會產生散射效應，降低保護模式下之防窺效果。
「電雙折射(EDB)」技術方案係基於如下構思：利用額外施加的LC面板之可切換液晶來「過濾」所有未以特定之發射角自成像層射出的光束。此技術之缺點在於額外的能源及成本支出高昂，並且+/-40°的甜蜜點(即最佳觀看位置)難以改變。LC結構之吸收度亦不足，因為一旦觀看角度超過甜蜜點，光強衰減將再度上升，因此對於大於+/-40°之觀看角度，光強最多為最大光強的3%。
上述方法及配置一般皆具有如下缺點，即明顯降低基本螢幕亮度且/或需要複雜而昂貴的光學元件以進行模式轉換且/或降低可自由觀看之公共模式下的解析度且/或在顯示器解析度極高時具有視覺假影。
因此，本發明之目的在於揭示一種具有光學元件之可切換濾光片，其中，入射到光學元件中的光根據其入射方向及偏振特性——但不受其位置影響地——而被透射或者被部分或完全吸收。採用該光學元件的可切換濾光片旨在對光的透射施加與角度有關——可選擇以坐著或站著的觀看者之豎向角度為參照——之影響，其中，在此可在至少兩種工作狀態之間轉換。特別是，某些方向上的透射角度限制應該是可轉換的。
該光學元件或基於該光學元件之系統應當能以低成本實現，特別是應當可普遍用於不同類型之螢幕，以實現(至少存在於相對於站著或坐著的觀看者而言的水平方向上之)防窺保護(即限制性觀看模式)與自由觀看模式之間的轉換，其中，此種螢幕之解析度實質上不應降低。
在第一技術方案中，此目的係藉由一種可切換濾光片而達成，其包括本身不可切換的第一光學元件。該光學元件則包括第一層或者包括第一層及數個、較佳五個以上的其他層。每個層皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料，其中，每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於第一光學元件可選擇的第一首選方向定向或圍繞該第一首選方向波動，從而使入射到第一光學元件中的光根據其相對於該等層的入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收。
躍遷偶極矩(亦稱躍遷矩陣元)為量子力學向量，與一個系統即原子、分子或固體之始態(通常為基態)與終態(通常為激發態)之間的特定躍遷有關，並對應於與此躍遷有關之電偶極矩。向量方向定義了該躍遷之偏振，該偏振則決定了系統如何與具有給定偏振的電磁波相互作用，如何在自基態躍遷至激發態時例如吸收相應偏振方向的光。向量之絕對值對應於相互作用之強度或躍遷概率。
在光的傳播方向為給定之情況下，第一首選方向對應於躍遷偶極矩之如下定向，在該定向下，光的任意偏振方向之吸收皆是相同的。首選方向係為躍遷偶極子在介質中的定向，亦即，對於介質中此方向上的傳播而言，在下文將進一步描述的防窺工作模式下吸收率為最小。
在本發明的意義上，包含可定向躍遷偶極矩的合適材料例如為二色性染料或染料混合物，其與不損害性能的載體材料相結合，例如與液晶或聚合物相結合。例如，每個層皆可僅包含一種染料，其中，該等染料相對於不同層來說成對地不同於彼此。然而，一個單層中亦可包含數種染料，即染料混合物。
該可切換濾光片進一步包括偏振濾光片及用於選擇性產生第一電場或第二電場之構件，以入射方向看，該偏振濾光片佈置於第一光學元件上游或下游。在第一光學元件與偏振濾光片之間設有液晶層，第一電場或第二電場作用於該液晶層，且該液晶層據此而對通過該液晶層之光的偏振狀態施加影響。可切換濾光片可在至少兩種工作模式下工作，其中，在施加了第一電場且包括第一子工作模式B1H及第二子工作模式B1V之第一工作模式B1下，一方面，平行於第一首選方向入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與第一首選方向成30°以上角度入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在第一子工作模式B1H下僅發生在第一方向上，在第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於第一方向之第二方向上。而在施加了第二電場且包括第一子工作模式B1H及第二子工作模式B1V之第二工作模式B2下，一方面，平行於第一首選方向入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與第一首選方向成30°以上角度入射到可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在第一子工作模式B1H下僅發生在第二方向上，在第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於第一方向之第二方向上，因此，就第一工作模式B1及第二工作模式B2而言，因而亦是對兩個工作模式B1及B2而言，兩個子工作模式B1H、B1V之每一者的吸收方向各相差90°。吸收總是僅發生在一個方向上，即光在另一個方向上被透射。
在第一工作模式B1之子工作模式B1H下，以坐著或站著的觀看者為參照或者一般性地以眼睛位置為參照，吸收例如可發生在水平方向上，而在子工作模式B1V下，吸收可發生在豎向上，此處亦以坐著或站著的觀看者為參照或者一般性地以眼睛位置為參照。在此情況下，連接雙眼的直線定義了水平方向，且對應於第一方向，而豎向則垂直於水平方向，且對應於第二方向。相應地，在第二工作模式B2下，吸收在子工作模式B1H下發生於豎向上，在子工作模式B1V下則發生於水平方向上。
可藉由將偏振濾光片旋轉90°而在工作模式B1與B2之間或B1H與B1V之間改變可切換濾光片之此第一技術方案的配置。
其中，例如可由第一電場或第二電場描述無電場狀態，而另一個電場則具有大於零(例如0.5 MV/m)之絕對場強。其中，根據第一光學元件及偏振濾光片之設計，無電場狀態可能意味著工作模式B1或B1H之存在。然而，亦可能在無電場狀態下存在工作模式B2或B1V。
如此一來，當與影像再現單元配合作用時，此第一技術方案之可切換濾光片例如允許在豎向防窺保護與水平方向防窺保護之間進行轉換(在工作模式B1下，例如，子工作模式B1V下的上/下保護與子工作模式B1H下的左/右保護)。以膝上型電腦為例，此則意味著在工作模式B1下，用戶在子工作模式B1V下可與用戶身邊的、雙眼實質上處於同一高度之其他人一起觀看內容，而在子工作模式B1H下，旁邊的人看不到影像內容。
實際上，在工作模式B1下，發光時的發射角範圍在子工作模式B1V下為豎向受限，即減小，在子工作模式B1H下為水平受限，即減小。在工作模式B2下，對應關係反過來。兩者皆為發射角範圍在一個方向上受限之工作模式。
此第一技術方案之可切換濾光片可改變其結構。在下面的表1中提供了一些重要的結構變體。其中，先提到的組件總是面向觀看者，其他組件則緊隨其後。在此情況下，縮寫「L/R」意味著光學效果在水平方向(水平方向在上文中已定義)上是有效的。對於偏振濾光片來說，此則意味著其透射水平線性偏振光，(實質上)吸收豎向線性偏振光。相應地，「O/U」對於偏振濾光片意味著，偏振濾光片透射豎向線性偏振光，(實質上)吸收水平線性偏振光。而對於此種可切換濾光片與影像再現單元(該影像再現單元可佈置於可切換濾光片之前或之後)配合作用所產生的效果，縮寫「L/R」則意味著防窺效果在水平方向上起作用，即擋住了左右視線。此最終對應於可切換濾光片之子工作模式B1H下的工作模式B1。同樣，「O/U」對於與影像再現單元配合作用的可切換濾光片意味著，防窺效果在豎向上起作用，即擋住了上下視線。此對應於可切換濾光片之子工作模式B1V下的工作模式B1。
表1：
結構 無電場(工作模式B1)： 與影像再現單元配合作用 時之效果 施加了電場(工作模式B2)： 與影像再現單元配合作用時 之效果
偏振濾光片(O/U) 液晶層 光學元件 防窺效果(L/R) - B1H 防窺效果(O/U) - B1H
偏振濾光片(L/R) 液晶層 光學元件 防窺效果(O/U) - B1V 防窺效果(L/R) - B1V
光學元件 液晶層 偏振濾光片(L/R) 防窺效果(O/U) - B1V 防窺效果(L/R) - B1V
光學元件 液晶層 偏振濾光片(O/U) 防窺效果(L/R) - B1H 防窺效果(O/U) - B1H
在表1給出的例子中，液晶層為旋轉了90°的向列型液晶層，亦即，液晶在誘發定向並限制液晶層的兩個表面上之較佳定向為彼此正交。在表格最後一行之情況下，在狀態B1下，偏振器使入射光沿豎向線性偏振(O/U)。隨後，線性偏振在液晶層作用下旋轉90°，而後為水平定向(L/R)。水平方向與入射方向之間的角度越小，光的透射率越低。沿水平方向(L/R)的防窺保護即基於此。在狀態B2之情況下適用類似關係，但取消了90°的偏振變化。
此處需再次指出，在許多實際情況下，「O/U」防窺效果允許數名大致自相同高度側向看向圖像再現單元之觀看者正常觀看。
該目的亦藉由一種可切換濾光片之第二技術方案而達成。此種可切換濾光片同樣包含第一光學元件，其結構與第一技術方案之第一光學元件類似，但可切換，並進一步具有如下特徵：每個層中的躍遷偶極矩可在第一狀態與至少一個第二狀態之間改變其定向及/或其絕對值，以便能使相關的層交替進入至少兩種不同的狀態。此處亦在第一光學元件上游或下游設有偏振濾光片。根據第二技術方案之可切換濾光片進一步包括用於選擇性產生第一電場或第二電場之構件，其中，對於第一光學元件，第一狀態係藉由施加第一電場而產生，第二狀態係藉由施加第二電場而產生。
其中，在第一工作模式B1下施加了第一電場，並且第一光學元件各層之躍遷偶極矩沿第一首選方向定向。通常情況下，此種可切換濾光片以及上文或下文所描述的所有其他可切換濾光片之電場係以V RMS＜ 10 V、頻率為1 kHz之方波電壓產生。第一工作模式B1包括第一子工作模式B1H及第二子工作模式B1V。在第一工作模式B1下，一方面，平行於第一首選方向入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與第一首選方向成30°以上角度入射到根據第二技術方案之可切換濾光片中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在第一子工作模式B1H下僅發生在第一方向上，在第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於第一方向之第二方向上。
在第二工作模式B3下施加了第二電場，並且第一光學元件(1)之各層的躍遷偶極矩平行於偏振濾光片之表面並垂直於偏振濾光片之透射方向定向。在此情況下，與第一首選方向成任意角度入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有24%被透射。
在此，同樣可例如由第一電場或第二電場描述無電場狀態，而另一個電場則具有大於零(例如0.5 MV/m)之絕對場強。其中，根據光學元件及偏振濾光片之設計，無電場狀態可能意味著工作模式B3之存在。然而，亦可能在無電場狀態下存在工作模式B1及子工作模式B1H或B1V中之一者。
如此一來，當與影像再現單元配合作用時，若類似於第一技術方案地將第一方向等同於水平方向並且將第二方向等同於豎向，則此第二技術方案之可切換濾光片允許在豎向防窺保護(在子工作模式B1V下藉由限制發射角範圍來阻擋上/下視線)或水平方向防窺保護(在子工作模式B1H下藉由限制發射角範圍來阻擋左右視線)與無防窺效果(在工作模式B3下，發射角範圍不受限制，且明顯大於包括兩個子工作模式B1V及B1H之工作模式B1下的發射角範圍)之間進行轉換。與第一技術方案不同，工作模式B3在此實現了全方向自由觀看模式。
在第三技術方案中，該可切換濾光片包括本身不可切換的第一光學元件及第二光學元件。其中，兩個光學元件(關於其結構及作用原理的說明見下文)中之每一者皆包括第一層或者包括第一層及數個、較佳五個以上的其他層。每個層皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料。每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於第一光學元件可選擇的第一首選方向及第二光學元件可選擇的第二首選方向定向或圍繞該首選方向波動。第一及第二首選方向彼此相差少於40°，較佳少於20°，尤佳少於10°，此包括二者亦可為相同的，即彼此相差0°之情況。入射到第一或第二光學元件中的光根據其相對於該等層之入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收。
在第一光學元件與第二光學元件之間設有液晶層，該液晶層根據作用於該液晶層的第一電場或第二電場，對通過該液晶層之光的偏振狀態施加影響。該可切換濾光片在其第三技術方案中相應地亦包括用於選擇性產生第一及第二電場之構件，例如透明ITO電極(ITO - Indium Tin Oxide，銦錫氧化物)。此外，該可切換濾光片選擇性地包括偏振濾光片，然後將其佈置在包括該等兩個光學元件的單元上方或下方，或者不包括偏振濾光片。
針對存在偏振濾光片之情況，在施加了第一電場且包括第一子工作模式B1H及第二子工作模式B1V之第一工作模式B1下，一方面，平行於第一首選方向或第二首選方向入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與相應首選方向成30°以上角度入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在第一子工作模式B1H下僅發生在第一方向上，在第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於第一方向之第二方向上，其中，第一方向或第二方向與偏振濾光片之偏振方向垂直。
針對不存在偏振濾光片的另一種情況，在施加了第一電場之第一工作模式B1下，以任意角度入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有24%被透射。
無論是否存在偏振濾光片，在施加了第二電場的第二工作模式B2下，一方面，平行於第一首選方向或第二首選方向入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與相應首選方向成30°以上角度入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有85%被吸收。
如前所述，兩個光學元件的兩個首選方向可以相同或以最大40°、較佳20°或僅10°之角度不同於彼此。若兩個首選方向皆例如平行於構造為分層體(Schichtkörper)之濾光片的表面法線，則相當於視角範圍的發射角範圍將被限制在表面法線周圍之範圍內，因為透射率總是在首選方向上達到最大。因此，藉由傾斜一個或兩個首選方向，亦會使透射率達到最大時之角度傾斜，相應地亦會使限制性視角範圍傾斜。
在非偏振光入射到第一光學元件中且隨後在無電場狀態下因液晶層作用而發生90°偏振旋轉之情況下，視角範圍會受到左右上下之限制。若此時打開電磁場，便不會發生光的偏振旋轉，視角範圍亦不會受到限制，但光垂直於光入射向量在光入射平面上的投影偏振。若入射到第一光學元件中的光在偏振器作用下發生線性偏振，在無電場狀態下則會發生向上、向下、向右及向左之視角限制。若此時施加電場，受限制者則會是與入射到第一光學元件中之光的線性偏振相平行之視角。
如此一來，當與影像再現單元配合作用時，第三技術方案之可切換濾光片在存在偏振濾光片之情況下允許在兩面防窺保護(例如在子工作模式B1V下進行上下防窺保護)與四面防窺保護(在工作模式B2下，視角範圍在上/下/左/右四個方向上皆被限制)之間進行轉換，或者，在不存在偏振濾光片P之情況下，允許在工作模式B1下視角範圍不受限制的全方向自由觀看與工作模式B2下之四面防窺保護之間進行轉換。附加波片可用來影響偏振狀態。例如，若使用λ/4波片，則線性偏振光會轉化為圓偏振光，並且能夠在四面防窺與非限制性觀看之間轉換。
其中，例如可由第一電場或第二電場描述無電場狀態，而另一個電場則具有大於零(例如0.5 MV/m)之絕對場強。其中，根據兩個光學元件之設計，無電場狀態可能意味著工作模式B2之存在。然而，亦有可能在無電場狀態下存在工作模式B1(無偏振器)或子工作模式B1H、B1V中之一者(有偏振器)。
在第四技術方案中，該可切換濾光片同樣包括第一光學元件及第二光學元件，與第三技術方案不同，該等光學元件為可切換的。其中，兩個光學元件中之每一者皆包括第一層或者包括第一層及數個、較佳五個以上的其他層。每個層皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料。每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於第一光學元件(1)可選擇的第一首選方向及第二光學元件(2)可選擇的第二首選方向定向或圍繞該首選方向波動。入射到第一或第二光學元件中的光根據其相對於該等層之入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收。與第三技術方案不同，在此，每個層中的躍遷偶極矩皆可在第一狀態與至少一個第二狀態之間改變其定向及/或其絕對值，以便使相關的層交替進入至少兩種不同的狀態。
在可切換濾光片之第四技術方案中，該可切換濾光片亦包括用於選擇性產生第一電場或第二電場之構件，其中，對於兩個光學元件中之每一者，第一狀態係藉由施加第一電場而產生，第二狀態係藉由施加第二電場而產生。於是，兩個電場同時被施加於兩個光學元件，然而，仍是兩個電場中之一者又可意味著無電場狀態。兩個光學元件之間設有光學各向異性層，該光學各向異性層將通過定向層之光的偏振方向旋轉90°。此定向層例如由單軸扭曲材料——類似於TN單元(TN=twisted nematic，扭曲向列)，亦稱沙特-黑弗里希(Schadt-Helfrich)單元——及/或光學活性材料構成。
可選擇在兩個光學元件(理解為一個單元)上方或下方設置偏振濾光片或不設置偏振濾光片。偏振濾光片為非必要的，但能改良可切換濾光片之性能。偏振濾光片之偏振及入射光之偏振必須完全一致。
在此第四技術方案中，在施加了第一電場的第一工作模式B1下，與可切換濾光片成任意角度入射到該可切換濾光片中的非偏振光至少有24%被透射，其中，在第一工作模式B1下，兩個光學元件之躍遷偶極矩相互垂直定向，並且若存在偏振濾光片，則該偏振濾光片之偏振濾光片躍遷偶極子元件(Polarisationsfilter-Übergangsdipolelement)與最靠近該偏振濾光片之可切換光學元件的躍遷偶極矩平行定向。而在施加了第二電場的第二工作模式B2下，一方面，平行於第一首選方向或第二首選方向入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與相應首選方向成30°以上角度入射到可切換濾光片中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，在工作模式B2下，可能存在之偏振濾光片的躍遷偶極矩及最靠近該偏振濾光片之可切換光學元件的躍遷偶極矩相互垂直定向，並且兩個光學元件的躍遷偶極矩總是相互平行定向。
如此一來，當與影像再現單元配合作用時，此第四技術方案之可切換濾光片允許在公共或自由工作模式B1下之全方向自由觀看與私密或限制性工作模式B2下以相比工作模式B1受限之視角或發射角範圍相對於首選方向而言的上下右左四面防窺保護之間進行轉換。當非偏振光在私密工作模式B2下射中可切換濾光片時，不與首選方向——該等首選方向較佳在工作模式B2下為平行定向——近似平行入射的光會被吸收。在公共工作模式B1下，線性偏振光被透射。
在第一或第三技術方案的一個較佳實施方案中，在液晶層上游及/或下游設有至少一個偏振補償層。藉此可補償以下事實：一方面垂直入射的光及另一方面與表面法線成一定角度入射的光，其偏振變化是不同的。
較佳地，首選方向分別與第一層之表面法線成介於0°與45°之間的角度。例如以具有該可切換濾光片之螢幕為例，此涵蓋了慣常視角。
對於特殊應用，該可切換濾光片——無論採用上述哪種技術方案——皆可被分成數個可單獨切換的部段，從而在可能的工作狀態之間實現局部可轉換性。當與影像再現單元配合作用時，此將意味著，例如僅一部分影像區域可在用於防窺保護的私密模式與無防窺效果(即可自由觀看)的公共模式之間轉換，而與之互補的影像區域則一直處於防窺模式或不處於防窺模式。甚至可存在數個幾何上相互分離的此種部段，該些部段可單獨或共同地在工作模式之間轉換。
此外，第一光學元件及/或可能存在之第二光學元件的每個層較佳為非週期性結構。此能減少會令相應螢幕之觀看者感到不適之視覺假影的出現，例如莫爾(Moiré)紋。
本發明藉由將上述可切換濾光片與影像再現單元組合成螢幕而獲得特別意義。除了如前所述之可切換濾光片外，此種螢幕更包括以觀看者角度看佈置於該可切換濾光片下游或上游之影像再現單元。上述可切換濾光片之工作模式可直接沿用於螢幕，使得該螢幕亦可根據可切換濾光片所採用的設計，在上文已提到的各種工作模式下工作，例如，至少在第一工作模式下工作以實現發射角或視角範圍不受限制的水平方向自由、公共觀看模式，以及水平方向上受限的私密觀看模式，其發射角或視角範圍相比自由觀看模式在水平方向上受到限制，使得身處此限制性視角範圍之外的觀看者僅能在自由觀看模式下感知呈現於螢幕上之影像內容。
影像再現單元有利地對應於LCD面板，該LCD面板的一個偏振濾光片對應於可切換濾光片之偏振濾光片。此可為LCD結構中之正面偏振器或背面偏振器。此外，可切換濾光片可有利地佈置在LCD面板與其背光燈之間，以便在用於自由觀看模式的第一工作狀態與用於限制性觀看模式的第二工作狀態之間轉換，因為由於可切換濾光片(例如當轉換至水平方向時)，背光燈的光在水平方向上一會兒聚焦，一會兒不聚焦。「聚焦」在此並非指按透鏡方式聚焦，而是指透過角度縮小發射範圍或透射範圍。
影像再現單元可選擇性地為OLED、場發射顯示器(SED)、場發射顯示器(FED)、微型LED顯示器或真空螢光顯示器(VFD)，在其前面設有可切換濾光片。由於可切換濾光片之作用不受影像再現單元類型影響，因此，亦可考慮任何其他類型之螢幕。
此種螢幕有利地用於行動設備、汽車、飛機或船舶、支付終端或接入系統中。其中，可在上述工作模式之間進行轉換以保護敏感資料，即僅對一個觀看者進行可感知呈現，或者同時為數個觀看者呈現影像內容。
在下文中，將再次對根據本發明的光學元件進行詳細闡述並說明可能之構型，該光學元件達成了該目的並且特別是在可切換濾光片之上述四種技術方案中可作為第一及/或第二光學元件使用。
此種光學元件包括第一層或者包括第一層及數個、較佳五個以上的其他層，其中，每個層在本發明範圍內例如可對應於一個分子層；但亦可為某種合適材料的機械分離層。每個層皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料。可能的材料已在前文描述可切換濾光片之光學元件時提到過。每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於可選擇的首選方向定向或圍繞該首選方向波動，從而使入射到光學元件中的光根據其相對於該等層的入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分(甚至完全)吸收。較佳地，首選方向分別與第一層之表面法線成介於0°與45°之間的角度。
光的消隱(即吸收)與躍遷偶極矩之絕對數量有關，因此亦必然與(躍遷偶極矩所在之)層厚有關，以及與躍遷偶極矩與入射光偏振之間的定向關係有關。上述躍遷偶極矩之密度及強度或光學元件各層中的折射率可根據具體實施而改變。若採用被動式(即非切換式)光學元件，則躍遷偶極子之體積密度可接近100%。
為了進行簡化了的透射建模，假定光學元件中之躍遷偶極矩平行於光在光學元件上的入射平面，並且首選方向對應於光學元件之中垂線。入射平面並非指光學元件之表面，而是指光波傳播方向所在之平面，其中，光學元件之表面與入射平面成直角。作為橫波，光波具有橫向磁性振盪分量及橫向電性振盪分量，該等兩個振盪分量相互垂直並垂直於傳播方向。射中光學元件之光的全部光波最初為非偏振的，即橫向電分量及橫向磁分量之振盪方向呈統計學分佈。到達躍遷偶極矩垂直於光學元件表面定向之光學元件的表面時，光與光學元件或其中所含材料之躍遷偶極矩相互作用並發生偏振。其中，位於入射平面中的振盪分量被吸收。亦即，平行於入射平面偏振(即橫向磁性或p偏振)的光被吸收，而垂直於入射平面(即平行於光學元件表面)偏振(即橫向電性或s偏振)的光被完全透射。因此，不平行於躍遷偶極矩地通過光學元件的非偏振光在通過躍遷偶極矩平行於光入射平面定向的光學元件時，至少部分發生s偏振。若首選方向與中垂線不一致，則應考慮o偏振(ordinary polarisation，普通偏振)而非s偏振，以及應考慮e偏振(extraordinary polarisation，特殊偏振)而非p偏振。
此特性在本發明所有技術方案中皆是本質性的，並構成一種基本的創造性手段-效果關係。下面將為照射強度為I 0(α)之p偏振光的透射建模。吸收層對光的透射由朗伯特-比爾(Lambert-Beer)定律描述：
Figure 02_image001
。
在此，α為相對於表面法線之傳播方向，d(α)為與傳播方向相關的光路長度，N為吸收性分子數量，σ abs(α)為與入射角相關的吸收截面。借助於Snell折射定律可根據入射角ß計算出介質中的傳播角α。而後自躍遷偶極矩及光路變化的方程式中得出：
Figure 02_image003
。
根據具體應用，每個層在結構上皆被建構為週期性的或非週期性的，其中，非週期性結構在避免視覺假影方面是有利的。
在一個較佳技術方案中，每個躍遷偶極矩在各自的首選方向周圍最大為10°之公差內沿該首選方向定向。在此情況下，最高透射率亦出現於該首選方向上。一個可選擇的平面中(通常為其中一個層中)之至少兩個此種首選方向較佳亦相差10°以上。藉此可在一個層中定義數個首選方向，該等首選方向可全部對準空間中的一個點，例如觀看者，其中，可藉由適當調整層內的材料特性來實現不同定向，例如透過光控取向(Photoausrichtung)。為此，將液晶與光反應性物質相結合。入射的偏振光同時將分子定向並引發光反應。藉由控制偏振，可影響分子定向。
先前技術中所描述的微型薄片式濾光片(亦稱「View Control Filter - VCF」或「Light Control Filter - LCF」)對幾何光學原理加以利用。由於透明層及吸收層的週期性交替排列，相對於確定方向以大角度傳播的入射光幾乎全部被吸收。此種濾光片係對吸收器之位置進行控制。相反，由於分子之吸收截面隨傳播方向的變化而變化，不同傳播方向的光在根據本發明之光學元件中的透射率亦隨之變化。因此，本發明控制的不是吸收器之位置，而是吸收器之定向(取向)。換言之，本發明係基於對通過根據本發明之光學元件之光束的方向相關性吸收，亦即，基本上與光束位置無關，為躍遷偶極矩所規定的首選方向除外。此既適用於上文所述之根據本發明的非切換式光學元件，亦適用於下文所述之可切換設計。
為了實現根據本發明之光學元件之光學效果的可切換性，即為了實現可切換光學元件，每個層中的躍遷偶極矩可在第一狀態與至少一個第二狀態之間改變其定向及/或其絕對值，以便能使相關層交替進入至少兩種不同的狀態。可切換光學元件或其中之每個層的可能設計例如基於液晶及/或染料或染料混合物，該等液晶及/或染料或染料混合物可佈置在所謂的 「垂直排列單元 (Vertical alignment cell) 」或表面為均一定向之液晶單元中，並且可於其中在至少兩種狀態之間旋轉。其中，吸光躍遷偶極矩亦發生旋轉，從而可呈現至少兩種作用狀態。特別是在此種技術方案中，可設想得到兩種以上(例如三種或八種)各具有不同光學效果之狀態。其他的液晶單元設計同樣是可想像的。為此，特別是使用電場來使液晶旋轉。其中，例如可由第一電場或第二電場描述無電場狀態，而另一個電場則具有大於零(例如0.5 MV/m)之絕對場強。
其中，第一狀態對應於上述條件，而至少一個第二狀態與之不同，即具有至少一個其他首選方向。
在此種主動式即可切換光學元件中，基於液晶之躍遷偶極矩體積密度在0.1%與90%之間是可想像的。作為替代方案，可切換光學元件或其中的每個層可採用如下設計：躍遷偶極矩嵌入在曝露於電潤濕工藝之液體中。以此方式，特別是可改變躍遷偶極矩之密度，但不僅限於此。
光學元件亦可被分成數個可單獨切換的部段，以便在至少兩種不同狀態之間實現局部可轉換性。如此一來，在具有至少兩種狀態之可切換性範圍內，特別是可實現：至少兩種狀態之間的各局部透射最大值位於相應的不同方向上。
此外，躍遷偶極矩之首選方向較佳可根據該躍遷偶極矩在相關層中的位置來選擇。
在該光學元件的另一個較佳技術方案中，每個層沿各層上可選擇的參考線被劃分為不同區域，其中，每個區域皆可選擇自有的區域首選方向，該區域首選方向適用於相應層之所有位於同一個區域內的躍遷偶極矩，其中，所有區域首選方向皆成對地不同於彼此，並且在不考慮最大為+/-10°之公差的情況下皆指向觀看者方向。據此，在一個層內以及在每個適用於此的區域內，所有躍遷偶極矩皆以最大為+/-10°之公差分別與適用於該處之區域首選方向平行。每個層有利地在結構上被建構為非週期性的，此能減少或防止干擾性視覺假影之出現。此佈局具有以下優點：在限制性觀看模式下，觀看者會感覺到螢幕被均勻照亮。由於發光密度與視角有關，若躍遷偶極矩在濾光片之整個表面上為恆定定向，觀看者便會感覺到螢幕是不均勻的。
製造本發明如上所述之光學元件的簡單方法為：該光學元件係由數個聚合物薄膜偏振器層壓而成。在此情況下，該光學元件被建構為若干層聚合物薄膜偏振器之層壓製品。作為替代方案或組合方案，該光學元件亦可藉由對分子或粒子進行光控取向而製成。
該光學元件之材料較佳包含至少一種染料，較佳為二色性染料混合物。該至少一種染料由染料分子組成，其中，每個染料分子皆有利地與一個躍遷偶極子或躍遷偶極矩相關，即每個染料分子皆對應於一個躍遷偶極子或躍遷偶極矩。通常，在LC染料混合物中，一種染料在相關層之材料中的質量占比例如為0.01%至10%，較佳為0.1%至5%。層的厚度較佳處於0.2 μm至50 μm範圍，較佳處於0.5 μm至20 μm範圍，所有邊界值皆分別包括在內。不同層的染料或染料混合物可以是不同的。
此外，該光學元件之材料可包含液晶且/或與液晶混合。在存在數層之情況下，此亦可逐層變化。
作為較佳設計，每個層皆為液晶與至少一種染料之混合物，特別是與至少一種二色性染料之混合物。合適的二色性染料或染料混合物例如有：偶氮甲鹼染料、靛藍及硫靛藍染料、部花青、甘菊環、奎諾酞酮染料(Chinophtalonfarbstoff)、苝染料、酞吡呤染料(Phthaloperinfarbstoff)、二㗁𠯤染料、三苯二㗁𠯤染料、喹㗁啉染料、三𠯤染料、檸檬黃、偶氮染料及蒽醌染料。液晶染料混合物之製造例如記載於US 4,695,131 A中。此外，自外部封閉該等層的表面較佳經過處理，例如經拉絲處理，以實現躍遷偶極矩或可能存在之液晶的均勻表面定向。
一般來說，偏振濾光片可有利地在觀看方向上位於光學元件之前或之後，特別是當用於可切換濾光片時。偏振濾光片有助於測定或分析通過光學元件之光的偏振特性，並且較佳應始終存在。在此情況下，光學元件之最大透射率通常總是出現在平行於偏振濾光片之偏振方向的方向上。亦可存在兩個此種偏振濾光片，該等偏振濾光片沿觀看方向分別佈置於光學元件前後，並且就其線性偏振方向而言實質上相互平行定向，藉此可改良限制性觀看模式下之保護效果。
因此，本發明亦包括一種具有上述光學元件之照明裝置。此種照明裝置可在至少兩種工作模式下工作，一種為用於自由觀看模式之工作模式B1，一種為用於限制性觀看模式之工作模式B2。限制性觀看模式與自由觀看模式之區別在於，與自由觀看模式相比，光在限制性角度範圍內朝觀看者方向發射。位於限制性角度範圍以外的觀看者看不到照明裝置發出的光，同樣的情況亦適用於螢幕，下文將對此進行說明，而在自由觀看模式下，若觀看者位於照明裝置或螢幕在自由觀看模式下基本自然受限的發射角範圍內，而該發射角範圍明顯大於限制性觀看模式下之發射角範圍，觀看者便能感知照明裝置或螢幕發出的光。其中，該限制可視具體應用而發生於數個空間方向上，例如向上、向下、向右及/或向左。
該照明裝置包括呈平面狀延展之背光燈，該背光燈包含如上文詳細所述之光學元件並發射光。該照明裝置包括沿觀看方向設於背光燈前面的板狀導光體，該導光體在至少一個大表面上及/或在其體積內具有輸出耦合元件(Auskoppelelement)，其中，背光燈所發出的光至少有40%，較佳至少有70%可穿透導光體。在導光體的至少一個窄邊上側向佈置有發光構件。此外，線性偏振濾光片沿觀看方向佈置於背光燈前面或導光體前面，如此一來，自背光燈發出並通過偏振濾光片的光在其傳播方向上受到限制。在工作模式B2下，背光燈打開，發光構件關閉。在工作模式B1下，至少發光構件打開，意即，在工作模式B1下，背光燈是打開或是關閉，並不重要。
最後，如前所述，上述光學元件亦可用於螢幕，該螢幕可在上文已聯繫照明裝置所提到的至少兩種工作模式下工作，即用於自由觀看模式之工作模式B1及用於限制性觀看模式之工作模式B2。此種螢幕包括呈平面狀延展之背光燈，該背光燈包含上述光學元件並發射光。該螢幕進一步包括沿觀看方向設於背光燈前面的板狀導光體，該導光體在至少一個大表面上及/或在其體積內具有輸出耦合元件，其中，背光燈所發出的光至少有40%，較佳至少有70%可穿透導光體。在導光體的至少一個窄邊上側向佈置有發光構件。此外，線性偏振濾光片沿觀看方向佈置於背光燈前面或導光體前面，如此一來，自背光燈發出並通過偏振濾光片的光在其傳播方向上受到限制。此外，透射式影像再現裝置沿觀看方向佈置於導光體上游。偏振濾光片可佈置在該影像再現裝置中，且特別是可為此影像再現裝置的一部分，例如，LC顯示器即如此。在工作模式B2下，背光燈打開，發光構件關閉。在工作模式B1下，至少發光構件打開，意即，在工作模式B1下，背光燈是打開或是關閉，並不重要。
更一般而言，本發明亦包括一種螢幕，其包括至少一個如前所述之光學元件或如前所述之配置，以及以觀看者角度看佈置於光學元件下游或上游之影像再現單元。影像再現單元有利地對應於LCD面板，該LCD面板的一個偏振濾光片對應於前述偏振濾光片。此可為LCD結構中之正面偏振器或背面偏振器。影像再現單元可選擇性地為OLED、場發射顯示器(SED)、場發射顯示器(FED)、微型LED顯示器或真空螢光顯示器(VFD)，在其前面設有光學元件。由於光學元件之作用不受影像再現單元類型影響，因此，亦可考慮任何其他類型之螢幕。此種螢幕有利地用於行動設備、汽車、飛機或船舶、支付終端或接入系統中。其中，在可切換光學元件之情況下，可在上述工作模式之間進行轉換以保護敏感資料，即僅對一個觀看者進行可感知呈現，或者同時為數個觀看者呈現影像內容。此外，採用前述技術方案之可切換光學元件或非切換式光學元件可與靜態影像或者亦可與動態影像再現單元如LCD面板一起使用，以例如使廣告內容僅在有限的可視範圍內可被看到。
若在一定限度內改變上述參數，原則上能保持本發明之性能。
可以理解，上述特徵及下文尚待闡述之特徵不僅可在所給出的組合中使用，亦可在其他組合中使用，或者單獨使用，而不偏離本發明之範圍。
圖式未按比例繪製且僅為原理圖。
圖1a示出示例性的非切換式光學元件1之原理簡圖。該光學元件包括至少一個層S1，其中，此層S1包括具有數個吸光電躍遷偶極矩(在此簡單地圖示為小豎線)的材料，該等吸光電躍遷偶極矩至少在第一狀態下平行於可選擇的首選方向定向(在此垂直於層S1之表面)或圍繞此首選方向波動，如此一來，該首選方向與層S1之表面法線形成介於0°與45°之間的角度，使得入射到光學元件中的光根據其相對於層S1的入射方向及其偏振特性而被透射或者被部分或完全吸收。
光學元件1可例如藉由層壓數個聚合物薄膜偏振器及/或藉由對分子或粒子進行光控取向而製成。層S1中之上述電躍遷偶極子的密度可根據具體實施而改變。若採用被動式偏振器，則體積密度可接近100%。
包含躍遷偶極矩之光學元件1的材料亦可包含至少一種染料，特別是一種染料分子，較佳至少一種二色性染料或二色性染料混合物。其中，一個染料分子可有利地對應於一個躍遷偶極矩。通常，染料在相關層S1、S2、…之材料中的質量占比為0.01%至30%，較佳為0.1%至15%或5%，或者為0.01%至10%。層的厚度較佳處於0.2 μm至50 μm範圍，較佳處於0.5 μm至20 μm範圍。不同層的染料或染料混合物可以是不同的。
包含躍遷偶極矩的層S1、S2、…亦可包含液晶或聚合物且/或可與液晶混合，層S1、S2、…較佳包含液晶或聚合物與至少一種染料的混合物，特別是與至少一種二色性染料的混合物。
光學元件1針對線性偏振光而構成防窺濾光片。因此，此處設有偏振濾光片P，其使得自下方入射的光線性平行於圖紙表面偏振。然而，偏振濾光片P並不改變光的傳播方向。兩個粗箭頭表示光傳播的兩個可能方向。基於躍遷偶極矩之作用，光被光學元件1吸收，該光相對於首選方向(在此為層S1之中垂線)例如具有大約超過30°之(傾斜)方向。最後，如圖中上部的單個箭頭所示，實質上僅沿著首選方向或者說在此係垂直於光學元件1入射的光，在通過光學元件之後仍然存在。根據不同應用，每個層S1、S2、…在結構上被建構為週期性的或非週期性的。
光的消隱(即吸收)與躍遷偶極矩之絕對數量有關，因此亦必然與具有躍遷偶極矩之材料的層厚有關。上述躍遷偶極矩之密度及強度或層S1、S2、…中的折射率可根據具體實施而改變。若採用被動式(即非切換式)光學元件1，則躍遷偶極子之體積密度可接近100%。
為此，圖11至圖15示出用於說明光學元件1之光學效果的光學模擬。圖11示出光在通過根據圖1之光學元件1時的正規化透射率圖，此處係在-90°至+90°之水平測量角度上繪製。在+/-25°以上的角度，強烈的吸收效應清晰可見。該等模擬係以假設光學元件1之層厚d=0.5 mm，材料折射率n=1.5，莫耳濃度M=0.01 mol m -3以及示例性的莫耳消光率ε=12700 m 2mol -1為基礎。厚度及濃度可彼此成比例地改變，因此，例如在厚度小十倍且濃度高十倍之情況下，可獲得相同的透射率。在圖12中，根據圖11的條件針對使用所需的值域以對數形式繪製在縱軸上。可以看出，在此種參數下，在+/-25°時，透射率已下降至大約1%，在+/-40°時，透射率已減小至僅0.001%左右。在圖13中，對圖11所假設的關於折射率n之條件進行了計算，值n=1.0；1.3；1.5以及n=1.7。可以看出，層S1之材料的折射率越低，成角度的透射率(Transmission im Winkel)則越有限。此外，圖14圖示在根據圖11之關於光學元件1之厚度的條件下，光學元件1之正規化透射率的變化。 其中，計算了d=0.1 mm；0.2 mm；0.3 mm；0.4 mm及0.5 mm之層厚。如所預期的那樣，更大層厚會使上述角度上的透射率受到更強限制。最後，圖15示出關於三個選定參數集(1.n=1.0且d=0.2 mm；2.n=1.5且d=0.5 mm；3.n=1.7且d=0.65 mm)之角度相關正規化透射率。該等三個參數集所產生的光學效果極其相似。
相比之下，先前技術中習知的微型薄片式濾光片(亦稱「View Control Filter - VCF」或「Light Control Filter - LCF」)對幾何光學原理加以利用。由於透明層及吸收層的週期性交替排列，相對於確定方向以大角度傳播的光(幾乎)全部被吸收。此種濾光片係對吸收器之位置進行控制。相反，由於分子之吸收截面隨傳播方向的變化而變化，不同傳播方向的光在光學元件1中之透射率亦隨之變化。因此，此處控制的不是吸收器之位置，而是特別是吸收器之定向。換言之，光學元件1之效果係基於對通過該光學元件之光束的方向相關性吸收，亦即，基本上與光束位置無關。此既適用於上文所述之非切換式光學元件，亦適用於下文所述之可切換設計。
為了實現光學元件1之光學效果的可切換性，即為了實現可切換光學元件1，每個層S1、S2、…中的吸光電躍遷偶極矩可改變其定向及/或其絕對值，以便能使相關層S1、S2、…進入至少兩種不同的狀態。可切換光學元件1或其中之每個層S1、S2、…的可能設計例如基於液晶或螢光體，該等液晶或螢光體可佈置在所謂的 「垂直排列單元 (Vertical alignment cell) 」或表面為均一定向之液晶單元中，並且可於其中在至少兩種狀態之間旋轉。其中，吸光電躍遷偶極矩亦發生旋轉，從而可呈現至少兩種作用狀態。特別是在此種技術方案中，可設想得到兩種以上(例如三種或八種)各具有不同光學效果之狀態。其他的液晶單元設計同樣是可想像的。
為此，圖1b示出可切換光學元件處於第一狀態時之原理簡圖，圖1c則為可切換光學元件處於第二狀態時之原理簡圖。
針對此示例，假設入射光為p偏振，即平行於入射平面偏振(見圖1b)。若透明電極E1、E2不帶電，即其所產生的電場EF1為0 V/m(無電場)，則此處圖示為點狀的液晶分子及染料分子(在此例如被設計成層S1、S2及S3)將沿著電極E1、E2之表面定向。此可藉由表面功能化與液晶的適當結合而實現，在先前技術中為已知的。對於在繪圖平面中傳播且為s偏振的光，光的偏振及液晶的躍遷偶極矩總是相互垂直定向。故無吸收發生，因此，圖示於基板S上方及下方的具有s偏振之光傳播方向將毫無阻礙地穿透可切換光學元件1。
如圖1c所示，若電極E1及E2帶電，即其所產生的電場EF2＞0 V/m，則液晶會在層S1、S2及S3中旋轉。當電壓及場強EF2超過一定閾值時，液晶分子及(可能存在的)染料分子幾乎平行於電場EF2之場力線定向。如此一來，光的吸收與角度α(即光的傳播方向與層S1之表面法線之間的角度)有關。吸收率隨著角度α的增加而增加。光的電場消隱與sin(α)成比例。原則上，控制染料分子的定向是有利的，以便藉此控制防窺軸線或施加明確的光影響。在根據圖1b之狀態下，躍遷偶極矩垂直於入射光之偏振，在根據圖1c之狀態下，則平行於光的垂直入射。在此種可切換光學元件中，基於液晶之染料體積密度在0.1%與20%之間，甚至可能達到90%，是可想像的。
圖2a示出其他非切換式光學元件1之原理簡圖。該光學元件包括(此處僅示例性的一個)層S1，其中，此層S1包括具有數個吸光躍遷偶極矩(由圖2a中層S1的短線表示)的材料。每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於相關首選方向(在此以粗箭頭表示)定向或圍繞該首選方向波動，可根據此種躍遷偶極子在層S1內之位置來為躍遷偶極子選擇首選方向，其中，至少兩個此種首選方向在可選平面(在此為繪圖平面)中相差10°以上。藉此使得入射到光學元件1中的光，根據其相對於層S1的入射方向及其偏振特性而被透射或者被部分或完全吸收，其中，每個躍遷偶極子之最高透射率存在於針對其在層S1內之位置所選擇的首選方向上，其中，最多允許10°之公差。
與圖1相比，圖2所示之光學元件1的設計方式為：層S1沿著可選擇的參考線(在此為該層之底邊)被分成不同的區域A1、A2、A3、A4、A5，其中，為每個區域A1、A2、…選擇自有的區域首選方向(見粗箭頭)，該區域首選方向適用於層S1之所有位於同一個區域A1、A2、…內的躍遷偶極矩。其中，所有區域首選方向皆成對地不同於彼此，並且——在不考慮最大為+/-10°之公差的情況下——皆指向觀看者6方向。據此，在層S1內以及在每個適用於此的區域A1、A2、…內，所有躍遷偶極矩皆以最大為+/-10°之公差分別與適用於該處之區域首選方向平行。由於光學元件1上的透射率是可定義的，該光學元件可被特別有利地用於創建防窺解決方案。
為了實現光學元件1之光學效果的可切換性，即為了實現可切換光學元件1，每個層S1、S2、…中的吸光躍遷偶極矩可改變其定向(取向)及/或其絕對值及/或其密度，以便能使相關層S1、S2、…進入至少兩種不同的狀態。
為此，圖2b示出可切換光學元件處於第一狀態時其第一區段(對應於圖2a中的A1)之原理簡圖，圖2c則示出可切換光學元件處於第一狀態時其第二區段(對應於圖2a中的A5)之原理簡圖。在此示例性地存在三個層S1、S2、S3。與二色性染料混合物混合的液晶在此由層S1、S2、S3中的橢圓形要素表示，其中，黑色橢圓形要素以高度簡化之方式表示染料分子，白色橢圓形要素以高度簡化之方式表示液晶。橢圓之傾斜度係進一步用於表明空間定向。基板S可為玻璃或聚合物或其他透明材料。
相關的透明電極E1、E2，例如銦錫氧化物層(ITO層)，用於控制與染料混合物混合的液晶之定向。然而，液晶分子及染料的不同定向較佳係透過不同的表面功能化而實現。此處可考慮使用機械方法及光學方法。圖2b所示之液晶與染料混合物的定向大致相當於根據圖2a中區段A1之首選方向的定向。圖2c所示之液晶與染料混合物的定向大致相當於根據圖2a中區段A5之首選方向的定向。在根據圖2b的條件下，自下方入射到光學元件1上的光在躍遷偶極子之相應首選方向上被最大程度地透射；在其他方向上則被部分或完全吸收。此亦以類似的方式適用於根據圖2c之條件。
關於p偏振光及s偏振光在被施加電場EF1及EF2之情況下入射到光學元件上時之行為，請參考關於圖1b及圖1c的詳細說明，該等詳細說明以類似方式適用於此，只不過躍遷偶極矩為不同定向，而且在介質中須以o偏振代替s偏振，並以e偏振代替p偏振。
圖3示出具有可切換光學元件1之結構的原理簡圖，該光學元件採用根據圖1b及圖1c以及圖2b及圖2c之實施方案。在此，外表面上存在兩個線性偏振濾光片P，其中一個是為可選的，其中，該等線性偏振濾光片之偏振方向實質上(即不考慮幾度的公差)相互平行。其內側——即在偏振濾光片P之相向側上——分別設有透明基板S，基板內側又設有電極E1及E2。位於電極內側的定向層4用於對液晶進行定向，該等液晶與至少一種二色性染料混合而形成內層S1、S2、…。躍遷偶極矩在此係由至少一種二色性染料形成。在所說明的所有變體中，原則上亦可在光學元件1之結構中使用附加的延遲膜(Retardierungsfilm)，以便能進一步調整偏振狀態。
施加在電極E1與E2之間的方波電壓較佳具有介於0 V與20 V之間的有效值。定向層4例如為經過處理的表面(例如拉絲玻璃或拉絲聚合物)，以實現躍遷偶極矩或液晶之均勻表面定向。而後，藉此可產生例如圖2b及圖2c所示之狀態。
最後，圖4示出根據圖2及圖3之光學元件1(實線)透過不同角度所測得的正規化透射行為與先前技術中之薄片式濾光器(虛線)的透射行為相比較之示例性視圖。其中，橫軸為測量角度，縱軸為正規化透射率。連續曲線顯示了關於示例性光學元件1之透射行為之近似於所謂的「高頂禮帽式(Top-Hat)」分佈，即在大約-17°至+17°之寬廣角度範圍內，透射率穩定保持在至少80%。半值寬度總共接近40°。藉此為觀看者6在±15°之視角變化中提供良好的透射均勻性，從而又能在影像再現單元配合作用以進行照明或影像再現時，實現可被感知的良好均勻性。與之相反，被用來做對比的先前技術中之示例性薄片式濾光器(其正規化透射行為以虛線形式圖示於圖4中)，其半值寬度減小至僅為大約35°，更不具有「高頂禮帽式」分佈，並且在-30°至-25°以及+25°至+30°之角度範圍內提供較差的防窺保護，因為該角度範圍之透射率比光學元件1大。
該光學元件尤其可應用在可切換濾光片5中。圖5示出此種可切換濾光片5之第三——在「第一」及「第二」之前選擇以「第三」來表述，乃是為了與本發明的一般性描述保持一致——技術方案。該可切換濾光片包括第一光學元件1及第二光學元件2。兩個光學元件1、2本身為不可切換的，即靜態的。兩個光學元件之躍遷偶極矩的首選方向彼此相差少於40°，較佳少於20°，尤佳少於10°，其中，用於第一光學元件1之第一首選方向及用於第二光學元件2之第二首選方向為可選擇的。在本例中，兩個首選方向示例性地相互平行，並與可切換濾光片5之位於繪圖平面中的中垂線相對應。光學元件1、2之間設有可切換液晶層3，該可切換液晶層根據作用於該可切換液晶層的電場EF1或EF2，對通過該可切換液晶層之光的偏振特性施加影響或不施加影響。在圖中，以觀看者6的角度看，光學元件1、2下方設有偏振濾光片P；該偏振濾光片亦可佈置於光學元件1、2上方。圖中未示出用於選擇性產生第一電場EF1及第二電場EF2之構件，例如佈置於液晶層3上方及下方之電極。
在施加了第一電場EF1且包括第一子工作模式B1H及第二子工作模式B1V之第一工作模式B1下，一方面，平行於第一首選方向或第二首選方向入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與相應首選方向成30°以上角度入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在第一子工作模式B1H下僅發生在第一方向上，在第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於第一方向之第二方向上，其中，第一方向或第二方向與偏振濾光片P之偏振方向垂直。當應用於螢幕時，第一方向可對應於水平方向，第二方向可對應於豎向，其中，「水平」係指與觀看者雙眼之間的距離線平行的線。在此情況下，水平方向例如與層S1或螢幕之底邊平行，豎向則與左側邊或右側邊平行。
在施加了第二電場EF2的第二工作模式B2下，一方面，平行於第一首選方向或第二首選方向入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與相應首選方向成30°以上角度入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有85%被吸收。
圖6示出可切換濾光片5之第三實施方案之未設偏振濾光片P的一種變體。此變體在工作模式B2下的行為與參照圖5所描述之可切換濾光片5的行為相同，而在施加了第一電場EF1之第一工作模式B1下，以任意角度入射到可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有24%被透射。
如此一來，當與影像再現單元配合作用時，第三技術方案之可切換濾光片5在存在偏振濾光片P之情況下允許在兩面與四面防窺保護之間進行轉換(例如，上/下保護(B1V)與上/下/左/右保護(B2))，或者，在不存在偏振濾光片P之情況下允許在全方向自由觀看與四面防窺保護之間進行轉換(例如，自由觀看(B1)與上/下/左/右保護(B2))。
其中，例如可由電場EF1或電場EF2描述無電場狀態，而另一個電場EF2或EF1則具有大於零(例如0.5 MV/m)之絕對場強。其中，根據光學元件1及2之設計，無電場狀態可能意味著工作模式B2之存在。然而，亦可能在無電場狀態下存在工作模式B1，若存在偏振濾光片P，則更包括子工作模式B1H、B1V中之一者。
圖7a至圖7c示出由於根據圖6之可切換濾光片而產生的光偏振狀態之簡圖。圖7a示出公共模式之偏振狀態，對應於具有非限制性視角範圍的工作模式B1，在該工作模式下，光在視角大於30°時為切向偏振，垂直入射的光則為線性偏振。首選方向對應於相關的中垂線。圖7c示出限制性觀看模式下之偏振狀態。在此，入射角例如大於30°的光發生極其強烈的衰減，而垂直入射的光則會不改變偏振狀態地被透射。
躍遷偶極矩之定向或取向使得光在入射角上為極性偏振(polar polarisiert)，即光的線性偏振總是垂直於視角空間中之原點方向，在所述情況下，該原點為中垂線。此狀態圖示於圖7a中，適用於光通過非切換式光學元件1之後。小角度光僅發生弱偏振。理想情況下，垂直入射的光不會被吸收，即偏振狀態保持不變。
此時，若光自光學元件2進入液晶層3，那麼，光的偏振狀態是否會改變以及如何改變或是保持不變，則將取決於液晶層3之狀態。例如，若在無電場狀態EF1下關閉液晶層3中的偏振旋轉，上述狀態便不會改變。在通過液晶層3並進一步通過非切換式光學元件1後，透射率實質上保持不變。若在光學元件1上方或光學元件2下方存在偏振濾光片P，則將實現子工作模式B1H或B1V中之一者，具體取決於設計。若不存在此偏振器，則將實現工作模式B1。
而此時若例如藉由施加電場EF2＞0 V/m來開啟液晶層3中的偏振旋轉，偏振便會在所有地方旋轉90°。偏振狀態圖示於圖7b中：該處示出通過光學元件2及偏振旋轉液晶層3後之偏振狀態。因此，在光的進一步傳播中，光學元件1使得所有以大於25°或大約30°之角度傳播的光都被消隱。此對應於工作模式B2並圖示於圖4c中。
圖8示出第四技術方案中之可切換濾光片5的原理簡圖。此可切換濾光片5包括兩個可切換光學元件1、2，其中，該等兩個光學元件中之每一者皆包括第一層S1或者包括第一層S1及數個其他層S2、…。類似於第三技術方案之光學元件，每個層S1、S2、…皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料，其中，每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於第一光學元件1可選擇的第一首選方向及第二光學元件2可選擇的第二首選方向定向或圍繞此首選方向波動，從而使入射到第一或第二光學元件1、2中的光根據其相對於層S1、S2、…的入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收。
然而，與第三技術方案不同，光學元件1、2在此為可切換的，即每個層S1、S2、…中的躍遷偶極矩皆可在第一狀態與至少一個第二狀態之間改變其定向及/或其絕對值，以便使相關的層S1、S2、…交替進入至少兩種不同的狀態。在此技術方案中，可切換濾光片5包括用於選擇性產生第一電場EF1或第二電場EF2之構件，其中，對於兩個光學元件1、2中之每一者，第一狀態係藉由施加第一電場EF1而產生，第二狀態係藉由施加第二電場而產生。在根據第四技術方案的實施例中，第一電場EF1被施加於第一光學元件1，第二電場EF2被施加於第二光學元件2。
可選擇在光學元件1上方或下方佈置偏振濾光片，並將其組合成一個單元。此為非必要的，但能改良可切換濾光片5之性能。偏振濾光片P之偏振及入射光之偏振必須完全一致。兩個光學元件1、2之間設有光學各向異性層7，其用於將通過光學各向異性層7之光的偏振方向旋轉90°。光學各向異性層7可例如為具有液晶的層或半波板。圖中未示出用於產生兩個電場EF1及EF2之構件。
當在用於自由觀看模式的第一工作模式B1下施加第一電場EF1時，與可切換濾光片5成任意角度入射到該可切換濾光片中的非偏振光至少有24%被透射，其中，在第一工作模式B1下，兩個光學元件1、2之躍遷偶極矩相互垂直定向，並且若存在偏振濾光片P，則偏振濾光片P之偏振濾光片躍遷偶極子元件與最靠近偏振濾光片P之可切換光學元件1、2的躍遷偶極矩平行定向。
而當在用於限制性觀看模式的第二工作模式B2下施加第二電場EF2時，一方面，平行於第一首選方向或第二首選方向入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與相應首選方向成30°以上角度入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，在工作模式B2下，可能存在之偏振濾光片P的躍遷偶極矩及最靠近偏振濾光片P之可切換光學元件1、2的躍遷偶極矩相互垂直定向，兩個光學元件1、2之躍遷偶極矩各自相互平行定向。在此，首選方向較佳亦對應於可切換濾光片5之中垂線，該中垂線在圖8中位於繪圖平面內。如上文結合第三技術方案所述，此點在可切換濾光片5為相應定向之情況下特別是同時既適用於水平方向又適用於豎向，其前提為水平方向與層S1之底邊平行，豎向與該層之左側邊或右側邊平行。
如此一來，當與影像再現單元配合作用時，此第四技術方案之可切換濾光片5允許在全方向自由觀看與四面防窺保護之間進行轉換(自由觀看(B1)與上/下/左/右保護(B2))。
圖9以原理簡圖形式示出可切換濾光片5之第一技術方案。該第一技術方案包括非切換式第一光學元件1，同樣包括第一層S1或者包括第一層S1及數個其他層S2、…，其中，每個層S1、S2、…皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料。每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於第一光學元件1可選擇的第一首選方向定向或圍繞該首選方向波動，從而使入射到第一光學元件1中的光根據其相對於層S1、S2、…的入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收。
第一光學元件1上游或下游設有偏振濾光片P。圖中仍未示出用於選擇性產生第一電場EF1或第二電場EF2之構件。在第一光學元件1與偏振濾光片P之間設有液晶層3，第一電場EF1或第二電場EF2作用於該液晶層，且該液晶層據此而對通過該液晶層之光的偏振狀態施加影響。
在此第一技術方案中，在施加了第一電場EF1且包括第一子工作模式B1H及第二子工作模式B1V之第一工作模式B1下，一方面，平行於第一首選方向入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與第一首選方向成30°以上角度入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在第一子工作模式B1H下僅發生在第一方向上，在第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於第一方向之第二方向上。其中，第一首選方向較佳仍平行於可切換濾光片5之位於繪圖平面內的中垂線。關於第一及第二方向之位置，結合第三技術方案所提出的實施方案可類比適用。
在施加了第二電場EF2且包括第一子工作模式B1H及第二子工作模式B1V之第二工作模式B2下，一方面，平行於第一首選方向入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與第一首選方向成30°以上角度入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在第一子工作模式B1H下僅發生在第二方向上，在第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於第一方向之第二方向上，因此，就第一工作模式B1及第二工作模式B2而言，兩個子工作模式B1H、B1V的吸收方向各相差90°。
與之前不同的是，兩種工作模式皆為限制性觀看模式之工作模式，其中，可在兩個相互垂直的方向——例如水平方向與豎向——之間切換防窺保護。可藉由將偏振濾光片P旋轉90°而在子工作模式B1V與B1H之間改變可切換濾光片5之此第一技術方案的配置。
在此亦可例如由第一電場EF1或第二電場EF2描述無電場狀態，而另一個電場EF2或EF1則具有大於零(例如0.5 MV/m)之絕對場強。其中，根據光學元件1及偏振濾光片P之設計，無電場狀態可能意味著存在子工作模式B1H。然而，亦可能在無電場狀態下存在子工作模式B1V。
如此一來，當與影像再現單元配合作用時，此第一技術方案之可切換濾光片5允許在豎向防窺保護與水平方向防窺保護之間進行轉換(上/下保護(B1V)與左/右保護(B1H))。以膝上型電腦為例，此則意味著在子工作模式B1V下，用戶可與用戶身邊的、雙眼實質上處於同一高度之其他人一起觀看內容，而在子工作模式B1H下，旁邊的人看不到影像內容。如前所述，此第三技術方案之可切換濾光片5在結構上可以變化。
最後，圖10以原理簡圖形式示出可切換濾光片5之第二技術方案。 第一光學元件1的結構與第一技術方案之光學元件1類似，但與後者不同的是，其係可切換的，即每個層S1、S2中的躍遷偶極矩可在第一狀態與至少一個第二狀態之間改變其定向及/或其絕對值，以便能使相關的層S1、S2、…交替進入至少兩種不同的狀態。第一光學元件1上游或下游設有偏振濾光片P。圖中仍未示出用於選擇性產生第一電場EF1或第二電場EF2之構件，其中，對於第一光學元件1，第一狀態係藉由施加第一電場EF1而產生，第二狀態係藉由施加第二電場而產生。
在施加了第一電場EF1且包括第一子工作模式B1H及第二子工作模式B1V並且第一光學元件1之層S1、S2、…的躍遷偶極矩沿第一首選方向定向之第一工作模式B1下，一方面，平行於第一首選方向入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與第一首選方向成30°以上角度入射到可切換濾光片5中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在第一子工作模式B1H下僅發生在第一方向上，在第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於第一方向之第二方向上。其中，第一首選方向較佳仍平行於可切換濾光片5之位於繪圖平面內的中垂線。關於第一及第二方向之位置，結合第三技術方案所提出的實施方案可類比適用。
在施加了第二電場EF2的第二工作模式B2下，第一光學元件(1)之層S1、S2、…的躍遷偶極矩平行於(在此情況下亦被稱為基板之)偏振濾光片P的表面並垂直於偏振濾光片P之透射方向定向。在此情況下，與第一首選方向成任意角度入射到可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有24%被透射。
在此，同樣可例如由電場EF1或電場EF2描述無電場狀態，而另一個電場EF2或EF1則具有大於零(例如0.5 MV/m)之絕對場強。其中，根據光學元件1及偏振濾光片P之設計，無電場狀態可能意味著工作模式B2之存在。然而，亦可能在無電場狀態下存在包括子工作模式B1H或B1V中之一者的工作模式B1。
如此一來，當與影像再現單元配合作用時，此第二技術方案之可切換濾光片5允許在豎向或水平方向防窺保護與無防窺效果之間進行轉換(上/下保護(B1V)或左/右保護(B1H)與無防窺保護(B3))。
對於特殊應用，可切換濾光片5——無論採用上述哪種技術方案——皆可被分成數個可單獨切換的部段，從而在可能的工作狀態之間實現局部可轉換性。當與影像再現單元配合作用時，此將意味著，例如僅一部分影像區域可在防窺保護與可自由觀看之無防窺效果之間轉換，而與之互補的影像區域則一直處於防窺模式或不處於防窺模式。甚至可存在數個幾何上相互分離的此種部段，該些部段可單獨或共同地在工作模式之間轉換。
如前所述，上述可切換濾光片5可與影像再現單元組合成螢幕。此種螢幕可在至少一個第一工作狀態B1V及/或B3下工作以實現水平方向自由觀看模式，可在至少一個第二工作狀態B1H及/或B2下工作以實現水平方向限制性觀看模式，並且包括如前所述的、採用上述四種技術方案之一的可切換濾光片5以及自觀看者6角度看佈置於可切換濾光片5下游或上游之影像再現單元。
影像再現單元有利地對應於LCD面板，該LCD面板的一個偏振濾光片對應於偏振濾光片P。此可為LCD結構中之正面偏振器或背面偏振器。此外，可切換濾光片可有利地佈置在LCD面板與其背光燈之間，以便在用於自由觀看模式的第一工作狀態B3(或B1V)與用於限制性觀看模式的第二工作狀態B1H或B2之間轉換，因為由於可切換濾光片，背光燈的光在水平方向上一會兒聚焦(B2或B1H)，一會兒不聚焦(B3或B1V)。「聚焦」在此並非指按透鏡方式聚焦，而是指根據入射角縮小發射範圍或透射率。
此種螢幕有利地用於行動設備、汽車、飛機或船舶、支付終端或接入系統中。其中，可在上述工作模式之間進行轉換以保護敏感資料，即僅對一個觀看者進行可感知呈現，或者同時為數個觀看者呈現影像內容。
在上述光學元件中，進入並通過該光學元件的光根據其入射方向及偏振特性而被透射或者被部分或完全吸收。使用此種光學元件的可切換濾光片根據角度(可選擇垂直)影響光之透射，其中，在此可在至少兩種分別用於(就觀看者之視角範圍而言的)自由觀看模式及限制性觀看模式之工作狀態之間進行轉換。特別是，某些方向上的透射角度限制係為可轉換的。該光學元件或基於該光學元件之系統實現成本低，特別是可普遍用於不同類型之螢幕，以實現(至少存在於水平方向之)防窺保護與自由觀看模式之間的轉換，其中，此種螢幕之解析度原則上不會降低。
上述發明可有利地與影像再現裝置結合而普遍用於需要顯示及/或輸入機密資料的地方，如在自動取款機或支付終端上輸入PIN碼或顯示資料，或輸入密碼，或在行動設備上閱讀電子郵件。如上所述，本發明亦可用於乘用車，以便選擇性地為司機或乘客阻截干擾性影像內容。
1:第一光學元件 2:第二光學元件 3:液晶層 4:定向層 5:可切換濾光片 6:觀看者 7:光學各向異性層 A1～A5:區域 E1、E2:電極 EF2:第二電場 P:偏振濾光片 S:透明基板 S1～S3:層
下面將藉由實施例並參考所附圖式更詳細地解釋本發明，所附圖式同樣披露了本發明之重要特徵。此等實施例僅用於說明目的，不應解釋為限制性的。例如，對具有數個元件或組件之實施例的描述不應被解釋為此等元件或組件全部都是實施所必需的。相反，其他實施例亦可包含替代性的元件及組件、更少的元件或組件或者附加的元件或組件。不同實施例之元件或組件可相互組合，另有說明者除外。針對其中一個實施例所描述的修改與變化亦可應用於其他實施例。為了避免重複，不同圖式中的相同或相應元件以相同符號標示，並且不做多次解釋。其中：
圖1a為非切換式光學元件之原理簡圖，
圖1b為可切換光學元件處於第一狀態時之原理簡圖，
圖1c為圖1b中之可切換光學元件處於第二狀態時之原理簡圖，
圖2a為其他光學元件之原理簡圖，
圖2b為其他可切換光學元件處於第一位置時一個區段之原理簡圖，
圖2c為該其他可切換光學元件處於第二位置時一個區段之原理簡圖，
圖3為具有根據圖1b及圖1c以及圖2b及圖2c之可切換光學元件之結構的原理簡圖，
圖4為根據圖2a至圖2c之光學元件透過不同角度所測得的透射行為與先前技術中之薄片式濾光器的透射行為相比較之示例性視圖，
圖5為第三技術方案中具有偏振濾光片之可切換濾光片的原理簡圖，
圖6為第三技術方案中不具有偏振濾光片之可切換濾光片的原理簡圖，
圖7a至圖7c為基於根據圖6之可切換濾光片而影響光的簡圖，
圖8為第四技術方案中之可切換濾光片的原理簡圖，
圖9為第一技術方案中之可切換濾光片的原理簡圖，
圖10為第二技術方案中之可切換濾光片的原理簡圖，以及
圖11至圖15為用於說明光學元件之光學效果的光學模擬。
1:第一光學元件 E1、E2:電極 S:透明基板 S1～S3:層

Claims (15)

  1. 一種可切換濾光片(5)，包括：第一光學元件(1)，其包括第一層(S1)或者包括第一層(S1)及數個其他層(S2、…)，其中，每個層(S1、S2、…)皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料，其中，每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於該第一光學元件(1)可選擇的第一首選方向定向或圍繞該第一首選方向波動，從而使入射到該第一光學元件(1)中的光根據其相對於該等層(S1、S2、…)的入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收，偏振濾光片(P)，以該入射方向看，佈置於該第一光學元件(1)上游或下游，用於選擇性產生第一電場(EF1)或第二電場(EF2)之構件，佈置在該第一光學元件(1)與該偏振濾光片(P)之間的液晶層(3)，該第一電場(EF1)或該第二電場(EF2)作用於該液晶層，且該液晶層據此而對通過該液晶層之光的偏振狀態施加影響，使得在施加了該第一電場(EF1)且包括第一子工作模式B1H及第二子工作模式B1V之第一工作模式B1下，一方面，平行於該第一首選方向入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與該第一首選方向成30°以上角度入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在該第一子工作模式B1H下僅發生在第一方向上，在該第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於該第一方向之第二 方向上，在施加了該第二電場(EF2)且包括該第一子工作模式B1H及該第二子工作模式B1V之第二工作模式B2下，一方面，平行於該第一首選方向入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與該第一首選方向成30°以上角度入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在該第一子工作模式B1H下僅發生在該第二方向上，在該第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於該第一方向之該第二方向上，因此，就該第一工作模式B1及該第二工作模式B2而言，該等兩個子工作模式B1H、B1V之每一者的吸收方向各相差90°。
  2. 一種可切換濾光片(5)，包括：第一光學元件(1)，其包括第一層(S1)或者包括第一層(S1)及數個其他層(S2、…)，其中，每個層(S1、S2、…)皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料，其中，每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於該第一光學元件(1)可選擇的第一首選方向定向或圍繞該第一首選方向波動，從而使入射到該第一光學元件(1)中的光根據其相對於該等層(S1、S2、…)的入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收，其中，該等層(S1、S2、…)之每一者中的該等躍遷偶極矩可在該第一狀態與至少一個第二狀態之間改變其定向及/或其絕對值，以便能使相關的層(S1、S2、…)交替進入至少兩種不同的狀態，偏振濾光片(P)，佈置於該第一光學元件(1)上游或下游， 用於選擇性產生第一電場(EF1)或第二電場(EF2)之構件，其中，對於該第一光學元件(1)，該第一狀態係藉由施加該第一電場(EF1)而產生，該第二狀態係藉由施加該第二電場(EF2)而產生，使得在施加了該第一電場(EF1)且包括第一子工作模式B1H及第二子工作模式B1V並且該第一光學元件(1)之該等層(S1、S2、…)的該等躍遷偶極矩沿該第一首選方向定向之第一工作模式B1下，一方面，平行於該第一首選方向入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與該第一首選方向成30°以上角度入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在該第一子工作模式B1H下僅發生在第一方向上，在該第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於該第一方向之第二方向上，並且在施加了該第二電場(EF2)並且該第一光學元件(1)之該等層(S1、S2、…)的該等躍遷偶極矩平行於該偏振濾光片(P)之表面並垂直於該偏振濾光片(P)之透射方向定向的第二工作模式B3下，與該第一首選方向成任意角度入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有24%被透射。
  3. 一種可切換濾光片(5)，包括：第一光學元件(1)及第二光學元件(2)，其中，該等兩個光學元件中之每一者皆包括第一層(S1)或者包括第一層(S1)及數個其他層(S2、…)，其中，每個層(S1、S2、…)皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料，其中，每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於該第一光學元件(1)可選擇的第一首選方向及該第二光學元件(2)可選擇 的第二首選方向定向或圍繞該首選方向波動，從而使入射到該第一或第二光學元件(1、2)中的光根據其相對於該等層(S1、S2、…)的入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收，其中，該等躍遷偶極矩之該第一首選方向及該第二首選方向彼此相差少於40°，佈置在該第一光學元件(1)與該第二光學元件(2)之間的液晶層(3)，該液晶層根據作用於該液晶層的第一電場(EF1)或第二電場(EF2)，對通過該液晶層之光的偏振狀態施加影響，用於選擇性產生該第一電場(EF1)或該第二電場(EF2)之構件，選擇性地包括佈置在包括該等兩個光學元件(1、2)之單元上方或下方的偏振濾光片(P)，或者不包括偏振濾光片(P)，使得在存在該偏振濾光片(P)之情況下，在施加了該第一電場(EF1)且包括第一子工作模式B1H及第二子工作模式B1V之第一工作模式B1下，一方面，平行於該第一首選方向或該第二首選方向入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與相應首選方向成30°以上角度入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，此吸收在該第一子工作模式B1H下僅發生在第一方向上，在該第二子工作模式B1V下僅發生在垂直於該第一方向之第二方向上，其中，該第一方向或該第二方向與該偏振濾光片(P)之偏振方向垂直，或者在不存在該偏振濾光片(P)之情況下，在施加了該第一電場(EF1)之第一工作模式B1下，以任意角度入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有24%被透射， 並且無論是否存在該偏振濾光片(P)，在施加了該第二電場(EF2)的第二工作模式B2下，一方面，平行於該第一首選方向或該第二首選方向入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與相應首選方向成30°以上角度入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有85%被吸收。
  4. 一種可切換濾光片(5)，包括：第一光學元件(1)及第二光學元件(2)，其中，該等兩個光學元件中之每一者皆包括第一層(S1)或者包括第一層(S1)及數個其他層(S2、…)，其中，每個層(S1、S2、…)皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料，其中，每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於該第一光學元件(1)可選擇的第一首選方向及該第二光學元件(2)可選擇的第二首選方向定向或圍繞該首選方向波動，從而使入射到該第一或第二光學元件(1、2)中的光根據其相對於該等層(S1、S2、…)的入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收，其中，該等層(S1、S2、…)之每一者中的該等躍遷偶極矩可在該第一狀態與至少一個第二狀態之間改變其定向及/或其絕對值，以便使相關的層(S1、S2、…)交替進入至少兩種不同的狀態，用於選擇性產生第一電場(EF1)或第二電場(EF2)之構件，其中，對於該等兩個光學元件(1、2)中之每一者，該第一狀態係藉由施加該第一電場(EF1)而產生，該第二狀態係藉由施加該第二電場(EF2)而產生，佈置於該等兩個光學元件(1、2)之間的光學各向異性層(7)，其用於將 通過該光學各向異性層(7)之光的偏振方向旋轉90°，選擇性地包括佈置在包括該等兩個光學元件(1、2)之單元上方或下方的偏振濾光片(P)，或者不包括偏振濾光片(P)，使得在施加了該第一電場(EF1)的第一工作模式B1下，與該可切換濾光片(5)成任意角度入射到該可切換濾光片中的非偏振光至少有24%被透射，其中，在該第一工作模式B1下，該等兩個光學元件(1、2)之躍遷偶極矩相互垂直定向，並且若存在偏振濾光片(P)，則該偏振濾光片(P)之偏振濾光片躍遷偶極子元件與最靠近該偏振濾光片(P)之可切換光學元件(1、2)的躍遷偶極矩平行定向，並且在施加了該第二電場(EF2)的第二工作模式B2下，一方面，平行於該第一首選方向或該第二首選方向入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有24%被透射，另一方面，與相應首選方向成30°以上角度入射到該可切換濾光片(5)中的非偏振光至少有85%被吸收，其中，在該工作模式B2下，可能存在之該偏振濾光片(P)的躍遷偶極矩及最靠近該偏振濾光片(P)之可切換光學元件(1、2)的躍遷偶極矩相互垂直定向，並且該等兩個光學元件(1、2)的躍遷偶極矩總是相互平行定向。
  5. 如請求項1或3之可切換濾光片(5)，其中，在該液晶層(3)上游及/或下游設有至少一個偏振補償層。
  6. 如請求項1至4中任一項之可切換濾光片(5)，其中，該等首選方向分別與該第一層(S1)之表面法線成介於0°與45°之間的角度。
  7. 如請求項1至4中任一項之可切換濾光片(5)，其中，該可切換濾光片(5)被分成數個可單獨切換的部段，從而在可能的工作狀態之 間實現局部可轉換性。
  8. 如請求項1、2之可切換濾光片(5)，其中，該第一光學元件(1)之該等層(S1、S2、…)中的每一者在結構上皆被建構為非週期性的。
  9. 如請求項3、4之可切換濾光片(5)，其中，該第一光學元件(1)及該第二光學元件(2)之該等層(S1、S2、…)中的每一者在結構上皆被建構為非週期性的。
  10. 一種螢幕，包括請求項1至9中任一項之可切換濾光片(5)以及自觀看者角度看，佈置於該可切換濾光片(5)下游或上游之影像再現單元。
  11. 一種用於螢幕之照明裝置，可在至少兩種工作模式下工作，即用於自由觀看模式之工作模式B1及用於限制性觀看模式之工作模式B2，包括：呈平面狀延展之背光燈，該背光燈包含一光學元件並發射光，該光學元件包括：第一層(S1)或者第一層(S1)及數個其他層(S2、…)，其中，每個層(S1、S2、…)皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料，其中，每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於可選擇的首選方向定向或圍繞該首選方向波動，從而使入射到該光學元件中的光根據其相對於該等層(S1、S2、…)的入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收，沿觀看方向設於該背光燈前面的板狀導光體，該導光體在該等大表面中之至少一者上及/或在其體積內具有輸出耦合元件，其中，該背光燈所發出的光至少有40%可穿透該導光體， 側向佈置在該導光體之至少一個窄邊上的發光構件，沿觀看方向佈置於該背光燈前面或該導光體前面的線性偏振濾光片，如此一來，自該背光燈發出並通過該偏振濾光片的光在其傳播方向上受到限制，其中，在該工作模式B2下，該背光燈打開，且該等發光構件關閉，而在該工作模式B1下，至少該等發光構件打開。
  12. 如請求項11之照明裝置，其中，該背光燈所發出的光至少有70%可穿透該導光體。
  13. 一種螢幕，可在至少兩種工作模式下工作，即用於自由觀看模式之工作模式B1及用於限制性觀看模式之工作模式B2，包括：呈平面狀延展之背光燈，該背光燈包含一光學元件並發射光，該光學元件包括：第一層(S1)或者第一層(S1)及數個其他層(S2、…)，其中，每個層(S1、S2、…)皆包括具有數個吸光躍遷偶極矩的材料，其中，每個躍遷偶極矩至少在第一狀態下以最大為10°之公差平行於可選擇的首選方向定向或圍繞該首選方向波動，從而使入射到該光學元件中的光根據其相對於該等層(S1、S2、…)的入射方向及其偏振狀態而被透射或至少被部分吸收，沿觀看方向設於該背光燈前面的板狀導光體，該導光體在該等大表面中之至少一者上及/或在其體積內具有輸出耦合元件，其中，該背光燈所發出的光至少有40%可穿透該導光體，側向佈置在該導光體之至少一個窄邊上的發光構件，沿觀看方向佈置於該背光燈前面或該導光體前面的線性偏振濾光片， 如此一來，自該背光燈發出並通過該偏振濾光片的光在其傳播方向上受到限制，沿觀看方向佈置於該導光體前面的透射式影像再現裝置，該線性偏振濾光片佈置在該影像再現裝置中，其中，在該工作模式B2下，該背光燈打開，且該等發光構件關閉，而在該工作模式B1下，至少該等發光構件打開。
  14. 如請求項13之螢幕，其中，該背光燈所發出的光至少有70%可穿透該導光體。
  15. 如請求項13或14之螢幕，其中，該線性偏振濾光片佈置在該影像再現裝置中或者為該影像再現裝置的一部分。
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