DE102019006022B3 - Optical element with variable transmission and screen with such an optical element - Google Patents

Optical element with variable transmission and screen with such an optical element Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element, umfassend, ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat (S) mit einer als Lichteintrittsfläche (3) ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche (4) zweiten ausgebildeten Großfläche, eine Vielzahl von in das Substrat (S) eingebetteten, lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern (R) mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, wobei die Schmalseiten im Bereich der Großflächen angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden, eine Flüssigkeit (F), mit der die Fluidkammern (R) gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit (F) bis zu 20 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel (P) enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren, flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern (R) im Substrat (S) ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel (2), welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Fluidkammern (R) wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel (P) in der Flüssigkeit (F) bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln (P) absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche (3) in das Substrat (S) eintritt, dass es auf die Fluidkammern (R) trifft, ändert. Die Erfindung betrifft ferner einen Bildschirm, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend ein erfindungsgemäßes optisches Element und eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nachgeordnete Bildwiedergabeeinheit.The invention relates to an optical element comprising a substantially plate - shaped substrate (S) with a first large area designed as a light entry area (3) and a second large area designed as a light exit area (4), a plurality of lamellar embedded in the substrate (S) formed fluid chambers (R) with long and narrow sides, which extend between the first large area and the second large area, the narrow sides being arranged in the region of the large areas and connecting the long sides, a liquid (F) with which the fluid chambers (R ) are filled, the liquid (F) containing up to 20 percent by volume of electrophoretically or magnetophoretically movable particles (P), which absorb light of one or more wavelengths or wavelength ranges, flat on one or more sides of the fluid chambers (R) in the substrate (S) trained electromagnetic switching means (2), which in an on State generate an effective electromagnetic field in the fluid chambers (R), whereby the particles (P) are moved in the liquid (F), so that there is an angle-dependent transmission of the optical element for light of the wavelengths or wavelength ranges emitted by the particles (P ) are absorbed, which enters the substrate (S) at such angles via the light entry surface (3) that it meets the fluid chambers (R). The invention further relates to a screen which can be operated in a first operating state B1 for a free viewing mode and in a second operating state B2 for a restricted viewing mode, comprising an optical element according to the invention and an image display unit arranged downstream of the optical element when viewed by a viewer.

Description

Gebiet der ErfindungField of the Invention

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte zur Verbreiterung des Sehwinkels bei LCDs erzielt. Allerdings gibt es oft Situationen, in denen dieser sehr große Sehbereich eines Bildschirms von Nachteil sein kann. Zunehmend werden auch Informationen auf mobilen Geräten wie Notebooks und Tablet-PCs verfügbar, wie Bankdaten oder andere, persönliche Angaben, und sensible Daten. Dem entsprechend brauchen die Menschen eine Kontrolle darüber, wer diese sensiblen Daten sehen darf; sie müssen wählen können zwischen einem weiten Betrachtungswinkel, 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, wenn sie die Bildinformationen vertraulich behandeln wollen.
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 selbige jedoch auch während der Fahrt konsumieren möchte. Mithin wird ein Bildschirm benötigt, der zwischen den entsprechenden Darstellungsmodi umschalten kann.
Much progress has been made in recent years to broaden the viewing angle of LCDs. However, there are often situations in which this very large viewing area of a screen can be disadvantageous. Information on mobile devices such as notebooks and tablet PCs is becoming increasingly available, such as bank data or other personal information, and sensitive data. Accordingly, people need control over who can see this sensitive data; you have to be able to choose between a wide viewing angle in order to share information on your display with others, for example when viewing vacation photos or for advertising purposes. On the other hand, they need a small viewing angle if they want to keep the image information confidential.
A similar problem arises in vehicle construction: There, the driver must not be distracted by image content, such as digital entertainment programs, when the engine is on, but the passenger also wants to consume the same while driving. A screen is therefore required which can switch between the corresponding display modes.

Stand der TechnikState of the art

Zusatzfolien, die auf Mikro-Lamellen basieren, wurden bereits für mobile Displays eingesetzt, um deren visuellen Datenschutz zu erreichen. Allerdings waren diese Folien nicht (um)schaltbar, sie mussten immer erst per Hand aufgelegt und danach wieder entfernt werden. Auch muss man sie separat zum Display transportieren, wenn man sie nicht gerade braucht. Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes solcher Lamellen-Folien ist ferner mit den einhergehenden Lichtverlusten verbunden.Additional films based on micro-slats have already been used for mobile displays in order to achieve their visual data protection. However, these foils could not be (switched), they always had to be put on by hand and then removed again. You also have to transport them separately to the display when you don't need them. A major disadvantage of using such lamella films is also associated with the associated loss of light.

Die US 6,765,550 A 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.The US 6,765,550 A describes such a privacy screen with micro-slats. The main disadvantage here is the mechanical removal or mechanical attachment of the filter and the loss of light in protected mode.

In der US 5,993,940 A wird der Einsatz einer Folie beschrieben, die auf ihrer Oberfläche gleichmäßig angeordnete, kleine Prismenstreifen hat, um einen Privacy-Modus zu erzielen. Entwicklung und Herstellung sind recht aufwändig.In the US 5,993,940 A describes the use of a film that has evenly arranged, small prism strips on its surface in order to achieve a privacy mode. Development and production are quite complex.

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 Aufwand ist recht hoch.In the WO 2012/033583 A1 the switch between free and restricted view is generated by controlling liquid crystals between so-called "chromonic" layers. This causes a loss of light and the effort is quite high.

Die US 2012/0235891 A1 beschreibt ein sehr aufwändiges Backlight in einem Bildschirm. Dort kommen gemäß 1 und 15 nicht nur mehrere Lichtleiter zum Einsatz, sondern auch weitere komplexe optische Elemente wie etwa Mikrolinsenelemente 40 und Prismenstrukturen 50, die das Licht von der hinteren Beleuchtung auf dem Weg zur vorderen Beleuchtung umformen. Dies ist teuer und aufwändig umzusetzen und ebenso mit Lichtverlust verbunden. Gemäß der Variante nach 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 aufwändig in Licht mit einem großen Beleuchtungswinkel, umgewandelt wird. Diese komplexe Umwandlung ist - wie weiter oben schon bemerkt - stark helligkeitsmindernd.The US 2012/0235891 A1 describes a very complex backlight in one screen. According to come there 1 and 15 not only several light guides are used, but also other complex optical elements such as microlens elements 40 and prism structures 50 that reshape the light from the rear lights on the way to the front lights. This is expensive and complex to implement and also involves loss of light. According to the variant 17th in the US 2012/0235891 A1 produce both light sources 4R and 18th Light with a narrow angle of illumination, the light from the rear light source 18th is only elaborately converted into light with a large lighting angle. As already noted above, this complex conversion greatly reduces brightness.

Gemäß der JP 2007-155783 A werden spezielle, aufwändig 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.According to the JP 2007-155783 A become special, difficult to calculate and manufacture optical surfaces 19th used, which then deflect light into different narrow or wide areas depending on the angle of incidence. These structures are similar to Fresnel lenses. There are also interference edges that deflect light in undesired directions. So it remains unclear whether really meaningful light distributions can be achieved.

In der US Schrift 2013/0308185 A1 wird ein spezieller, mit Stufen ausgebildeter Lichtleiter beschrieben, der Licht auf einer Großfläche in verschiedene Richtungen abstrahlt, je nachdem, aus welcher Richtung er von einer Schmalseite aus beleuchtet wird. Im Zusammenspiel mit einem transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung, z.B. einem LC-Display, kann somit ein zwischen freiem und eingeschränktem Sichtmodus schaltbarer Bildschirm erzeugt werden. Nachteilig ist hierbei u.a., dass der eingeschränkte Sichteffekt entweder nur für links/rechts oder aber für oben/unten, nicht aber für links/rechts/oben/unten gleichzeitig erzeugt werden kann, wie es etwa für bestimmte Zahlungsvorgänge nötig ist. Hinzu kommt, dass auch im eingeschränkten Sichtmodus aus geblockten Einsichtwinkeln immer noch ein Restlicht sichtbar ist.US Pat. No. 2013/0308185 A1 describes a special light guide formed with steps, which emits light on a large area in different directions, depending on the direction from which it is illuminated from a narrow side. In interaction with a transmissive image display device, e.g. an LC display, a screen that can be switched between free and restricted viewing mode can be generated. One disadvantage of this is that the limited viewing effect can only be generated for left / right or for top / bottom, but not for left / right / top / bottom, as is necessary for certain payment transactions. In addition, even in restricted viewing mode, residual light is still visible from blocked viewing angles.

Die Schrift WO 2017/097975 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm mit zwei Betriebsmodi, der zur Änderung der winkelabhängigen Transmission in Mikrolamellen angeordnete Streupartikel benutzt. Hiermit ist es zwar möglich, richtungsabhängig einen Bildinhalt zu überblenden, um einen Sichtschutz zu erzielen. Hingegen ist es mit diesem Bildschirm nicht möglich, richtungsabhängig die Transmission zu variieren.The font WO 2017/097975 A1 the applicant describes a screen with two operating modes, which uses scattering particles arranged in microlamellae to change the angle-dependent transmission. With this it is possible, depending on the direction, to blend a picture content in order to achieve a privacy screen. On the other hand, it is not possible with this screen to vary the transmission depending on the direction.

Aus der US 8,130,441 B2 und der US 9,740,075 B2 sind elektrophoretische Modulatoren bekannt. Hierbei werden jeweils elektrophoretische Partikel in elektrophoretischen Fluidkammern zur Änderung der Reflexionsrichtung benutzt. Eine winkelabhängige Transmission ist hiermit jedoch nicht erzielbar. From the US 8,130,441 B2 and the US 9,740,075 B2 electrophoretic modulators are known. Electrophoretic particles in electrophoretic fluid chambers are used to change the direction of reflection. However, an angle-dependent transmission cannot be achieved with this.

Die US 9,229,261 B2 beschreibt optische Mittel, die der Beeinflussung der winkelabhängigen Transmission dienen. Dabei kommt insbesondere die Umschaltung zwischen streuenden und transmittierenden Lamellen zum Tragen. Eine echte Beeinflussung der absoluten Transmission ist damit nicht möglich. Vielmehr wird für bestimmte Richtungen die Stärke der Streuung geregelt.The US 9,229,261 B2 describes optical means that influence the angle-dependent transmission. The switch between scattering and transmitting slats is particularly important. A real influence on the absolute transmission is therefore not possible. Rather, the strength of the scatter is regulated for certain directions.

Weiterhin offenbart die US 2007/0084549 A1 die Herstellung eines passiven Sichtschutzfilms. Dieser ist nicht geeignet, aktiv mehrere Modi für die Darstellung umzuschalten; er erlaubt also nicht die Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus.Furthermore, the US 2007/0084549 A1 the production of a passive privacy film. This is not suitable for actively switching over several modes for the display; it therefore does not allow switching between a privacy screen and a free viewing mode.

In der DE 10 2015 012 271 A1 offenbart die Anmelderin ein Verfahren zum Betreiben eines Bildschirms in mindestens zwei Betriebsarten B1 für einen freien Sichtmodus und B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus, wobei die Umschaltung mittels Brechzahländerung an definierten Flächen stattfindet. Eine Beeinflussung des absoluten Transmissionsgrades ist damit nicht möglich. Vielmehr wird für bestimmte Richtungen die Stärke der Streuung geregelt.In the DE 10 2015 012 271 A1 the applicant discloses a method for operating a screen in at least two operating modes B1 for a free viewing mode and B2 for a restricted viewing mode, the changeover taking place by changing the refractive index on defined areas. It is not possible to influence the absolute transmittance. Rather, the strength of the scatter is regulated for certain directions.

Die WO2015/121398 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm der eingangs beschriebenen Art. Dort sind für die Umschaltung der Betriebsarten essentiell Streupartikel im Volumen des entsprechenden Lichtleiters vorhanden. 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.The WO2015 / 121398 A1 the applicant describes a screen of the type described in the introduction. There are scattering particles in the volume of the corresponding light guide which are essential for switching the operating modes. However, the scattering particles made of a polymer selected there generally have the disadvantage that light is coupled out from both large areas, as a result of which approximately half of the useful light is emitted in the wrong direction, namely towards the backlight, and there is not sufficient there due to the structure can be recycled. In addition, the scattering particles of polymer distributed in the volume of the light guide can, under certain circumstances, in particular at higher concentrations, lead to scattering effects which reduce the visual protection effect in the protected operating mode.

Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und/oder ein aufwändiges und teures optisches Element zur Modi-Umschaltung benötigen und/oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren.The above-mentioned 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 switching modes and / or reduce the resolution in the freely viewable mode.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu beschreiben, welches die Transmission winkelabhängig (optional senkrecht) beeinflussen kann, und welches zwischen mindestens zwei Betriebzuständen umschalten kann. Das optische Element soll preiswet umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sein, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt werden soll.It is therefore an object of the invention to describe an optical element which can influence the transmission as a function of the angle (optionally vertically) and which can switch between at least two operating states. The optical element should be inexpensive to implement and, in particular, be universally usable with different types of screens in order to enable a switchover between a privacy screen and a free viewing mode, the resolution of such a screen should essentially not be reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem optisches Element, umfassend,

  • - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche,
  • - eine Vielzahl von in das Substrat eingebetteten, lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, wobei die Schmalseiten im Bereich der Großflächen angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden,
  • - eine Flüssigkeit F, mit der die Fluidkammern gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit bis zu 20 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
  • - flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern im Substrat ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Fluidkammern wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel in der Flüssigkeit bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche in das Substrat eintritt, dass es auf die Fluidkammern trifft, ändert.
According to the invention, this object is achieved by an optical element comprising
  • an essentially plate-shaped substrate with a first large area designed as a light entry area and a second large area designed as a light exit area,
  • a plurality of lamellar-shaped fluid chambers embedded in the substrate and having longitudinal and narrow sides, which extend between the first large area and the second large area, the narrow sides being arranged in the region of the large areas and connecting the long sides,
  • a liquid F with which the fluid chambers are filled, the liquid containing up to 20 percent by volume of electrophoretically or magnetophoretically movable particles which absorb light of one or more wavelengths or wavelength ranges,
  • - Flat-shaped on one or more sides of the fluid chambers in the substrate formed electromagnetic switching means, which generate an effective electromagnetic field in the fluid chambers in an activated state, whereby the particles are moved in the liquid, so that an angle-dependent transmission of the optical element for light Wavelengths or wavelength ranges which are absorbed by the particles and which enter the substrate at such angles via the light entry surface that they strike the fluid chambers changes.

Die erste und die zweite Großfläche des plattenförmigen Substrates sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Sie können jedoch in besonderen Ausgestaltungen, etwa wenn besondere winkelabhängige Transmissionen des optischen Elements erreicht werden sollen, auch nicht-parallel, z.B. keilförmig in einem definierten Winkel von bis zu 20 Grad zueinander angeordnet sein.The first and the second large area of the plate-shaped substrate are preferably arranged parallel to one another. However, in special configurations, for example if particular angle-dependent transmissions of the optical element are to be achieved, they can also be non-parallel, e.g. be arranged in a wedge shape at a defined angle of up to 20 degrees to one another.

Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche des plattenförmiges Substrat befindet sich in der Regel aus Betrachtersicht auf der Rückseite des Substrates und grenzt je nach Anwendungsfall des optischen Elements beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung, eine Lichtquelle oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche in das Substrat ein. The first large area of the plate-shaped substrate, which is designed as a light entry surface, is generally located on the back of the substrate from the viewer's perspective and, depending on the application of the optical element, borders, for example, an image display device, a light source or an air volume. From the latter objects, light then enters the substrate through said light entry surface.

Die lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, können beispielsweise in parallel zu den Großflächen ausgerichtet sein und eine Quaderform aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass es sich um eine trapezförmige oder gekrümmte -wie etwa bogenförmige- Schmalseiten handelt.
Im Falle der (nicht-würfelförmigen) Quaderform sind die Schmalseiten dann die länglichen Seiten, welche einen kleineren Flächeninhalt aufweisen, also die Längsseiten, welche wiederum in der Regel den größten Flächeninhalt aller sechs Oberflächen einer Fluidkammer aufweisen. Typischerweise sind die Schmalseiten parallel oder -bis auf einen weiter unten noch beschriebenen Verkippungswinkel- parallel zu den Großflächen des Substrates angeordnet, während die Längsseiten senkrecht oder -bis auf einen weiter unten noch beschriebenen Verkippungswinkel- senkrecht zu den zu den Großflächen des Substrates angeordnet sind.
Demgegenüber sind die verbleibenden Stirnseiten diejenigen beiden Oberflächen, welche keine Schmalseiten und keine Längsseiten verkörpern.
The lamellar fluid chambers with longitudinal and narrow sides, which extend between the first large area and the second large area, can for example be aligned parallel to the large areas and have a cuboid shape. However, it is also possible for the sides to be trapezoidal or curved, such as curved, to be narrow.
In the case of the (non-cube-shaped) cuboid shape, the narrow sides are then the elongated sides which have a smaller area, that is to say the long sides, which in turn generally have the largest area of all six surfaces of a fluid chamber. Typically, the narrow sides are arranged parallel or — up to a tilt angle described further below — parallel to the large areas of the substrate, while the long sides are arranged perpendicularly — or up to a tilt angle described below — perpendicular to the large areas of the substrate.
In contrast, the remaining end faces are those two surfaces that do not embody any narrow sides and no long sides.

Es ist explizit auch möglich, dass die Fluidkammern zumindest teilweise an einer oder beiden Großflächen des Substrates herausragen.It is also explicitly possible for the fluid chambers to protrude at least partially from one or both large areas of the substrate.

Die eine oder mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbaren Partikel Licht absorbieren, liegen bevorzugt im sichtbaren Spektrum und decken dieses besonders bevorzugt im Wesentlichen komplett ab. Sie können aber für besondere Zwecke auch außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen, etwa wenn UV- bzw. IR-Licht beeinflusst werden soll, z.B. für Zwecke der Messtechnik.The one or more wavelengths or wavelength ranges in which the electrophoretically or magnetophoretically movable particles absorb light are preferably in the visible spectrum and particularly preferably cover them completely. However, they can also lie outside the visible spectrum for special purposes, e.g. if UV or IR light is to be influenced, e.g. for purposes of measurement technology.

Die flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern im Substrat ausgebildeten elektromagnetischen Schaltmittel sind beispielsweise an den Schmalseiten der jeweiligen Fluidkammern angeordnet.The electromagnetic switching means embodied in the form of a surface on one or more sides of the fluid chambers in the substrate are arranged, for example, on the narrow sides of the respective fluid chambers.

Bei den Partikeln handelt es sich beispielsweise um Nano-Partikel, Quanten-Punkte und/ oder Farbstoffe. Diese weisen eine räumliche Ausdehnung von maximal 100 nm, bevorzugt von maximal 50 nm, besonders bevorzugt von maximal 20 nm auf.
Mit räumlicher Ausdehnung ist hier die maximale Ausdehnung im dreidimensionalen Raum oder aber der hydrodynamische Radius gemeint, je nach dem , was größer ist.
The particles are, for example, nano-particles, quantum dots and / or dyes. These have a spatial extent of at most 100 nm, preferably of at most 50 nm, particularly preferably of at most 20 nm.
Spatial expansion here means the maximum expansion in three-dimensional space or the hydrodynamic radius, whichever is larger.

Bei kugelförmigen Partikeln ist das also der Durchmesser. Bei schnurförmigen Partikeln ist das der größtmögliche Abstand, den zwei Punkte auf der Oberfläche des Partikels jeweils voneinander aufweisen können.In the case of spherical particles, this is the diameter. In the case of cord-shaped particles, this is the largest possible distance that two points on the surface of the particle can have from each other.

Die Flüssigkeit kann polar oder unpolar sein. Sie kann ferner zum Beispiel aus Wasser, Öl, Toluol oder Formaldehyd bestehen, auch versetzt mit einem 10 Vol.-%igen Ferrofluid und/oder Elektrolyten.The liquid can be polar or non-polar. It can also consist, for example, of water, oil, toluene or formaldehyde, also mixed with a 10% by volume ferrofluid and / or electrolyte.

Ferner sind entweder die Partikel elektrisch geladen und die elektromagnetischen Schaltmittel als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet, oder die Partikel sind magnetisch und die elektromagnetischen Schaltmittel sind als elektromagnetische Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet, so dass sich die elektromagnetischen Partikel im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit bewegen. Die entsprechenden elektrischen Feldlinien würden dann beispielweise in der Mitte einer Fluidkammer parallel ausgebildet sein und am Rande eher Abweichungen von der Parallelität zeigen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch ebenso möglich.
Führende physikalische Effekte für die Bewegung der Partikel beim Anliegen eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere eines statischen Feldes, sind demnach die (Di-)Elektrophorese oder die Magnetophorese.
Für den Fall, dass kein elektrisches bzw. kein magnetisches Feld anliegt, bewegen sich die Partikel insbesondere aufgrund von Diffusion in den Fluidkammern und breiten sich somit über die Zeit homogen aus. Bei Partikeln, die nicht größer als 50 nm sind, spielt die Schwerkraft keine Rolle; diese sedimentieren nicht also.
Furthermore, either the particles are electrically charged and the electromagnetic switching means are designed as electrodes for generating a static or dynamic electrical field, or the particles are magnetic and the electromagnetic switching means are designed as electromagnetic layers for generating a static or dynamic magnetic field, so that the electromagnetic Move particles in the electrical or magnetic field in the liquid. The corresponding electric field lines would then be formed in parallel in the middle of a fluid chamber, for example, and would rather show deviations from parallelism at the edge. However, other configurations are also possible.
Leading physical effects for the movement of the particles when an electromagnetic field is applied, in particular a static field, are accordingly (di) electrophoresis or magnetophoresis.
In the event that there is no electrical or magnetic field, the particles move in particular due to diffusion in the fluid chambers and thus spread homogeneously over time. For particles that are no larger than 50 nm, gravity does not matter; they do not sediment.

Mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung sind mindestens zwei Betriebszustände definiert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei mehr als 50% und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% liegt. Dies gilt in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen Fluidkammern. Die Längsausdehnung ist hier definiert mit der Verbindungsgeraden der Flächenmittelpunkte der beiden Stirnseiten einer jeden Fluidkammer.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausgestaltung gilt, dass im ersten Betriebszustand B1 mehr als 70% der Partikel jeweils in Bereichen an den Seiten der Fluidkammern lokalisiert sind, an denen die elektromagnetischen Schaltmittel ausgebildet sind, und in dem zweiten Betriebszustand B2, bei welchem die Schaltmittel so konfiguriert sind, dass kein statisches elektromagnetisches Feld oder aber eine wechselndes elektromagnetisches Feld vorliegt, mehr als 50% der Partikel (primär aufgrund von Diffusion und/oder des wechselnden elektromagnetischen Feldes) überwiegend gleichmäßig in den Fluidkammern verteilt sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt. Dies gilt wiederum in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen Fluidkammern.
Mit anderen Worten: die verschiedenen Betriebszustände B1, B2, .. unterscheiden sich insbesondere dadurch, dass die jeweils lokale Konzentration und Lokalisation der Partikel in den Fluidkammern verändert wird, um die Transmissionseigenschaften aufgrund der Absorption durch die Partikel zu verändern.
At least two operating states are defined by means of the electromagnetic switching means and a control circuit, in a first operating state B1 the angle-dependent transmission at more than 50% and in a second operating state B2 is less than 50%. This applies in an angular range of more than 30 ° (this angle can also be varied, for example 10 °, 20 ° or 25 °) in relation to a surface normal of the second large surface of the substrate and measured in a direction perpendicular to a longitudinal extension of the lamellar fluid chambers. The longitudinal extent is defined here with the connecting straight line Center points of the two faces of each fluid chamber.
In a preferred development of this embodiment, it applies that in the first operating state B1 more than 70% of the particles are each located in areas on the sides of the fluid chambers on which the electromagnetic switching means are formed and in the second operating state B2 , in which the switching means are configured so that there is no static electromagnetic field or a changing electromagnetic field, more than 50% of the particles (primarily due to diffusion and / or the changing electromagnetic field) are predominantly evenly distributed in the fluid chambers, so that the angle-dependent transmission in the first operating state B1 more than 60% and in the second operating state B2 is less than 5%. This again applies in an angular range of more than 30 ° (this angle can also be varied, for example 10 °, 20 ° or 25 °) based on a surface normal of the second large area of the substrate and measured in a direction perpendicular to a longitudinal extension of the lamellar fluid chambers .
In other words: the different operating states B1 , B2 , .. differ in particular in that the respective local concentration and localization of the particles in the fluid chambers is changed in order to change the transmission properties due to the absorption by the particles.

Vorteilhaft sind die elektromagnetischen Schaltmittel für senkrecht über die Lichteintrittsfläche in das Substrat in dieses einfallendes Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50% transparent.The electromagnetic switching means are advantageously at least 50% transparent for light incident in the substrate in the visible wavelength range perpendicularly via the light entry surface into the substrate.

Die elektromagnetischen Schaltmittel (wie auch die Fluidkammern) können weiterhin in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand B1 und dem zweiten Betriebszustand B2 ermöglicht wird. Mit lokaler Umschaltbarkeit ist hierbei gemeint, dass nicht in allen Fluidkammern gleichzeitig der Betriebszustand zwischen B1 und B2 gewechselt wird, sondern dass vielmehr auf dem optischen Element gleichzeitig Bereiche mit beiden Betriebszuständen B1 und B2 vorliegen. Dies ist vorteilhaft, etwa wenn bei Nutzung des optischen Elements vor einem Bildschirm aus einem Blickwinkel von über 30 Grad zur Seite Teile des dargestellten Bildinhaltes sichtbar und andere nicht sichtbar sein sollen.The electromagnetic switching means (as well as the fluid chambers) can further be divided into several, separately switchable segments, so that local switchability between the first operating state B1 and the second operating state B2 is made possible. Local switchability here means that the operating state between is not simultaneously in all fluid chambers B1 and B2 is changed, but rather that areas with both operating states are simultaneously on the optical element B1 and B2 are available. This is advantageous if, for example, when using the optical element in front of a screen from a viewing angle of over 30 degrees to the side, parts of the displayed image content are to be visible and others are not to be visible.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Flüssigkeit mehrere Arten von Partikeln vorhanden, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder ihren Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden. Mit „Transporteigenschaften“ ist insbesondere das Verhalten der Partikel bei der jeweiligen Phorese (Transport im Feld) gemeint.
Diese Variante kommt insbesondere im Falle von Nanopartikeln zum Tragen: der Unterschied der Partikelarten besteht hierbei z.B. in der Partikelgröße und/oder der Oberflächenfunktion, d.h. im Zeta-Potential.
Im Falle der Verwendung von Quanten-Punkten oder Farbstoffen als Partikel und wenn diese fluoreszierend sind, kommt bevorzugt noch ein sogenanntes „Quencher“-Material zum Einsatz, um eben die Fluoreszenz zu vermeiden.
In a further advantageous embodiment, the liquid contains several types of particles which differ in their absorption properties and / or their transport properties in the electromagnetic field. “Transport properties” means in particular the behavior of the particles during the respective phoresis (transport in the field).
This variant is particularly important in the case of nanoparticles: the difference between the particle types is, for example, the particle size and / or the surface function, ie the zeta potential.
If quantum dots or dyes are used as particles and if these are fluorescent, a so-called “quencher” material is preferably used in order to avoid fluorescence.

Die Fluidkammern können entweder parallel oder gitterförmig mit sich kreuzenden Bereichen zueinander ausgerichtet sein. Entsprechend gestalten sich dann die winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des optischen Elements gegenüber einer oder zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen.The fluid chambers can be aligned either parallel or lattice-like with intersecting areas. The angle-dependent transmission properties of the optical element with respect to one or two planes perpendicular to one another are then designed accordingly.

Im Regelfall werden die Fluidkammern (insbesondere deren Längseiten) jeweils im Wesentlichen parallel zur Mittelsenkrechten auf das Substrat S ausgerichtet sein. Demgegenüber ist es aber auch möglich, dass die Fluidkammern gegenüber der Mittelsenkrechten auf das Substrat in einem Winkelbereich („Verkippungswinkel“) von -10° bis +10°, gegebenenfalls sogar zwischen -30° und +30°, geneigt sind. Auch diese Ausgestaltung nimmt Einfluss auf die Winkelabhängigkeit der Transmission des optischen Elements, insbesondere im Betriebszustand B2. Durch den genannten Neigungswinkel wird die durch die Partikelabsorption und die Partikelpositionen innerhalb der Fluidkammern begründete winkelabhängige Absorption um einen festen Offset-Winkel gekippt, etwa wenn eine geringe Transmission in einem besonders steilen Winkel gewünscht ist.As a rule, the fluid chambers (in particular their longitudinal sides) are each aligned essentially parallel to the perpendicular to the substrate S. In contrast, however, it is also possible for the fluid chambers to be inclined relative to the perpendicular to the substrate in an angular range (“tilt angle”) of -10 ° to + 10 °, possibly even between -30 ° and + 30 °. This configuration also influences the angular dependence of the transmission of the optical element, in particular in the operating state B2 . Due to the angle of inclination mentioned, the angle-dependent absorption based on the particle absorption and the particle positions within the fluid chambers is tilted by a fixed offset angle, for example if a low transmission at a particularly steep angle is desired.

Beispielhaft können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammern, in einer Ebene PL1 parallel zur Hauptausbreitungsrichtung des Substrates zwischen 2µm und 30µm breit (Abstand Längsseite zu Längsseite einer Fluidkammer) und jeweils minimal 10µm und maximal 150µm voneinander beabstandet (Abstand Längsseite zu nächstbenachbarter Längsseite der nächstbenachbarten Fluidkammer) sein.As an example, the lamellar fluid chambers, in a plane PL1 parallel to the main direction of propagation of the substrate, can be between 2µm and 30µm wide (distance from long side to long side of a fluid chamber) and in each case a minimum of 10µm and a maximum of 150µm from each other (distance from long side to the next adjacent long side of the next neighboring fluid chamber).

Schließlich können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammern eine Höhe (Abstand Schmalseite zu Schmalseite) von minimal 10µm und maximal 300µm aufweisen, gemessen in einer Ebene PL2 senkrecht zur Ebene PL1.
Abweichungen von diesen typischen Maßen sind jedoch möglich und liegen ebenso im Rahmen der Erfindung.
Finally, the lamellar-shaped fluid chambers can have a height (distance narrow side to narrow side) of at least 10 µm and maximum 300 µm, measured in one plane PL2 perpendicular to the plane PL1 .
However, deviations from these typical dimensions are possible and are also within the scope of the invention.

Weiterhin beinhaltet die Erfindung auch noch einen Bildschirm, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend

  • - ein erfindungsgemäßes optisches Element, und
  • - eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nachgeordnete Bildwiedergabeeinheit.
Bei der Bildwiedergabeeinheit handelt es sich beispielsweise um ein OLED, ein LCD-Display, ein SED-Display, ein FED-Display, in micro-LED-Display oder ein VFD Display. Da das optische Element unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.Furthermore, the invention also includes a screen that is in a first operating state B1 for a free viewing mode and in a second operating state B2 can be operated for a restricted viewing mode, comprehensively
  • - an optical element according to the invention, and
  • an image display unit arranged downstream of the optical element when viewed by a viewer.
The image display unit is, for example, an OLED, an LCD display, an SED display, an FED display, a micro-LED display or a VFD display. Since the optical element is effective regardless of the type of image display unit, any other type of screen can also be used.

Ferner ist es beispielsweise möglich, das erfindungsgemäße optische Element in einer Bildwiedergabeeinheit, die über eine Hintergrundbeleuchtung verfügt, wie beispielsweise in einem LCD-Bildschirm, zu verwenden. Hier würde dann vorteilhaft das optische Element zwischen dem Bildwiedergabe-Panel (also dem LCD-Panel) und der Hintergrundbeleuchtung angeordnet sein, um zwischen einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus umzuschalten, weil das Licht der Hintergrundbeleuchtung aufgrund des optischen Elements einmal fokussiert (B2) und einmal nicht fokussiert (B1) wird.Furthermore, it is possible, for example, to use the optical element according to the invention in an image display unit which has backlighting, for example in an LCD screen. In this case, the optical element would then advantageously be arranged between the image display panel (ie the LCD panel) and the backlight, in order to switch between a first operating state B1 for a free viewing mode and a second operating state B2 switch for a restricted viewing mode because the light of the backlight focuses once due to the optical element ( B2 ) and not focused at all ( B1 ) becomes.

Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, dass mehr als zwei Betriebszustände B1, B2, B3 etc. eingestellt werden können. Hierzu würde z.B. gegenüber den oben beschriebenen Varianten für die Betriebszustände B1 und B2 in einem dritten (vierten, fünften, ..) Betriebszustand ein andersartiges elektromagnetisches Feld angelegt, was dazu führt, dass der Ausbringungsgrad der Partikel bzw. Partikelarten unterschiedlich stark zwischen den Betriebsarten ist, so dass insgesamt drei oder mehr verschiedene winkelabhängige Transmissionsgrade erreicht werden. Die kann z.B. für winkelabhängige Dimmungsanwendungen von Interesse sein.It is also within the scope of the invention that more than two operating states B1 , B2 , B3 etc. can be set. This would, for example, compared to the variants for the operating states described above B1 and B2 in a third (fourth, fifth, ..) operating state, a different type of electromagnetic field is applied, which means that the degree of application of the particles or particle types is different between the operating modes, so that a total of three or more different angle-dependent degrees of transmission are achieved. This can be of interest, for example, for angle-dependent dimming applications.

Überdies sei angemerkt, dass wenn flächenförmig nur jeweils an einer Oberfläche der Fluidkammern im Substrat elektromagnetische Schaltmittel ausgebildet sind, diese dann in den Fluidkammern in einem eingeschalteten Zustand ein innerhalb der Fluidkammern wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen können, welches einem elektromagnetischen Feld ähnelt, wie es in sogenannten IPS-(„In Plane Switching“) LCD-Panels zum Einsatz kommt.Furthermore, it should be noted that if surface-shaped electromagnetic switching means are formed in each case only on one surface of the fluid chambers in the substrate, they can then generate an effective electromagnetic field within the fluid chambers in the switched-on state, which electromagnetic field is similar to an electromagnetic field, as is known in so-called IPS - ("In Plane Switching") LCD panels is used.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf ein nicht zur Erfindung gehörendes Ausführungsbeispiel. Es handelt sich dabei um ein weiteres optisches Element, umfassend,

  • - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche,
  • - eine Vielzahl von in das Substrat eingebetteten, Fluidkammern mit jeweils einer oder mehreren Oberflächen,
  • - eine Flüssigkeit, mit der die Fluidkammern gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit bis zu 20 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
  • - flächenförmig an einer oder mehreren Oberflächen der Fluidkammern im Substrat ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in den Fluidkammern in einem eingeschalteten Zustand ein innerhalb der Fluidkammern wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel in der Flüssigkeit bewegt werden, so dass sich die Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln absorbiert werden, ändert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die Transmission bei mehr als 50% und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% liegt, bezogen auf die Richtung der Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats.
The following explanations relate to an exemplary embodiment not belonging to the invention. It is another optical element, comprising
  • an essentially plate-shaped substrate with a first large area designed as a light entry area and a second large area designed as a light exit area,
  • a plurality of fluid chambers embedded in the substrate, each with one or more surfaces,
  • a liquid with which the fluid chambers are filled, the liquid containing up to 20 percent by volume of electrophoretically or magnetophoretically movable particles which absorb light of one or more wavelengths or wavelength ranges,
  • - Electromagnetic switching means which are formed in a planar manner on one or more surfaces of the fluid chambers in the substrate and which generate an electromagnetic field which is effective within the fluid chambers in the switched-on state, as a result of which the particles are moved in the liquid, so that the transmission of the optical element for Light of the wavelengths or wavelength ranges that are absorbed by the particles changes, being in a first operating state B1 the transmission at more than 50% and in a second operating state B2 is less than 50%, based on the direction of the surface normal of the second large area of the substrate.

Die Fluidkammern können in diesem Fall beispielsweise waben-, zylinder-, oder rechteckförmig sein und einen Teil oder im Wesentlichen das gesamte Substrat ausfüllen. Diese weitere erfindungsgemäße optische Element ist insbesondere dazu anwendbar, den senkrechten (in Kombination damit gleichzeitig jedoch auch den nicht-senkrechten) Lichtdurchgang bezüglich der Transmission zu kontrollieren. Ein Anwendungsfall hierzu wäre z.B. die vollständige oder teilweise Dimmung von Scheiben im PKW, um die Blendung des Fahrers fallbedingt zu vermeiden. Außerdem lassen sich mit dem weiteren optischen Element zum Beispiel umschaltbare Spiegel realisieren.In this case, the fluid chambers can be, for example, honeycomb, cylindrical or rectangular and fill part or essentially all of the substrate. This further optical element according to the invention can be used in particular to control the vertical (but in combination with it at the same time the non-vertical) passage of light with respect to the transmission. An application would be e.g. the complete or partial dimming of windows in a car in order to prevent the driver from being dazzled. Switchable mirrors can also be implemented with the additional optical element.

Es gelten hier sinngemäß die weiter oben angegebenen Ausgestaltungsvarianten und Mittel-Wirkungszusammenhänge, die hier aus Redundanzgründen nicht wiederholt werden sollen.The design variants and means-effect relationships given above apply mutatis mutandis, which should not be repeated here for reasons of redundancy.

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.
In principle, the performance of the invention is retained if the parameters described above are varied within certain limits.
It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigt

  • 1 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements im Betriebszustand B1,
  • 2 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements im Betriebszustand B2,
  • 3 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei lokal verschieden bei Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Fluidkammern parallel zueinander angeordnet sind,
  • 4 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei lokal verschieden bei Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Fluidkammern gekreuzt zueinander angeordnet sind, sowie
  • 5 eine Prinzipskizze zur Wirkung eines erfindungsgemäßen optischen Elements in beiden Betriebszuständen B1 und B2. Die folgenden Zeichnungen beziehen sich auf ein Ausführungsbeispiel, das nicht zur Erfindung gehört. Dazu zeigt
  • 6 die Prinzipskizze eines zweiten erfindungsgemäßen optischen Elements in Schnittansicht,
  • 7 die Prinzipskizze eines zweiten erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei sich dieses im Betriebszustand B1 befindet, sowie
  • 8 die Prinzipskizze eines zweiten erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei sich dieses im Betriebszustand B2 befindet.
The invention is explained in more detail below with reference to drawings, which also show features essential to the invention. It shows
  • 1 the schematic diagram of an optical element according to the invention in the operating state B1 ,
  • 2nd the schematic diagram of an optical element according to the invention in the operating state B2 ,
  • 3rd the schematic diagram of an optical element according to the invention in plan view, locally different in operating conditions B1 and B2 are switched on, and the fluid chambers are arranged parallel to one another,
  • 4th the schematic diagram of an optical element according to the invention in plan view, locally different in operating conditions B1 and B2 are switched on, and wherein the fluid chambers are arranged crossed to one another, and
  • 5 a schematic diagram of the effect of an optical element according to the invention in both operating states B1 and B2 . The following drawings relate to an exemplary embodiment which is not part of the invention. This shows
  • 6 the schematic diagram of a second optical element according to the invention in a sectional view,
  • 7 the schematic diagram of a second optical element according to the invention in plan view, this being in the operating state B1 located, as well
  • 8th the schematic diagram of a second optical element according to the invention in plan view, this being in the operating state B2 located.

Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder.The drawings are not to scale and only represent basic representations.

In 1 ist also die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements im Betriebszustand B1 wiedergegeben.In 1 is therefore the schematic diagram of an optical element according to the invention in the operating state B1 reproduced.

Das dargestellte erfindungsgemäße optische Element umfasst hier,

  • - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche 3 und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche 4,
  • - eine Vielzahl von in das Substrat S eingebetteten, lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche 3 und der zweiten Großfläche 4 erstrecken, wobei die Schmalseiten im Bereich der Großflächen 3, 4 angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden,
  • - eine Flüssigkeit F, mit der die Fluidkammern R gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit bis zu 20 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel P enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
  • - flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern R im Substrat S ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel 2, welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Fluidkammern R wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel P in der Flüssigkeit F bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den
The optical element according to the invention shown here comprises
  • an essentially plate-shaped substrate S with a first large area designed as a light entry area 3rd and a second large area designed as a light exit area 4th ,
  • - A plurality of embedded in the substrate S, lamellar-shaped fluid chambers with long and narrow sides, which are between the first large area 3rd and the second large area 4th extend, the narrow sides in the area of large areas 3rd , 4th are arranged and the long sides connect them,
  • - A liquid F with which the fluid chambers R are filled, the liquid up to 20 percent by volume of electrophoretically or magnetophoretically movable particles P contains which absorb light of one or more wavelengths or wavelength ranges,
  • - Flat on one or more sides of the fluid chambers R electromagnetic switching means formed in the substrate S. 2nd which, in an on state, in the fluid chambers R generate effective electromagnetic field, causing the particles P be moved in the liquid F, so that there is an angle-dependent transmission of the optical element for light of the wavelengths or wavelength ranges which are different from the

Partikeln P absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche 3 in das Substrat S eintritt, dass es auf die Fluidkammern R trifft, ändert.Particles P are absorbed, which at such angles over the light entry surface 3rd enters the substrate S that it is on the fluid chambers R hits, changes.

Die erste und die zweite Großfläche 3, 4 des plattenförmigen Substrates S sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Sie können jedoch in besonderen Ausgestaltungen, etwa wenn besondere winkelabhängige Transmissionen des optischen Elements erreicht werden sollen, auch nicht-parallel, z.B. keilförmig in einem definierten Winkel von bis zu 20 Grad zueinander angeordnet sein.The first and the second large area 3rd , 4th of the plate-shaped substrate S are preferably arranged parallel to one another. However, in special configurations, for example if particular angle-dependent transmissions of the optical element are to be achieved, they can also be arranged non-parallel, for example wedge-shaped, at a defined angle of up to 20 degrees to one another.

Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche 3 des plattenförmiges Substrates S befindet sich in der Regel aus Betrachtersicht auf der Rückseite des Substrates S und grenzt je nach Anwendungsfall des optischen Elements beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung (in der Zeichnung mit dem Bezeichner 1 angedeutet), eine Lichtquelle oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche 3 in das Substrat ein.The first large area designed as a light entry area 3rd of the plate-shaped substrate S is usually located from the viewer's perspective on the back of the substrate S and, depending on the application of the optical element, borders, for example, on an image display device (in the drawing with the identifier 1 indicated), a light source or an air volume. Light then emerges from the latter objects through said light entry surface 3rd into the substrate.

Die lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern R mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche 3 und der zweiten Großfläche 4 erstrecken, weisen in diesem Beispiel eine Quaderform auf und sind parallel zu den Großflächen 3, 4 ausgerichtet. Demgegenüber sind die verbleibenden Stirnseiten diejenigen beiden Oberflächen, welche keine Schmalseiten und keine Längsseiten verkörpern.The lamellar fluid chambers R with long and narrow sides, which are between the first large area 3rd and the second large area 4th extend, have a cuboid shape in this example and are parallel to the large areas 3rd , 4th aligned. In contrast, the remaining end faces are those two surfaces that do not embody any narrow sides and no long sides.

Es ist explizit auch möglich, dass die Fluidkammern R zumindest teilweise an einer oder beiden Großflächen 3 und/oder 4 des Substrates S herausragen, wie in den Zeichnungen 1 und 2 dargestellt.It is also explicitly possible for the fluid chambers R at least partially on one or both large areas 3rd and or 4th of the substrate S protrude as in the drawings 1 and 2nd shown.

Die eine oder mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbaren Partikel P Licht absorbieren, liegen hier im sichtbaren Spektrum und decken dieses im Wesentlichen komplett ab.The one or more wavelengths or wavelength ranges in which the particles that can be moved electrophoretically or magnetophoretically P Absorb light here are in the visible spectrum and essentially cover it completely.

Die flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern R im Substrat S ausgebildeten elektromagnetischen Schaltmittel 2 sind beispielsweise an den Schmalseiten der jeweiligen Fluidkammern R angeordnet, wie in 1 und 2 dargestellt.The areal on one or more sides of the fluid chambers R electromagnetic switching means formed in the substrate S. 2nd are for example on the narrow sides of the respective fluid chambers R arranged as in 1 and 2nd shown.

Bei den Partikeln P handelt es sich beispielsweise als Nano-Partikel, Quanten-Punkte und/ oder Farbstoffe. Diese weisen eine räumliche Ausdehnung von maximal 20 nm auf.
Mit räumlicher Ausdehnung ist hier die maximale Ausdehnung im dreidimensionalen Raum gemeint. Bei kugelförmigen Partikeln ist das also der Durchmesser.
With the particles P it is, for example, as nano-particles, quantum dots and / or dyes. These have a maximum spatial extension of 20 nm.
Spatial expansion here means the maximum expansion in three-dimensional space. In the case of spherical particles, this is the diameter.

Die Flüssigkeit F ist z.B. Beispiel Wasser, versetzt mit einem 10 Vol.-%igen Ferrofluid und Elektrolyten.The liquid F is e.g. Example water, mixed with a 10 vol .-% ferrofluid and electrolyte.

Ferner sind die Partikel P elektrisch geladen und die elektromagnetischen Schaltmittel 2 als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet, so dass sich die elektromagnetischen Partikel P im elektrischen Feld in der Flüssigkeit F bewegen. Die entsprechenden elektrischen Feldlinien würden dann beispielweise in der Mitte einer Fluidkammer R parallel ausgebildet sein und am Rande eher Abweichungen von der Parallelität zeigen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch ebenso möglich.
Führende physikalische Effekte für die Bewegung der Partikel P beim Anliegen eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere eines statischen Feldes, sind demnach in diesem Falle die (Di-)Elektrophorese.
Für den Fall, dass kein elektrisches Feld anliegt, bewegen sich die Partikel P insbesondere aufgrund von Diffusion in den Fluidkammern R und breiten sich somit über die Zeit homogen aus. Bei den hier gewählten Partikeln, die ja nicht größer als 50 nm sind, spielt die Schwerkraft keine Rolle; diese sedimentieren nicht.
Furthermore, the particles P electrically charged and the electromagnetic switching means 2nd formed as electrodes for generating a static or dynamic electrical field, so that the electromagnetic particles P move in the electric field in the liquid F. The corresponding electric field lines would then, for example, be in the middle of a fluid chamber R be parallel and tend to show deviations from parallelism. However, other configurations are also possible.
Leading physical effects for the movement of the particles P when an electromagnetic field, in particular a static field, is present, the (di) electrophoresis is in this case.
In the event that there is no electrical field, the particles move P especially due to diffusion in the fluid chambers R and thus spread homogeneously over time. With the particles chosen here, which are not larger than 50 nm, gravity does not matter; these do not sediment.

Mittels der elektromagnetischen Schaltmittel 2, die beispielsweise als transparente Elektroden ausgebildet sind, und einer Ansteuerschaltung sind mindestens zwei Betriebszustände definiert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei mehr als 50% und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% liegt. Dies gilt in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche 4 des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen Fluidkammern R. Die Längsausdehnung ist hier definiert mit der Verbindungsgeraden der Flächenmittelpunkte der beiden Stirnseiten einer jeden Fluidkammer R. Für den Betriebszustand B1 wird über die Schaltmittel 2 ein statisches elektrisches Feld erzeugt, um die Partikel P zu bewegen, während für den Betriebszustand B2 kein elektrisches Feld angelegt wird, um die Partikel P durch Diffusion innerhalb der Fluidkammern R zu verteilen.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausgestaltung gilt, dass im ersten Betriebszustand B1 aufgrund eines statischen elektrischen Feldes mehr als 70% der Partikel P jeweils in Bereichen an den Seiten der Fluidkammern R1, R2, ... lokalisiert sind, an denen die elektromagnetischen Schaltmittel 2 ausgebildet sind, und in dem zweiten Betriebszustand B2, bei welchem die Schaltmittel 2 so konfiguriert sind, dass kein statisches elektromagnetisches Feld oder aber eine zeitlich wechselndes elektromagnetisches Feld vorliegt, mehr als 50% der Partikel P (primär aufgrund von Diffusion und/oder des wechselnden elektromagnetischen Feldes) überwiegend gleichmäßig in den Fluidkammern R verteilt sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt. Dies gilt wiederum in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats S und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen Fluidkammern R.
Mit anderen Worten: die verschiedenen Betriebszustände B1, B2, .. unterscheiden sich insbesondere dadurch, dass die jeweils lokale Konzentration und Lokalisation der Partikel P in den Fluidkammern R verändert wird, um die Transmissionseigenschaften aufgrund der Absorption durch die Partikel zu verändern.
By means of the electromagnetic switching means 2nd At least two operating states are defined, for example as transparent electrodes, and a control circuit, in a first operating state B1 the angle-dependent transmission at more than 50% and in a second operating state B2 is less than 50%. This applies in an angular range of more than 30 ° (this angle can also be varied, for example 10 °, 20 ° or 25 °) in relation to a surface normal of the second large area 4th of the substrate and measured in a direction perpendicular to a longitudinal extension of the lamellar fluid chambers R . The longitudinal extent is defined here with the connecting straight line of the surface center points of the two end faces of each fluid chamber R . For the operating state B1 is about the switching means 2nd a static electric field is generated around the particles P to move while for operating status B2 no electric field is applied to the particles P by diffusion within the fluid chambers R to distribute.
In a preferred development of this embodiment, it applies that in the first operating state B1 due to a static electric field more than 70% of the particles P each in areas on the sides of the fluid chambers R1 , R2 , ... are located on which the electromagnetic switching means 2nd are formed, and in the second operating state B2 , in which the switching means 2nd are configured so that there is no static electromagnetic field or an alternating electromagnetic field, more than 50% of the particles P (primarily due to diffusion and / or the changing electromagnetic field) predominantly evenly in the fluid chambers R are distributed so that the angle-dependent transmission in the first operating state B1 more than 60% and in the second operating state B2 is less than 5%. This in turn applies in an angular range of more than 30 ° (this angle can also be varied, for example 10 °, 20 ° or 25 °) based on a surface normal of the second large surface of the substrate S and measured in a direction perpendicular to a longitudinal extension of the lamellar Fluid chambers R .
In other words: the different operating states B1 , B2 , .. differ in particular in that the respective local concentration and localization of the particles P in the fluid chambers R is changed to change the transmission properties due to absorption by the particles.

Vorteilhaft sind die elektromagnetischen Schaltmittel 2 für senkrecht über die Lichteintrittsfläche in das Substrat S in dieses einfallendes Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50%, bevorzugt über 80%, transparent.The electromagnetic switching means are advantageous 2nd for at least 50%, preferably more than 80%, transparent to the incident light in the visible wavelength range perpendicular to the light entry surface into the substrate S.

Die elektromagnetischen Schaltmittel 2 (wie auch die Fluidkammern R) können weiterhin in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand B1 und dem zweiten Betriebszustand B2 ermöglicht wird. Mit lokaler Umschaltbarkeit ist hierbei gemeint, dass nicht in allen Fluidkammern R gleichzeitig der Betriebszustand zwischen B1 und B2 gewechselt wird, sondern dass vielmehr auf dem optischen Element gleichzeitig Bereiche mit beiden Betriebszuständen B1 und B2 vorliegen. Dies ist vorteilhaft, etwa wenn bei Nutzung des optischen Elements vor einem Bildschirm 1 aus einem Blickwinkel von über 30 Grad zur Seite Teile des dargestellten Bildinhaltes sichtbar und andere nicht sichtbar sein sollen.
Eine solche Konfiguration ist in 3 dargestellt. Diese Prinzipskizze zeigt die Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes optisches Element, wobei lokal verschieden bei Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Fluidkammern R parallel zueinander angeordnet sind. Die hell eingezeichneten Fluidkammern R befinden sich dabei jeweils im Betriebszustand B1 und die dunkel eingezeichneten im Betriebszustand B2.
The electromagnetic switching means 2nd (like the fluid chambers R ) can also be divided into several, separately switchable segments, so that local switchability between the first operating state B1 and the second operating state B2 is made possible. Local switchability means that not in all fluid chambers R at the same time the operating state between B1 and B2 is changed, but rather that areas with both operating states are simultaneously on the optical element B1 and B2 are available. This is advantageous, for example, when using the optical element in front of a screen 1 From an angle of more than 30 degrees to the side, parts of the depicted Image content should be visible and others should not be visible.
Such a configuration is in 3rd shown. This schematic diagram shows the top view of an optical element according to the invention, with local differences in operating states B1 and B2 are turned on, and being the fluid chambers R are arranged parallel to each other. The brightly drawn fluid chambers R are in the operating state B1 and the dark ones in the operating state B2 .

Die Fluidkammern R können, wie in 3 gezeigt, entweder parallel oder, wie in 4 gezeigt, gitterförmig mit sich kreuzenden Bereichen zueinander ausgerichtet sein. Entsprechend gestalten sich dann die winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des optischen Elements gegenüber einer oder zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen. Die Prinzipskizze 4 zeigt die Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes optisches Element, wobei lokal verschieden bei Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Fluidkammern R gitterförmig gekreuzt zueinander angeordnet sind. Die hell eingezeichneten Fluidkammern R befinden sich dabei jeweils im Betriebszustand B1 und die dunkel eingezeichneten im Betriebszustand B2.The fluid chambers R can, as in 3rd shown, either in parallel or as in 4th shown, aligned with each other in a lattice shape with intersecting areas. The angle-dependent transmission properties of the optical element with respect to one or two planes perpendicular to one another are then designed accordingly. The outline sketch 4th shows the top view of an optical element according to the invention, locally different in operating states B1 and B2 are turned on, and being the fluid chambers R are arranged in a grid-like cross pattern. The brightly drawn fluid chambers R are in the operating state B1 and the dark ones in the operating state B2 .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Flüssigkeit F mehrere Arten von Partikeln P1, P2, ... vorhanden, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder ihren Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden. Mit „Transporteigenschaften“ ist insbesondere das Verhalten der Partikel P bei der jeweiligen Phorese (Transport im Feld) gemeint.
Diese Variante kommt insbesondere im Falle von Nanopartikeln zum Tragen: der Unterschied der Partikelarten P1, P2, ... besteht hierbei z.B. in der Partikelgröße und/oder der Oberflächenfunktion, d.h. im Zeta-Potential.
Im Falle der Verwendung von Quanten-Punkten oder Farbstoffen als Partikel und wenn diese fluoreszierend sind, kommt bevorzugt noch ein sogenanntes „Quencher“-Material zum Einsatz, um eben die Fluoreszenz zu vermeiden.
In a further advantageous embodiment, there are several types of particles in the liquid F. P1 , P2 , ... which differ in their absorption properties and / or their transport properties in the electromagnetic field. The "transport properties" is particularly the behavior of the particles P in the respective phoresis (transport in the field).
This variant is particularly important in the case of nanoparticles: the difference between the particle types P1 , P2 , ... consists, for example, in the particle size and / or the surface function, ie in the zeta potential.
If quantum dots or dyes are used as particles and if these are fluorescent, a so-called “quencher” material is preferably used in order to avoid fluorescence.

Im Regelfall werden die Fluidkammern R (insbesondere deren Längsseiten) jeweils im Wesentlichen parallel zur Mittelsenkrechten auf das Substrat S ausgerichtet sein.
Demgegenüber ist es aber auch möglich, dass die Fluidkammern R gegenüber der Mittelsenkrechten auf das Substrat S in einem Winkelbereich („Verkippungswinkel“) von -10° bis +10°, gegebenenfalls sogar zwischen -30° und +30°, geneigt sind. Auch diese Ausgestaltung nimmt Einfluss auf die Winkelabhängigkeit der Transmission des optischen Elements, insbesondere -aber nicht ausschließlich- im Betriebszustand B2. Durch den genannten Neigungs- bzw. Verkippungswinkel wird die durch die Partikelabsorption und die Partikelpositionen innerhalb der Fluidkammern R begründete winkelabhängige Absorption um einen festen Offset-Winkel gekippt, etwa wenn eine geringe Transmission in einem besonders steilen Winkel gewünscht ist.
As a rule, the fluid chambers R (in particular their long sides) are each aligned essentially parallel to the perpendicular to the substrate S.
In contrast, it is also possible that the fluid chambers R are inclined relative to the perpendicular to the substrate S in an angular range (“tilt angle”) of -10 ° to + 10 °, possibly even between -30 ° and + 30 °. This configuration also influences the angular dependence of the transmission of the optical element, in particular — but not exclusively — in the operating state B2 . The angle of inclination or tilting mentioned means that due to the particle absorption and the particle positions within the fluid chambers R justified angle-dependent absorption tilted by a fixed offset angle, for example when low transmission at a particularly steep angle is desired.

Beispielhaft können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammern R in einer Ebene PL1 parallel zur Hauptausbreitungsrichtung des Substrates S etwa 10µm breit (Abstand Längsseite zu Längsseite einer Fluidkammer R) und jeweils 50µm voneinander beabstandet (Abstand Längsseite zu jeweils nächstbenachbarter Längsseite der nächstbenachbarten Fluidkammer R) sein.For example, the lamellar fluid chambers R in a plane PL1 parallel to the main direction of propagation of the substrate S about 10 µm wide (distance long side to long side of a fluid chamber R ) and 50µm apart from each other (distance on the long side to the next adjacent long side of the next neighboring fluid chamber R ) be.

Schließlich können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammern R eine Höhe (Abstand Schmalseite zu Schmalseite) von etwa 40µm aufweisen, gemessen in einer Ebene PL2 senkrecht zur Ebene PL1.
Abweichungen von diesen typischen Maßen sind jedoch möglich und liegen ebenso im Rahmen der Erfindung.
Finally, the lamellar fluid chambers R have a height (distance from narrow side to narrow side) of approximately 40 μm, measured in a plane PL2 perpendicular to plane PL1.
However, deviations from these typical dimensions are possible and are also within the scope of the invention.

Weiterhin beinhaltet die Erfindung auch noch einen Bildschirm, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend

  • - ein erfindungsgemäßes optisches Element, und
  • - eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nachgeordnete Bildwiedergabeeinheit 1.

Bei der Bildwiedergabeeinheit 1 handelt es sich beispielsweise um ein OLED-Display. Da das optische Element unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit 1 wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.
Das von der Bildwiedergabeeinheit 1 ausgesandte Licht dringt über die Lichteintrittsfläche, d.h. die Großfläche 3, in das optische Element ein und wird dann im optischen Element je nach Betriebszustand in seiner Ausbreitung beeinflusst, um hernach durch die Großfläche 4 wieder aus dem optischen Element zu einem oder mehreren Betrachtern hin weiter zu propagieren.Furthermore, the invention also includes a screen that is in a first operating state B1 for a free viewing mode and in a second operating state B2 can be operated for a restricted viewing mode, comprehensively
  • - An optical element according to the invention, and
  • an image display unit arranged downstream of the optical element when viewed by a viewer 1 .

With the image display unit 1 it is for example an OLED display. Because the optical element regardless of the type of image display unit 1 any other type of screen is also effective.
That from the image display unit 1 emitted light penetrates the light entry surface, ie the large surface 3rd , into the optical element and is then influenced in the optical element in its spread depending on the operating state, and subsequently by the large area 4th to propagate again from the optical element to one or more viewers.

Dazu zeigt die Prinzipskizze 5 zur Wirkung eines erfindungsgemäßen optischen Elements vor einer Bildwiedergabeeirichtung in beiden Betriebszuständen B1 („Public Mode“) und B2 („Privacy mode“) die relative Helligkeit („relative luminance“) über den Betrachtungswinkel („View angle“). Die in den beiden Betriebszuständen B1 und B2 unterschiedliche winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln P absorbiert werden, sorgt dafür, dass die Bildwiedergabeeinrichtung 1 im Betriebszustand B1 aus allen horizontalen Betrachtungswinkeln sichtbar ist, während im Betriebszustand B2 eine Betrachtung nur aus einem deutlich eingeschränkten Winkelbereich möglich ist, wie in 5 illustriert.The schematic shows this 5 to the effect of an optical element according to the invention in front of an image display device in both operating states B1 ("Public Mode") and B2 ("Privacy mode") the relative brightness ("relative luminance") over the viewing angle ("View angle"). The in the two operating states B1 and B2 different angle-dependent transmission of the optical element for light of the wavelengths or wavelength ranges by the particles P absorbed, ensures that the image display device 1 in the operating state B1 is visible from all horizontal viewing angles while in the operating state B2 a view is only possible from a clearly restricted angular range, as in 5 illustrated.

Überdies sei angemerkt, dass wenn nur jeweils an einer Oberfläche der Fluidkammern R im Substrat S elektromagnetische Schaltmittel 2 ausgebildet sind, diese dann in den Fluidkammern R in einem eingeschalteten Zustand ein innerhalb der Fluidkammern wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen können, welches einem elektromagnetischen Feld ähnelt, wie es in sogenannten IPS-(„In Plane Switching“) LCD-Panels zum Einsatz kommt.Furthermore, it should be noted that if only on one surface of the fluid chambers R in the substrate S electromagnetic switching means 2nd are formed, these are then in the fluid chambers R can generate an effective electromagnetic field within the fluid chambers, which is similar to an electromagnetic field, as it is used in so-called IPS ("In Plane Switching") LCD panels.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf ein nicht zur Erfindung gehörendes Ausführungsbeispiel.
Es handelt sich hierbei um ein optisches Element, welches zunächst anhand 6, welche eine Prinzipskizze eines solchen zweiten optischen Elements in Schnittansicht im Betriebszustand B1 wiedergibt, erläutert werden soll. Dieses umfasst

  • - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche 3 und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche 4,
  • - eine Vielzahl von in das Substrat S eingebetteten, Fluidkammern R mit jeweils einer oder mehreren Oberflächen,
  • - eine Flüssigkeit F, mit der die Fluidkammern R gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit bis zu 20 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel P enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
  • - flächenförmig an einer oder mehreren Oberflächen der Fluidkammern R im Substrat S ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel 2, welche in den Fluidkammern R in einem eingeschalteten Zustand ein innerhalb der Fluidkammern R wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel P in der Flüssigkeit F bewegt werden, so dass sich die Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln P absorbiert werden, ändert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die Transmission bei mehr als 50% und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% liegt, bezogen auf die Richtung der Flächennormale der zweiten Großfläche 4 des Substrats S.
The following explanations relate to an exemplary embodiment not belonging to the invention.
It is an optical element, which is initially based on 6 which a schematic diagram of such a second optical element in a sectional view in the operating state B1 reproduces, should be explained. This includes
  • an essentially plate-shaped substrate S with a first large area designed as a light entry area 3rd and a second large area designed as a light exit area 4th ,
  • a plurality of fluid chambers embedded in the substrate S. R each with one or more surfaces,
  • - A liquid F with which the fluid chambers R are filled, the liquid up to 20 percent by volume of electrophoretically or magnetophoretically movable particles P contains which absorb light of one or more wavelengths or wavelength ranges,
  • - Flat on one or more surfaces of the fluid chambers R electromagnetic switching means formed in the substrate S. 2nd which in the fluid chambers R in an on state within the fluid chambers R generate effective electromagnetic field, causing the particles P can be moved in the liquid F so that the transmission of the optical element for light of the wavelengths or wavelength ranges emitted by the particles P are absorbed, changes, in a first operating state B1 the transmission at more than 50% and in a second operating state B2 is less than 50%, based on the direction of the surface normal of the second large area 4th of the substrate S.

Bevorzugt ändert sich die genannte Transmission im Betriebszustand B1 von über 80% zu weniger als 10% im Betriebszustand B2, was durch eine entsprechende Auswahl der Parameter im Rahmen der Erfindung problemlos möglich ist.The transmission mentioned preferably changes in the operating state B1 from over 80% to less than 10% in the operating state B2 , which is easily possible by appropriate selection of the parameters within the scope of the invention.

Die Fluidkammern R sind in diesem Fall beispielsweise wabenförmig und sie füllen Wesentlichen das gesamte Substrat S aus. Im in 6 dargestellten Betriebszustand B1 sind die Partikel P aufgrund eines anliegenden statischen elektrischen Feldes an einer Elektrode der Schaltmittel 2 jeweils konzentriert, so dass die Transmission des optischen Elementes in senkrechter Richtung ein Maximum erreicht.
7 zeigt dazu die Prinzipskizze eines solchen optischen Elements in Draufsicht, wobei sich dieses im Betriebszustand B1 befindet, und 8 gibt den Betriebszustand B2 als Prinzipskizze wieder.
The fluid chambers R are, for example, honeycomb-shaped in this case and they essentially fill the entire substrate S. In in 6 shown operating state B1 are the particles P due to an applied static electrical field on an electrode of the switching means 2nd each concentrated so that the transmission of the optical element in the vertical direction reaches a maximum.
7 shows the schematic diagram of such an optical element in plan view, this being in the operating state B1 located, and 8th gives the operating status B2 as a schematic diagram again.

Diese weitere optische Element ist insbesondere dazu anwendbar, den senkrechten (in Kombination damit gleichzeitig jedoch auch den nicht-senkrechten) Lichtdurchgang bezüglich der Transmission zu kontrollieren. Ein Anwendungsfall hierzu sind z.B. die vollständige oder teilweise Dimmung von Scheiben im PKW, um die Blendung des Fahrers fallbedingt zu vermeiden.This further optical element can be used in particular to control the vertical (in combination with it, however, at the same time also the non-vertical) light transmission with respect to the transmission. An application for this are e.g. the complete or partial dimming of windows in a car in order to prevent the driver from being dazzled.

Es gelten hierzu sinngemäß die weiter oben angegebenen Ausgestaltungsvarianten und Mittel-Wirkungszusammenhänge, die an dieser Stelle aus Redundanzgründen nicht wiederholt werden sollen.The design variants and means-effect relationships given above apply mutatis mutandis, which should not be repeated here for reasons of redundancy.

Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße optische Element löst die gestellte Aufgabe: Es wurde ein optisches Element beschrieben, welches die Transmission winkelabhängig (und optional senkrecht) beeinflussen kann, und welches zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umschalten kann. Das optische Element ist preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt wird.The above-described optical element according to the invention achieves the object: An optical element has been described which can influence the transmission as a function of the angle (and optionally perpendicularly) and which can switch between at least two operating states. The optical element can be implemented inexpensively and, in particular, can be used universally with different types of screens, in order to enable a switchover between a privacy screen and a free viewing mode, the resolution of such a screen not being substantially reduced.

Die vorangehend beschriebene Erfindung kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und/oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe oder beim Lesen von Emails auf mobilen Geräten. Die Erfindung kann -wie weiter oben beschrieben- auch im PKW angewendet werden.The invention described above can advantageously be used in conjunction with an image display device wherever confidential data is displayed and / or entered, such as when entering a PIN or for displaying data at ATMs or payment terminals or for entering passwords or reading emails on mobile devices Devices. As described above, the invention can also be used in cars.

Claims (11)

Optisches Element, umfassend, - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat (S) mit einer als Lichteintrittsfläche (3) ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche (4) zweiten ausgebildeten Großfläche, - eine Vielzahl von in das Substrat (S) eingebetteten, lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern (R) mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, wobei die Schmalseiten im Bereich der Großflächen angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden, - eine Flüssigkeit (F), mit der die Fluidkammern (R) gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit bis zu 20 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel (P) enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren, - flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern (R) im Substrat (S) ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel (2), welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Fluidkammern (R) wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel (P) in der Flüssigkeit bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln (P) absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche (3) in das Substrat (S) eintritt, dass es auf die Fluidkammern (R) trifft, ändert.Optical element, comprehensive, an essentially plate-shaped substrate (S) with a first large area designed as a light entry area (3) and a second large area designed as a light exit area (4), - a multiplicity of fluid chambers (R) with longitudinal and narrow sides, which extend between the first large area and the second large area, the narrow sides being arranged in the region of the large areas and the long sides connecting them, a liquid (F) with which the fluid chambers (R) are filled, the liquid Contains up to 20 volume percent of electrophoretically or magnetophoretically movable particles (P) which absorb light of one or more wavelengths or wavelength ranges, - electromagnetic switching means (2) formed in the form of a surface on one or more sides of the fluid chambers (R) in the substrate (S), which in in an activated state, an electroma effective in the fluid chambers (R) generate a magnetic field, whereby the particles (P) are moved in the liquid, so that there is an angle-dependent transmission of the optical element for light of the wavelengths or wavelength ranges which are absorbed by the particles (P), which at such angles over the light entry surface ( 3) enters the substrate (S) to meet the fluid chambers (R). Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (P) als Nano-Partikel, Quanten-Punkte und/ oder Farbstoffe ausgebildet sind und eine räumliche Ausdehnung von maximal 100 nm, bevorzugt von maximal 50 nm, besonders bevorzugt von maximal 20 nm aufweisen.Optical element after Claim 1 , characterized in that the particles (P) are designed as nano-particles, quantum dots and / or dyes and have a spatial extent of at most 100 nm, preferably at most 50 nm, particularly preferably at most 20 nm. Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Partikel (P) elektrisch geladen sind und die elektromagnetischen Schaltmittel (2) als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet sind oder die Partikel (P) magnetisch sind und die elektromagnetischen Schaltmittel (2) als elektromagnetische Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet sind, so dass sich die elektromagnetischen Partikel (P) im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit (F) bewegen.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that either the particles (P) are electrically charged and the electromagnetic switching means (2) are designed as electrodes for generating a static or dynamic electrical field or the particles (P) are magnetic and the electromagnetic switching means (2) are designed as electromagnetic layers for generating a static or dynamic magnetic field, so that the electromagnetic particles (P) move in the electrical or magnetic field in the liquid (F). Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der elektromagnetischen Schaltmittel (2) und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände definiert sind, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei mehr als 50% liegt und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen Fluidkammern (R).Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that at least two operating states are defined by means of the electromagnetic switching means (2) and a control circuit, the angle-dependent transmission being more than 50% in a first operating state B1 and B2 in a second operating state less than 50% in an angular range of more than 30 ° based on an area normal of the second large area of the substrate and measured in a direction perpendicular to a longitudinal extension of the lamellar fluid chambers (R). Optisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebszustand B1 mehr als 70% der Partikel (P) jeweils in Bereichen an den Seiten der Fluidkammern (R) lokalisiert sind, an denen die elektromagnetischen Schaltmittel (2) ausgebildet sind, und in dem zweiten Betriebszustand B2, bei welchem die Schaltmittel (2) so konfiguriert sind, dass kein statisches elektromagnetisches oder wechselndes elektronmagnetisches Feld vorliegt, mehr als 50% der Partikel (P) überwiegend gleichmäßig in den Fluidkammern (R) verteilt sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen Fluidkammern (2).Optical element after Claim 4 , characterized in that in the first operating state B1 more than 70% of the particles (P) are each located in areas on the sides of the fluid chambers (R) on which the electromagnetic switching means (2) are formed, and in the second operating state B2, in which the switching means (2) are configured so that there is no static electromagnetic or alternating electronic magnetic field, more than 50% of the particles (P) are predominantly evenly distributed in the fluid chambers (R), so that the angle-dependent transmission in the first operating state B1 is more than 60% and in the second operating state B2 less than 5%, in an angular range of more than 30 ° in relation to a surface normal of the second large area of the substrate and measured in a direction perpendicular to a longitudinal extension of the lamellar fluid chambers (2). Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Schaltmittel (2) für senkrecht über die Lichteintrittsfläche (3) in das Substrat (S) in dieses einfallendes Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50% transparent sind.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic switching means (2) are at least 50% transparent to light incident on the substrate (S) in the visible wavelength range perpendicularly via the light entry surface (3). Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Schaltmittel (2) in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sind, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand B1 und dem zweiten Betriebszustand B2 ermöglicht wird.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic switching means (2) are subdivided into several, separately switchable segments, so that local switchability between the first operating state B1 and the second operating state B2 is made possible. Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flüssigkeit (F) mehrere Arten von Partikeln (P1, P2, ...) vorhanden sind, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder ihren Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that in the liquid (F) there are several types of particles (P1, P2, ...) which differ in their absorption properties and / or their transport properties in the electromagnetic field. Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammern (R) entweder parallel oder gitterförmig mit sich kreuzenden Bereichen zueinander ausgerichtet sind.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid chambers (R) are aligned either parallel or lattice-shaped with intersecting areas. Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammern (R) gegenüber der Mittelsenkrechten auf das Substrat (S) in einem Winkelbereich von -10° bis+10° geneigt sind.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid chambers (R) are inclined relative to the perpendicular to the substrate (S) in an angular range from -10 ° to + 10 °. Bildschirm, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend - ein optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, und - eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nachgeordnete Bildwiedergabeeinheit (1).Screen that is in a first operating state B1 for a free viewing mode and in a second operating state B2 can be operated for a restricted viewing mode, comprising - an optical element according to one of the Claims 1 to 10th , and - an image display unit (1) arranged downstream of the optical element as viewed by a viewer.
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