DE102019006022B3 - Optical element with variable transmission and screen with such an optical element - Google Patents
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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
In der
In der
Die
Gemäß der
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
Aus der
Die
Weiterhin offenbart die
In der
Die
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.
- 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
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausgestaltung gilt, dass im ersten Betriebszustand
Mit anderen Worten: die verschiedenen Betriebszustände
In a preferred development of this embodiment, it applies that in the first operating state
In other words: the different operating states
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
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
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
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
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
- - ein erfindungsgemäßes optisches Element, und
- - eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nachgeordnete Bildwiedergabeeinheit.
- - an optical element according to the invention, and
- an image display unit arranged downstream of the optical element when viewed by a viewer.
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
Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, dass mehr als zwei Betriebszustände
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 BetriebszustandB2 bei weniger als 50% liegt, bezogen auf die Richtung der Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats.
- 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 stateB2 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 BetriebszustandB1 , -
2 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements im BetriebszustandB2 , -
3 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei lokal verschieden bei BetriebszuständeB1 undB2 eingeschaltet sind, und wobei die Fluidkammern parallel zueinander angeordnet sind, -
4 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei lokal verschieden bei BetriebszuständeB1 undB2 eingeschaltet sind, und wobei die Fluidkammern gekreuzt zueinander angeordnet sind, sowie -
5 eine Prinzipskizze zur Wirkung eines erfindungsgemäßen optischen Elements in beiden BetriebszuständenB1 undB2 . 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 BetriebszustandB1 befindet, sowie -
8 die Prinzipskizze eines zweiten erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei sich dieses im BetriebszustandB2 befindet.
-
1 the schematic diagram of an optical element according to the invention in the operating stateB1 , -
2nd the schematic diagram of an optical element according to the invention in the operating stateB2 , -
3rd the schematic diagram of an optical element according to the invention in plan view, locally different in operating conditionsB1 andB2 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 conditionsB1 andB2 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 statesB1 andB2 . 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 stateB1 located, as well -
8th the schematic diagram of a second optical element according to the invention in plan view, this being in the operating stateB2 located.
Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder.The drawings are not to scale and only represent basic representations.
In
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 Großfläche4 , - - 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 Großfläche4 erstrecken, wobei die Schmalseiten imBereich 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 PartikelP enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren, - - flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern
R im Substrat S ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel2 , welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den FluidkammernR wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die PartikelP in der Flüssigkeit F bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den
- 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 area4th , - - 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 area4th extend, the narrow sides in the area of large areas3rd ,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 particlesP 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 chambersR generate effective electromagnetic field, causing the particlesP 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
Die erste und die zweite Großfläche
Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche
Die lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern
Es ist explizit auch möglich, dass die Fluidkammern
Die eine oder mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbaren Partikel
Die flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern
Bei den Partikeln
Mit räumlicher Ausdehnung ist hier die maximale Ausdehnung im dreidimensionalen Raum gemeint. Bei kugelförmigen Partikeln ist das also der Durchmesser.With the particles
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
Führende physikalische Effekte für die Bewegung der Partikel
Für den Fall, dass kein elektrisches Feld anliegt, bewegen sich die Partikel
Leading physical effects for the movement of the particles
In the event that there is no electrical field, the particles move
Mittels der elektromagnetischen Schaltmittel
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausgestaltung gilt, dass im ersten Betriebszustand
Mit anderen Worten: die verschiedenen Betriebszustände
In a preferred development of this embodiment, it applies that in the first operating state
In other words: the different operating states
Vorteilhaft sind die elektromagnetischen Schaltmittel
Die elektromagnetischen Schaltmittel
Eine solche Konfiguration ist in
Such a configuration is in
Die Fluidkammern
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Flüssigkeit F mehrere Arten von Partikeln
Diese Variante kommt insbesondere im Falle von Nanopartikeln zum Tragen: der Unterschied der Partikelarten
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.
This variant is particularly important in the case of nanoparticles: the difference between the particle types
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
Demgegenüber ist es aber auch möglich, dass die Fluidkammern
In contrast, it is also possible that the fluid chambers
Beispielhaft können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammern
Schließlich können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammern
Abweichungen von diesen typischen Maßen sind jedoch möglich und liegen ebenso im Rahmen der Erfindung.Finally, the lamellar fluid chambers
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
- - ein erfindungsgemäßes optisches Element, und
- - eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nachgeordnete Bildwiedergabeeinheit
1 .
Das
- - 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
That from the
Dazu zeigt die Prinzipskizze
Überdies sei angemerkt, dass wenn nur jeweils an einer Oberfläche der Fluidkammern
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf ein nicht zur Erfindung gehörendes Ausführungsbeispiel.
Es handelt sich hierbei um ein optisches Element, welches zunächst anhand
- - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche
3 und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche4 , - - 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 PartikelP enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren, - - flächenförmig an einer oder mehreren Oberflächen der Fluidkammern
R im Substrat S ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel2 , welche in den FluidkammernR in einem eingeschalteten Zustand ein innerhalb der FluidkammernR wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die PartikelP in der Flüssigkeit F bewegt werden, so dass sich die Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den PartikelnP absorbiert werden, ändert, wobei in einem ersten BetriebszustandB1 die Transmission bei mehr als 50% und in einem zweiten BetriebszustandB2 bei weniger als 50% liegt, bezogen auf die Richtung der Flächennormale der zweiten Großfläche4 des Substrats S.
It is an optical element, which is initially based on
- 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 area4th , - 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 particlesP 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 chambersR in an on state within the fluid chambersR generate effective electromagnetic field, causing the particlesP 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 particlesP are absorbed, changes, in a first operating stateB1 the transmission at more than 50% and in a second operating stateB2 is less than 50%, based on the direction of the surface normal of the second large area4th of the substrate S.
Bevorzugt ändert sich die genannte Transmission im Betriebszustand
Die Fluidkammern
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.
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R087 | Non-binding licensing interest withdrawn | ||
R020 | Patent grant now final |