DE102020003265B3 - 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

Info

Publication number
DE102020003265B3
DE102020003265B3 DE102020003265.6A DE102020003265A DE102020003265B3 DE 102020003265 B3 DE102020003265 B3 DE 102020003265B3 DE 102020003265 A DE102020003265 A DE 102020003265A DE 102020003265 B3 DE102020003265 B3 DE 102020003265B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
particles
optical element
epn
type
operating state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102020003265.6A
Other languages
German (de)
Inventor
Andreas Bregulla
André HEBER
Yannick Bourgin
Ambrose Peter Nari
Yang Chin Tien
Markus Klippstein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SiOptica GmbH
Original Assignee
SiOptica GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SiOptica GmbH filed Critical SiOptica GmbH
Priority to DE102020003265.6A priority Critical patent/DE102020003265B3/en
Priority to CN202080023242.6A priority patent/CN113614631A/en
Priority to US17/442,078 priority patent/US20220171249A1/en
Priority to JP2021558756A priority patent/JP7266917B2/en
Priority to PCT/EP2020/073088 priority patent/WO2021032735A1/en
Priority to TW109128517A priority patent/TWI763009B/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102020003265B3 publication Critical patent/DE102020003265B3/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/1323Arrangements for providing a switchable viewing angle
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/165Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on translational movement of particles in a fluid under the influence of an applied field
    • G02F1/166Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on translational movement of particles in a fluid under the influence of an applied field characterised by the electro-optical or magneto-optical effect
    • G02F1/167Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on translational movement of particles in a fluid under the influence of an applied field characterised by the electro-optical or magneto-optical effect by electrophoresis
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/165Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on translational movement of particles in a fluid under the influence of an applied field
    • G02F1/166Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on translational movement of particles in a fluid under the influence of an applied field characterised by the electro-optical or magneto-optical effect
    • G02F1/1673Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on translational movement of particles in a fluid under the influence of an applied field characterised by the electro-optical or magneto-optical effect by magnetophoresis
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/165Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on translational movement of particles in a fluid under the influence of an applied field
    • G02F1/1675Constructional details
    • G02F1/1676Electrodes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element, umfassend ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat (S) mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche, eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix (F), die zwischen der ersten und der zweiten Großfläche angeordnet ist und bis zu 60 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbare Partikel einer ersten Art (PA) enthält, wobei eine Vielzahl an Partikeln der ersten Art (PA) vorhanden ist, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren, flächenförmig an einer oder beiden Großflächen und/oder zwischen den Großflächen im Substrat (S) ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein zwischen den Großflächen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel der ersten Art (PA) in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix (F) bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln der ersten Art (PA) absorbiert werden, welches über die Lichteintrittsfläche in das Substrat (S) eintritt, ändert.The invention relates to an optical element, comprising an essentially plate-shaped substrate (S) with a first large area formed as a light entry surface and a second large area formed as a light exit surface, a liquid or a framework matrix (F) which is arranged between the first and second large area and contains up to 60 percent by volume electrophoretically or magnetophoretically movable particles of a first type (PA), with a large number of particles of the first type (PA) being present, which absorb light of one or more wavelengths or wavelength ranges, planar on one or both large areas and / or electromagnetic switching means formed between the large areas in the substrate (S) which, when switched on, generate an electromagnetic field effective between the large areas, whereby the particles of the first type (PA) are moved in the liquid or the framework matrix (F) so that yourself a Angle-dependent transmission of the optical element for light of the wavelengths or wavelength ranges that are absorbed by the particles of the first type (PA), which enters the substrate (S) via the light entry surface, changes.

Description

Gebiet der ErfindungField of 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.In recent years, great advances have been made in widening the viewing angle in LCDs. However, there are often situations in which this very large viewing area of a screen can be a disadvantage. Information is also increasingly available on mobile devices such as notebooks and tablet PCs, such as bank details or other personal details 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, e.g. when looking at vacation photos or for advertising purposes. On the other hand, you need a small viewing angle if you want to treat the image information confidentially. A similar problem arises in vehicle construction: With the engine switched on, the driver must not be distracted by image content, such as digital entertainment programs, while the front passenger wants to consume it while driving. A screen is therefore required that 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 were not switchable, 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 lamellar foils is also associated with the associated loss of light.

Die US 6,765,550 B2 beschreibt einen solchen Sichtschutz durch Mikro-Lamellen. Größter Nachteil ist hier die mechanische Entfernung bzw. der mechanische Anbau des Filters sowie der Lichtverlust im geschützten Modus.the US 6,765,550 B2 describes such a privacy screen through micro-slats. The greatest disadvantage here is the mechanical removal or mechanical attachment of the filter as well as 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 U.S. 5,993,940 A describes the use of a film with 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 results in a loss of light and the effort involved 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 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 a screen. There come according to 1 and 15th Not only several light guides are used, but also other complex optical elements such as microlens elements 40 and prismatic structures 50, which transform the light from the rear lighting on the way to the front lighting. This is expensive and time-consuming to implement and also associated with loss of light. According to the variant after 17th in the US 2012/0235891 Both light sources 4R and 18 produce light with a narrow angle of illumination, the light from the rear light source 18 first being converted into light with a large angle of illumination in a complex manner. This complex transformation is - as already noted above - strongly reducing the 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 special optical surfaces 19, which are complex to calculate and manufacture, are used, which then deflect light into various narrow or wide areas depending on the angle of incidence of light. These structures are similar to Fresnel lenses. There are also interference edges that deflect light in undesired directions. It therefore remains unclear whether really sensible light distributions can be achieved.

In der US 2013/0308185 A1 wird ein spezieller, mit Stufen ausgebildeter Lichtleiter beschrieben, der Licht auf einer Großfläche in verschiedene Richtungen abstrahlt, je nachdem, aus welcher Richtung er von einer Schmalseite aus beleuchtet wird. Im Zusammenspiel mit einem transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung, z.B. einem LC-Display, kann somit ein zwischen freiem und eingeschränktem Sichtmodus schaltbarer Bildschirm erzeugt werden. Nachteilig ist hierbei u.a., dass der eingeschränkte Sichteffekt entweder nur für links/rechts oder aber für oben/unten, nicht aber für links/rechts/oben/unten gleichzeitig erzeugt werden kann, wie es etwa für bestimmte Zahlungsvorgänge nötig ist. Hinzu kommt, dass auch im eingeschränkten Sichtmodus aus geblockten Einblickwinkeln immer noch ein Restlicht sichtbar ist.In the US 2013/0308185 A1 describes a special, stepped light guide that emits light over 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, for example an LC display, a screen that can be switched between free and restricted viewing mode can thus be generated. The disadvantage here is, among other things, that the restricted visual effect can be generated either only for left / right or for up / down, but not for left / right / up / down at the same time, as is necessary for certain payment transactions, for example. In addition, residual light is still visible from blocked viewing angles in restricted viewing mode.

Die WO 2015/121398 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm mit zwei Betriebsarten, bei dem für die Umschaltung der Betriebsarten essentiell Streupartikel im Volumen des entsprechenden Lichtleiters vorhanden sind. Die dort gewählten Streupartikel aus einem Polymerisat weisen jedoch in der Regel den Nachteil auf, dass Licht aus beiden Großflächen ausgekoppelt wird, wodurch etwa die Hälfte des Nutzlichtes in die falsche Richtung, nämlich zur Hintergrundbeleuchtung hin, abgestrahlt und dort aufgrund des Aufbaus nicht in hinreichendem Umfang recycelt werden kann. Überdies können die im Volumen des Lichtleiters verteilten Streupartikel aus Polymerisat unter Umständen, insbesondere bei höherer Konzentration, zu Streueffekten führen, die den Sichtschutzeffekt in der geschützten Betriebsart vermindern.the WO 2015/121398 A1 the applicant describes a screen with two operating modes, in which scatter particles are essentially present in the volume of the corresponding light guide for switching the operating modes. The scattering particles selected there from a polymer, however, usually have the disadvantage that light is coupled out from both large surfaces, so that about half of the useful light is emitted in the wrong direction, namely towards the background lighting, and is not there to a sufficient extent due to the structure can be recycled. In addition, the polymer scattering particles distributed in the volume of the light guide can, under certain circumstances, especially at a higher concentration, lead to scattering effects that cause the Reduce the privacy effect in the protected operating mode.

Die DE 10 2019 006 022 B3 beschreibt ein optisches Element, umfassend ein plattenförmiges Substrat mit einer Vielzahl von darin eingebetteten, lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern, wobei diese mit einer Flüssigkeit gefüllt sind. Die Flüssigkeit enthält elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel, welche Licht absorbieren. Aufgrund von veränderbaren, über Schaltmittel anlegbare, elektromagnetische Felder werden diese Partikel wahlweise bewegt, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht, welches in solchen Winkeln in das Substrat eintritt, dass es auf die Fluidkammern trifft, ändert. Hierbei sind allerdings die besagten Fluidkammern unbedingt notwendig, was einen gewissen Mastering- und Herstellungsaufwand nach sich zieht.the DE 10 2019 006 022 B3 describes an optical element comprising a plate-shaped substrate with a plurality of lamellar fluid chambers embedded therein, these chambers being filled with a liquid. The liquid contains electrophoretically or magnetophoretically movable particles which absorb light. Due to variable electromagnetic fields that can be applied via switching means, these particles are selectively moved so that an angle-dependent transmission of the optical element for light which enters the substrate at angles such that it hits the fluid chambers changes. Here, however, the said fluid chambers are absolutely necessary, which entails a certain mastering and manufacturing effort.

Die US 2015/0346578 A1 offenbart ein Verfahren, um ein elektrophoretisches Display anzusteuern. Dabei kommt eine dielektrophoretische Bewegung von Partikeln zum Einsatz. Eine Funktion zur definierten Variation der winkelabhängigen Transmission dieser Vorrichtung ist hierbei nicht vorgesehen und kann mit den in dieser Schrift offenbarten Mitteln auch nicht realisiert werden.the US 2015/0346578 A1 discloses a method to drive an electrophoretic display. A dielectrophoretic movement of particles is used here. A function for the defined variation of the angle-dependent transmission of this device is not provided here and cannot be implemented with the means disclosed in this document.

In der WO 2018/232 099 A1 wird ein elektro-optisches Medium mit gekapselten Pigmenten in einem Gelatinebindemittel beschrieben. Eine Funktion zur definierten Variation der winkelabhängigen Transmission dieser Vorrichtung ist auch hier nicht vorgesehen und kann mit den in dieser Schrift offenbarten Mitteln ebenso wenig realisiert werden.In the WO 2018/232 099 A1 describes an electro-optical medium with encapsulated pigments in a gelatin binder. A function for the defined variation of the angle-dependent transmission of this device is not provided here either and cannot be implemented with the means disclosed in this document either.

Schließlich beschreibt die US 6,323,989 , B1 ein elektrophoretisches Display mit Nanopartikeln. Die zu Grunde liegende Lehre erlaubt jedoch nicht eine Funktion zur definierten Variation der winkelabhängigen Transmission und kann mit den dort vorliegenden Mitteln ebenfalls nicht realisiert werden.Finally describes the U.S. 6,323,989 , B1 an electrophoretic display with nanoparticles. However, the teaching on which it is based does not allow a function for the defined variation of the angle-dependent transmission and cannot be implemented with the means available there either.

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 aforementioned methods and arrangements generally have the disadvantage that they significantly reduce the brightness of the basic screen and / or require a complex and expensive optical element for mode switching and / or reduce the resolution in the freely viewable 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 Betriebszuständen umschalten kann. Das optische Element soll preiswert 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. Optional soll das optische Element ohne lamellenartige Kammern auskommen.It is therefore the object of the invention to describe an optical element which can influence the transmission as a function of the angle (optionally perpendicular) and which can switch between at least two operating states. The optical element should be able to be implemented inexpensively and, in particular, be universally usable with different types of screen in order to enable switching between a privacy screen and a free viewing mode, the resolution of such a screen being essentially not to be reduced. Optionally, the optical element should do without lamellar chambers.

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

  • - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche,
  • - eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix, die zwischen der ersten und der zweiten Großfläche angeordnet ist und bis zu 60 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbare Partikel einer ersten Art PA enthält, wobei eine Vielzahl an Partikeln der ersten Art PA vorhanden ist, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
  • - flächenförmig an einer oder beiden Großflächen und/oder zwischen den Großflächen im Substrat ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein zwischen den Großflächen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel der ersten Art PA in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln der ersten Art PA absorbiert werden, welches über die Lichteintrittsfläche in das Substrat eintritt, ändert, so dass mittels der elektromagnetischen Schaltmittel 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° um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats,
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 liquid or a framework matrix, which is arranged between the first and the second large area and up to 60 percent by volume electrophoretically or magnetophoretically movable particles of a first type P A contains, wherein a plurality of particles of the first type P A is present which absorb light of one or more wavelengths or wavelength ranges,
  • - Electromagnetic switching means which are designed flat on one or both large areas and / or between the large areas in the substrate, which, when switched on, generate an electromagnetic field effective between the large areas, whereby the particles of the first type P A are moved in the liquid or the framework matrix, so that an angle-dependent transmission of the optical element for light of the wavelengths or wavelength ranges, which is caused by the particles of the first type P A which enters the substrate via the light entry surface changes, so that at least two operating states are defined by means of the electromagnetic switching means and a control circuit, with the angle-dependent transmission being more than 50% in a first operating state B1 and in a second operating state B2 with less than 50% in an angular range of more than 30 ° around a surface normal of the second large surface of the substrate,

Dabei ist die Erfindung so ausgelegt, dass alle elektromagnetischen Schaltmittel als flächenförmige Elektroden EPN mit zwischen positiv und negativ umkehrbarer Polung auf der ersten und der zweiten Großfläche ausgebildet sind, und dass im ersten Betriebszustand B1 die Elektroden EPN auf der ersten Großfläche eine positive und die Elektroden EPN auf der zweiten Großfläche eine negative Polung oder umgekehrt aufweisen, so dass mehr als 70% der Partikel der ersten Art PA jeweils nicht weiter als maximal ein Viertel der Dicke der Flüssigkeit oder der Matrix F von den Elektroden EPN entfernt und/oder diffus verteilt in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix F lokalisiert sind, und in dem zweiten Betriebszustand B2 entlang einer Flächennormalen der ersten oder zweiten Großfläche gesehen negativ gepolte Elektroden EPN auf der ersten Großfläche negativ gepolten Elektroden EPN auf der zweiten Großfläche und positiv gepolte Elektroden EPN auf der ersten Großfläche positiv gepolten Elektroden EPN auf der zweiten Großfläche gegenüberliegen, wobei entlang einer Vorzugsrichtung zwischen zwei positiv gepolten Elektroden EPN auf jeder der Großflächen eine negativ gepolte Elektrode EPN und zwischen zwei negativ gepolten Elektroden EPN eine positive Elektrode EPN angeordnet ist, so dass mehr als 70% der Partikel der ersten Art (PA ) jeweils zwischen gleichartig gepolten Elektroden EPN lokalisiert sind, wodurch die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt. Dies gilt in einem Winkelbereich von vorzugsweise +/-30° bis +/-90° (also jeweils von -90° bis -30° und gleichzeitig von +30° bis +90°, nicht aber zwischen -30° und +30°) bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Elektroden EPN. Der Winkelbereich kann auch variiert werden und anstelle von +/-30° auch den Bereich von +/-10° bis +/-90°, +/-20° bis +/-90°, +/-45° bis +/-90° oder +/-25° bis +/-90° umfassen. Die besagte Vorzugsrichtung kann hier beispielweise parallel zur zweiten Großfläche des Substrates und für einen vor dem optischen Element angeordneten Betrachter in horizontaler Lage ausgerichtet sein.The invention is designed in such a way that all electromagnetic switching means are designed as flat electrodes EPN with polarity reversible between positive and negative on the first and second large area, and that in the first operating state B1 the electrodes EPN on the first large area have a positive and the electrodes EPN on the second large area have a negative polarity or vice versa, so that more than 70% of the particles of the first type P A in each case not more than a quarter of the thickness of the liquid or the matrix F away from the electrodes EPN and / or diffusely distributed in the liquid or the framework matrix F are localized, and in the second operating state B2 seen along a surface normal of the first or second large area negatively polarized electrodes EPN on the first large area negatively polarized electrodes EPN on the second large area and positively polarized electrodes EPN on the first large area positively polarized electrodes EPN on the second Large areas are opposite, with a negative electrode EPN arranged between two positively polarized electrodes EPN on each of the large areas and a positive electrode EPN between two negatively polarized electrodes EPN, so that more than 70% of the particles of the first type ( P A ) are each located between electrodes EPN with the same polarity, as a result of which the angle-dependent transmission in the first operating state B1 is more than 60% and in the second operating state B2 is less than 5%. This applies in an angle range of preferably +/- 30 ° to +/- 90 ° (i.e. in each case from -90 ° to -30 ° and at the same time from + 30 ° to + 90 °, but not between -30 ° and + 30 ° ) 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 electrodes EPN. The angular range can also be varied and instead of +/- 30 ° also the range from +/- 10 ° to +/- 90 °, +/- 20 ° to +/- 90 °, +/- 45 ° to + / -90 ° or +/- 25 ° to +/- 90 °. Said preferred direction can be oriented here, for example, parallel to the second large area of the substrate and in a horizontal position for a viewer arranged in front of the optical element.

Die Gerüstmatrix ist beispielsweise als Polymermatrix, bevorzugt als Gelmatrix ausgebildet. 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 framework matrix is designed, for example, as a polymer matrix, preferably as a gel matrix. 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.

Die eine oder mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbaren Partikel PA Licht absorbieren, liegen bevorzugt im sichtbaren Spektrum und decken dieses besonders bevorzugt 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 P A Absorb light, are preferably in the visible spectrum and particularly preferably completely cover it. For special purposes, however, they can also be outside the visible spectrum, for example if UV or IR light is to be influenced, for example for purposes of measurement technology.

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 second large areas of the plate-shaped substrate are preferably arranged parallel to one another. However, in special configurations, for example if special angle-dependent transmissions of the optical element are to be achieved, they can also be arranged non-parallel, e.g. in a wedge shape at a defined angle of up to 20 degrees to one another.

Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche des plattenförmigen Substrates 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, designed as a light entry area, is usually located on the rear side of the substrate from the observer's point of view and, depending on the application of the optical element, is adjacent to an image display device, a light source or an air volume, for example. From the last-mentioned objects, light then enters the substrate through the said light-entry surface.

Bei den Partikeln der ersten Art PA kann es sich um Nanopartikel, Quantenpunkte und/ oder Farbstoffe handeln, welche eine räumliche Ausdehnung von maximal 200 nm, bevorzugt von maximal 50 nm, besonders bevorzugt von maximal 20 nm aufweisen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch explizit möglich. Mit räumlicher Ausdehnung ist hier die maximale Ausdehnung im dreidimensionalen Raum oder aber der hydrodynamische Radius gemeint, je nach dem, was größer ist. Bei kugelförmigen Partikeln ist das also der Durchmesser. Bei kettenförmigen Partikeln ist das der größtmögliche Abstand, den zwei Punkte auf der Oberfläche des Partikels jeweils voneinander aufweisen können.With the particles of the first kind P A it can be nanoparticles, quantum dots and / or dyes which have a spatial extension of a maximum of 200 nm, preferably a maximum of 50 nm, particularly preferably a maximum of 20 nm. However, other configurations are explicitly possible. Spatial expansion here means the maximum expansion in three-dimensional space or the hydrodynamic radius, whichever is larger. In the case of spherical particles, this is the diameter. In the case of chain-shaped particles, this is the greatest possible distance that two points on the surface of the particle can have from one another.

Ferner können die Partikel der ersten Art PA als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), Bleisulfid (PbS), CdTeSeS-Quantenpunkte, Azo-Farbstoffe und/oder als Metalloxidpartikel, bevorzugt aus Chrom(IV)Oxid oder Fe2O3, ausgebildet sein und eine Größe zwischen 2 nm und 50 nm jeweils einschließlich aufweisen.Furthermore, the particles of the first type P A as BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), lead sulfide (PbS), CdTeSeS quantum dots, azo dyes and / or as metal oxide particles, preferably made of chromium (IV) oxide or Fe 2 O 3 , and a size between 2 nm and 50 nm each inclusive.

Alternativ ist es möglich, dass die Partikel der ersten Art PA als paramagnetische Körper, bevorzugt als Kugeln mit einem Durchmesser von mindestens 100 nm, aus einem paramagnetischen oder diamagnetischen Trägermaterial mit einer relativen magnetischen Permeabilität zwischen 0 und 2, bevorzugt Melaninharz oder Polystyrol, ausgebildet sind, wobei die Körper entweder mit paramagnetischen oder superparamagnetischen Nanopartikeln mit einer relativen magnetischen Permeabilität größer als 10, bevorzugt Fe2O3-NanopartikeIn, beschichtet sind, oder das Trägermaterial mit diesen Nanopartikeln durchsetzt ist. Andere Realisationsvarianten sind ebenfalls möglich.Alternatively, it is possible that the particles of the first type P A as paramagnetic bodies, preferably as spheres with a diameter of at least 100 nm, made of a paramagnetic or diamagnetic carrier material with a relative magnetic permeability between 0 and 2, preferably melanic resin or polystyrene, are formed, the bodies either with paramagnetic or superparamagnetic nanoparticles with a relative magnetic permeability greater than 10, preferably Fe 2 O 3 nanoparticles, are coated, or the carrier material is interspersed with these nanoparticles. Other implementation variants are also possible.

Bevorzugt sollten die Partikel PA noch eine Oberflächenfunktionalisierung mit hohem Zeta-Potential aufweisen, zum einen als Stabilisierung in der Flüssigkeit und zum anderen für eine Verbesserung der elektrophoretischen Eigenschaften. Dies lässt sich beispielsweise mit PVP (Polyvinylpyrrolidon) oder PEG (Polyethylenglykol) für wässrige Systeme umsetzen.The particles should preferably P A still have a surface functionalization with a high zeta potential, on the one hand as stabilization in the liquid and on the other hand for an improvement of the electrophoretic properties. This can be implemented, for example, with PVP (polyvinylpyrrolidone) or PEG (polyethylene glycol) for aqueous systems.

Allgemein gilt im Rahmen der Erfindung, dass die Partikel der ersten Art PA entweder elektrisch geladen sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet sind oder die Partikel der ersten Art PA magnetisch, insbesondere para- oder superparamagnetisch sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als elektrisch leitende Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet sind, so dass sich die elektro- bzw. magnetophoretischen Partikel der ersten Art PA im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit bzw. Gerüstmatrix bewegen.In general, within the scope of the invention, the particles of the first type P A either electrically charged and the electromagnetic Switching means are designed as electrodes for generating a static or dynamic electrical field or the particles of the first type P A are magnetic, in particular paramagnetic or superparamagnetic, and the electromagnetic switching means are designed as electrically conductive layers for generating a static or dynamic magnetic field, so that the electromagnetic or magnetophoretic particles of the first type P A move in an electric or magnetic field in the liquid or framework matrix.

Mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung sind, wie weiter bereits oben beschrieben wurde, mindestens zwei Betriebszustände definiert, 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° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats. Der besagte Winkelbereich um eine Flächennormale kann beispielsweise innerhalb einer Ebene gemessen werden, die die Mittelsenkrechte als Flächennormale beinhaltet, d.h. senkrecht auf der zweiten Großfläche des Substrates S steht, und aus Sicht eines Betrachters horizontal gelegen ist. Diese Definition gilt auch für die weiteren Betrachtungen.As already described above, at least two operating states are defined by means of the electromagnetic switching means and a control circuit, with the angle-dependent transmission being more than 50% in a first operating state B1 and less than 50% in an angular range in a second operating state B2 of more than 30 ° (this angle can also be varied, for example 10 °, 20 ° or 25 °) about a surface normal of the second large surface of the substrate. Said angular range around a surface normal can be measured, for example, within a plane which contains the center perpendicular as surface normal, ie perpendicular to the second large surface of the substrate S. and is horizontal from the point of view of a beholder. This definition also applies to further considerations.

Mit anderen Worten: die verschiedenen Betriebszustände B1, B2, ... unterscheiden sich insbesondere dadurch, dass die jeweils lokale Konzentration und Lokalisation der Partikel innerhalb des Substrates verändert wird, um die Transmissionseigenschaften aufgrund der Absorption durch die Partikel zu verändern.In other words: the different operating states B1, B2, ... differ in particular in that the respective local concentration and localization of the particles within the substrate is changed in order to change the transmission properties due to the absorption by the particles.

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 die Konzentrationen bzw. die Positionen der Partikel bzw. Partikelarten unterschiedlich stark zwischen den Betriebszuständen 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. For this purpose, for example, compared to the variants described above for the operating states B1 and B2 in a third (fourth, fifth, ...) operating state, a different type of electromagnetic field would be applied, which means that the concentrations or the positions of the particles or particle types are different is strong between the operating states, so that a total of three or more different angle-dependent degrees of transmission can be achieved. This can be of interest, for example, for angle-dependent dimming applications.

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 Kammern 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 also nicht, d.h. die Partikel verbleiben schwebend in der Flüssigkeit oder Gelmatrix.The 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 no electrical or no magnetic field is applied, the particles move in the chambers, in particular due to diffusion, and thus spread homogeneously over time. For particles that are no larger than 50 nm, gravity does not play a role; they do not sediment, i.e. the particles remain suspended in the liquid or gel matrix.

Für alle Ausgestaltungen des vorangehend beschriebenen optischen Elements gilt, dass die elektromagnetischen Schaltmittel für senkrecht über die Lichteintrittsfläche in das Substrat S einfallendes Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50% transparent sind.For all configurations of the optical element described above, the electromagnetic switching means for perpendicularly across the light entry surface into the substrate S. incident light in the visible wavelength range is at least 50% transparent.

Ferner ist es denkbar, dass die elektromagnetischen Schaltmittel in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sind, 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 Bereichen des optischen Elements 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.Furthermore, it is conceivable that the electromagnetic switching means are 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 the operating state between B1 and B2 is not changed simultaneously in all areas of the optical element, but rather that areas with both operating states B1 and B2 are present on the optical element at the same time. This is advantageous, for example, when, when using the optical element in front of a screen, parts of the displayed image content are to be visible and others are not to be visible from a viewing angle of more than 30 degrees to the side.

In einer weiteren vorteilhaften Variation sind in der Flüssigkeit gleichzeitig mehrere Arten von Partikeln (Px, Py, ...) vorhanden, die sich in ihren optischen bzw. 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 Oberflächenfunktionalisierung, d.h. im Zeta-Potential. Im Falle der Verwendung von Quantenpunkten oder Farbstoffen als Partikel und wenn diese fluoreszierend sind, kommt bevorzugt noch ein sogenanntes „Quencher“-Material zum Einsatz, um eben die Fluoreszenz zu unterdrücken.In a further advantageous variation, several types of particles (Px, Py, ...) are present in the liquid at the same time, which differ in their optical or absorption properties and / or their transport properties in the electromagnetic field. “Transport properties” particularly mean 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 types of particles is, for example, the particle size and / or the surface functionalization, i.e. 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 to suppress the fluorescence.

Außerdem 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 nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.
In addition, the invention also includes 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
  • - An optical element according to the invention, and
  • - An image reproduction unit arranged downstream or upstream of the optical element as seen by a viewer.

Bei der Bildwiedergabeeinheit handelt es sich beispielsweise um ein OLED, ein LCD-Display, ein SED-Display, ein FED-Display, in microLED-Display oder ein VFD Display. Da das optische Element unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.The image display unit is, for example, an OLED, an LCD display, an SED display, a FED display, in a microLED display or a VFD display. Since the optical element is effective regardless of the type of image display unit, any other types of screen are also possible.

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. Mit „Fokussierung“ ist dabei nicht eine Fokussierung nach Art von Linsen gemeint, sondern eine Einengung des Abstrahlbereichs.It is also possible, for example, to use the optical element according to the invention in an image display unit which has a background lighting, such as, for example, in an LCD screen. The optical element would then advantageously be arranged between the image display panel (i.e. 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 for a restricted viewing mode, because the light of the Backlight is focused once (B2) and once not focused (B1) due to the optical element. “Focusing” does not mean focusing in the manner of lenses, but rather a narrowing of the radiation area.

Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden.In principle, the performance of the invention is retained if the parameters described above are varied within certain limits.

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.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 optischen Elements im Betriebszustand B2,
  • 2 die Prinzipskizze eines optischen Elements im Betriebszustand B1 in einer ersten Variante,
  • 3 die Prinzipskizze eines optischen Elements im Betriebszustand B1 in einer zweiten Variante, sowie
  • 4 die Prinzipskizze zur beispielhaften Wirkung eines optischen Elements in beiden Betriebszuständen B1 und B2 hinsichtlich der Transmission über verschiedene Winkel.
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 in operating state B2,
  • 2 the schematic diagram of an optical element in operating state B1 in a first variant,
  • 3 the schematic diagram of an optical element in the operating state B1 in a second variant, as well as
  • 4th the schematic diagram for the exemplary effect of an optical element in both operating states B1 and B2 with regard to the transmission over different angles.

Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder. Außerdem sind der besseren Übersichtlichkeit geschuldet in der Regel jeweils nur eine geringe Auswahl an Elektroden, Lichtstrahlen, Partikeln oder dergleichen dargestellt, obwohl in der Realität von diesen eine regelrechte Vielzahl vorhanden sein kann bzw. ist.The drawings are not true to scale and only represent basic representations. In addition, for the sake of better clarity, only a small selection of electrodes, light beams, particles or the like are shown in each case, although in reality there can or is a veritable large number of these.

In 1 ist also die Prinzipskizze eines optischen Elements im Betriebszustand B2 wiedergegeben. 2 zeigt die Prinzipskizze eines optischen Elements im Betriebszustand B1 in einer ersten Variante und 3 in einer zweiten Variante.In 1 the schematic diagram of an optical element in the operating state B2 is thus shown. 2 shows the schematic diagram of an optical element in the operating state B1 in a first variant and 3 in a second variant.

Das optische Element umfasst,

  • - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche,
  • - eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix F, die zwischen der ersten und der zweiten Großfläche angeordnet ist und bis zu 60 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbare Partikel einer ersten Art PA enthält, wobei eine Vielzahl an Partikeln der ersten Art PA vorhanden ist, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
  • - flächenförmig an einer oder beiden Großflächen und/oder zwischen den Großflächen im Substrat S ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein zwischen den Großflächen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel der ersten Art PA in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix F bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln der ersten Art PA absorbiert werden, welches über die Lichteintrittsfläche in das Substrat S eintritt, ändert, so dass mittels der elektromagnetischen Schaltmittel 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° um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats.
The optical element comprises
  • - a substantially plate-shaped substrate S. with a first large area designed as a light entry area and a second large area designed as a light exit area,
  • - a liquid or a framework matrix F. , which is arranged between the first and the second large area and up to 60 percent by volume electrophoretically or magnetophoretically movable particles of a first type P A contains, wherein a plurality of particles of the first type P A is present which absorb light of one or more wavelengths or wavelength ranges,
  • - flat on one or both large areas and / or between the large areas in the substrate S. trained electromagnetic switching means which, when switched on, generate an electromagnetic field effective between the large areas, whereby the particles of the first type P A in the liquid or the framework matrix F. are moved, so that an angle-dependent transmission of the optical element for light of the wavelengths or wavelength ranges, which by the particles of the first type P A are absorbed, which through the light entry surface in the substrate S. occurs, changes, so that at least two operating states are defined by means of the electromagnetic switching means and a control circuit, the angle-dependent transmission being more than 50% in a first operating state B1 and less than 50% in an angular range of more in a second operating state B2 than 30 ° around a surface normal of the second large area of the substrate.

Das optische Element ist dabei so ausgelegt, dass alle elektromagnetischen Schaltmittel als flächenförmige Elektroden EPN mit zwischen positiv und negativ umkehrbarer Polung auf der ersten und der zweiten Großfläche ausgebildet sind, und dass im ersten Betriebszustand B1 die Elektroden EPN auf der ersten Großfläche eine positive und die Elektroden EPN auf der zweiten Großfläche eine negative Polung oder umgekehrt aufweisen, so dass mehr als 70% der Partikel der ersten Art PA jeweils nicht weiter als maximal ein Viertel der Dicke der Flüssigkeit oder der Matrix F von den betreffenden Elektroden EPN entfernt (wie in 3 dargestellt) und/oder diffus verteilt in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix F lokalisiert sind (wie in 2 gezeigt). Die Pfeile verdeutlichen ausgewählte Lichtstrahlen, die belegen, dass das Licht hier in einem großen Winkelbereich das Substrat durchdringen kann. Somit beträgt die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats S.The optical element is designed in such a way that all electromagnetic switching means are designed as flat electrodes EPN with polarity reversible between positive and negative on the first and second large area, and that in the first operating state B1 the electrodes EPN on the first large area have a positive and a Electrodes EPN on the second large area have a negative polarity or vice versa, so that more than 70% of the particles of the first type P A in each case not more than a quarter of the thickness of the liquid or the matrix F. from the electrodes concerned EPN removed (as in 3 shown) and / or diffusely distributed in the liquid or the framework matrix F. are localized (as in 2 shown). The arrows indicate selected light rays that show that the light can penetrate the substrate over a large angular range. Thus, the angle-dependent transmission in the first operating state B1 is more than 60% in an angle range of more than 30 ° (this angle can also be varied, for example 10 °, 20 ° or 25 °) around a surface normal of the second large surface of the substrate S. .

Weiterhin zeigt die 1 die Prinzipskizze eines optischen Elements im Betriebszustand B2. Hierbei liegen entlang einer Flächennormalen der ersten oder zweiten Großfläche gesehen negativ gepolte Elektroden EPN auf der ersten Großfläche negativ gepolten Elektroden EPN auf der zweiten Großfläche und positiv gepolte Elektroden EPN auf der ersten Großfläche positiv gepolten Elektroden EPN auf der zweiten Großfläche gegenüber, wobei entlang einer Vorzugsrichtung zwischen zwei positiv gepolten Elektroden EPN auf jeder der Großflächen eine negativ gepolte Elektrode EPN und zwischen zwei negativ gepolten Elektroden EPN eine positive Elektrode EPN angeordnet ist, so dass mehr als 70% der Partikel der ersten Art (PA ) jeweils zwischen gleichartig gepolten Elektroden EPN lokalisiert sind, wodurch die winkelabhängige Transmission weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats S. Die besagte Vorzugsrichtung kann hier beispielweise parallel zur zweiten Großfläche des Substrates S und für einen vor dem optischen Element angeordneten Betrachter in horizontaler Lage ausgerichtet sein.Furthermore, the 1 the schematic diagram of an optical element in operating state B2. Here, seen along a surface normal of the first or second large area, negatively polarized electrodes EPN on the first large area, negatively polarized electrodes EPN on the second large area and positively polarized electrodes EPN on the first large area opposite positively polarized electrodes EPN on the second large area, with along a preferred direction between two positively polarized electrodes EPN on each of the large areas a negatively polarized electrode EPN and between two negatively polarized electrodes EPN a positive electrode EPN is arranged, so that more than 70% of the particles of the first type ( P A ) are each located between electrodes with the same polarity EPN, whereby the angle-dependent transmission is less than 5%, in an angular range of more than 30 ° (this angle can also be varied, e.g. 10 °, 20 ° or 25 °) around a surface normal second large area of the substrate S. . Said preferred direction can here, for example, be parallel to the second large area of the substrate S. and be aligned in a horizontal position for a viewer arranged in front of the optical element.

Die Gerüstmatrix F ist beispielsweise als Polymermatrix, bevorzugt als Gelmatrix ausgebildet. Die Flüssigkeit F kann polar oder unpolar sein. Sie kann ferner zum Beispiel aus Wasser, Öl, Toluol oder Formaldehyd bestehen, auch versetzt mit Elektrolyten.The scaffolding matrix F. is designed, for example, as a polymer matrix, preferably as a gel matrix. The liquid F. can be polar or non-polar. It can also consist, for example, of water, oil, toluene or formaldehyde, also mixed with electrolytes.

Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche 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, 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, designed as a light entry area S. is usually located on the back of the substrate from the observer's point of view S. and, depending on the application of the optical element, is adjacent, for example, to an image display device, a light source or to a volume of air. From the last-mentioned objects, light then enters the substrate through the said light-entry surface.

Die eine oder mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbaren Partikel PA Licht absorbieren, liegen bevorzugt im sichtbaren Spektrum und decken dieses besonders bevorzugt komplett ab.The one or more wavelengths or wavelength ranges in which the electrophoretically or magnetophoretically movable particles P A Absorb light, are preferably in the visible spectrum and particularly preferably completely cover it.

Die erste und die zweite Großfläche 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 of the plate-shaped substrate S. are preferably arranged parallel to one another. However, in special configurations, for example when special angle-dependent transmissions of the optical element are to be achieved, they can also be arranged non-parallel, for example in a wedge shape at a defined angle of up to 20 degrees to one another.

Bei den Partikeln der ersten Art PA kann es sich um Nanopartikel, Quantenpunkte und/ oder Farbstoffe handeln, welche eine räumliche Ausdehnung von maximal 200 nm, bevorzugt von maximal 50 nm, besonders bevorzugt von maximal 20 nm aufweisen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch explizit möglich. Mit räumlicher Ausdehnung ist hier die maximale Ausdehnung im dreidimensionalen Raum oder aber der hydrodynamische Radius gemeint, je nach dem, was größer ist. Bei kugelförmigen Partikeln ist das also der Durchmesser. Bei kettenförmigen Partikeln ist das der größtmögliche Abstand, den zwei Punkte auf der Oberfläche des Partikels jeweils voneinander aufweisen können. Ferner können die Partikel der ersten Art PA als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), Bleisulfid (PbS), CdTeSeS-Quantenpunkte, Azo-Farbstoffe und/oder als Metalloxidpartikel, bevorzugt aus Chrom(IV)Oxid oder Fe2O3, ausgebildet sein und eine Größe zwischen 2 nm und 50 nm jeweils einschließlich aufweisen.With the particles of the first kind P A it can be nanoparticles, quantum dots and / or dyes which have a spatial extension of a maximum of 200 nm, preferably a maximum of 50 nm, particularly preferably a maximum of 20 nm. However, other configurations are explicitly possible. Spatial expansion here means the maximum expansion in three-dimensional space or the hydrodynamic radius, whichever is larger. In the case of spherical particles, this is the diameter. In the case of chain-shaped particles, this is the greatest possible distance that two points on the surface of the particle can have from one another. Furthermore, the particles of the first type P A as BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), lead sulfide (PbS), CdTeSeS quantum dots, azo dyes and / or as metal oxide particles, preferably made of chromium (IV) oxide or Fe 2 O 3 , and a size between 2 nm and 50 nm each inclusive.

Alternativ ist es möglich, dass die Partikel der ersten Art .PA als paramagnetische Körper, bevorzugt als Kugeln mit einem Durchmesser von mindestens 100 nm, aus einem paramagnetischen oder diamagnetischen Trägermaterial mit einer relativen magnetischen Permeabilität zwischen 0 und 2, bevorzugt Melaninharz oder Polystyrol, ausgebildet sind, wobei die Körper entweder mit paramagnetischen oder superparamagnetischen Nanopartikeln mit einer relativen magnetischen Permeabilität größer als 10, bevorzugt Fe2O3-NanopartikeIn, beschichtet sind, oder das Trägermaterial mit diesen Nanopartikeln durchsetzt ist. Andere Realisationsvarianten sind ebenfalls möglich. Bevorzugt sollten die Partikel PA zusätzlich eine Oberflächenfunktionalisierung mit hohem Zeta-Potential aufweisen, zum einen als Stabilisierung in der Flüssigkeit F und zum anderen für eine Verbesserung der elektrophoretischen Eigenschaften. Dies lässt sich beispielsweise mit PVP (Polyvinylpyrrolidon) oder PEG (Polyethylenglykol) für wässrige Systeme umsetzen.Alternatively, it is possible that the particles of the first type .P A as paramagnetic bodies, preferably as spheres with a diameter of at least 100 nm, made of a paramagnetic or diamagnetic carrier material with a relative magnetic permeability between 0 and 2, preferably melanin resin or polystyrene, are formed, wherein the bodies are coated either with paramagnetic or superparamagnetic nanoparticles with a relative magnetic permeability greater than 10, preferably Fe 2 O 3 nanoparticles, or the carrier material is interspersed with these nanoparticles. Other implementation variants are also possible. The particles should preferably P A additionally have a surface functionalization with a high zeta potential, on the one hand as a stabilization in the liquid F. and on the other hand for an improvement of the electrophoretic properties. This can be implemented, for example, with PVP (polyvinylpyrrolidone) or PEG (polyethylene glycol) for aqueous systems.

Allgemein gilt im Rahmen der Erfindung, dass die Partikel der ersten Art PA entweder elektrisch geladen sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet sind oder die Partikel der ersten Art PA para- oder superpararmagnetisch sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als elektrischleitende Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet sind, so dass sich die elektro- oder magnetophoretischen Partikel der ersten Art PA im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit bzw. Gerüstmatrix F bewegen.In general, within the scope of the invention, the particles of the first type P A are either electrically charged and the electromagnetic switching means are designed as electrodes for generating a static or dynamic electric field or the particles of the first type P A are para- or superpararmagnetic and the electromagnetic switching means are designed as electrically conductive layers for generating a static or dynamic magnetic field, so that the electro- or magnetophoretic particles of the first type P A in the electric or magnetic field in the liquid or framework matrix F. move.

Wie bereits beschrieben, sind mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände definiert, 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° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats. Der besagte Winkelbereich um eine Flächennormale kann beispielsweise innerhalb einer Ebene gemessen werden, die die Mittelsenkrechte als Flächennormale beinhaltet, d.h. senkrecht auf der zweiten Großfläche des Substrates S steht, und aus Sicht eines Betrachters horizontal gelegen ist. Diese Definition gilt auch für die weiteren Betrachtungen.As already described, at least two operating states are defined by means of the electromagnetic switching means and a control circuit, with the angle-dependent transmission being more than 50% in a first operating state B1 and less than 50% in an angular range of more than 30% in a second operating state B2 ° (this angle can also be varied, for example 10 °, 20 ° or 25 °) about a surface normal of the second large surface of the substrate. Said angular range around a surface normal can be measured, for example, within a plane which contains the center perpendicular as surface normal, ie perpendicular to the second large surface of the substrate S. and is horizontal from the point of view of a beholder. This definition also applies to further considerations.

Für alle Ausgestaltungen sollte gelten, dass die elektromagnetischen Schaltmittel für senkrecht über die Lichteintrittsfläche in das Substrat S einfallendes Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50%, bevorzugt zu über 80%, transparent sind.For all configurations it should apply that the electromagnetic switching means for perpendicularly over the light entry surface in the substrate S. incident light in the visible wavelength range is at least 50%, preferably over 80%, transparent.

Ferner ist es für alle Ausgestaltungsvarianten des optischen Elements denkbar, dass die elektromagnetischen Schaltmittel EPN, E1 bzw. E2 in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sind, 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 Bereichen des optischen Elements gleichzeitig der Betriebszustand zwischen B1 und B2 gewechselt wird, sondern dass vielmehr auf dem optischen Element gleichzeitig Bereiche mit beiden Betriebszuständen B1 und B2 realisiert werden. 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. Außerdem ist es hier denkbar, dass mindestens eine Elektrode der Elektroden EPN (z.B. die jeweils mittlere) vorteilhaft nach unten reflektierend ausgestaltet werden kann, um die Leistung und die Effizienz des optischen Aufbaus zu verbessern.Furthermore, it is conceivable for all design variants of the optical element that the electromagnetic switching means EPN, E1 or E2 are 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 B1 and B2 is not changed simultaneously in all areas of the optical element, but rather that areas with both operating states B1 and B2 are realized on the optical element at the same time. This is advantageous, for example, when, when using the optical element in front of a screen, parts of the displayed image content are to be visible and others are not to be visible from a viewing angle of more than 30 degrees to the side. It is also conceivable here that at least one electrode of the electrodes EPN (e.g. the one in the middle) can advantageously be configured to reflect downwards in order to improve the performance and the efficiency of the optical structure.

Für alle vorgenannten Ausgestaltungen des optischen Elements zeigt die 4 die Prinzipskizze zur beispielhaften Wirkung in jeweils beiden Betriebszuständen B1 und B2 hinsichtlich der Transmission über verschiedene Winkel. Es handelt sich hier der Einfachheit halber um normierte Werte. Die gestrichelte Linie entspricht dem Betriebszustand B2, die durchgezogene Linie dem Betriebszustand B1.For all of the aforementioned configurations of the optical element, FIG 4th the schematic diagram for the exemplary effect in each of the two operating states B1 and B2 with regard to the transmission over different angles. For the sake of simplicity, these are standardized values. The dashed line corresponds to the operating state B2, the solid line to the operating state B1.

Das vorstehend beschriebene 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 solves the problem: An optical element was described which can influence the transmission as a function of the angle (and optionally perpendicular) 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 screen in order to enable switching between a privacy screen and a free viewing mode, the resolution of such a screen being essentially not 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 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 when reading emails on mobile phones Devices. As described above, the invention can also be used in cars.

Claims (9)

Optisches Element, umfassend, - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat (S) mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche, - eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix (F), die zwischen der ersten und der zweiten Großfläche angeordnet ist und bis zu 60 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbare Partikel einer ersten Art (PA) enthält, wobei eine Vielzahl an Partikeln der ersten Art (PA) vorhanden ist, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren, - flächenförmig an einer oder beiden Großflächen und/oder zwischen den Großflächen im Substrat (S) ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein zwischen den Großflächen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel der ersten Art (PA) in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix (F) bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln der ersten Art (PA) absorbiert werden, welches über die Lichteintrittsfläche in das Substrat (S) eintritt, ändert, so dass mittels der elektromagnetischen Schaltmittel 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° um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats, - wobei alle elektromagnetischen Schaltmittel als flächenförmige Elektroden (EPN) mit zwischen positiv und negativ umkehrbarer Polung auf der ersten und der zweiten Großfläche ausgebildet sind und im ersten Betriebszustand B1 die Elektroden (EPN) auf der ersten Großfläche eine positive und die Elektroden (EPN) auf der zweiten Großfläche eine negative Polung oder umgekehrt aufweisen, so dass mehr als 70% der Partikel der ersten Art (PA) jeweils nicht weiter als maximal ein Viertel der Dicke der Flüssigkeit oder der Matrix (F) von den Elektroden (EPN) entfernt und/oder diffus verteilt in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix (F) lokalisiert sind, und in dem zweiten Betriebszustand B2 entlang einer Flächennormalen der ersten oder zweiten Großfläche gesehen negativ gepolte Elektroden (EPN) auf der ersten Großfläche negativ gepolten Elektroden (EPN) auf der zweiten Großfläche und positiv gepolte Elektroden (EPN) auf der ersten Großfläche positiv gepolten Elektroden (EPN) auf der zweiten Großfläche gegenüberliegen, wobei entlang einer Vorzugsrichtung zwischen zwei positiv gepolten Elektroden (EPN) auf jeder der Großflächen eine negativ gepolte Elektrode (EPN) und zwischen zwei negativ gepolten Elektroden (EPN) eine positive Elektrode EPN angeordnet ist, so dass mehr als 70% der Partikel der ersten Art (PA) jeweils zwischen gleichartig gepolten Elektroden (EPN) lokalisiert sind, wodurch 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° um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats.An optical element, comprising - a substantially plate-shaped substrate (S) with a first large area designed as a light entry surface and a second large area designed as a light exit area, - a liquid or a framework matrix (F) which is arranged between the first and the second large area and Contains up to 60 percent by volume electrophoretically or magnetophoretically movable particles of a first type (P A ), with a large number of particles of the first type (P A ) being present, which absorb light of one or more wavelengths or wavelength ranges, flat on one or both large surfaces and / or electromagnetic switching means formed between the large areas in the substrate (S) which, when switched on, generate an electromagnetic field effective between the large areas, whereby the particles of the first type (P A ) are moved in the liquid or the framework matrix (F) so that an angle-dependent ge transmission of the optical element for light of the wavelengths or wavelength ranges that are absorbed by the particles of the first type (P A ), which enters the substrate (S) via the light entry surface, changes, so that by means of the electromagnetic switching means and a control circuit at least two operating states are defined, whereby in a first operating state B1 the angle-dependent transmission is more than 50% and in a second operating state B2 less than 50% in an angular range of more than 30 ° around a surface normal of the second large surface of the substrate, wherein all electromagnetic switching means are designed as planar electrodes (EPN) with polarity reversible between positive and negative on the first and second large area and in the first operating state B1 the electrodes (EPN) on the first large area have a positive and the electrodes (EPN) on the second large area have a negative polarity or vice versa, so that more than 70% of the particles of the first type (P A ) are no more than a quarter of the thickness of the liquid or the matrix (F) away from the electrodes (EPN) and / or are located diffusely distributed in the liquid or the framework matrix (F), and in the second operating state B2 Negatively polarized electrodes (EPN) on the first large surface, negatively polarized electrodes (EPN) on the second large surface and positively polarized electrodes (EPN) on the first large surface, positively polarized electrodes (EPN) on the second large surface, seen along a surface normal of the first or second large surface opposite, wherein a negative electrode (EPN) and between two negatively polarized electrodes (EPN) a positive electrode EPN is arranged along a preferred direction between two positively polarized electrodes (EPN) on each of the large areas, so that more than 70% of the particles of first type (P A ) are each located between electrodes with the same polarity (EPN), whereby 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 ° around a Area normals of the second large area of the substrate. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gerüstmatrix (F) als Polymermatrix, bevorzugt als Gelmatrix ausgebildet ist.Optical element according to Claim 1 , characterized in that the framework matrix (F) is designed as a polymer matrix, preferably as a gel matrix. Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel der ersten Art (PA) als Nanopartikel, Quantenpunkte und/ oder Farbstoffe ausgebildet sind und eine räumliche Ausdehnung von maximal 200 nm, bevorzugt von maximal 50 nm, besonders bevorzugt von maximal 20 nm aufweisen.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that the particles of the first type (P A ) are designed as nanoparticles, quantum dots and / or dyes and have a spatial extension of a maximum of 200 nm, preferably a maximum of 50 nm, particularly preferably a maximum 20 nm. Optisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel der ersten Art (PA) als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), Bleisulfid (PbS), CdTeSeS-Quantenpunkte, Azo-Farbstoffe und/oder als Metalloxidpartikel, bevorzugt aus Chrom(IV)Oxid oder Fe2O3 ausgebildet sind und eine Größe zwischen 2 nm und 50 nm jeweils einschließlich aufweisen.Optical element according to Claim 3 , characterized in that the particles of the first type (P A ) as BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), lead sulfide (PbS), CdTeSeS quantum dots, azo dyes and / or as metal oxide particles, preferably made of chromium (IV) oxide or Fe 2 O 3 are formed and have a size between 2 nm and 50 nm inclusive. Optisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel der ersten Art (PA) als paramagnetische Körper, bevorzugt als Kugeln mit einem Durchmesser von mindestens 100 nm, aus einem paramagnetischen oder diamagnetischen Trägermaterial mit einer relativen magnetischen Permeabilität zwischen 0 und 2, bevorzugt Melaninharz oder Polystyrol, ausgebildet sind, wobei die Körper entweder mit paramagnetischen oder superparamagnetischen Nanopartikeln mit einer relativen magnetischen Permeabilität größer als 10, bevorzugt Fe2O3-NanopartikeIn, beschichtet sind, oder das Trägermaterial mit diesen Nanopartikeln durchsetzt ist.Optical element according to Claim 3 , characterized in that the particles of the first type (P A ) as paramagnetic bodies, preferably as spheres with a diameter of at least 100 nm, made of a paramagnetic or diamagnetic carrier material with a relative magnetic permeability between 0 and 2, preferably melanin resin or polystyrene, are formed, wherein the bodies are coated either with paramagnetic or superparamagnetic nanoparticles with a relative magnetic permeability greater than 10, preferably Fe 2 O 3 nanoparticles, or the carrier material is interspersed with these nanoparticles. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel der ersten Art (PA) entweder elektrisch geladen sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet sind oder die Partikel der ersten Art (PA) magnetisch sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als elektrisch leitende Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet sind, so dass sich die elektro- oder magnetophoretischen Partikel der ersten Art (PA) im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit bzw. Gerüstmatrix (F) bewegen.Optical element according to Claim 1 , characterized in that the particles of the first type (P A ) are either electrically charged and the electromagnetic switching means are designed as electrodes for generating a static or dynamic electric field or the particles of the first type (P A ) are magnetic and the electromagnetic switching means are designed as electrically conductive layers for generating a static or dynamic magnetic field, so that the electro- or magnetophoretic particles of the first type (P A ) move in the electric or magnetic field in the liquid or framework matrix (F). Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Schaltmittel 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 are 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. Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flüssigkeit oder in der Gerüstmatrix (F) mehrere Arten von Partikeln (Px, Py, ...) vorhanden sind, die sich in ihren Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that several types of particles (Px, Py, ...) which differ in their transport properties in the electromagnetic field are present in the liquid or in the framework matrix (F). 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 8, und - eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.Screen that 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 one of the Claims 1 until 8th , and an image display unit arranged downstream or upstream of the optical element as seen by a viewer.
DE102020003265.6A 2019-08-21 2020-05-14 Optical element with variable transmission and screen with such an optical element Active DE102020003265B3 (en)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020003265.6A DE102020003265B3 (en) 2020-05-14 2020-05-14 Optical element with variable transmission and screen with such an optical element
CN202080023242.6A CN113614631A (en) 2019-08-21 2020-08-18 Optical element with variable transmission and screen with such an optical element
US17/442,078 US20220171249A1 (en) 2019-08-21 2020-08-18 Optical element with variable transmission and screen comprising such an optical element
JP2021558756A JP7266917B2 (en) 2019-08-21 2020-08-18 Variable transmission optical element and screen with such optical element
PCT/EP2020/073088 WO2021032735A1 (en) 2019-08-21 2020-08-18 Optical element with variable transmission and screen comprising such an optical element
TW109128517A TWI763009B (en) 2019-08-21 2020-08-21 Optical element with variable transmittance and screen with the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020003265.6A DE102020003265B3 (en) 2020-05-14 2020-05-14 Optical element with variable transmission and screen with such an optical element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020003265B3 true DE102020003265B3 (en) 2021-07-29

Family

ID=76753858

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020003265.6A Active DE102020003265B3 (en) 2019-08-21 2020-05-14 Optical element with variable transmission and screen with such an optical element

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020003265B3 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022102390B3 (en) 2022-02-02 2022-06-30 Sioptica Gmbh Screen with changeable relative luminance distribution curve

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5993940A (en) 1994-06-21 1999-11-30 3M Innovative Properties Company Composite used for light control of privacy
US6323989B1 (en) 1996-07-19 2001-11-27 E Ink Corporation Electrophoretic displays using nanoparticles
US6765550B2 (en) 2001-04-27 2004-07-20 International Business Machines Corporation Privacy filter apparatus for a notebook computer display
JP2007155783A (en) 2005-11-30 2007-06-21 Casio Comput Co Ltd Liquid crystal display device
WO2012033583A1 (en) 2010-09-09 2012-03-15 3M Innovative Properties Company Switchable privacy filter
US20120235891A1 (en) 2009-12-02 2012-09-20 Rena Nishitani Liquid crystal display device
US20130308185A1 (en) 2012-05-18 2013-11-21 Reald Inc. Polarization recovery in a directional display device
WO2015121398A1 (en) 2014-02-17 2015-08-20 Sioptica Gmbh Switchable lighting device and use thereof
US20150346578A1 (en) 2002-06-13 2015-12-03 E Ink Corporation Methods for driving electrophoretic displays using dielectrophoretic forces
WO2018232099A1 (en) 2017-06-16 2018-12-20 E Ink Corporation Electro-optic media including encapsulated pigments in gelatin binder
DE102019006022B3 (en) 2019-08-21 2020-07-23 Sioptica Gmbh Optical element with variable transmission and screen with such an optical element

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5993940A (en) 1994-06-21 1999-11-30 3M Innovative Properties Company Composite used for light control of privacy
US6323989B1 (en) 1996-07-19 2001-11-27 E Ink Corporation Electrophoretic displays using nanoparticles
US6765550B2 (en) 2001-04-27 2004-07-20 International Business Machines Corporation Privacy filter apparatus for a notebook computer display
US20150346578A1 (en) 2002-06-13 2015-12-03 E Ink Corporation Methods for driving electrophoretic displays using dielectrophoretic forces
JP2007155783A (en) 2005-11-30 2007-06-21 Casio Comput Co Ltd Liquid crystal display device
US20120235891A1 (en) 2009-12-02 2012-09-20 Rena Nishitani Liquid crystal display device
WO2012033583A1 (en) 2010-09-09 2012-03-15 3M Innovative Properties Company Switchable privacy filter
US20130308185A1 (en) 2012-05-18 2013-11-21 Reald Inc. Polarization recovery in a directional display device
WO2015121398A1 (en) 2014-02-17 2015-08-20 Sioptica Gmbh Switchable lighting device and use thereof
WO2018232099A1 (en) 2017-06-16 2018-12-20 E Ink Corporation Electro-optic media including encapsulated pigments in gelatin binder
DE102019006022B3 (en) 2019-08-21 2020-07-23 Sioptica Gmbh Optical element with variable transmission and screen with such an optical element

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022102390B3 (en) 2022-02-02 2022-06-30 Sioptica Gmbh Screen with changeable relative luminance distribution curve
WO2023147898A1 (en) 2022-02-02 2023-08-10 Sioptica Gmbh Display screen having a variable relative luminance distribution curve

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102019006022B3 (en) Optical element with variable transmission and screen with such an optical element
EP3552056B1 (en) Screen for a free viewing mode and a restricted viewing mode, and use of same
EP3350650B1 (en) Method and arrangement for the secure display of information
EP3545359B1 (en) Illumination device for a screen with a free viewing mode and a restricted viewing mode
EP3090309B1 (en) Switchable backlight device and utilisation thereof
EP3347764B1 (en) Screen for a free viewing mode and a restricted viewing mode
WO2021032735A1 (en) Optical element with variable transmission and screen comprising such an optical element
DE102020008013B3 (en) Optical element with variable transmission and screen with such an optical element
DE102020006442B3 (en) Optical element with variable transmission, method for producing such an optical element and use of such an optical element in a screen
DE102020002797B3 (en) Optical element with variable angle-dependent transmission and screen with such an optical element
DE102020007974B3 (en) Optical element with variable transmission and screen with such an optical element
DE102020003265B3 (en) Optical element with variable transmission and screen with such an optical element
DE102020006110B3 (en) Switchable light filter with variable transmission and screen with such a switchable light filter and use of such a screen
EP4222554A1 (en) Switchable light filter and use thereof
DE102015016134B3 (en) Screen and procedure for a free and a restricted view mode
DE102023110269B3 (en) Switchable light filter, lighting device and screen
DE102021120469B3 (en) Optical element for selectively restricting directions of light propagation and lighting device and image display device for a free and a restricted viewing mode with such an optical element
DE102021110645B4 (en) Free and restricted view mode screen and use of such screen
DE102020002323B3 (en) Optical element for influencing the directions of light and screen with such an optical element
DE102016007814A1 (en) Screen and procedure for a free and a restricted view mode
DE102019009144A1 (en) Optical element with variable transmission
DE102015015516A1 (en) Screen and procedure for a free and a restricted view mode
DE102020002513B3 (en) Lighting device with at least two operating modes
DE102023118933B3 (en) Backlight with an optical film and lighting device and screen
DE102022134518B3 (en) Optical element, method for its production and lighting device

Legal Events

Date Code Title Description
R086 Non-binding declaration of licensing interest
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R087 Non-binding licensing interest withdrawn
R016 Response to examination communication
R130 Divisional application to

Ref document number: 102020008013

Country of ref document: DE

R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final