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Gebiet der Erfindung
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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.
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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.
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Stand der Technik
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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.
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Die
US 6,765,550 A beschreibt einen solchen Sichtschutz durch Mikro-Lamellen. Größter Nachteil ist hier die mechanische Entfernung bzw. der mechanische Anbau des Filters sowie der Lichtverlust im geschützten Modus.
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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.
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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.
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In der US Schrift 2013/0308185 A1 wird ein spezieller, mit Stufen ausgebildeter Lichtleiter beschrieben, der Licht auf einer Großfläche in verschiedene Richtungen abstrahlt, je nachdem, aus welcher Richtung er von einer Schmalseite aus beleuchtet wird. Im Zusammenspiel mit einem transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung, z.B. einem LC-Display, kann somit ein zwischen freiem und eingeschränktem Sichtmodus schaltbarer Bildschirm erzeugt werden. Nachteilig ist hierbei u.a., dass der eingeschränkte Sichteffekt entweder nur für links/rechts oder aber für oben/unten, nicht aber für links/rechts/oben/unten gleichzeitig erzeugt werden kann, wie es etwa für bestimmte Zahlungsvorgänge nötig ist. Hinzu kommt, dass auch im eingeschränkten Sichtmodus aus geblockten Einsichtwinkeln immer noch ein Restlicht sichtbar ist.
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Die
W02015/121398 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm der eingangs beschriebenen Art. Dort sind für die Umschaltung der Betriebsarten essentiell Streupartikel im Volumen des entsprechenden Lichtleiters vorhanden. Die dort gewählten Streupartikel aus einem Polymerisat weisen jedoch in der Regel den Nachteil auf, dass Licht aus beiden Großflächen ausgekoppelt wird, wodurch etwa die Hälfte des Nutzlichtes in die falsche Richtung, nämlich zur Hintergrundbeleuchtung hin, abgestrahlt und dort aufgrund des Aufbaus nicht in hinreichendem Umfang recycelt werden kann. Überdies können die im Volumen des Lichtleiters verteilten Streupartikel aus Polymerisat unter Umständen, insbesondere bei höherer Konzentration, zu Streueffekten führen, die den Sichtschutzeffekt in der geschützten Betriebsart vermindern.
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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.
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Beschreibung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu beschreiben, welches die Transmission mindestens senkrecht beeinflussen kann, und welches zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umschalten kann. Das optische Element soll preiswert umsetzbar sein, um wahlweise um eine vollständige oder teilweise Dimmung von Scheiben im PKW zu erzielen, oder eine Durchsicht zuzulassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem optisches Element, umfassend,
- - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche,
- - eine Vielzahl von in das Substrat eingebetteten, lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, wobei die Schmalseiten im Bereich der Großflächen angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden,
- - eine Flüssigkeit F, mit der die Fluidkammern gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit bis zu 20 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
- - flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern im Substrat ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Fluidkammern wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel in der Flüssigkeit bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche in das Substrat eintritt, dass es auf die Fluidkammern trifft, ändert.
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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.
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Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche des plattenförmiges Substrat befindet sich in der Regel aus Betrachtersicht auf der Rückseite des Substrates und grenzt je nach Anwendungsfall des optischen Elements beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung, eine Lichtquelle oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche in das Substrat ein.
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Die lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, können beispielsweise in parallel zu den Großflächen ausgerichtet sein und eine Quaderform aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass es sich um eine trapezförmige oder gekrümmte -wie etwa bogenförmige- Schmalseiten handelt.
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Im Falle der (nicht-würfelförmigen) Quaderform sind die Schmalseiten dann die länglichen Seiten, welche einen kleineren Flächeninhalt aufweisen, also die Längsseiten, welche wiederum in der Regel den größten Flächeninhalt aller sechs Oberflächen einer Fluidkammer aufweisen. Typischerweise sind die Schmalseiten parallel oder -bis auf einen weiter unten noch beschriebenen Verkippungswinkel- parallel zu den Großflächen des Substrates angeordnet, während die Längsseiten senkrecht oder -bis auf einen weiter unten noch beschriebenen Verkippungswinkel- senkrecht zu den zu den Großflächen des Substrates angeordnet sind.
Demgegenüber sind die verbleibenden Stirnseiten diejenigen beiden Oberflächen, welche keine Schmalseiten und keine Längsseiten verkörpern.
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Es ist explizit auch möglich, dass die Fluidkammern zumindest teilweise an einer oder beiden Großflächen des Substrates herausragen.
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Die eine oder mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbaren Partikel Licht absorbieren, liegen bevorzugt im sichtbaren Spektrum und decken dieses besonders bevorzugt im Wesentlichen komplett ab. Sie können aber für besondere Zwecke auch außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen, etwa wenn UV- bzw. IR-Licht beeinflusst werden soll, z.B. für Zwecke der Messtechnik.
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Die flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern im Substrat ausgebildeten elektromagnetischen Schaltmittel sind beispielsweise an den Schmalseiten der jeweiligen Fluidkammern angeordnet.
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Bei den Partikeln handelt es sich beispielsweise um Nano-Partikel, Quanten-Punkte und/ oder Farbstoffe. Diese weisen eine räumliche Ausdehnung von maximal 100 nm, bevorzugt von maximal 50 nm, besonders bevorzugt von maximal 20 nm auf.
Mit räumlicher Ausdehnung ist hier die maximale Ausdehnung im dreidimensionalen Raum oder aber der hydrodynamische Radius gemeint, je nach dem, was größer ist.
Bei kugelförmigen Partikeln ist das also der Durchmesser. Bei schnurförmigen Partikeln ist das der größtmögliche Abstand, den zwei Punkte auf der Oberfläche des Partikels jeweils voneinander aufweisen können.
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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.
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Ferner sind entweder die Partikel elektrisch geladen und die elektromagnetischen Schaltmittel als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet, oder die Partikel sind magnetisch und die elektromagnetischen Schaltmittel sind als elektromagnetische Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet, so dass sich die elektromagnetischen Partikel im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit bewegen. Die entsprechenden elektrischen Feldlinien würden dann beispielweise in der Mitte einer Fluidkammer parallel ausgebildet sein und am Rande eher Abweichungen von der Parallelität zeigen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch ebenso möglich.
Führende physikalische Effekte für die Bewegung der Partikel beim Anliegen eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere eines statischen Feldes, sind demnach die (Di)Elektrophorese oder die Magnetophorese.
Für den Fall, dass kein elektrisches bzw. kein magnetisches Feld anliegt, bewegen sich die Partikel insbesondere aufgrund von Diffusion in den Fluidkammern und breiten sich somit über die Zeit homogen aus. Bei Partikeln, die nicht größer als 50 nm sind, spielt die Schwerkraft keine Rolle; diese sedimentieren nicht also.
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Mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung sind mindestens zwei Betriebszustände definiert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei mehr als 50% und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% liegt. Dies gilt in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen Fluidkammern. Die Längsausdehnung ist hier definiert mit der Verbindungsgeraden der Flächenmittelpunkte der beiden Stirnseiten einer jeden Fluidkammer.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausgestaltung gilt, dass im ersten Betriebszustand B1 mehr als 70% der Partikel jeweils in Bereichen an den Seiten der Fluidkammern lokalisiert sind, an denen die elektromagnetischen Schaltmittel ausgebildet sind, und in dem zweiten Betriebszustand B2, bei welchem die Schaltmittel so konfiguriert sind, dass kein statisches elektromagnetisches Feld oder aber eine wechselndes elektromagnetisches Feld vorliegt, mehr als 50% der Partikel (primär aufgrund von Diffusion und/oder des wechselnden elektromagnetischen Feldes) überwiegend gleichmäßig in den Fluidkammern verteilt sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt. Dies gilt wiederum in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen Fluidkammern.
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Mit anderen Worten: die verschiedenen Betriebszustände B1, B2, .. unterscheiden sich insbesondere dadurch, dass die jeweils lokale Konzentration und Lokalisation der Partikel in den Fluidkammern verändert wird, um die Transmissionseigenschaften aufgrund der Absorption durch die Partikel zu verändern.
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Vorteilhaft sind die elektromagnetischen Schaltmittel für senkrecht über die Lichteintrittsfläche in das Substrat in dieses einfallendes Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50% transparent.
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Die elektromagnetischen Schaltmittel (wie auch die Fluidkammern) können weiterhin in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand B1 und dem zweiten Betriebszustand B2 ermöglicht wird. Mit lokaler Umschaltbarkeit ist hierbei gemeint, dass nicht in allen Fluidkammern gleichzeitig der Betriebszustand zwischen B1 und B2 gewechselt wird, sondern dass vielmehr auf dem optischen Element gleichzeitig Bereiche mit beiden Betriebszuständen B1 und B2 vorliegen. Dies ist vorteilhaft, etwa wenn bei Nutzung des optischen Elements vor einem Bildschirm aus einem Blickwinkel von über 30 Grad zur Seite Teile des dargestellten Bildinhaltes sichtbar und andere nicht sichtbar sein sollen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Flüssigkeit mehrere Arten von Partikeln vorhanden, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder ihren Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden. Mit „Transporteigenschaften“ ist insbesondere das Verhalten der Partikel bei der jeweiligen Phorese (Transport im Feld) gemeint.
Diese Variante kommt insbesondere im Falle von Nanopartikeln zum Tragen: der Unterschied der Partikelarten besteht hierbei z.B. in der Partikelgröße und/oder der Oberflächenfunktion, d.h. im Zeta-Potential.
Im Falle der Verwendung von Quanten-Punkten oder Farbstoffen als Partikel und wenn diese fluoreszierend sind, kommt bevorzugt noch ein sogenanntes „Quencher“-Material zum Einsatz, um eben die Fluoreszenz zu vermeiden.
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Die Fluidkammern können entweder parallel oder gitterförmig mit sich kreuzenden Bereichen zueinander ausgerichtet sein. Entsprechend gestalten sich dann die winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des optischen Elements gegenüber einer oder zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen.
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Im Regelfall werden die Fluidkammern (insbesondere deren Längseiten) jeweils im Wesentlichen parallel zur Mittelsenkrechten auf das Substrat S ausgerichtet sein.
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Demgegenüber ist es aber auch möglich, dass die Fluidkammern gegenüber der Mittelsenkrechten auf das Substrat in einem Winkelbereich („Verkippungswinkel“) von -10° bis +10°, gegebenenfalls sogar zwischen -30° und +30°, geneigt sind. Auch diese Ausgestaltung nimmt Einfluss auf die Winkelabhängigkeit der Transmission des optischen Elements, insbesondere im Betriebszustand B2. Durch den genannten Neigungswinkel wird die durch die Partikelabsorption und die Partikelpositionen innerhalb der Fluidkammern begründete winkelabhängige Absorption um einen festen Offset-Winkel gekippt, etwa wenn eine geringe Transmission in einem besonders steilen Winkel gewünscht ist.
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Beispielhaft können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammern, in einer Ebene PL1 parallel zur Hauptausbreitungsrichtung des Substrates zwischen 2µm und 30µm breit (Abstand Längsseite zu Längsseite einer Fluidkammer) und jeweils minimal 10µm und maximal 150µm voneinander beabstandet (Abstand Längsseite zu nächstbenachbarter Längsseite der nächstbenachbarten Fluidkammer) sein.
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Schließlich können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammern eine Höhe (Abstand Schmalseite zu Schmalseite) von minimal 10pm und maximal 300µm aufweisen, gemessen in einer Ebene PL2 senkrecht zur Ebene PL1.
Abweichungen von diesen typischen Maßen sind jedoch möglich und liegen ebenso im Rahmen der Erfindung.
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Weiterhin beinhaltet die Erfindung auch noch einen Bildschirm, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend
- - ein erfindungsgemäßes optisches Element, und
- - eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nachgeordnete Bildwiedergabeeinheit.
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Bei der Bildwiedergabeeinheit handelt es sich beispielsweise um ein OLED, ein LCD-Display, ein SED-Display, ein FED-Display, in micro-LED-Display oder ein VFD Display. Da das optische Element unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.
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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.
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Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, dass mehr als zwei Betriebszustände B1, B2, B3 etc. eingestellt werden können. Hierzu würde z.B. gegenüber den oben beschriebenen Varianten für die Betriebszustände B1 und B2 in einem dritten (vierten, fünften, ..) Betriebszustand ein andersartiges elektromagnetisches Feld angelegt, was dazu führt, dass der Ausbringungsgrad der Partikel bzw. Partikelarten unterschiedlich stark zwischen den Betriebsarten ist, so dass insgesamt drei oder mehr verschiedene winkelabhängige Transmissionsgrade erreicht werden. Die kann z.B. für winkelabhängige Dimmungsanwendungen von Interesse sein.
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Überdies sei angemerkt, dass wenn flächenförmig nur jeweils an einer Oberfläche der Fluidkammern im Substrat elektromagnetische Schaltmittel ausgebildet sind, diese dann in den Fluidkammern in einem eingeschalteten Zustand ein innerhalb der Fluidkammern wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen können, welches einem elektromagnetischen Feld ähnelt, wie es in sogenannten IPS-(„In Plane Switching“) LCD-Panels zum Einsatz kommt.
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Die Erfindung beinhaltet auch ein weiteres erfindungsgemäßes optisches Element, umfassend,
- - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche,
- - eine Vielzahl von in das Substrat eingebetteten, Fluidkammern mit jeweils einer oder mehreren Oberflächen,
- - eine Flüssigkeit, mit der die Fluidkammern gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit bis zu 20 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
- - flächenförmig an einer oder mehreren Oberflächen der Fluidkammern im Substrat ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in den Fluidkammern in einem eingeschalteten Zustand ein innerhalb der Fluidkammern wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel in der Flüssigkeit bewegt werden, so dass sich die Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln absorbiert werden, ändert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die Transmission bei mehr als 50% und in einem zweiten
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Betriebszustand B2 bei weniger als 50% liegt, bezogen auf die Richtung der Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats.
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Die Fluidkammern können in diesem Fall beispielsweise waben-, zylinder-, oder rechteckförmig sein und einen Teil oder im Wesentlichen das gesamte Substrat ausfüllen. Dieses weitere erfindungsgemäße optische Element ist insbesondere dazu anwendbar, den senkrechten (in Kombination damit gleichzeitig jedoch auch den nicht-senkrechten) Lichtdurchgang bezüglich der Transmission zu kontrollieren. Ein Anwendungsfall hierzu wäre z.B. die vollständige oder teilweise Dimmung von Scheiben im PKW, um die Blendung des Fahrers fallbedingt zu vermeiden. Außerdem lassen sich mit dem weiteren optischen Element zum Beispiel umschaltbare Spiegel realisieren.
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Es gelten hier sinngemäß die weiter oben angegebenen Ausgestaltungsvarianten und Mittel-Wirkungszusammenhänge, die hier aus Redundanzgründen nicht wiederholt werden sollen.
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Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigt
- 1 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements im Betriebszustand B1,
- 2 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements im Betriebszustand B2,
- 3 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei lokal verschieden bei Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Fluidkammern parallel zueinander angeordnet sind,
- 4 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei lokal verschieden bei Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Fluidkammern gekreuzt zueinander angeordnet sind,
- 5 eine Prinzipskizze zur Wirkung eines erfindungsgemäßen optischen Elements in beiden Betriebszuständen B1 und B2,
- 6 die Prinzipskizze eines zweiten erfindungsgemäßen optischen Elements in Schnittansicht,
- 7 die Prinzipskizze eines zweiten erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei sich dieses im Betriebszustand B1 befindet, sowie
- 8 die Prinzipskizze eines zweiten erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei sich dieses im Betriebszustand B2 befindet.
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Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder.
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In 1 ist also die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements im Betriebszustand B1 wiedergegeben.
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Das dargestellte erfindungsgemäße optische Element umfasst hier,
- - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche 3 und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche 4,
- - eine Vielzahl von in das Substrat S eingebetteten, lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche 3 und der zweiten Großfläche 4 erstrecken, wobei die Schmalseiten im Bereich der Großflächen 3, 4 angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden,
- - eine Flüssigkeit F, mit der die Fluidkammern R gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit bis zu 20 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel P enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
- - flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern R im Substrat S ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel 2, welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Fluidkammern R wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel P in der Flüssigkeit F bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln P absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche 3 in das Substrat S eintritt, dass es auf die Fluidkammern R trifft, ändert.
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Die erste und die zweite Großfläche 3, 4 des plattenförmigen Substrates S sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Sie können jedoch in besonderen Ausgestaltungen, etwa wenn besondere winkelabhängige Transmissionen des optischen Elements erreicht werden sollen, auch nicht-parallel, z.B. keilförmig in einem definierten Winkel von bis zu 20 Grad zueinander angeordnet sein.
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Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche 3 des plattenförmiges Substrates S befindet sich in der Regel aus Betrachtersicht auf der Rückseite des Substrates S und grenzt je nach Anwendungsfall des optischen Elements beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung (in der Zeichnung mit dem Bezeichner 1 angedeutet), eine Lichtquelle oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche 3 in das Substrat ein.
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Die lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern R mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche 3 und der zweiten Großfläche 4 erstrecken, weisen in diesem Beispiel eine Quaderform auf und sind parallel zu den Großflächen 3, 4 ausgerichtet. Demgegenüber sind die verbleibenden Stirnseiten diejenigen beiden Oberflächen, welche keine Schmalseiten und keine Längsseiten verkörpern.
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Es ist explizit auch möglich, dass die Fluidkammern R zumindest teilweise an einer oder beiden Großflächen 3 und/oder 4 des Substrates S herausragen, wie in den Zeichnungen 1 und 2 dargestellt.
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Die eine oder mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbaren Partikel P Licht absorbieren, liegen hier im sichtbaren Spektrum und decken dieses im Wesentlichen komplett ab.
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Die flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Fluidkammern R im Substrat S ausgebildeten elektromagnetischen Schaltmittel 2 sind beispielsweise an den Schmalseiten der jeweiligen Fluidkammern R angeordnet, wie in 1 und 2 dargestellt.
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Bei den Partikeln P handelt es sich beispielsweise als Nano-Partikel, Quanten-Punkte und/ oder Farbstoffe. Diese weisen eine räumliche Ausdehnung von maximal 20 nm auf.
Mit räumlicher Ausdehnung ist hier die maximale Ausdehnung im dreidimensionalen Raum gemeint. Bei kugelförmigen Partikeln ist das also der Durchmesser.
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Die Flüssigkeit F ist z.B. Beispiel Wasser, versetzt mit einem 10 Vol.-%igen Ferrofluid und Elektrolyten.
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Ferner sind die Partikel P elektrisch geladen und die elektromagnetischen Schaltmittel 2 als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet, so dass sich die elektromagnetischen Partikel P im elektrischen Feld in der Flüssigkeit F bewegen. Die entsprechenden elektrischen Feldlinien würden dann beispielweise in der Mitte einer Fluidkammer R parallel ausgebildet sein und am Rande eher Abweichungen von der Parallelität zeigen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch ebenso möglich.
Führende physikalische Effekte für die Bewegung der Partikel P beim Anliegen eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere eines statischen Feldes, sind demnach in diesem Falle die (Di-)Elektrophorese.
Für den Fall, dass kein elektrisches Feld anliegt, bewegen sich die Partikel P insbesondere aufgrund von Diffusion in den Fluidkammern und breiten sich somit über die Zeit homogen aus. Bei den hier gewählten Partikeln, die ja nicht größer als 50 nm sind, spielt die Schwerkraft keine Rolle; diese sedimentieren nicht.
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Mittels der elektromagnetischen Schaltmittel 2 , die beispielsweise als transparente Elektroden ausgebildet sind, und einer Ansteuerschaltung sind mindestens zwei Betriebszustände definiert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei mehr als 50% und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% liegt. Dies gilt in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen Fluidkammern R. Die Längsausdehnung ist hier definiert mit der Verbindungsgeraden der Flächenmittelpunkte der beiden Stirnseiten einer jeden Fluidkammer R. Für den Betriebszustand B1 wird über die Schaltmittel 2 ein statisches elektrisches Feld erzeugt, um die Partikel P zu bewegen, während für den Betriebszustand B2 kein elektrisches Feld angelegt wird, um die Partikel P durch Diffusion innerhalb der Fluidkammern R zu verteilen.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausgestaltung gilt, dass im ersten Betriebszustand B1 aufgrund eines statischen elektrischen Feldes mehr als 70% der Partikel P jeweils in Bereichen an den Seiten der Fluidkammern R1, R2, ... lokalisiert sind, an denen die elektromagnetischen Schaltmittel 2 ausgebildet sind, und in dem zweiten Betriebszustand B2, bei welchem die Schaltmittel 2 so konfiguriert sind, dass kein statisches elektromagnetisches Feld oder aber eine zeitlich wechselndes elektromagnetisches Feld vorliegt, mehr als 50% der Partikel P (primär aufgrund von Diffusion und/oder des wechselnden elektromagnetischen Feldes) überwiegend gleichmäßig in den Fluidkammern R verteilt sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt. Dies gilt wiederum in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen Fluidkammern.
Mit anderen Worten: die verschiedenen Betriebszustände B1, B2, .. unterscheiden sich insbesondere dadurch, dass die jeweils lokale Konzentration und Lokalisation der Partikel P in den Fluidkammern verändert wird, um die Transmissionseigenschaften aufgrund der Absorption durch die Partikel zu verändern.
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Vorteilhaft sind die elektromagnetischen Schaltmittel 2 für senkrecht über die Lichteintrittsfläche in das Substrat S in dieses einfallendes Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50%, bevorzugt über 80%, transparent.
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Die elektromagnetischen Schaltmittel (wie auch die Fluidkammern R) können weiterhin in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand B1 und dem zweiten Betriebszustand B2 ermöglicht wird. Mit lokaler Umschaltbarkeit ist hierbei gemeint, dass nicht in allen Fluidkammern 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.
Eine solche Konfiguration ist in 3 dargestellt. Diese Prinzipskizze zeigt die Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes optisches Element, wobei lokal verschieden bei Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Fluidkammern parallel zueinander angeordnet sind. Die hell eingezeichneten Fluidkammern R befinden sich dabei jeweils im Betriebszustand B1 und die dunkel eingezeichneten im Betriebszustand B2.
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Die Fluidkammern R können, wie in 3 gezeigt, entweder parallel oder, wie in 4 gezeigt, gitterförmig mit sich kreuzenden Bereichen zueinander ausgerichtet sein. Entsprechend gestalten sich dann die winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des optischen Elements gegenüber einer oder zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen. Die Prinzipskizze 4 zeigt die Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes optisches Element, wobei lokal verschieden bei Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Fluidkammern gitterförmig gekreuzt zueinander angeordnet sind. Die hell eingezeichneten Fluidkammern R befinden sich dabei jeweils im Betriebszustand B1 und die dunkel eingezeichneten im Betriebszustand B2.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Flüssigkeit mehrere Arten von Partikeln P1, P2, ... vorhanden, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder ihren Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden. Mit „Transporteigenschaften“ ist insbesondere das Verhalten der Partikel P bei der jeweiligen Phorese (Transport im Feld) gemeint.
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Diese Variante kommt insbesondere im Falle von Nanopartikeln zum Tragen: der Unterschied der Partikelarten P1, P2, ... besteht hierbei z.B. in der Partikelgröße und/oder der Oberflächenfunktion, d.h. im Zeta-Potential.
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Im Falle der Verwendung von Quanten-Punkten oder Farbstoffen als Partikel und wenn diese fluoreszierend sind, kommt bevorzugt noch ein sogenanntes „Quencher“-Material zum Einsatz, um eben die Fluoreszenz zu vermeiden.
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Im Regelfall werden die Fluidkammern (insbesondere deren Längseiten) jeweils im Wesentlichen parallel zur Mittelsenkrechten auf das Substrat S ausgerichtet sein. Demgegenüber ist es aber auch möglich, dass die Fluidkammern R gegenüber der Mittelsenkrechten auf das Substrat S in einem Winkelbereich („Verkippungswinkel“) von -10° bis +10°, gegebenenfalls sogar zwischen -30° und +30°, geneigt sind. Auch diese Ausgestaltung nimmt Einfluss auf die Winkelabhängigkeit der Transmission des optischen Elements, insbesondere -aber nicht ausschließlich- im Betriebszustand B2. Durch den genannten Neigungs- bzw. Verkippungswinkel wird die durch die Partikelabsorption und die Partikelpositionen innerhalb der Fluidkammern begründete winkelabhängige Absorption um einen festen Offset-Winkel gekippt, etwa wenn eine geringe Transmission in einem besonders steilen Winkel gewünscht ist.
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Beispielhaft können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammem R in einer Ebene PL1 parallel zur Hauptausbreitungsrichtung des Substrates S etwa 10µm breit (Abstand Längsseite zu Längsseite einer Fluidkammer R) und jeweils 50µm voneinander beabstandet (Abstand Längsseite zu jeweils nächstbenachbarter Längsseite der nächstbenachbarten Fluidkammer R) sein.
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Schließlich können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammern R eine Höhe (Abstand Schmalseite zu Schmalseite) von etwa 40µm aufweisen, gemessen in einer Ebene PL2 senkrecht zur Ebene PL1.
Abweichungen von diesen typischen Maßen sind jedoch möglich und liegen ebenso im Rahmen der Erfindung.
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Weiterhin beinhaltet die Erfindung auch noch einen Bildschirm, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend
- - ein erfindungsgemäßes optisches Element, und
- - eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nachgeordnete Bildwiedergabeeinheit 1.
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Bei der Bildwiedergabeeinheit 1 handelt es sich beispielsweise um ein OLED-Display. Da das optische Element unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit 1 wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.
Das von der Bildwiedergabeeinheit 1 ausgesandte Licht dringt über die Lichteintrittsfläche, d.h. die Großfläche 3, in das optische Element ein und wird dann im optischen Element je nach Betriebszustand in seiner Ausbreitung beeinflusst, um hernach durch die Großfläche 4 wieder aus dem optischen Element zu einem oder mehreren Betrachtern hin weiter zu propagieren.
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Dazu zeigt die Prinzipskizze 5 zur Wirkung eines erfindungsgemäßen optischen Elements vor einer Bildwiedergabeeirichtung in beiden Betriebszuständen B1 („Public Mode“) und B2 („Privacy mode“) die relative Helligkeit („relative luminance“) über den Betrachtungswinkel („View angle“). Die in den beiden Betriebszuständen B1 und B2 unterschiedliche winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln P absorbiert werden, sorgt dafür, dass die Bildwiedergabeeinrichtung im Betriebszustand B1 aus allen horizontalen Betrachtungswinkeln sichtbar ist, während im Betriebszustand B2 eine Betrachtung nur aus einem deutlich eingeschränkten Winkelbereich möglich ist, wie in 5 illustriert.
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Überdies sei angemerkt, dass wenn nur jeweils an einer Oberfläche der Fluidkammern R im Substrat S elektromagnetische Schaltmittel 2 ausgebildet sind, diese dann in den Fluidkammern R in einem eingeschalteten Zustand ein innerhalb der Fluidkammern wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen können, welches einem elektromagnetischen Feld ähnelt, wie es in sogenannten IPS-(„In Plane Switching“) LCD-Panels zum Einsatz kommt.
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Die Erfindung beinhaltet auch ein weiteres erfindungsgemäßes optisches Element, welches zunächst anhand 6, welche eine Prinzipskizze eines solchen zweiten erfindungsgemäßen optischen Elements in Schnittansicht im Betriebszustand B1 wiedergibt, erläutert werden soll. Dieses umfasst
- - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche 2 und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche,
- - eine Vielzahl von in das Substrat S eingebetteten, Fluidkammern R mit jeweils einer oder mehreren Oberflächen,
- - eine Flüssigkeit F, mit der die Fluidkammern R gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit bis zu 20 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel P enthält, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
- - flächenförmig an einer oder mehreren Oberflächen der Fluidkammern R im Substrat S ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in den Fluidkammern R in einem eingeschalteten Zustand ein innerhalb der Fluidkammern wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel P in der Flüssigkeit bewegt werden, so dass sich die Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln P absorbiert werden, ändert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die Transmission bei mehr als 50% und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% liegt, bezogen auf die Richtung der Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats S.
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Bevorzugt ändert sich die genannte Transmission im Betriebszustand B1 von über 80% zu weniger als 10% im Betriebszustand B2, was durch eine entsprechende Auswahl der Parameter im Rahmen der Erfindung problemlos möglich ist.
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Die Fluidkammern R sind in diesem Fall beispielsweise wabenförmig und sie füllen Wesentlichen das gesamte Substrat S aus. Im in 6 dargestellten Betriebszustand B1 sind die Partikel P aufgrund eines anliegenden statischen elektrischen Feldes an einer Elektrode der Schaltmittel 2 jeweils konzentriert, so dass die Transmission des optischen Elementes in senkrechter Richtung ein Maximum erreicht.
7 zeigt dazu die Prinzipskizze eines solchen optischen Elements in Draufsicht, wobei sich dieses im Betriebszustand B1 befindet, und 8 gibt den Betriebszustand B2 als Prinzipskizze wieder.
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Dieses weitere erfindungsgemäße optische Element ist insbesondere dazu anwendbar, den senkrechten (in Kombination damit gleichzeitig jedoch auch den nicht-senkrechten) Lichtdurchgang bezüglich der Transmission zu kontrollieren. Ein Anwendungsfall hierzu sind z.B. die vollständige oder teilweise Dimmung von Scheiben im PKW, um die Blendung des Fahrers fallbedingt zu vermeiden.
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Es gelten hierzu sinngemäß die weiter oben angegebenen Ausgestaltungsvarianten und Mittel-Wirkungszusammenhänge, die an dieser Stelle aus Redundanzgründen nicht wiederholt werden sollen.
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Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße optische Element löst die gestellte Aufgabe: Es wurde ein optisches Element offenbart, welches die Transmission mindestens senkrecht beeinflussen und welches zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umschalten kann. Das optische Element ist preiswert und erlaubt es, wahlweise eine vollständige oder teilweise Dimmung von Scheiben im PKW zu erzielen, oder eine Durchsicht zuzulassen.
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Die vorangehend beschriebene Erfindung kann -wie weiter oben beschriebenbeispielsweise im PKW angewendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6765550 A [0004]
- US 5993940 A [0005]
- WO 2012/033583 A1 [0006]
- WO 2015/121398 A1 [0008]
