DE102020007974B3 - Optical element with variable transmission and screen with such an optical element - Google Patents
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- B60K2360/336—
Abstract
Die Erfindung betrifft ein optisches Element, umfassend einen transparenten Lichtleiter (1) mit einer Lichteintrittsfläche (F1) und einer Lichtaustrittsfläche (F2) , wobei an der Lichteintrittsfläche (F1) und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche (F2) einander abwechselnd erste Bereiche (G1) und zweite Bereiche (G2) ausgebildet sind, wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche (F2) liegenden zweiten Bereiche (G2) jeweils ein Volumen (V) aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit (FL) oder eine Gerüstmatrix enthält, welche Licht absorbierende Elemente enthält, die entweder als Flüssigkeitstropfen(F) oder als elektrophoretische Partikel (P) ausgebildet sind, und wobei mittels eines elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel (P) deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen (F) deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist, so dass a) die Licht absorbierenden Elemente (F, P) in einem ersten Zustand zu mehr als 85% die zweiten Elektroden (E2) bedecken, wodurch die innere Totalreflexion von Licht an den strukturierten Oberflächen gestört wird, und b) die Licht absorbierenden Elemente (F, P) in einem zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweiten Elektroden (E2) bedecken, so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses im ersten Zustand das optische Element in einem eingeschränkten Winkelbereich verlässt, oder im zweiten Zustand im Lichtleiter (1) solange propagiert, bis es diesen in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt. Die Erfindung betrifft ferner weitere Alternativen des optischen Elements.The invention relates to an optical element, comprising a transparent light guide (1) with a light inlet surface (F1) and a light outlet surface (F2), with first areas (G1) alternating on the light inlet surface (F1) and corresponding thereto on the light outlet surface (F2). and second areas (G2) are formed, wherein at least the second areas (G2) lying on the side of the light exit surface (F2) each have a volume (V) which contains a transparent liquid (FL) or a framework matrix which light absorbing elements contains, which are designed either as liquid droplets (F) or as electrophoretic particles (P), and where by means of an electric field in the case of electrophoretic particles (P) their position and in the case of liquid droplets (F) their expansion, shape and / or position is adjustable, so that a) the light-absorbing elements (F, P) in a first state to more than 85% the second en electrodes (E2) cover, as a result of which the total internal reflection of light on the structured surfaces is disturbed, and b) the light-absorbing elements (F, P) in a second state cover less than 15% of the second electrodes (E2), see above that when light strikes the optical element, it leaves the optical element in a restricted angular range in the first state, or propagates in the light guide (1) in the second state until it leaves it at angles greater than those of said restricted angular range. The invention also relates to further alternatives of the optical element.
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.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.
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.A similar problem arises in vehicle construction: When the engine is 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 sind diese Folien nicht (um)schaltbar, sie müssen 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-lamellas have already been used for mobile displays in order to achieve their visual data protection. However, these foils cannot be switched over, they have 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
In der
In der
Die
Gemäß der
In der
Die
Weiterhin beschreibt die
Die
Ferner beschreibt die
In der
Die
Weiterhin gibt die
Schließlich beschreibt die
Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und/oder ein aufwendiges und teures optisches Element zur Modi-Umschaltung benötigen und/oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren und/oder eine lange Schaltzeit aufweisen.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 and / or a long time Have switching time.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu beschreiben, welches die Transmission winkelabhängig beeinflussen kann, und welches zwischen mindestens zwei Zuständen 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.It is therefore the object of the invention to describe an optical element which can influence the transmission as a function of the angle and which can switch between at least two 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 a switchover between a privacy screen and a free viewing mode, the resolution of such a screen essentially not being reduced.
Diese Aufgabe wird in einer ersten Alternative gelöst von einem optischen Element, umfassend
- ― einen transparenten, platten- oder schalenförmigen, als Lichtleiter aus einem Material mit einer Brechzahl nL ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche einander abwechselnd erste Bereiche
G1 und zweite BereicheG2 ausgebildet, ausgespart oder angeordnet sind, - ― wobei die ersten Bereiche
G1 mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl nG1 ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen nL und nG1 höchstens bis zu einem Wert von 0,11 voneinander abweichen, und - ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche liegenden zweiten Bereiche
G2 jeweils ein Volumen aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix mit einer Brechzahl nG2, welche kleiner als die Brechzahl nL ist, enthält, wobei die Flüssigkeit oder Gerüstmatrix Licht absorbierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit entweder als Flüssigkeitstropfen oder als elektrophoretische Partikel ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist, wobei die Brechzahlen nL und nG2 sich mindestens um einen Wert von 0,05 und höchstens um einen Wert von 0,35 unterscheiden, - ― wobei der Lichtleiter an Grenzflächen zu den jeweils ein Volumen aufweisenden zweiten Bereichen
G2 mindestens auf der Seite der Lichtaustrittsfläche strukturierte Oberflächen aufweist, welche Licht, dass über die BereicheG1 in den Lichtleiter eintritt, überwiegend intern total reflektieren, - ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen aufweisenden zweiten Bereichen G2 auf der Seite der Lichtaustrittsfläche, mit planen ersten Elektroden an einer dem Lichtleiter abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters parallel liegt oder dieser entspricht, und mit transparenten, an den strukturierten Oberflächen anliegenden zweiten Elektroden im Innern des zweiten Bereichs G2 an einer Grenzfläche zum Lichtleiter, welche umgekehrt zu den ersten Elektroden gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind,
- ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche in den zweiten Bereichen G2 analog strukturierte Oberflächen und/oder eine opake Reflexionsschicht, welche an der Lichteintrittsfläche angebracht ist, so dass
- a) die Licht absorbierenden Elemente im ersten Zustand zu mehr als 85% die zweiten Elektroden bedecken, wodurch die innere Totalreflexion von Licht an den strukturierten Oberflächen gestört und die Ausbreitung von Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt, mittels Absorption durch die Licht absorbierenden Elemente überwiegend unterbunden wird, und
- b) die Licht absorbierenden Elemente im zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweiten Elektroden bedecken, so dass die Ausbreitung von Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt, zu weniger als 50% von den Licht absorbierenden Elementen absorbiert wird,
- ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt, und
- ― im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt oder aufgrund der Licht absorbierenden Elemente in den zweiten Bereichen G2 überwiegend absorbiert wird, oder
- ― im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt oder aufgrund innerer Totalreflexion an den strukturierten Oberflächen und ggf. Reflexion an einer reflektierenden Schicht an der Lichteintrittsfläche im Lichtleiter solange propagiert, bis es den Lichtleiter durch die an der Lichtaustrittsfläche lokalisierten ersten Bereiche G1 in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
- - A transparent, plate-shaped or shell-shaped base body designed as a light guide made of a material with a refractive index n L with a first large area designed as a light entry area and a second large area designed as a light exit area, with first areas alternating on the light entry area and correspondingly on the light exit area
G1 and second areasG2 designed, recessed or arranged, - - being the first areas
G1 are filled with a transparent material with a refractive index n G1 , the refractive indices n L and n G1 differing from one another by a maximum of 0.11, and - - wherein at least the second areas lying on the side of the light exit surface
G2 each have a volume which contains a transparent liquid or a framework matrix with a refractive index n G2 , which is smaller than the refractive index n L , wherein the liquid or framework matrix contains light-absorbing elements, which in their entirety either as liquid drops or as electrophoretic particles are formed, and by means of a selectable and changeable electrical field in the case of electrophoretic particles their position and in the case of liquid droplets their expansion, shape and / or position can be set, the refractive indices n L and n G2 at least by a value of 0, 05 and differ by a maximum of 0.35, - - wherein the light guide at interfaces to the second areas each having a volume
G2 at least on the side the light exit surface has structured surfaces, which light that over the areasG1 enters the light guide, mostly totally reflecting internally, - - electrical switching means in the second areas G 2 having a volume on the side of the light exit surface, with planar first electrodes on a surface facing away from the light guide, which is parallel to or corresponds to the light exit surface of the light guide, and with transparent second electrodes resting on the structured surfaces Electrodes in the interior of the second region G 2 at an interface with the light guide, which are polarized in reverse to the first electrodes and wherein the polarity can be switched between a first and a second state,
- - As well as on the side of the light entry surface in the second regions G 2 similarly structured surfaces and / or an opaque reflective layer which is attached to the light entry surface, so that
- a) the light-absorbing elements in the first state cover more than 85% of the second electrodes, which disrupts the total internal reflection of light on the structured surfaces and the propagation of light which enters the light guide via the first areas G 1 by means of absorption is predominantly prevented by the light-absorbing elements, and
- b) the light-absorbing elements in the second state cover less than 15% of the second electrodes, so that less than 50% of the propagation of light which enters the light guide via the first regions G 1 is absorbed by the light-absorbing elements ,
- - so that when light strikes the optical element, it enters the light guide at least through first regions G 1 located on the light entry surface, and
- - in the first state the optical element either leaves in a restricted angular range through first regions G 1 located on the light exit surface or is predominantly absorbed in the second regions G 2 due to the light-absorbing elements, or
- - In the second state, the optical element either leaves the optical element in a restricted angular range through first areas G 1 located on the light exit surface or due to total internal reflection on the structured surfaces and possibly reflection on a reflective layer on the light entry surface in the light guide until it propagates the light guide through the first regions G 1 located on the light exit surface at angles greater than those of said restricted angular region.
In dieser ersten Alternative dürfen im zweiten Zustand die Licht absorbierenden Elemente keinen Kontakt mit der dem Lichtleiter zugewandten zweiten Elektrode haben. Dieser Zustand korrespondiert zu einem sogenannten öffentlichen Modus, in welchem der Sichtbereich nicht eingeschränkt ist.In this first alternative, in the second state, the light-absorbing elements must not have any contact with the second electrode facing the light guide. This state corresponds to a so-called public mode in which the field of vision is not restricted.
Im ersten Zustand hingegen sind die absorbierenden Elemente im Kontakt mit der Grenzfläche. Dieser Zustand korrespondiert zu einem sogenannten privaten Modus, in welchem der Sichtbereich eingeschränkt ist. Die Mindestdicke der aus den Licht absorbierenden Elementen an der dem Lichtleiter zugewandten Elektrode angehäuften Schicht sollte 100 nm an mindestens 85% der Fläche betragen. Die Maximaldicke einer solchen Schicht ist typischerweise fünf Mikrometer.In the first state, however, the absorbent elements are in contact with the interface. This state corresponds to a so-called private mode in which the field of vision is restricted. The minimum thickness of the layer made up of the light-absorbing elements on the electrode facing the light guide should be 100 nm on at least 85% of the surface. The maximum thickness of such a layer is typically five micrometers.
Die Aufgabe der Erfindung wird in einer zweiten Alternative auch gelöst von einem optischen Element, umfassend
- ― einen transparenten, platten- oder schalenförmigen, als Lichtleiter aus einem Material mit einer Brechzahl nL ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche einander abwechselnd erste Bereiche
G1 und zweite BereicheG2 ausgebildet, ausgespart oder angeordnet sind, - ― wobei die ersten Bereiche
G1 mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl nG1 ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen nL und nG1 höchstens bis zu einemWert von 0,11 voneinander abweichen, und - ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche liegenden zweiten Bereiche
G2 jeweils ein Volumen aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix enthält, wobei die Flüssigkeit oder Gerüstmatrix Licht reflektierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit entweder als Flüssigkeitstropfen oder als elektrophoretische Partikel ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist, - ― wobei die ein Volumen aufweisenden zweiten Bereiche
G2 an einer dem Lichtleiter abgewandten Seite jeweils eine opake Absorptionsschicht aufweisen, - ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen aufweisenden zweiten Bereichen
G2 auf der Seite der Lichtaustrittsfläche, mit ersten Elektroden an der dem Lichtleiter abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters parallel liegt oder dieser entspricht, und mit transparenten, an einer planen Grenzfläche zum Lichtleiter anliegenden zweiten Elektroden im Innern des zweiten BereichsG2 , welche umgekehrt zu den ersten Elektroden gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind, - ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche in den zweiten Bereichen
G2 eine opake Reflexionsschicht, welche an der Lichteintrittsfläche angebracht ist, so dass- a) die Licht reflektierenden Elemente im ersten Zustand zu weniger als 15% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt und in die zweiten Bereiche
G2 übertritt, überwiegend an den opaken Schichten absorbiert wird, und - b) die Licht reflektierenden Elemente im zweiten Zustand zu mehr als 85% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche
G1 in den Lichtleiter eintritt, an den Grenzflächen des Lichtleiters zu den zweiten BereichenG2 reflektiert wird,
- ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche lokalisierte erste Bereiche
G1 in den Lichtleiter eintritt, und- - im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche
G1 verlässt oder aufgrund der opaken Schichten in den zweiten BereichenG2 absorbiert wird, oder - - im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche
G1 verlässt oder aufgrund der Reflexion an einer reflektierenden Schicht an der Lichteintrittsfläche im Lichtleiter solange propagiert, bis es den Lichtleiter durch die an der Lichtaustrittsfläche lokalisierten ersten BereicheG1 in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
- - im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche
- a) die Licht reflektierenden Elemente im ersten Zustand zu weniger als 15% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt und in die zweiten Bereiche
- - A transparent, plate-shaped or shell-shaped base body designed as a light guide made of a material with a refractive index n L with a first large area designed as a light entry area and a second large area designed as a light exit area, with first areas alternating on the light entry area and correspondingly on the light exit area
G1 and second areasG2 designed, recessed or arranged, - - being the first areas
G1 are filled with a transparent material with a refractive index n G1 , the refractive indices n L and n G1 differing from one another by a maximum of 0.11, and - - wherein at least the second areas lying on the side of the light exit surface
G2 each have a volume which contains a transparent liquid or a framework matrix, the liquid or framework matrix containing light-reflecting elements, which in their entirety are formed either as liquid droplets or as electrophoretic particles, and by means of a selectable and changeable electric field in the case of electrophoretic Particles whose position and, in the case of liquid droplets, their expansion, shape and / or position can be adjusted, - - wherein the second areas having a volume
G2 on one of the light guides facing away side each have an opaque absorption layer, - - electrical switching means in the second areas having a volume
G2 on the side of the light exit surface, with first electrodes on the surface facing away from the light guide, which is parallel to or corresponds to the light exit surface of the light guide, and with transparent second electrodes in the interior of the second area, resting on a flat interface with the light guideG2 , which are polarized opposite to the first electrodes and wherein the polarity can be switched between a first and a second state, - - as well as on the side of the light entry surface in the second areas
G2 an opaque reflective layer which is attached to the light entry surface so that- a) the light-reflecting elements in the first state cover less than 15% of the second electrode, so that light which enters the light guide via the first regions G 1 and into the second regions
G2 transfers, is mainly absorbed by the opaque layers, and - b) the light-reflecting elements in the second state cover more than 85% of the second electrode, so that light which passes over the first areas
G1 enters the light guide, at the interfaces of the light guide to the second areasG2 is reflected,
- - so that when light is incident on the optical element, this is at least through first areas localized on the light entry surface
G1 enters the light guide, and- - In the first state, the optical element either in a restricted angular range through first regions located on the light exit surface
G1 leaves or due to the opaque layers in the second areasG2 is absorbed, or - - In the second state, the optical element either in a restricted angular range through first regions located on the light exit surface
G1 leaves or propagates due to the reflection on a reflective layer on the light entry surface in the light guide until it passes the light guide through the first areas located on the light exit surfaceG1 leaves at angles greater than that of said restricted angular range.
- - In the first state, the optical element either in a restricted angular range through first regions located on the light exit surface
- a) the light-reflecting elements in the first state cover less than 15% of the second electrode, so that light which enters the light guide via the first regions G 1 and into the second regions
Dabei sind beispielsweise die zweiten Elektroden über die gesamte Fläche des Lichtleiters ausgebildet, während die ersten Elektroden die gesamte Fläche des Lichtleiters oder auch nur Teile davon überdecken können. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die erste und die zweite Elektrode beide auf ein- und derselben Fläche nicht überlappend aufgebracht sind. Auch hier korrespondiert der erste Zustand zu einem privaten Modus, während der zweite Zustand zu einem öffentlichen Modus korrespondiert.For example, the second electrodes are formed over the entire area of the light guide, while the first electrodes can cover the entire area of the light guide or only parts thereof. In principle, it is also possible that the first and the second electrode are both applied to one and the same surface in a non-overlapping manner. Here, too, the first state corresponds to a private mode, while the second state corresponds to a public mode.
Optional umfasst ein erfindungsgemäßes optisches Element der ersten oder zweiten Alternative außerdem auf der Seite der Lichteintrittsfläche. in den ein Volumen aufweisenden zweiten Bereichen
Die Lichteintritts- und die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters können bevorzugt parallel zueinander angeordnet sein. Sie können jedoch in besonderen Ausgestaltungen, etwa wenn spezielle 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. Auch eine schalenförmige Ausbildung des Lichtleiters ist denkbar.The light entry and light exit surfaces of the light guide can preferably be 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, e.g. in a wedge shape at a defined angle of up to 20 degrees to one another. A shell-shaped design of the light guide is also conceivable.
Für die erste Alternative des optischen Elements kann die strukturierte Oberfläche des Lichtleiters mit wellenförmigen, linsenförmigen und/oder prismenförmigen Strukturen ausgebildet sein.For the first alternative of the optical element, the structured surface of the light guide can be designed with wave-shaped, lens-shaped and / or prism-shaped structures.
Für alle Ausgestaltungen der Erfindung - auch die im Folgenden noch genannten - gilt, dass „überwiegend“ mindestens 50% der jeweiligen Maßeinheit bedeutet. Dies schließt jedoch insbesondere auch solche Fälle mit mehr als 90% und mehr als 95% der jeweiligen Maßeinheit ein Die Maßeinheit kann dabei beispielsweise die Intensität, die Lichtstärke, die Leuchtdichte, der Transmissionsgrad, der Absorptionsgrad und/oder der Reflexionsgrad sein.For all embodiments of the invention - including those mentioned below - it applies that “predominantly” means at least 50% of the respective unit of measurement. However, this also includes in particular cases with more than 90% and more than 95% of the respective unit of measurement. The unit of measurement can be, for example, the intensity, the light intensity, the luminance, the transmittance, the degree of absorption and / or the degree of reflection.
Ein optisches Element der ersten oder zweite Alternative kann ferner derart ausgestaltet sein, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel ausgestaltet sind, welche als (Nano-)Partikel, Quantenpunkte und/oder Farbstoffe ausgebildet sind und eine räumliche Ausdehnung von maximal 500 nm, maximal 200 nm, maximal 50 nm oder maximal 20 nm aufweisen. Andere Ausgestaltungen mit größeren oder anderen Maximalausdehnungen sind jedoch explizit möglich. Mit „räumlicher Ausdehnung“ ist 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.An optical element of the first or second alternative can also be designed in such a way that the light-absorbing or light-reflecting elements are designed as electrophoretic particles which are designed as (nano) particles, quantum dots and / or dyes and have a spatial extent of at most 500 nm, a maximum of 200 nm, a maximum of 50 nm or a maximum of 20 nm. However, other configurations with larger or different maximum dimensions are explicit possible. “Spatial expansion” 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.
Für die zweite Alternative ist es darüber hinaus möglich, dass die Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel ausgestaltet sind, welche als reflektierende Kugeln mit Durchmessern zwischen 5 nm und 5000 nm ausgebildet sind.For the second alternative, it is also possible that the light-reflecting elements are designed as electrophoretic particles, which are designed as reflecting spheres with diameters between 5 nm and 5000 nm.
Was die Licht absorbierenden Elemente, d.h. die Licht absorbierenden elektrophoretischen Partikel oder Flüssigkeitstropfen betrifft, so liegen eine oder mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen diese Licht absorbieren, 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.As far as the light-absorbing elements, i.e. the light-absorbing electrophoretic particles or liquid drops, are concerned, one or more wavelengths or wavelength ranges in which they 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, e.g. if UV or IR light is to be influenced, e.g. for purposes of measurement technology.
Bevorzugt sind mittels der elektrischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände definiert, wobei im Falle, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel ausgestaltet sind, in Abhängigkeit von deren Position und wobei im Falle, dass Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen ausgestaltet sind, in Abhängigkeit von deren Ausdehnung, Form und/oder Position, in einem ersten Betriebszustand
Dabei ist es insbesondere möglich, dass die winkelabhängige Transmission im zweiten Betriebszustand
In diesem Sinne umfasst der Winkelbereich dann jeweils die Winkel von +/-30° bis +/-90° (also jeweils von -90° bis -30° und gleichzeitig von +30° bis +90°, nicht aber zwischen -30° und +30°) in dieser Ebene. 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. Bei 90° liegt der Winkel auf der Oberfläche des Substrats.In this sense, the angle range then includes angles from +/- 30 ° to +/- 90 ° (i.e. from -90 ° to -30 ° and at the same time from + 30 ° to + 90 °, but not between -30 ° and + 30 °) in this plane. 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 °. At 90 ° the angle is on the surface of the substrate.
Weiterhin ist es möglich, dass für die erste oder zweite Alternative die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel ausgestaltet sind und dabei gleichzeitig mehrere Arten solcher Partikeln vorhanden sind, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden. Mit dem Begriff „Transporteigenschaften“ ist insbesondere das Verhalten der Partikel bei der (Di-)Elektrophorese, d.h. beim Transport im Feld, gemeint. Diese Variante kommt insbesondere im Falle von (Nano-)-Partikeln 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 vermeiden.Furthermore, it is possible for the first or second alternative that the light-absorbing or light-reflecting elements are designed as electrophoretic particles and at the same time several types of such particles are present which differ in their absorption properties and / or transport properties in the electromagnetic field. The term "transport properties" refers in particular to the behavior of the particles during (di-) electrophoresis, i.e. during transport in the field. This variant is particularly important in the case of (nano) particles: 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 in order to avoid fluorescence.
Für das erfindungsgemäße optische Element der ersten Alternative ist es von Vorteil, wenn die Licht absorbierenden Elemente als elektrophoretische Partikel ausgestaltet sind, welche als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), Bleisulfid (PbS), colloidale Halbleiterquantenpunkte, 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.For the optical element according to the invention of the first alternative, it is advantageous if the light-absorbing elements are designed as electrophoretic particles, which are BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), lead sulfide (PbS), colloidal semiconductor quantum dots, azo dyes and / or metal oxide particles , are preferably formed from chromium (IV) oxide or Fe 2 O 3 , and have a size between 2 nm and 50 nm inclusive.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn alle vorhandenen elektrophoretischen Partikel noch eine Oberflächenfunktionalisierung aufweisen, und zwar mit hohem Zeta-Potential, zum einen als Stabilisierung in der Flüssigkeit bzw. Gerüstmatrix, und zum anderen für eine Verbesserung der Elektrophorese, d.h. einer Begünstigung der Elektrophorese, sofern es sich um elektrophoretisch bewegbare Partikel handelt. Dies lässt sich beispielsweise mit PVP (Polyvinylpyrrolidon) oder PEG (Polyethylenglykol) für wässrige Systeme umsetzen.In addition, it is advantageous if all the electrophoretic particles present still have a surface functionalization, namely with a high zeta potential, on the one hand as stabilization in the liquid or framework matrix, and on the other hand for an improvement of the electrophoresis, ie a favoring of the electrophoresis, if it is electrophoretically movable particles. This can be implemented, for example, with PVP (polyvinylpyrrolidone) or PEG (polyethylene glycol) for aqueous systems.
Für die zweite Alternative können die Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen ausgestaltet sein und zur Erzielung einer Reflexion Metallmikropartikel bzw. Metallnanopartikel aus Aluminium, Chrom, Silber oder anderen Metallen, oder metall- oder nanopartikelbeschichtete Polymer- oder Silikamikropartikel enthalten.For the second alternative, the light-reflecting elements can be configured as drops of liquid and contain metal microparticles or metal nanoparticles made of aluminum, chromium, silver or other metals, or metal or nanoparticle-coated polymer or silica microparticles to achieve reflection.
In bevorzugten Ausgestaltungen der ersten und der zweiten Alternative des optischen Elements sind die Bereiche G1 und G2 bei Projektion senkrecht auf die Lichtaustrittsfläche streifen- oder rechteckförmig. Mit anderen Worten: Die Außenkanten der Bereiche G1 und G2 stellen bei Parallelprojektion von jeweils oben Streifen oder Rechtecke dar. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Verhältnis der Flächenanteile der Oberflächen der Bereiche G1 zu den Oberflächen der Bereiche G2 bei Projektion senkrecht auf die Lichtaustrittsfläche kleiner oder gleich 1:1, bevorzugt 1:2, besonders bevorzugt 1:4 ist.In preferred configurations of the first and the second alternative of the optical element, the regions G 1 and G 2 are strip-shaped or rectangular when projected perpendicularly onto the light exit surface. In other words: The outer edges of the areas G 1 and G 2 represent strips or rectangles when projected from above in parallel. It is advantageous if the ratio of the area proportions of the surfaces of the areas G 1 to the surfaces of the areas G 2 during projection perpendicular to the light exit surface is less than or equal to 1: 1, preferably 1: 2, particularly preferably 1: 4.
Weiterhin wird die Aufgabe in einer dritten, nicht erfindungsgemäßen Alternative gelöst von einem optischen Element, umfassend
- - einen transparenten, platten- oder schalenförmigen Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche,
- - eine transparente Flüssigkeit oder Gerüstmatrix, welche zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche angeordnet ist und Licht absorbierende Flüssigkeitstropfen enthält, deren Ausdehnung und Form und/oder Position im Grundkörper mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes einstallbar ist, wobei die Ausdehnung in einer Ausdehnungsspanne zwischen einer Minimalausdehnung und einer Maximalausdehnung einstellbar ist,
- - elektrische Schaltmittel mit einer Vielzahl von ersten flächenförmigen Elektroden, welche transparent und zwischen den Großflächen angeordnet sind, und dazu korrespondierenden zweiten flächenförmigen Elektroden, welche an der Lichteintritts- (oder -austritts)-fläche angeordnet und umgekehrt zu den ersten flächenförmigen Elektroden gepolt sind, wobei die Polungen von ersten und zweiten flächenförmigen Elektroden umkehrbar sind,
- - wobei die Maximalausdehnung in der Größenordnung einer Längsausdehnung der ersten flächenförmigen Elektroden zwischen der ersten und zweiten Großfläche liegt,
- - bei einer Ausdehnung der absorbierenden Flüssigkeitstropfen von mindestens 85% der Maximalausdehnung ein Austrittswinkelbereich von Licht, welches aus der Lichtaustrittsfläche tritt, gegenüber einem Eintrittswinkelbereich des Lichts beim Eintritt über die Lichteintrittsfläche beschnitten ist, und
- - bei einer Ausdehnung der absorbierenden Flüssigkeitstropfen von weniger als 20% der Maximalausdehnung der Austrittswinkelbereich gegenüber dem Eintrittswinkelbereich nicht oder nur unwesentlich beschnitten ist.
- - A transparent, plate-shaped or shell-shaped base body with a first large area designed as a light entry surface and a second large area designed as a light exit area,
- - A transparent liquid or framework matrix, which is arranged between the first large area and the second large area and contains light-absorbing liquid droplets, the extent and shape and / or position of which can be set in the base body by means of a selectable and changeable electrical field, the extent in an expansion range can be set between a minimum and a maximum expansion,
- - electrical switching means with a plurality of first sheet-like electrodes, which are transparent and arranged between the large areas, and corresponding second sheet-like electrodes, which are arranged on the light entry (or exit) surface and are polarized reversely to the first sheet-like electrodes, the polarity of the first and second sheet-like electrodes being reversible,
- - wherein the maximum extent is in the order of magnitude of a longitudinal extent of the first sheet-like electrodes between the first and second large areas,
- - With an expansion of the absorbing liquid droplets of at least 85% of the maximum expansion, an exit angle range of light which emerges from the light exit surface is trimmed compared to an entry angle range of the light when entering via the light entry surface, and
- - With an expansion of the absorbent liquid droplets of less than 20% of the maximum expansion, the exit angle area is not or only insignificantly cut off compared to the entry angle area.
Speziell im Fall der dritten Alternative ist es möglich, dass die Normalen der Vielzahl von ersten flächenförmigen Elektroden, welche transparent und zwischen den Großflächen angeordnet sind, einen Winkel von einschließlich -25 Grad bis einschließlich +25 Grad mit der Mittelsenkrechten der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters aufweisen. Damit kann der beschnittene Austrittswinkelbereich um einen Absolutwert herum gekippt werden, wenn die Anwendung dies erfordert. Die ersten Elektroden können jedoch auch alle im gleichen Winkel zur zweiten Großfläche des Substrates, insbesondere jeweils im Wesentlichen parallel zur Mittelsenkrechten auf das Substrat, ausgerichtet sein.Especially in the case of the third alternative, it is possible that the normals of the plurality of first sheet-like electrodes, which are transparent and are arranged between the large surfaces, have an angle of -25 degrees up to and including +25 degrees with the center perpendicular of the light exit surface of the light guide. This means that the cropped exit angle range can be tilted around an absolute value if the application requires this. However, the first electrodes can also all be aligned at the same angle to the second large area of the substrate, in particular in each case essentially parallel to the perpendicular to the substrate.
Ein Vorteil dieser dritten Alternative ist, dass keinerlei Kammern oder ähnliches zur Kanalisierung der Flüssigkeit bzw. Gerüstmatrix und der darin befindlichen Flüssigkeitstropfen nötig sind. Die finale Lokalisierung der Flüssigkeitstropfen nach deren Bewegung erübrigt grundsätzlich das Vorhandensein solcher Kammern. Die ersten Elektroden können hier beispielsweise streifenförmig ausgebildet sein und sind dann entweder parallel oder gitterförmig, mit sich kreuzenden Bereichen, angeordnet. Entsprechend gestalten sich dann die winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des optischen Elements gegenüber einer oder zwei senkrecht zueinanderstehenden Ebenen.An advantage of this third alternative is that no chambers or the like are required for channeling the liquid or framework matrix and the liquid droplets located therein. The final localization of the liquid droplets after their movement basically eliminates the need for such chambers. The first electrodes can here, for example, be designed in the form of strips and are then arranged either parallel or in a grid-like manner, with areas that cross one another. The angle-dependent transmission properties of the optical element with respect to one or two perpendicular planes are then designed accordingly.
Es ist aber auch die Ausgestaltung als eine einzige, flächenförmige zweite Elektrode möglich, oder eine Ausbildung der zweiten Elektrode aus Waben, die die Fläche bedecken, wobei diese gemeinsam, aber auch einzeln angesteuert werden können.However, it is also possible to design as a single, two-dimensional second electrode, or to design the second electrode from honeycombs that cover the surface, whereby these can be controlled jointly, but also individually.
Die elektromagnetischen Schaltmittel, zumeist wie vorbeschrieben Elektroden, sind vorteilhaft in allen drei Alternativen für Licht, das über die Lichteintrittsfläche in das optische Element einfällt, im für ein menschliches Auge sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50% transparent. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Indiumzinnoxid-Schicht (ITO-Schicht) handeln. Im Falle von Elektroden auf der vom Lichtleiter jeweils abgewandten Seite der Bereiche
Für alle Alternativen gilt ferner, dass optional die elektrischen Schaltmittel in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein können, wodurch eine segmentweise und dadurch lokal beschränkbare Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand
Überdies ist es optional in allen Alternativen möglich, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen ausgestaltet sind und mehrere Arten solcher Flüssigkeitstropfen vorhanden sind, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder Bewegungseigenschaften und/oder Verformungseigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden.In addition, it is optionally possible in all alternatives that the light-absorbing or light-reflecting elements are designed as liquid droplets and several types of such liquid droplets are present, which differ in their absorption properties and / or movement properties and / or deformation properties in the electromagnetic field.
Die besagte Gerüstmatrix ist beispielsweise als Polymermatrix, bevorzugt als Gelmatrix ausgebildet. Eine solche Polymermatrix weist eine charakteristische Maschengröße auf. Durch diese Maschengröße spüren kleine Partikel einen geringeren „Widerstand“ als große Partikel und somit bewegen sich kleine und große Partikel jeweils unterschiedlich schnell. Zum einen ist dies von Vorteil, um die Schaltzeiten zu kontrollieren und die Bewegung der Partikel zu beschleunigen. Zum anderen hat eine solche Polymermatrix den Vorteil, dass sie die Diffusion stark hemmt und die Partikel sich daher nicht von selbst bewegen, was vorteilhaft sein kann.The said framework matrix is designed, for example, as a polymer matrix, preferably as a gel matrix. Such a polymer matrix has a characteristic mesh size. Because of this mesh size, small particles feel less "resistance" than large particles and so small and large particles move at different speeds. On the one hand, this is advantageous in order to control the switching times and to accelerate the movement of the particles. On the other hand, such a polymer matrix has the advantage that it strongly inhibits diffusion and the particles therefore do not move by themselves, which can be advantageous.
Die Flüssigkeit kann polar oder unpolar sein. Sie kann ferner zum Beispiel aus Wasser, Öl, Toluol oder Formaldehyd bestehen, auch versetzt mit Elektrolyten oder anderen organischen Substanzen, um die Partikel in der Flüssigkeit zu stabilisieren oder ihre elektrophoretischen Eigenschaften zu modifizieren.The liquid can be polar or non-polar. It can also consist, for example, of water, oil, toluene or formaldehyde, also mixed with electrolytes or other organic substances in order to stabilize the particles in the liquid or to modify their electrophoretic properties.
Im Falle der ersten oder dritten Alternative können die Licht absorbierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen ausgestaltet sein und zur Erzielung einer Absorption organische Farbstoffe, Ruß, Graphen, Carbon, Metalloxide wie beispielsweise Chrom(IV)Oxid, Fe2O3, Fe3O4 oder FeO oder colloidale Halbleiterquantenpunkte enthalten oder mit Polymer- oder porösen Silikamikropartikeln versetzt sind. Dabei beinhaltet ein Flüssigkeitstropfen die vorgenannten Ingredienzien zu höchstens 70 Vol-%.In the case of the first or third alternative, the light-absorbing elements can be designed as drops of liquid and, to achieve absorption, organic dyes, soot, graphene, carbon, metal oxides such as chromium (IV) oxide, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 or FeO or contain colloidal semiconductor quantum dots or are mixed with polymer or porous silica microparticles. A drop of liquid contains the aforementioned ingredients to a maximum of 70% by volume.
Für alle Ausgestaltungen der Erfindung gilt vorteilhaft, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen ausgestaltet sind, welche jeweils einzeln ein Volumen von 5 × 10-13 bis 2 × 10-10 Liter einschließlich aufweisen. Diese Werte ergeben sich, wenn die Flüssigkeitstropfen in angenommener Quaderform ein minimales Volumen von 5×10×10 µm3 und ein maximales Volumen von 10×20×1000 µm3 einnehmen.For all embodiments of the invention, it is advantageous that the light-absorbing or light-reflecting elements are configured as liquid droplets which each individually have a volume of 5 × 10 −13 to 2 × 10 −10 liters, inclusive. These values are obtained when the liquid droplets in the assumed cuboid shape occupy a minimum volume of 5 × 10 × 10 μm 3 and a maximum volume of 10 × 20 × 1000 μm 3 .
Die Lichteintrittsfläche des Lichtleiters bzw. Grundkörpers eines vorbeschriebenen optischen Elements befindet sich in der Regel aus Sicht eines Betrachters auf der Rückseite des optischen Elements und grenzt je nach dessen Anwendungsfall beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung, eine Lichtquelle oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche bzw. die Bereiche
Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung in einer vierten Alternative gelöst von einem optischen Element, umfassend
- ― einen transparenten, platten- oder schalenförmigen, als Lichtleiter aus einem Material mit einer Brechzahl nL ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche einander abwechselnd erste Bereiche
G1 und zweite BereicheG2 ausgebildet, ausgespart oder angeordnet sind, - ― wobei die ersten Bereiche
G1 mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl nG1 ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen nL und nG1 höchstens bis zu einemWert von 0,11 voneinander abweichen, und - ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche liegenden zweiten Bereiche
G2 jeweils ein Volumen aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix enthält, wobei die Flüssigkeit oder Gerüstmatrix Licht absorbierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit entweder als Flüssigkeitstropfen oder als elektrophoretische Partikel ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist, - ― wobei die ein Volumen aufweisenden zweiten Bereiche
G2 an einer dem Lichtleiter abgewandten Seite jeweils eine reflektierende Schicht aufweisen, - ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen aufweisenden zweiten Bereichen
G2 auf der Seite der Lichtaustrittsfläche, mit ersten Elektroden an der dem Lichtleiter abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters parallel liegt oder dieser entspricht, und mit transparenten, an einer planen Grenzfläche zum Lichtleiter anliegenden zweiten Elektroden im Innern des zweiten BereichsG2 , welche umgekehrt zu den ersten Elektroden gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind, - ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche in den zweiten Bereichen
G2 eine (optional opake) Reflexionsschicht, welche an der Lichteintrittsfläche angebracht ist, so dass- a) die Licht absorbierenden Elemente im ersten Zustand zu mehr als 85% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche
G1 in den Lichtleiter eintritt und in die zweiten BereicheG2 übertritt, von den absorbierenden Elementen überwiegend absorbiert wird, - b) die Licht absorbierenden Elemente im zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche
G1 in den Lichtleiter eintritt und in die zweiten BereicheG2 übertritt, überwiegend an den reflektierenden Schichten reflektiert wird, und
- ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche lokalisierte erste Bereiche
G1 in den Lichtleiter eintritt, und- - im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche
G1 verlässt oder aufgrund der absorbierenden Elemente in den zweiten BereichenG2 absorbiert wird, oder - - im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche
G1 verlässt oder aufgrund der Reflexion an einer reflektierenden Schicht an einer dem Lichtleiter abgewandten Seite jeweils eines zweiten BereichsG2 und/oder an einer Reflexionsschicht an der Lichteintrittsfläche im Lichtleiter solange propagiert, bis es den Lichtleiter durch die an der Lichtaustrittsfläche lokalisierten ersten BereicheG1 in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
- - im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche
- a) die Licht absorbierenden Elemente im ersten Zustand zu mehr als 85% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche
- - A transparent, plate-shaped or shell-shaped base body designed as a light guide made of a material with a refractive index n L with a first large area designed as a light entry area and a second large area designed as a light exit area, with first areas alternating on the light entry area and correspondingly on the light exit area
G1 and second areasG2 designed, recessed or arranged, - - being the first areas
G1 are filled with a transparent material with a refractive index n G1 , the refractive indices n L and n G1 differing from one another by a maximum of 0.11, and - - wherein at least the second areas lying on the side of the light exit surface
G2 each have a volume which contains a transparent liquid or a framework matrix, the liquid or framework matrix containing light-absorbing elements, which in their entirety are formed either as liquid droplets or as electrophoretic particles, and by means of a selectable and changeable electric field in the case of electrophoretic Particles whose position and, in the case of liquid droplets, their expansion, shape and / or position can be adjusted, - - wherein the second areas having a volume
G2 each have a reflective layer on a side facing away from the light guide, - - electrical switching means in the second areas having a volume
G2 on the side of the light exit surface, with first electrodes on the surface facing away from the light guide, which face the light exit surface of the The light guide lies parallel or corresponds to this, and with transparent second electrodes in the interior of the second region, which lie against a planar interface with the light guideG2 , which are polarized opposite to the first electrodes and wherein the polarity can be switched between a first and a second state, - - as well as on the side of the light entry surface in the second areas
G2 an (optionally opaque) reflective layer which is attached to the light entry surface, so that- a) the light-absorbing elements in the first state cover the second electrode to more than 85%, so that light which passes over the first areas
G1 enters the light guide and into the second areasG2 passes over, is predominantly absorbed by the absorbent elements, - b) the light-absorbing elements in the second state cover less than 15% of the second electrode, so that light which passes over the first areas
G1 enters the light guide and into the second areasG2 transgresses, is mainly reflected on the reflective layers, and
- - so that when light is incident on the optical element, this is at least through first areas localized on the light entry surface
G1 enters the light guide, and- - In the first state, the optical element either in a restricted angular range through first regions located on the light exit surface
G1 leaves or due to the absorbent elements in the second areasG2 is absorbed, or - - In the second state, the optical element either in a restricted angular range through first regions located on the light exit surface
G1 leaves or due to the reflection on a reflective layer on a side facing away from the light guide in each case of a second areaG2 and / or propagates on a reflective layer on the light entry surface in the light guide until it passes the light guide through the first regions located on the light exit surfaceG1 leaves at angles greater than that of said restricted angular range.
- - In the first state, the optical element either in a restricted angular range through first regions located on the light exit surface
- a) the light-absorbing elements in the first state cover the second electrode to more than 85%, so that light which passes over the first areas
Für die vierte Alternative gelten sinngemäß weiter oben gegebene Ausgestaltungsvarianten, sie lassen sich analog anwenden und werden aus Redundanzgründen an dieser Stelle nicht wiederholt.The design variants given above apply analogously to the fourth alternative; they can be applied analogously and are not repeated at this point for reasons of redundancy.
Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung, indem das optische Element gemäß der ersten, zweiten, dritten oder vierten Alternative einschließlich deren Abwandlungen in einem Bildschirm verwendet wird, der in einem ersten Betriebszustand
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 ist dann vorteilhaft das optische Element zwischen dem Bildwiedergabe-Panel (also dem LCD-Panel) und der Hintergrundbeleuchtung angeordnet, um zwischen einem ersten Betriebszustand
Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, dass mehr als zwei Zustände eines erfindungsgemäßen optischen Elements eingestellt werden können. Hierzu wird z.B. gegenüber den oben beschriebenen Varianten für die ersten und zweiten Zustände in einem dritten (vierten, fünften, ...) Zustand ein anderes elektromagnetisches Feld angelegt, was dazu führt, dass im Falle elektrophoretischer Partikel
Die Erfindung umfasst auch die Verwendung eines optischen Elements einer der vier Alternativen oder eines vorbeschriebenen Bildschirms in einem PKW, einem mobilen Gerät, einem Desktop-Bildschirm, in einem Geldautomaten oder in einem Zahlterminal.The invention also includes the use of an optical element of one of the four alternatives or of a screen as described above in a car, a mobile device, a desktop screen, in an ATM or in a payment terminal.
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.
FigurenlisteFigure list
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:
-
1 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß einer ersten Alternative in einem ersten Zustand, -
2 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der ersten Alternative in einem zweiten Zustand, -
3 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß einer zweiten Alternative in einem ersten Zustand, -
4 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der zweiten Alternative in einer ersten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand, -
5 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der zweiten Alternative in einer zweiten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand, -
6 eine schematische Draufsicht auf die BereicheG1 undG2 in einer ersten Ausgestaltung, -
7 eine schematische Draufsicht auf die BereicheG1 undG2 in einer zweiten Ausgestaltung, -
8 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß einer dritten Alternative in einem ersten Zustand, bei der ein Austrittswinkelbereich von Licht, welches aus der Lichtaustrittsfläche tritt, gegenüber einem Eintrittswinkelbereich des Lichts beim Eintritt über die Lichteintrittsfläche beschnitten ist, -
9 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der dritten Alternative in einem zweiten Zustand, bei der ein Austrittswinkelbereich von Licht gegenüber dessen Eintrittswinkelbereich nicht oder nur unwesentlich beschnitten ist, -
10 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß einer vierten Alternative in einer ersten Ausgestaltung in einem ersten Zustand, -
11 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der vierten Alternative in einer zweiten Ausgestaltung in einem ersten Zustand, -
12 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der vierten Alternative in einer dritten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand, -
13 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der vierten Alternative in einer vierten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand, -
14 die Prinzipskizze zur Anlagerung eines opaken Flüssigkeitstropfens oder einer Vielzahl an opaken elektrophoretischen Partikeln an einer negativ geladenen ersten Elektrode, -
15 die Prinzipskizze zur Anlagerung eines opaken Flüssigkeitstropfens oder einer Vielzahl an opaken elektrophoretischen Partikeln an einer negativ geladenen zweiten Elektrode, -
16 die Prinzipskizze einer Draufsicht auf BereicheG1 undG2 eines optischen Elements gemäß der ersten bis vierten Alternative, wobei unterschiedliche Teilbereiche der BereicheG2 in unterschiedlichen Zuständen befindlich sind, sowie -
17 die Prinzipskizze einer Draufsicht auf BereicheG1 undG2 eines optischen Elements gemäß der ersten bis vierten Alternative, wobei unterschiedliche Teilbereiche der BereicheG2 in unterschiedlichen Zuständen befindlich sind, und wobei ferner sich kreuzende BereicheG2 vorgesehen sind.
-
1 the schematic diagram of an optical element according to a first alternative in a first state, -
2 the schematic diagram of an optical element according to the first alternative in a second state, -
3 the schematic diagram of an optical element according to a second alternative in a first state, -
4th the schematic diagram of an optical element according to the second alternative in a first embodiment in a second state, -
5 the schematic diagram of an optical element according to the second alternative in a second embodiment in a second state, -
6th a schematic plan view of the areasG1 andG2 in a first embodiment, -
7th a schematic plan view of the areasG1 andG2 in a second embodiment, -
8th the schematic diagram of an optical element according to a third alternative in a first state in which an exit angle range of light which emerges from the light exit surface is trimmed in relation to an entry angle range of the light when entering via the light entry surface, -
9 the schematic diagram of an optical element according to the third alternative in a second state, in which an exit angle range of light is not or only insignificantly cropped compared to its entrance angle range, -
10 the schematic diagram of an optical element according to a fourth alternative in a first embodiment in a first state, -
11 the schematic diagram of an optical element according to the fourth alternative in a second embodiment in a first state, -
12th the schematic diagram of an optical element according to the fourth alternative in a third embodiment in a second state, -
13th the schematic diagram of an optical element according to the fourth alternative in a fourth embodiment in a second state, -
14th the schematic diagram for the accumulation of an opaque liquid drop or a large number of opaque electrophoretic particles on a negatively charged first electrode, -
15th the schematic diagram for the accumulation of an opaque liquid drop or a large number of opaque electrophoretic particles on a negatively charged second electrode, -
16 the schematic diagram of a plan view of areasG1 andG2 of an optical element according to the first to fourth alternative, with different subregions of the regionsG2 are in different states, as well as -
17th the schematic diagram of a plan view of areasG1 andG2 of an optical element according to the first to fourth alternative, with different subregions of the regionsG2 are in different states, and also intersecting areasG2 are provided.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
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, Flüssigkeitstropfen oder dergleichen dargestellt, obwohl in der Realität von diesen eine regelrechte Vielzahl vorhanden sein kann bzw. ist. Im Folgenden werden vier verschiedene Alternativen beschrieben, welche insbesondere was die Beschaffenheit des Substrats an sich und die Beschaffenheit der Partikel betrifft, Gemeinsamkeiten aufweist, die nicht explizit bei jeder Alternative wiederholt werden.The drawings are not true to scale and only represent basic representations. In addition, for the sake of clarity, only a small selection of electrodes, light beams, particles, liquid droplets or the like are usually shown, although in reality there can or is a real multitude of these. In the following, four different alternatives are described which, in particular with regard to the nature of the substrate per se and the nature of the particles, have similarities that are not explicitly repeated for each alternative.
In
Das erste optische Element in der ersten Alternative umfasst in einer beispielhaften Ausgestaltung
- ― einen transparenten, plattenförmigen,
als Lichtleiter 1 aus einem Material mit einer Brechzahl nL ausgestalteten Grundkörper mit einer als LichteintrittsflächeF1 ausgebildeten ersten Großfläche und einer als LichtaustrittsflächeF2 ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der LichteintrittsflächeF1 und dazu korrespondierend an der LichtaustrittsflächeF2 einander abwechselnd erste BereicheG1 und zweite BereicheG2 ausgebildet sind, - ― wobei die ersten Bereiche
G1 mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl nG1ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen nL und nG1 höchstens bis zu einemWert von 0,11 voneinander abweichen, und - ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche
F2 liegenden zweiten BereicheG2 jeweils ein VolumenV aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit mit einer Brechzahl nG2 welche kleiner als die Brechzahl nL ist, enthält, wobei die FlüssigkeitFL Licht absorbierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit als elektrophoretische PartikelP ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes deren Position einstellbar ist, wobei die Brechzahlen nL und nG2 sich mindestens um einen Wert von 0,05 und höchstens um einen Wert von 0,35 unterscheiden, - ― wobei der Lichtleiter
1 an Grenzflächen zu den jeweils ein VolumenV aufweisenden zweiten BereichenG2 mindestens auf der Seite der LichtaustrittsflächeF2 strukturierte Oberflächen aufweist, welche Licht, dass über die BereicheG1 inden Lichtleiter 1 eintritt, überwiegend intern total reflektieren, - ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen
V aufweisenden zweiten Bereichen G2 auf der Seite der LichtaustrittsflächeF2 , mit planen ersten ElektrodenE1 aneiner dem Lichtleiter 1 abgewandten Fläche, welche zur LichtaustrittsflächeF2 desLichtleiters 1 parallel, und mit transparenten, an den strukturierten Oberflächen anliegenden zweiten ElektrodenE2 im Innern des zweiten BereichsG2 an einer GrenzflächeF2 zum Lichtleiter 1 , welche umgekehrt zu den ersten ElektrodenE1 gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind, - ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche
F1 in den zweiten BereichenG2 eine opake Reflexionsschicht2 , welche an der LichteintrittsflächeF1 angebracht ist, so dass- a) die Licht absorbierenden Elemente
P im ersten Zustand zu mehr als 85% die zweiten ElektrodenE2 bedecken, wodurch die innere Totalreflexion von Licht an den strukturierten Oberflächen gestört und die Ausbreitung von Licht, welches über die ersten BereicheG1 inden Lichtleiter 1 eintritt, mittels Absorption durch die Licht absorbierenden ElementeP überwiegend unterbunden wird, und - b) die Licht absorbierenden Elemente
P im zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweiten ElektrodenE2 bedecken, so dass die Ausbreitung von Licht, welches über die ersten BereicheG1 inden Lichtleiter 1 eintritt, zu weniger als 50% von den Licht absorbierenden ElementenP absorbiert wird,
- a) die Licht absorbierenden Elemente
- ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche
F1 lokalisierte erste BereicheG1 inden Lichtleiter 1 eintritt, und- ― im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche
F2 lokalisierte erste BereicheG1 verlässt oder aufgrund der Licht absorbierenden ElementeP in den zweiten BereichenG2 überwiegend absorbiert wird, oder - ― im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche
F2 lokalisierte erste BereicheG1 verlässt oder aufgrund innerer Totalreflexion an den strukturierten Oberflächen und Reflexion an einer reflektierenden Schicht2 an der LichteintrittsflächeF1 im Lichtleiter solange propagiert, bises den Lichtleiter 1 durch die an der LichtaustrittsflächeF2 lokalisierten ersten BereicheG1 in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
- ― im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche
- - a transparent, plate-shaped, as a
light guide 1 made of a material with a refractive index n L and designed as a light entry surfaceF1 trained first large area and one as a light exit areaF2 formed second large area, with the light entry surfaceF1 and correspondingly on the light exit surfaceF2 alternating first areasG1 and second areasG2 are trained - - being the first areas
G1 are filled with a transparent material with a refractive index n G1 , the refractive indices n L and n G1 differing from one another by a maximum of 0.11, and - - at least the one on the side of the light exit surface
F2 lying second areasG2 one volume eachV which contains a transparent liquid with a refractive index n G2 which is smaller than the refractive index n L , the liquidFL Contains light absorbing elements, which in their entirety are called electrophoretic particlesP. are formed, and the position of which can be adjusted by means of a selectable and changeable electric field, the refractive indices n L and n G2 differing by at least a value of 0.05 and at most a value of 0.35, - - being the
light guide 1 at interfaces to each of the volumesV having second areasG2 at least on the side of the light-emitting surfaceF2 Has structured surfaces, which light that over the areasG1 into thelight guide 1 Entering, mostly reflecting totally internally, - - electrical switching means in the one volume
V having second regions G 2 on the side of the light exit surfaceF2 , with flat first electrodesE1 on one of the light guides1 facing away from the surface facing the light exit surfaceF2 of thelight guide 1 parallel, and with transparent second electrodes resting on the structured surfacesE2 inside the second areaG2 at an interfaceF2 to thelight guide 1 which is the reverse of the first electrodesE1 are polarized and the polarities can be switched between a first and a second state, - - as well as on the side of the light entry surface
F1 in the second areasG2 an opaquereflective layer 2 , which at the light entry surfaceF1 is appropriate so that- a) the light absorbing elements
P. in the first state, more than 85% of the second electrodesE2 cover, as a result of which the internal total reflection of light on the structured surfaces is disturbed and the propagation of light which over the first areasG1 into thelight guide 1 occurs, by means of absorption by the light absorbing elementsP. is predominantly prevented, and - b) the light absorbing elements
P. in the second state, less than 15% of the second electrodesE2 cover so that the propagation of light falling over the first areasG1 into thelight guide 1 occurs, less than 50% of the light absorbing elementsP. is absorbed,
- a) the light absorbing elements
- - so that when light strikes the optical element, this at least through to the light entry surface
F1 localized first areasG1 into thelight guide 1 occurs, and- - In the first state, the optical element either in a restricted angular range through to the light exit surface
F2 localized first areasG1 leaves or due to the light absorbing elementsP. in the second areasG2 is mostly absorbed, or - - In the second state, the optical element either in a restricted angular range through to the light exit surface
F2 localized first areasG1 leaves or due to total internal reflection on the structured surfaces and reflection on areflective layer 2 at the light entry surfaceF1 propagated in the light guide until it hits thelight guide 1 due to the light emitting surfaceF2 localized first areasG1 leaves at angles greater than that of said restricted angular range.
- - In the first state, the optical element either in a restricted angular range through to the light exit surface
In dem in
In der Realität sind eine Vielzahl von ersten und zweiten Bereichen
Alternativ können anstelle von elektrophoretischen Partikeln
In dieser ersten Alternative dürfen im zweiten Zustand die Licht absorbierenden Elemente
- ― einen transparenten, plattenförmigen,
als Lichtleiter 1 mit einer Brechzahl nL ausgestalteten Grundkörper mit einer als LichteintrittsflächeF1 ausgebildeten ersten Großfläche und einer als LichtaustrittsflächeF2 ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der LichteintrittsflächeF1 und dazu korrespondierend an der LichtaustrittsflächeF2 einander abwechselnd erste BereicheG1 und zweite BereicheG2 ausgebildet sind, - ― wobei die ersten Bereiche
G1 mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl nG1 ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen nL und nG1 höchstens bis zu einemWert von 0,11 voneinander abweichen, und - ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche
F2 liegenden zweiten BereicheG2 jeweils ein VolumenV aufweisen, welches eine transparente FlüssigkeitFL enthält, wobei die FlüssigkeitFL Licht reflektierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit als FlüssigkeitstropfenF ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes deren Position einstellbar ist, - ― wobei die ein Volumen
V aufweisenden zweiten BereicheG2 aneiner dem Lichtleiter 1 abgewandten Seite jeweils eine opake Absorptionsschicht3 aufweisen, - ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen
V aufweisenden zweiten BereichenG2 auf der Seite der LichtaustrittsflächeF2 , mit ersten ElektrodenE1 ander dem Lichtleiter 1 abgewandten Fläche, welche zur LichtaustrittsflächeF2 des Lichtleiters parallel liegt, und mit transparenten, an einer planen GrenzflächeF2 zum Lichtleiter 1 anliegenden zweiten ElektrodenE2 im Innern des zweiten BereichsG2 , welche umgekehrt zu den ersten ElektrodenE1 gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind, - ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche
F1 in den zweiten BereichenG2 eine opake Reflexionsschicht2 , welche an der LichteintrittsflächeF1 angebracht ist, so dass- a) die Licht reflektierenden Elemente
P im ersten Zustand zu weniger als 15% die zweite ElektrodeE2 bedecken, so dass Licht, welches über die ersten BereicheG1 inden Lichtleiter 1 eintritt und in die zweiten BereicheG2 übertritt, überwiegend anden opaken Schichten 3 absorbiert wird, und - b) die Licht reflektierenden Elemente
P im zweiten Zustand zu mehr als 85% die zweite ElektrodeE2 bedecken, so dass Licht, welches über die ersten BereicheG1 inden Lichtleiter 1 eintritt, - je nach Ausgestaltung, z.B. gemäß einer Umsetzung nach4 an den GrenzflächenF2 des Lichtleiters 1- zu den zweiten BereichenG2 reflektiert wird,
- ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche
F1 lokalisierte erste BereicheG1 inden Lichtleiter 1 eintritt, und- ― im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche
F2 lokalisierte erste BereicheG1 verlässt oder aufgrund der opaken Schichten3 in den zweiten BereichenG2 absorbiert wird, oder - ― im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche
F2 lokalisierte erste BereicheG1 verlässt oder aufgrund der Reflexion an einer reflektierenden Schicht2 an der LichteintrittsflächeF1 im Lichtleiter 1 solange propagiert, bises den Lichtleiter 1 durch die an der LichtaustrittsflächeF2 lokalisierten ersten BereicheG1 in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
- ― im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche
- a) die Licht reflektierenden Elemente
- - a transparent, plate-shaped, as a
light guide 1 with a refractive index n L designed base body with a light entry surfaceF1 trained first large area and one as a light exit areaF2 formed second large area, with the light entry surfaceF1 and correspondingly on the light exit surfaceF2 alternating first areasG1 and second areasG2 are trained - - being the first areas
G1 are filled with a transparent material with a refractive index n G1 , the refractive indices n L and n G1 differing from one another by a maximum of 0.11, and - - at least the one on the side of the light exit surface
F2 lying second areasG2 one volume eachV have, which is a transparent liquidFL contains, the liquidFL Contains light reflecting elements, which in their entirety as liquid dropletsF. are formed, and the position of which is adjustable by means of a selectable and changeable electric field, - - being the one volume
V having second areasG2 on one of the light guides1 facing away from each other anopaque absorption layer 3 exhibit, - - electrical switching means in the one volume
V having second areasG2 on the side of the light emitting surfaceF2 , with first electrodesE1 at thelight guide 1 facing away from the surface facing the light exit surfaceF2 of the light guide is parallel, and with transparent, on a flat interfaceF2 to thelight guide 1 adjacent second electrodesE2 inside the second areaG2 which is the reverse of the first electrodesE1 are polarized and the polarities can be switched between a first and a second state, - - as well as on the side of the light entry surface
F1 in the second areasG2 an opaquereflective layer 2 , which at the light entry surfaceF1 is appropriate so that- a) the light reflecting elements
P. in the first state less than 15% use the second electrodeE2 cover so that light is pouring over the first areasG1 into thelight guide 1 enters and into the second areasG2 crosses over, predominantly on theopaque layers 3 is absorbed, and - b) the light reflecting elements
P. in the second state, more than 85% of the second electrodeE2 cover so that light is pouring over the first areasG1 into thelight guide 1 occurs, - depending on the design, e.g. according to an implementation after4th at the interfacesF2 of the light guide 1- to the second areasG2 is reflected,
- - so that when light strikes the optical element, this at least through to the light entry surface
F1 localized first areasG1 into thelight guide 1 occurs, and- - In the first state, the optical element either in a restricted angular range through to the light exit surface
F2 localized first areasG1 leaves or due to theopaque layers 3 in the second areasG2 is absorbed, or - - In the second state, the optical element either in a restricted angular range through to the light exit surface
F2 localized first areasG1 leaves or due to the reflection on areflective layer 2 at the light entry surfaceF1 in thelight guide 1 until it propagates thelight guide 1 through the light emitting surfaceF2 localized first areasG1 at angles greater than that of said restricted angular range.
- - In the first state, the optical element either in a restricted angular range through to the light exit surface
- a) the light reflecting elements
Der Lichtleiter
Dabei sind die zweiten Elektroden
Die in
Im Falle einer solchen Ausgestaltung nach
In the case of such a configuration according to
Alternativ können anstelle von elektrophoretischen Partikeln
Die Lichteintritts- und die Lichtaustrittsfläche
Für die erste Alternative des optischen Elements kann die strukturierte Oberfläche
Ein optisches Element der ersten oder zweite Alternative kann ferner derart ausgestaltet sein, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel
Für das erfindungsgemäße optische Element der ersten Alternative ist es von Vorteil, wenn die Licht absorbierenden Elemente als elektrophoretische Partikel
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn alle vorhandenen elektrophoretischen Partikel
In addition, it is advantageous if all electrophoretic particles are present
Für die zweite Alternative ist es darüber hinaus möglich, dass die Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel
Eine oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die Licht absorbierenden Partikel
One or more wavelengths or wavelength ranges in which the light-absorbing particles
Beide hier gezeigten Alternativen des optischen Elements sind so ausgestaltet, dass mittels der elektrischen Schaltmittel
Dabei ist es insbesondere möglich, dass die winkelabhängige Transmission im zweiten Betriebszustand
In diesem Sinne umfasst der Winkelbereich im gezeigten Beispiel dann jeweils die Winkel von +/-30° bis +/-90° (also jeweils von -90° bis -30° und gleichzeitig von +30° bis +90°, nicht aber zwischen -30° und +30°) in dieser Ebene. Bei 90° liegt der Winkel auf der Oberfläche des optischen Elements.In this sense, the angle range in the example shown then includes the angles from +/- 30 ° to +/- 90 ° (i.e. from -90 ° to -30 ° and at the same time from + 30 ° to + 90 °, but not between -30 ° and + 30 °) in this plane. At 90 ° the angle is on the surface of the optical element.
Weiterhin ist es möglich, dass für die erste oder zweite Alternative die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel
Alternativ dazu gibt
Weiterhin zeigt
Ein solches optisches Element gemäß der dritten Alternative umfasst beispielhaft
- - einen transparenten, plattenförmigen Grundkörper S mit einer als Lichteintrittsfläche
F1 ausgebildeten ersten Großfläche und einer als LichtaustrittsflächeF2 ausgebildeten zweiten Großfläche, - - eine transparente Flüssigkeit
FL , welche zwischen der ersten GroßflächeF1 und der zweiten GroßflächeF2 angeordnet ist und Licht absorbierende FlüssigkeitstropfenF enthält, deren Ausdehnung und Form und/oder Position im Grundkörper mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes einstallbar ist, wobei die Ausdehnung in einer Ausdehnungsspanne zwischen einer Minimalausdehnung und einer Maximalausdehnung einstellbar ist, - - elektrische Schaltmittel mit einer Vielzahl von ersten flächenförmigen Elektroden
E1 , welche transparent und zwischen den GroßflächenF1 ,F2 angeordnet sind, und dazu korrespondierenden zweiten flächenförmigen ElektrodenE2 , welche an der LichteintrittsflächeF1 angeordnet und umgekehrt zu den ersten flächenförmigen ElektrodenE1 gepolt sind, wobei die Polungen von ersten und zweiten flächenförmigen ElektrodenE1 ,E2 umkehrbar sind, - - wobei die Maximalausdehnung in der Größenordnung einer Längsausdehnung der ersten flächenförmigen Elektroden
E1 zwischen der ersten und zweiten GroßflächeF1 ,F2 liegt, - - bei einer Ausdehnung der absorbierenden Flüssigkeitstropfen
F von mindestens 85% der Maximalausdehnung ein Austrittswinkelbereich von Licht, welches aus der LichtaustrittsflächeF2 tritt, gegenüber einem Eintrittswinkelbereich des Lichts beim Eintritt über die LichteintrittsflächeF1 beschnitten ist (siehe8 ), und - - bei einer Ausdehnung der absorbierenden Flüssigkeitstropfen
F von weniger als 20% der Maximalausdehnung der Austrittswinkelbereich gegenüber dem Eintrittswinkelbereich nicht oder nur unwesentlich beschnitten ist (siehe9 ).
- - A transparent, plate-shaped base body S with a light entry surface
F1 trained first large area and one as a light exit areaF2 trained second large area, - - a transparent liquid
FL , which between the first large areaF1 and the second large areaF2 is arranged and light-absorbing liquid dropsF. contains whose expansion and shape and / or position in the base body can be adjusted by means of a selectable and changeable electrical field, the expansion being adjustable in an expansion range between a minimum expansion and a maximum expansion, - - electrical switching means with a plurality of first sheet-like electrodes
E1 which are transparent and between the large areasF1 ,F2 are arranged, and corresponding second sheet-like electrodesE2 , which at the light entry surfaceF1 arranged and vice versa to the first sheet-like electrodesE1 are polarized, the polarities of the first and second sheet-like electrodesE1 ,E2 are reversible, - - wherein the maximum dimension is of the order of magnitude of a longitudinal dimension of the first sheet-like electrodes
E1 between the first and second large areaF1 ,F2 lies, - - when the absorbing liquid drops expand
F. at least 85% of the maximum extent an exit angle range of light, which from the light exit surfaceF2 occurs, compared to an entry angle range of the light when entering via the light entry surfaceF1 is circumcised (see8th ), and - - when the absorbing liquid drops expand
F. of less than 20% of the maximum extent, the exit angle range is not or only insignificantly cut off compared to the entry angle range (see9 ).
Speziell im Fall der dritten Alternative ist es möglich, dass die Normalen der Vielzahl von ersten flächenförmigen Elektroden
Ein Vorteil dieser dritten Alternative ist, dass keinerlei Kammern oder ähnliches zur Kanalisierung der Flüssigkeit
Die ersten Elektroden
Die elektromagnetischen Schaltmittel, d.h. wie vorbeschrieben die Elektroden
Die Flüssigkeit
Sind die Licht absorbierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen
Die Lichteintrittsfläche
Schließlich zeigt
- ― einen transparenten, plattenförmigen,
als Lichtleiter 1 aus einem PMMA mit einer Brechzahl nL =1,48 ausgestalteten Grundkörper mit einer als LichteintrittsflächeF1 ausgebildeten ersten Großfläche und einer als LichtaustrittsflächeF2 ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der LichteintrittsflächeF1 und dazu korrespondierend an der LichtaustrittsflächeF2 einander abwechselnd erste BereicheG1 und zweite BereicheG2 ausgebildet, ausgespart oder angeordnet sind, - ― wobei die ersten Bereiche
G1 mit einem transparenten Material - hier ebenfalls PMMA - mit der Brechzahl nG1 =1,48 ausgefüllt sind, und - ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche
F2 liegenden zweiten BereicheG2 jeweils ein VolumenV aufweisen, welches eine transparente FlüssigkeitFL enthält, wobei die FlüssigkeitFL Licht absorbierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit entweder als FlüssigkeitstropfenF oder als elektrophoretische PartikelP ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer PartikelP deren Position und im Falle von FlüssigkeitstropfenF deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist, - ― wobei die ein Volumen
V aufweisenden zweiten BereicheG2 aneiner dem Lichtleiter 1 abgewandten Seite jeweils eine reflektierende Schicht4 aufweisen, - ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen
V aufweisenden zweiten BereichenG2 auf der Seite der LichtaustrittsflächeF2 , mit ersten ElektrodenE1 ander dem Lichtleiter 1 abgewandten Fläche, welche zur LichtaustrittsflächeF2 desLichtleiters 1 parallel liegt, und mit transparenten, an einer planen GrenzflächeF2 zum Lichtleiter 1 anliegenden zweiten ElektrodenE2 im Innern des zweiten BereichsG2 , welche umgekehrt zu den ersten ElektrodenE1 gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind, - ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche
F1 in den zweiten BereichenG2 eine (optional opake)Reflexionsschicht 2 , welche an der LichteintrittsflächeF1 angebracht ist, so dass- a) die Licht absorbierenden Elemente
F ,P im ersten Zustand zu mehr als 85% die zweite ElektrodeE2 bedecken, so dass Licht, welches über die ersten BereicheG1 in den Lichtleiter eintritt und in die zweiten BereicheG2 übertritt, von den absorbierenden Elementen überwiegend absorbiert wird, - b) die Licht absorbierenden Elemente
F ,P im zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten BereicheG1 in den Lichtleiter eintritt und in die zweiten BereicheG2 übertritt, überwiegend anden reflektierenden Schichten 2 ,4 reflektiert wird, und
- ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche
F1 lokalisierte erste BereicheG1 inden Lichtleiter 1 eintritt, und- ― im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche
F2 lokalisierte erste BereicheG1 verlässt (siehe Strahl, der den zentralen BereichG1 in10 und 11 verlässt) oder aufgrund der absorbierenden ElementeF ,P in den zweiten BereichenG2 absorbiert wird (siehe den Strahl, der im BereichG2 in10 und 11 absorbiert wird), oder - ― im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche
F2 lokalisierte erste BereicheG1 verlässt (siehe den Strahl, der den zentralen BereichG1 in12 und13 verlässt) oder aufgrund der Reflexion an einer reflektierenden Schicht4 aneiner dem Lichtleiter 1 abgewandten Seite jeweils eines zweiten BereichsG2 und/oder aneiner Reflexionsschicht 2 an der LichteintrittsflächeF1 im Lichtleiter 1 solange propagiert, bises den Lichtleiter 1 durch die an der Lichtaustrittsfläche lokalisierten ersten BereicheG1 in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt (siehe den Strahl, der den links eingezeichneten BereichG1 in12 +13 verlässt).
- ― im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche
- a) die Licht absorbierenden Elemente
- - a transparent, plate-shaped, as a
light guide 1 from a PMMA with a refractive index n L = 1.48 designed base body with a light entry surfaceF1 trained first large area and one as a light exit areaF2 formed second large area, with the light entry surfaceF1 and correspondingly on the light exit surfaceF2 alternating first areasG1 and second areasG2 designed, recessed or arranged, - - being the first areas
G1 with a transparent material - here also PMMA - are filled with the refractive index n G1 = 1.48, and - - at least the one on the side of the light exit surface
F2 lying second areasG2 one volume eachV have, which is a transparent liquidFL contains, the liquidFL Contains light-absorbing elements, which in their entirety are either liquid dropletsF. or as electrophoretic particlesP. are formed, and by means of a selectable and changeable electrical field in the case of electrophoretic particlesP. their position and in the case of liquid dropsF. whose expansion, shape and / or position can be adjusted, - - being the one volume
V having second areasG2 on one of the light guides1 facing away from each side a reflective layer4th exhibit, - - electrical switching means in the one volume
V having second areasG2 on the side of the light emitting surfaceF2 , with first electrodesE1 at thelight guide 1 facing away from the surface facing the light exit surfaceF2 of thelight guide 1 lies parallel, and with transparent, on a flat interfaceF2 to thelight guide 1 adjacent second electrodesE2 inside the second areaG2 which is the reverse of the first electrodesE1 are polarized and the polarities can be switched between a first and a second state, - - as well as on the side of the light entry surface
F1 in the second areasG2 an (optionally opaque)reflective layer 2 , which at the light entry surfaceF1 is appropriate so that- a) the light absorbing elements
F. ,P. in the first state more than 85% the second electrodeE2 cover so that light is pouring over the first areasG1 enters the light guide and into the second areasG2 passes over, is predominantly absorbed by the absorbent elements, - b) the light absorbing elements
F. , P in the second state to less than 15% cover the second electrode, so that light which passes over the first areasG1 enters the light guide and into the second areasG2 crosses over, mainly on thereflective layers 2 ,4th is reflected, and
- - so that when light strikes the optical element, this at least through to the light entry surface
F1 localized first areasG1 into thelight guide 1 occurs, and- - In the first state, the optical element either in a restricted angular range through to the light exit surface
F2 localized first areasG1 leaves (see ray, which the central areaG1 in10 and11 leaves) or due to the absorbent elementsF. ,P. in the second areasG2 is absorbed (see the ray coming in the areaG2 in10 and11 is absorbed), or - - In the second state, the optical element either in a restricted angular range through to the light exit surface
F2 localized first areasG1 leaves (see the ray that the central areaG1 in12th and13th leaves) or due to the reflection on a reflective layer4th on one of the light guides1 facing away from each side of a second areaG2 and / or on areflective layer 2 at the light entry surfaceF1 in thelight guide 1 until it propagates thelight guide 1 by the first areas located on the light exit surfaceG1 at angles greater than those of the said restricted angular range (see the ray that marks the area on the leftG1 in12th +13 leaves).
- - In the first state, the optical element either in a restricted angular range through to the light exit surface
- a) the light absorbing elements
Als Material für den Lichtleiter
Der Unterschied zwischen den Ausgestaltungen der vierten Alternative des optischen Elements gemäß der Zeichnungen
Die dritten und vierten Ausgestaltungen gemäß der Zeichnungen
Es ist somit möglich, in der vierten Alternative die erste (
It is thus possible to use the first (
Für die vierte Alternative gelten ansonsten sinngemäß weiter oben gegebene Ausgestaltungsvarianten, insbesondere zur ersten Ausgestaltung. Diese werden aus Redundanzgründen an dieser Stelle nicht wiederholt.For the fourth alternative, the design variants given above apply analogously, in particular for the first design. For reasons of redundancy, these are not repeated at this point.
Überdies zeigt
Ferner gibt
Weiterhin stellt
Für alle Alternativen des optischen Elements gilt in diesem Zusammenhang, dass optional die elektrischen Schaltmittel
Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung, indem das optische Element gemäß der ersten, zweiten oder vierten Alternative einschließlich deren Abwandlungen in einem Bildschirm verwendet wird, der in einem ersten Betriebszustand
Bei der Bildwiedergabeeinheit handelt es sich beispielsweise um ein OLED-Display, ein LCD-Panel, ein SED, ein FED, ein Micro-LED-Display oder ein VFD. 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 display, an LCD panel, an SED, a FED, a micro-LED display or a VFD. 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
Die Erfindung umfasst auch die Verwendung eines optischen Elements einer der vier Alternativen oder eines vorbeschriebenen Bildschirms in einem PKW, einem mobilen Gerät, einem Desktop-Bildschirm, in einem Geldautomaten oder in einem Zahlterminal.The invention also includes the use of an optical element of one of the four alternatives or of a screen as described above in a car, a mobile device, a desktop screen, in an ATM or in a payment terminal.
Das vorangehend beschriebene optische Element 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. Das optische Element kann - wie weiter oben beschrieben - auch im PKW angewendet werden. Außerdem ist es möglich, dass optische Element in Verbindung mit einer Bildwiedergabeeinrichtung für Werbezwecke zu verwenden, etwa wenn bestimmte Werbung nur mit einer bestimmten Körpergröße gesehen werden soll, und andere Werbung für alle Personen sichtbar sein darf.The optical element described above can advantageously be used in conjunction with an image display device wherever confidential data is displayed and / or entered, such as when entering a PIN or for displaying data at ATMs or payment terminals or for entering passwords or when reading emails mobile devices. As described above, the optical element can also be used in a car. It is also possible to use the optical element in connection with an image display device for advertising purposes, for example when certain advertisements are only to be seen with a certain body size and other advertisements may be visible to all persons.
Mit den vorangehend beschriebenen Ausführungen eines erfindungsgemäßen optischen Elements lässt sich erreichen, was gewünscht war, nämlich die Transmission winkelabhängig zu beeinflussen, wobei das optische Element zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umschalten kann. Es 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.With the above-described embodiments of an optical element according to the invention, it is possible to achieve what was desired, namely to influence the transmission as a function of the angle, with the optical element being able to switch between at least two operating states. It 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.
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