DE112019000373T5

DE112019000373T5 - Umschaltbarer einwegspiegel

Info

Publication number: DE112019000373T5
Application number: DE112019000373.9T
Authority: DE
Inventors: Pedro Coutino Soto; Bahman Taheri
Original assignee: Alphamicron Inc
Current assignee: Alphamicron Inc
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-01-11
Also published as: GB2583634A; GB2583634B; GB202010613D0; US20200333644A1; WO2019140035A1; US11194208B2; DE112019000373B4

Abstract

Eine umschaltbare Einwegspiegelvorrichtung, die den ersten und den zweiten Bereich unterteilt, schließt eine umschaltbare elektrooptische Schicht ein, die dem zweiten Bereich zugewandt ist und so konfiguriert ist, dass sie elektronisch zwischen einem durchlässigen Zustand und einem oder mehreren undurchlässigen Zuständen umschaltbar ist, und einen Teilreflektor, der in oder neben der umschaltbaren elektrooptischen Schicht integriert ist und dem ersten Bereich zugewandt und so konfiguriert ist, dass er Licht teilweise reflektiert. Der umschaltbare Einwegspiegel überträgt teilweise ein erstes Licht, das vom ersten Bereich zum zweiten Bereich geht, und ein zweites Licht, das vom zweiten Bereich zum ersten Bereich geht. Wenn sich die umschaltbare elektrooptische Schicht in einem undurchlässigen Zustand befindet, wird die Lichttransmission durch die Vorrichtung hindurch verringert, wodurch das Verhältnis zwischen der Transmission des zweiten Lichts zum ersten Bereich und der Reflexion des ersten Lichts durch den Teilreflektor verringert wird, was zu einer verringerten Sicht des zweiten Bereichs durch einen Betrachter im ersten Bereich führt.

Description

RÜCKVERWEISUNGEN AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und jeden anderen Vorteil der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/615,517 mit dem Titel SWITCHABLE ONE-WAY MIRROR (UMSCHALTBARER EINWEG-SPIEGEL), eingereicht am 10. Januar 2018, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme vollständig in diese Anmeldung integriert ist.
STAND DER TECHNIK
Es ist eine bedauerliche Tatsache, dass Schießereien in Schulen und andere willkürliche Schießereien im ganzen Land immer mehr zur Realität werden. Die Sicherheit der Kinder und Erwachsenen in einer solchen Situation ist von größter Bedeutung. Das aktuelle Protokoll verlangt, dass die Personen in einem Raum (z. B. im Klassenzimmer) die Fenster, die in den Raum hineingehen, physisch blockieren müssen, um die Sicht vom ersten Raum (z. B. Korridor) aus zu verdecken. Dieser Prozess hat drei Nachteile. Erstens erfordert er die Anwesenheit eines Erwachsenen, der in der Lage ist, dies zu erreichen. Zweitens braucht dies Zeit zu einem Zeitpunkt, wenn Eile geboten ist. Drittens blockiert er die Aussicht auf beiden Seiten, sodass Personen im Inneren eines Klassenzimmers keine Sicht nach außen haben.
Einwegspiegel werden üblicherweise in Strafverfolgungsbehörden oder Situationen verwendet, in denen eine asymmetrische Betrachtung gewünscht wird. Sie beruhen auf den unterschiedlichen Lichtverhältnissen zwischen zwei Zonen. Innerhalb eines normalen Gebäudes sind jedoch die Lichtverhältnisse innerhalb und außerhalb der Räume normalerweise gleich; daher funktionieren herkömmliche Systeme nicht.
Ziel dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die Sicherheitsmerkmale eines Fensters verbessern kann, indem eine umschaltbare Folie bereitgestellt wird, die umgeschaltet werden kann, um die Lichttransmission zu verringern, wodurch ein normales Fenster in einen „Einwegspiegel“ verwandelt wird. Die Einwegspiegelfunktion kann aktiviert oder an verschiedene Lichtverhältnisse angepasst werden, einschließlich zwischen zwei Innenbereichen mit ungefähr derselben Beleuchtungsart und -menge. Eine Möglichkeit, um dies zu erreichen, besteht beispielsweise darin, eine umschaltbare Einwegspiegelvorrichtung bereitzustellen, die an einem Innenfenster installiert werden kann, das einen Raum (z. B. ein Klassenzimmer) von einer Umgebung außerhalb des Raums (z. B. einem Flur außerhalb des Klassenzimmers) trennt, wobei beide mehr oder weniger dieselben Lichtverhältnisse aufweisen (z. B. ungefähr dieselbe Beleuchtungsmenge durch Innenleuchten). In einer solchen Situation wäre es wünschenswert, das Fenster von einem normalen durchlässigen Zustand in einen Zustand umschalten zu können, in dem es als Einwegspiegel wirkt, was es für eine Person (z. B. einen aktiven Schützen), die außerhalb des Klassenzimmers steht, schwierig macht, das Innere des Klassenzimmers zu sehen.
Andere Anwendungen sind möglich, indem jedes Fenster in einem Gebäude (innen oder außen) oder einem Auto (Fenster oder Schiebedach) usw. in einen umschaltbaren Einwegspiegel verwandelt wird. Bei Auftreten einer gefährlichen Situation kann der umschaltbare Einwegspiegel von einer Person aktiviert werden (entweder durch Umlegen eines Schalters oder ferngesteuert), wodurch es für Personen außerhalb eines Bereichs, z. B. außerhalb eines Klassenzimmers, sehr schwierig wird, das Innere des Bereichs oder des Klassenzimmers zu sehen, während die Person innerhalb des Bereichs noch immer über eine gewisse Sicht verfügt. Das System bietet eine Reihe von Vorteilen, z. B. die Möglichkeit, dass eine Person mehrere Fenster gleichzeitig aktiviert und so das gesamte Gebäude sofort sichert; die Fähigkeit, jedem, einschließlich eines Kindes, das Aktivieren des Fensters zu ermöglichen; und Fernaktivierung, um sicherzustellen, dass niemand einer Gefahr ausgesetzt ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Hierin offenbart ist eine umschaltbare Einwegspiegelvorrichtung 100, die einen ersten Bereich 102 und einen zweiten Bereich 104 unterteilt, wobei der Spiegel umfasst: eine erste Oberfläche 106, die dem ersten Bereich 102 zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche 108, die dem zweiten Bereich 104 zugewandt ist, eine umschaltbare elektrooptische Schicht 110 auf oder gegenüber dem zweiten Bereich, die dazu konfiguriert ist, zwischen einem durchlässigen Zustand und einem undurchlässigen Zustand umschaltbar zu sein, und einem Teilreflektor 112 auf oder gegenüber dem ersten Bereich, der dazu konfiguriert ist, Licht teilweise zu übertragen und Licht teilweise zu reflektieren, wobei der Spiegel dazu konfiguriert ist, Licht teilweise zu übertragen und teilweise zu reflektieren, z. B. ein erstes Licht L1, 120, das vom ersten Bereich in den zweiten Bereich geht, und ein zweites Licht L2, 130, das vom zweiten Bereich in den ersten Bereich geht.
Die Vorrichtung wird durch Anlegen einer oder mehrerer Spannungen von einer Stromquelle betrieben, die von einer Steuerung gesteuert wird. Wenn sich die umschaltbare elektrooptische Schicht im durchlässigen Zustand befindet, werden das erste Licht L1 und das zweite Licht L2 ungefähr gleich durch den Spiegel übertragen. Wenn sich die umschaltbare elektrooptische Schicht im undurchlässigen Zustand befindet, reduziert sie teilweise das durch sie hindurchtretende Licht, wodurch das Verhältnis zwischen der Transmission des zweiten Lichts 130 zum ersten Bereich 102 und der Reflexion des ersten Lichts 120 durch den Teilreflektor 112 zurück in den ersten Bereich verändert wird. Dies führt zu einer verringerten Sicht des zweiten Bereichs 104 vom Standpunkt eines Betrachters im ersten Bereich 102.
In einer Ausführungsform bewirkt eine teilweise Verringerung der Transmission in der elektrooptischen Schicht 110, dass die Reflexion des ersten Lichts 124 ungefähr dieselbe Menge oder mehr als die Menge der Transmission des zweiten Lichts 132 darstellt. In anderen Ausführungsformen kann die Menge des ersten, reflektierten Lichts 124 kleiner sein als die Menge des übertragenen zweiten Lichts 132, aber der Gesamteffekt besteht darin, dass eine Person, die im ersten Bereich steht, eine verringerte Sicht auf alles im zweiten Bereich hat.
In einigen Beispielen ist der erste Bereich die Außenseite eines Raums (z. B. eines Klassenzimmers), eines Autos, eines Gebäudes usw. und der zweite Bereich ist die Innenseite des Raums, des Autos, des Gebäudes usw.
In anderen Beispielen, in denen die Einwegspiegelvorrichtung in einer virtuellen Realität, einer erweiterten Realität, einer gemischten Realität oder einer anderen derartigen Vorrichtung implementiert ist, befindet sich der erste Bereich zwischen dem Auge des Betrachters und der Spiegelvorrichtung, und der zweite Bereich ist die Außenumgebung. In dieser Ausführungsform variiert der Betrieb der elektrooptischen Schicht zum Variieren der Lichttransmission die Sicht auf Objekte im zweiten Bereich (oder in der äußeren Umgebung) im Vergleich zu dem reflektierten Bild, das durch einen Bildprojektor oder eine andere ähnliche Vorrichtung projiziert wird, und so reflektiert wird, dass es sich vor dem Auge befindet.
In einem Beispiel der Vorrichtung befindet sich die umschaltbare elektrooptische Schicht, wenn sie ausgeschaltet ist, im durchlässigen Zustand und, wenn sie durch Anlegen einer Spannung eingeschaltet ist, im getönten oder undurchlässigen Zustand.
In einem anderen Beispiel der Vorrichtung befindet sich die umschaltbare elektrooptische Schicht, wenn sie ausgeschaltet ist, im undurchlässigen Zustand und, wenn sie durch Anlegen einer Spannung eingeschaltet ist, im durchlässigen Zustand.
Die umschaltbare elektrooptische Schicht kann eine elektrochrome, eine Flüssigkristall- oder eine andere elektrooptisch aktive Mischung enthalten.
Die umschaltbare elektrooptische Schicht kann eine Konfiguration enthalten, die lichtabsorbierend, lichtreflektierend, lichtstreuend oder eine Kombination davon ist.
Die Flüssigkristallschicht kann eine nematische, chiral-nematische, Guest-Host-, nematisch verdrillte (TN, twisted nematic), nematisch super-verdrillte (STN, super twisted nematic), polymerstabilisierte, polymerdispergierte (PDLC, polymer dispersed liquid crystal), nematisch krummlinig ausgerichtete Phase (NCAP, nematic curvilinear aligned phase) oder eine Kombination davon enthalten.
Die umschaltbare elektrooptische Schicht kann eine Zelle oder eine Vielzahl von Zellen mit entweder Glas- oder Kunststoffsubstraten enthalten.
In einigen Ausführungsformen weist die elektrooptische Schicht oder die Einwegspiegelvorrichtung als Ganzes mehrere Pixel auf, von denen jedes unabhängig betrieben (aktiviert) werden kann, um die relative Sicht des zweiten Bereichs zu verändern.
Die Opazität/Tönung der elektrooptischen Vorrichtung kann kontinuierlich verändert werden, um das Verhältnis zwischen dem reflektierten ersten Licht 124 und dem durchgelassenen zweiten Licht 132 zu optimieren.
In einigen Beispielen kann die Vorrichtung einen Polarisator enthalten, oder ihre Funktion kann polarisationsbasiert sein. In anderen Ausführungsformen verwendet die Vorrichtung keine Polarisatoren und/oder ihre Funktion basiert nicht auf Polarisation.
Die hier beschriebene Einwegspiegelvorrichtung kann auf eine Oberfläche eines Fensters oder eine andere durchlässige Barriere (z. B. Visier, AR/VR/MR(augmented reality, virtual reality, mixed reality)-Vorrichtung, augennahe Anzeige, HMD (head mounted display) usw.) zwischen dem ersten und zweiten Bereich aufgebracht werden, oder sie kann integraler Bestandteil des Fensters oder der vorstehend genannten Barriere sein.
Die Vorrichtung kann manuell, automatisch, ferngesteuert gesteuert oder so programmiert werden, dass sie als Reaktion auf bestimmte Ereignisse aktiviert wird. In einigen Beispielen ist die Vorrichtung sprachaktiviert.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Hinblick auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Ansprüche und die beigefügten Zeichnungen besser verstanden; dabei sind:

1A und 1B schematische Ansichten einer Ausführungsform eines Einwegspiegels gemäß der Erfindung.
2A und 2B sind Querschnittsdarstellungen der verschiedenen Schichten in verschiedenen Ausführungsformen des Einwegspiegels.
3A-C sind schematische Diagramme eines Beispiels einer Flüssigkristallmolekülorientierung während verschiedener Zustände: (A) durchlässiger Zustand, (B) undurchlässiger/Streuzustand und (C) undurchlässiger/Absorptionszustand.
4 ist ein schematisches Diagramm verschiedener Formen von lichtstreuenden Flüssigkristallen und ihren molekularen Orientierungen.
5 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels einer Guest-Host-Flüssigkristallzelle, die zur Verwendung in der Einwegspiegelvorrichtung geeignet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die in den Zeichnungen schematisch gezeigten Strukturen weisen Teile auf, die Beispiele für die in den Vorrichtungsansprüchen genannten Elemente sind. Die dargestellten Strukturen enthalten somit Beispiele dafür, wie ein Durchschnittsfachmann die beanspruchte Erfindung herstellen und verwenden kann. Sie wird hier beschrieben, um die Anforderungen der Patentgesetzgebung bezüglich der Ermöglichung und des besten Modus zu erfüllen, ohne Beschränkungen aufzuerlegen, die nicht in den Ansprüchen genannt sind. Ferner beschreibt diese detaillierte Beschreibung lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung und soll den Umfang der Ansprüche in keiner Weise einschränken.
Die vorliegende Erfindung stellt eine umschaltbare Einwegspiegelvorrichtung bereit, die durch Anlegen (oder Entfernen) einer Spannung zwischen einem durchlässigen (d. h. eher transparenten oder durchlässigen) Zustand und einem oder mehreren undurchlässigen (Einwegspiegel)-Zuständen umgeschaltet werden kann.
Definitionen:
Einwegspiegel bedeutet eine Vorrichtung, die das Licht auf einer Seite asymmetrisch stärker reflektiert als das Licht von der anderen Seite. Eine umschaltbare Einwegspiegelvorrichtung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die als Reaktion auf eine Änderung der angelegten Spannung zwischen einem eher durchlässigen Zustand und einem Einwegspiegelzustand umgeschaltet werden kann (siehe unten).
Die Begriffe „umschaltbare elektrooptische Schicht“ oder „elektrooptische Schicht“ werden austauschbar verwendet und beziehen sich auf eine umschaltbare Schicht, die durch Anlegen einer Spannung zum Umschalten zwischen Zuständen aktiviert werden kann. Die elektrooptische Schicht weist einen Transmissionszustand und einen oder mehrere undurchlässige Zustände auf, in denen sie die Transmission des durch sie hindurchtretenden Lichts verringert, wodurch die Lichttransmission variabel gesteuert wird. In einigen Ausführungsformen kann die elektrooptische Schicht zwei Zustände aufweisen: a) maximal durchlässig und b) maximal undurchlässig (d. h. minimal durchlässig). In anderen Ausführungsformen kann die elektrooptische Schicht zusätzlich zu den maximal und minimal durchlässigen Zuständen einen oder mehrere undurchlässige Zwischenzustände aufweisen, in denen sie die Lichttransmission auf einen Betrag reduziert, der zwischen ihren maximalen und minimalen Durchlässigkeitszuständen liegt.
Die hier in Betracht gezogenen elektrooptischen Schichten können Flüssigkristall (LC), elektrochrome (EC), SPD (Suspensionspartikelvorrichtung), PDLC (polymerdispergierte Flüssigkristall), nematisch verdrillte (TN), nematisch super-verdrillte (STN), polymerstabilisierte Flüssigkristall, dynamische Streuung und dergleichen einschließen. In einigen Ausführungsformen umfasst die elektrooptische Schicht einen Guest-Host-LC.
„Teilweise“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine beliebige Zahl zwischen 1 % und 99 %, einschließlich 1 % und 99 %. Somit bezieht sich eine „teilweise Verringerung“ der Lichttransmission auf eine Verringerung der Lichttransmission von irgendwo zwischen 1 % und 99 % durch eine Vorrichtung.
Ein Teilreflektor ist ein Reflektor, der Licht nur teilweise reflektiert und einen Prozentsatz des Lichts durchlässt.
Ein undurchlässiger Zustand bezeichnet einen Zustand, in dem die elektrooptische Vorrichtung eine teilweise Lichttransmission ermöglicht, indem entweder teilweise Licht absorbiert (Licht absorbierend), Licht gestreut (Licht streuend), Licht reflektiert (Licht reflektierend) wird oder durch eine Kombination der Vorstehenden (wie gezeigt, zum Beispiel in 3), d. h. mit getrennten oder gleichzeitigen Streu- und Absorptionszuständen zusätzlich zu dem durchlässigen Zustand.
Der durchlässige Zustand bezieht sich auf einen Zustand, in dem die elektrooptische Vorrichtung ihre maximale Durchlässigkeit aufweist.
Bezug nehmend auf 1A und 1B beschreiben wir hier ein Beispiel einer umschaltbaren Einwegspiegelvorrichtung 100, die auf ein Fenster aufgebracht werden kann oder ein integrierter Teil davon (nicht gezeigt) sein kann, der einen ersten Bereich 102 von einem zweiten Bereich 104 trennt. In der dargestellten Ausführungsform befindet sich der erste Bereich außerhalb eines Raums (und ist z. B. ein Korridor außerhalb eines Klassenzimmers) und der zweite Bereich befindet sich innerhalb des Raums (und ist z. B. innerhalb eines Klassenzimmers). In dieser Ausführungsform wird auch angenommen, dass sowohl der erste als auch der zweite Bereich ungefähr dieselbe Beleuchtungsmenge aufweisen; es versteht sich jedoch, dass die Beleuchtungsbedingungen nicht identisch sein müssen und unterschiedlich sein können.
Wie in 1 zu sehen ist, weist die Vorrichtung eine erste Oberfläche 106 auf, die dem ersten Bereich 102 zugewandt ist, der für einen ersten Betrachter 107 (wie einer Person, die außerhalb eines Klassenzimmers steht) sichtbar ist, und eine zweite Oberfläche 108, die dem zweiten Bereich 104 zugewandt ist, der für einen zweiten Betrachter 109 (wie einem Schüler in einem Klassenzimmer) sichtbar ist. Der Einwegspiegel 100 weist eine umschaltbare elektrooptische Schicht 110 auf, die dem zweiten Bereich 104 zugewandt ist, und einen Teilreflektor 112, der dem ersten Bereich 102 zugewandt ist. Die Elemente 110 und 112 können nebeneinander liegen oder durch einen Bereich oder andere Schichten getrennt sein oder können zu einer integralen Vorrichtung integriert sein (siehe 2B). In allen diesen Beispielen ist der Teilreflektor 112 auf einer Seite der elektrooptischen Schicht 110 angeordnet, die, wenn sie undurchlässig ist, zu einer Asymmetrie des durchgelassenen Lichts gegenüber dem reflektierten Licht zwischen den beiden Seiten der Vorrichtung führt.
Die elektrooptische Schicht 110 ist zwischen einem durchlässigen Zustand und einem oder mehreren undurchlässigen Zuständen umschaltbar. Im durchlässigen Zustand hat die elektrooptische Schicht eine maximale Durchlässigkeit. Im undurchlässigen Zustand verringert die elektrooptische Schicht teilweise die Transmission des Lichts, indem sie Licht absorbiert und/oder streut und/oder reflektiert. Es kann einen oder mehrere undurchlässige Zustände mit unterschiedlich starker Reduzierung der Lichttransmission geben.
Der Teilreflektor 112 ist so konfiguriert, dass er Licht teilweise durchlässt und teilweise reflektiert. Solche Teilreflektoren können hergestellt werden, indem eine Seite eines transparenten Glases oder Kunststoffs mit einem reflektierenden Material wie einer Metallbeschichtung (Aluminium, Silber, Chrom, Zinnoxid usw.) oder einem dielektrischen Stapel oder dergleichen beschichtet oder bedeckt wird, sodass die Transmissionsrate oder Reflexionsrate gegebenenfalls so gesteuert werden kann, dass sie höher ist als eine Reflexion von einem unbeschichteten Glas. Zum Beispiel kann eine Übertragungsrate von 95 %, 90 %, 85 %, 80 %, 70 %, 60 %, 50 %, 40 %, 30 %, 20 % oder einer beliebigen Zahl dazwischen und eine Reflexionsrate von 5 %. 10 %, 15 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 % oder 80 % oder einer beliebigen Zahl dazwischen erreicht werden. Es versteht sich, dass der Teilreflektor entsprechend der Position des Spiegels eingestellt werden kann, d. h. abhängig davon, ob der Spiegel zwischen zwei Innenräumen oder zwischen einem Innenraum und einem Außenbereich (die sehr unterschiedliche Lichtverhältnisse haben) installiert ist. Im Fall, dass der Teilreflektor von einem Benutzer in einer Situation mit augennaher Anzeige (z. B. AR/VR/MR oder anderen augennahen Vorrichtungen) getragen wird, kann ein Teilreflektortyp verwendet werden, der für die vorgesehene Verwendung der Vorrichtung als Ganzes geeignet ist.
Unter Bezugnahme auf 1A und B wird der Betrieb des Spiegels in der Ausführungsform beschrieben, in der er innerhalb eines Gebäudes verwendet wird; es versteht sich jedoch, dass die wesentlichen Elemente und der grundlegende Betrieb der Vorrichtung gleich sind, unabhängig davon, ob sie in einem Fenster von einem Gebäude oder in einem Auto oder in einer AR /VR/MR-Vorrichtung oder in einer augennahen Anzeige usw. verwendet wird.
Wenn ein erstes Licht 120 (L1), das vom ersten Bereich 102 zum zweiten Bereich 104 geht, auf den umschaltbaren Spiegel 100 trifft, trifft es zuerst auf den Teilreflektor 112 und dann auf die elektrooptische Schicht 110. Das Licht 120 wird teilweise durch die Vorrichtung als L1_Trans(122) übertragen und teilweise als L1_Ref(124) reflektiert. Ein zweites Licht 130, das vom zweiten Bereich 104 zum ersten Bereich 102 geht, trifft zuerst auf die elektrooptische Schicht 110 und dann auf den Teilreflektor 112. Das Licht 130 (L2) wird auch teilweise als L2_Trans(132) durch den Spiegel übertragen und teilweise als L2_Ref(134) reflektiert. (Siehe 1 A)
Die Optik der Einwegspiegelvorrichtung ist so ausgelegt, dass die Reflexionen asymmetrisch sind. Wenn sich also die elektrooptische Schicht in einem durchlässigen Zustand befindet, wird das erste oder äußere Licht 120 (L1) teilweise vom Teilreflektor 112 reflektiert und der Rest passiert die maximal durchlässige elektrooptische Schicht 110, um den zweiten Bereich 104 zu erreichen. In ähnlicher Weise erfährt das innere oder zweite Licht 130 (L2) eine maximale Transmission durch die elektrooptische Schicht 110 und wird dann entweder vom Teilreflektor 112 reflektiert 134 oder in den ersten Bereich übertragen 132. Siehe 1A. Daher ist die Transmission des Lichts vom ersten zum zweiten im Wesentlichen dieselbe wie die Übertragung des Lichts vom zweiten zum ersten: L1_Trans ≈ L2_Trans. Unter der Annahme, dass die Lichtbedingungen der beiden Räume 102, 104 ungefähr gleich sind, d. h. 120 ≈ 130, gilt dann 122 ≈ 132.
Aufgrund des Effekts der elektrooptischen Schicht auf das einfallende Licht ist jedoch die vom Teilreflektor 112 reflektierte Lichtmenge unterschiedlich. Diese Differenz steht in direktem Zusammenhang mit der Durchlässigkeit der elektrooptischen Schicht. Wenn sich die umschaltbare elektrooptische Schicht in einem maximal undurchlässigen Zustand befindet, wie in 1B gezeigt, ist die elektrooptische Schicht 110 minimal durchlässig und lässt nicht zu, dass ein Teil des Lichts aus einem Bereich den anderen erreicht. In diesem Fall ist das reflektierte Licht 124 und 134 in seiner Größe erheblich unterschiedlich.
Beispielsweise absorbiert die umschaltbare elektrooptische Schicht in der Ausführungsform, in der sie absorbierend ist, Licht aus beiden Richtungen, sodass weniger zweites Licht (L2, 130) den Teilreflektor 112 oder den ersten Bereich erreichen kann, und in ähnlicher Weise kann weniger erstes Licht (L1, 120) in den zweiten Bereich durchtreten.
In anderen Ausführungsformen, z. B. im Fall der umschaltbaren elektrooptischen Schicht, die Licht streuend ist, gilt ein ähnliches Prinzip. Durch Streuen oder Reflektieren eines Teils des Lichts reduziert die elektrooptische Schicht effektiv die Transmission des Lichts durch die Schicht.
Der wichtige Parameter ist das Verhältnis zwischen dem reflektierten Licht 124 und dem durchgelassenen Licht 132, das im ersten Bereich das Auge eines Betrachters erreicht. Wie in 1B zu sehen ist, bleibt die Reflexion des ersten Lichts L1 (120), das auf den Teilreflektor 112 auftrifft, gleich und wird von der elektrooptischen Schicht nicht beeinflusst. In dieser Situation kann die Menge des von L1 oder L1_Ref(124) reflektierten Lichts so ausgelegt werden, dass sie gleich oder größer als die Menge des zweiten Lichts L2 (130) ist, das in den ersten Bereich oder L2_Trans (132) übertragen wird. Mit anderen Worten wird vom Teilreflektor 112 ungefähr dieselbe Menge des ersten Lichts 120 wie zuvor reflektiert, während das zweite Licht 130 hauptsächlich von der elektrooptischen Schicht (die sich jetzt in einem undurchlässigen Zustand befindet) absorbiert/gestreut wird, und somit wird sehr wenig Licht durchgelassen. Daher ist die Menge des reflektierten ersten Lichts oder L1 Ref (124) gleich oder größer als die Menge des durchgelassenen zweiten Lichts oder L2_Trans (132), d. h. : $L 1_{Ref} \geq L 2_{Trans}$
oder 124 ≥ 132.
Aufgrund der relativen Ungleichheit von reflektiertem und durchgelassenem Licht wirkt die Vorrichtung in einem undurchlässigen Zustand als Einwegspiegel, sodass der Betrachter 107 im ersten Bereich bevorzugt seine eigene Reflexion (124) sieht und den Inhalt des zweiten Bereichs nicht sieht, weil ihn relativ weniger zweites Licht (132) erreicht.
Der Einwegspiegel kann auch dann als solcher arbeiten, wenn das Verhältnis zwischen durchgelassenem und reflektiertem Licht bis zu einem gewissen Grad umgekehrt ist. Beispielsweise kann die Menge des ersten reflektierten Lichts (124) in anderen Ausführungsformen geringer sein als die Menge des durchgelassenen zweiten Lichts (132), d. h. 124 <132, aber der Gesamteffekt ist immer noch so, dass für eine Person 107, die im ersten Bereich 102 steht, die Sicht auf alles im zweiten Bereich 104 verringert ist.
Es versteht sich, dass ein Beispiel des Einwegspiegels zwar in einer Schulumgebung beschrieben wurde, jedoch in jedem Gebäude, Fahrzeug usw. und in jeder Situation verwendet werden kann, in der es wünschenswert ist, einen umschaltbaren Einwegspiegel zu haben, der zwischen einem meist durchlässigen Zustand und einem oder mehreren Einwegspiegelzuständen umgeschaltet werden kann.
2A und 2B zeigen Beispiele von zwei unterschiedlichen Ausführungsformen aus mehreren unterschiedlichen Anordnungen der elektrooptischen Schicht 110 und des Teilreflektors 112. In 2A ist die elektrooptische Schicht 110 eine Zelle, die ein transparentes Substrat 150 neben oder gegenüber dem zweiten Bereich 104 und ein transparentes Substrat 152 neben oder gegenüber dem ersten Bereich 102 aufweist. Die Substrate können Glas oder ein flexibles oder starres Kunststoffmaterial sein. Auf einer ersten Oberfläche des Substrats 152 befindet sich eine halbreflektierende Beschichtung oder Schicht 112, die als Teilreflektor wirkt. Diese Teilreflektorschicht 112 kann auf die Substrate selbst aufgebracht werden oder durch eine oder mehrere Kunststoff- oder Glasschichten voneinander beabstandet angeordnet sein. Alternativ kann das Substrat 152 selbst eine halbreflektierende Schicht enthalten. Abhängig vom verwendeten Material kann die halbreflektierende Schicht auch eine leitende Eigenschaft bereitstellen.
Jedes Substrat 150, 152 weist eine Beschichtung aus einer leitenden Schicht 154 bzw. 156 auf, die typischerweise aus Indiumzinnoxid, leitfähigem Polymer oder anderem geeigneten auf dem Fachgebiet bekannten leitfähigen Material gebildet ist, wenn Durchlässigkeit erforderlich ist. Falls erforderlich, kann eine Ausrichtungsschicht (nicht gezeigt) auf jeder leitenden Schicht oder nur auf einer der leitenden Schichten angeordnet sein. Die Ausrichtungsschichten können Flüssigkristallmoleküle neben den Ausrichtungsschichten ausrichten, wobei die Moleküle Teil des Flüssigkristallmaterials sind, das zwischen den Substraten aufgenommen wird. In einer LC-Zelle ist typischerweise eine Lücke von ungefähr 1-100 µm, oder in einigen Beispielen 3-50 µm oder 3-25 µm oder 5-20 µm oder 5-10 µm oder einer beliebigen Zahl dazwischen zwischen den Substraten vorhanden, und sie kann sein durch Abstandshalter (nicht gezeigt) aufrecht erhalten werden, wie in der Technik allgemein bekannt ist. Dementsprechend bilden die gegenüberliegenden Substrate 150, 152 einen Spalt, der das elektrooptische Material aufnimmt, wie einen Flüssigkristall oder ein elektrochromes Material oder eine Mischung 160. Im Falle einer elektrooptischen Guest-Host-Schicht enthält die Mischung 160 ein Flüssigkristallmaterial und einen oder mehrere dichroitische Farbstoffe. Andere Beispiele schließen ein: TN, STN, SPD, PDLC, dynamische Streuung, CLC und andere Lichtmanagementkonfigurationen.
Die leitenden Schichten 154, 156 ermöglichen das Anlegen einer Spannung über die Substrate, um das zwischen den Substraten 150, 152 angeordnete elektrooptische Gemisch 160 zu aktivieren. Eine Randabdichtung 162 kann erforderlich und um den oder im Bereich des Außenumfang(s) der Zelle herum vorgesehen sein, um das elektrooptische Material 160 zwischen den Substraten zu halten. In einigen Ausführungsformen umfassen eines oder beide Substrate Glas oder Kunststoff (z. B. Polycarbonat, PET, TAC (triallyl cyanurate) oder ein anderes optisches Polymermaterial).
Jede leitende Schicht 154, 156 ist mit einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) verbunden, die typischerweise eine Ansteuerschaltung, eine Stromquelle und einen Aktivator enthält. Die Steuerschaltung legt in geeigneter Weise eine Spannung und/oder Spannungswellenform an, um die elektrooptische Schicht umzuschalten oder zu aktivieren. Im Fall eines Flüssigkristalls ändert die Spannung die Orientierung des Flüssigkristallmaterials, um verschiedene Zustände zu erreichen, z. B. hohe Transmission, niedrige Transmission (undurchlässig), Absorption, Lichtstreuung, Reflexion und Zustände dazwischen. Im Fall einer elektrochromen (EC) Vorrichtung verändert die elektrische Ladung den Oxidationszustand des Materials, wodurch sich die Farbe und/oder optische Dichte eines EC-Materials ändert.
In einer anderen in 2B gezeigten Ausführungsform ist der Teilreflektor 112 Teil der Zelle wie folgt: Die transparente leitfähige Schicht (156 in 1A) wurde durch ein halbreflektierendes leitfähiges Material 158 ersetzt, das als Teilreflektor 112 wirkt. Das halbreflektierende Material kann als Beschichtung auf die zweite Oberfläche des Substrats 152 aufgebracht werden. Solche halbreflektierenden leitfähigen Materialien sind bekannt und schließen beispielsweise reflektierendes Silber, Aluminium, Chrom, Zinnoxid oder dergleichen ein. In einer solchen Anordnung weist die umschaltbare elektrooptische Schicht 110 einen integrierten Teilreflektor 112 auf. Es ist zu beachten, dass diese Schicht anstelle eines transparenten Leiters oder in Verbindung damit verwendet werden kann.
In einigen Ausführungsformen besteht der Einwegspiegel aus einem oder mehreren Pixeln, die es ermöglichen können, Abschnitte des Einwegspiegels unabhängig von anderen Abschnitten zu ändern. Auf diese Weise kann bei Bedarf ein kleines „Schlüsselloch“ platziert werden.
In einigen Ausführungsformen kann ein ausreichend starrer Träger oder ein Glasfenster (nicht gezeigt) neben einem oder beiden Substraten gesichert oder positioniert sein. In bestimmten Ausführungsformen können Kombinationen aus elektrooptischer Schicht 110 und Teilreflektor 112 auf ein bereits vorhandenes Fenster aufgebracht (z. B. laminiert oder aufgeklebt) werden, z. B. an zweiter Stelle auf ein Zweischeiben-Fenster platziert werden, oder die Schicht(en) kann/können in die Konstruktion des Fensters während seiner Herstellung integriert werden. In noch anderen Ausführungsformen können die vorstehenden Kombinationen aus elektrooptischer Schicht 110 und Teilreflektor 112 selbst als Fenster mit oder ohne zusätzlichem Glas- (oder Kunststoff-)Träger verwendet werden.
Die 3A, 3B und 3C zeigen schematische Diagramme einer Flüssigkristallzelle, die drei Zustände annehmen kann. In diesem Beispiel enthält der Flüssigkristall 202 einen Farbstoff, der Licht 204 absorbieren kann. Durch Anlegen unterschiedlicher Spannungswellenformen können die LC-Moleküle dazu gebracht werden, zwischen drei Zuständen umzuschalten: in 3A in einen ersten Zustand, der eine maximale Lichttransmission ermöglicht, in 3B in einen zweiten dynamischen Streuzustand, der Licht streut, und in 3C in einen dritten lichtabsorbierenden (oder getönten) Zustand ohne Streueffekt. Dies ist ein Beispiel für eine Vorrichtung, die drei Zustände annehmen kann; es werden jedoch auch andere Beispiele in Betracht gezogen, einschließlich bekannter Vorrichtungen mit fokaler konischer Streuung oder Vorrichtungen, bei denen der LC eine Anisotropie entgegengesetzt zu der in den 3A-C dargestellten aufweist. Beispiele für elektrooptische Flüssigkristallschichten, die mehr als zwei Modi aufweisen können, wie beispielsweise ein Drei-Zustands-LC mit einem lichtabsorbierenden, lichtstreuenden und lichtdurchlässigen Zustand, wurden auch an anderer Stelle beschrieben, beispielsweise im US-Pat. Nr. 9,116,370 (Taheri et al.) und in US 2015/0323825 (Taheri et al.), deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich integriert ist.
4 ist ein schematisches Diagramm verschiedener anderer Formen von lichtstreuenden Flüssigkristallen, die in der umschaltbaren elektrooptischen Schicht 110 verwendet werden können, einschließlich Systemen mit dynamischer Streuung, einem Polymersystem wie einer PDLC- oder NCAP-Streuung oder einem fokalen konischen Streueffekt.
Die 5A und 5B sind schematische Diagramme eines Beispiels eines Guest-Host-Flüssigkristalls mit einem Flüssigkristall-Host 210 und einem Guest-Farbstoffmaterial 212. Dichroitische Farbstoffe 212 sind organische Moleküle (oder eine Mischung von Molekülen), deren Absorption von polarisiertem Licht stark von der Polarisationsrichtung relativ zum Absorptionsdipol im Molekül abhängig ist. In Abhängigkeit von der Anwendung kann die umschaltbare LC-Zelle einen Flüssigkristall mit negativer oder positiver dielektrischer Anisotropie aufweisen. Der dichroitische Farbstoff kann je nach Anwendung auch entweder einen negativen oder einen positiven Dichroismus aufweisen.
In bestimmten Ausführungsformen, wie in dem in den 5A und 5B gezeigten Beispiel, ist es wünschenswert, dass die umschaltbare LC-Schicht durchlässig ist, wenn kein Strom angelegt wird (AUS-Zustand in 5A), und undurchlässig oder absorbierend, wenn Strom angelegt wird (EIN-Zustand in 5B). Dies kann erreicht werden, wenn z. B. die Zelle eine homöotrope Oberflächenbehandlung für Ausrichtungsschichten in Verbindung mit einem Farbstoff mit positivem Dichroismus und einem Flüssigkristallmaterial mit negativer dielektrischer Anisotropie aufweist. Es versteht sich, dass es möglich ist, dasselbe Ergebnis mit einem Farbstoff mit negativem Dichroismus und einem Flüssigkristall mit einer positiven dielektrischen Anisotropie zu erzielen.
In anderen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, dass das Gegenteil der Fall ist, d. h. die Vorrichtung befindet sich in einem undurchlässigen Zustand, wenn keine Spannung angelegt wird, und wird beim Anlegen einer Spannung durchlässig. Dies kann beispielsweise durch Verwenden einer planaren Oberflächenbehandlung für Ausrichtungsschichten in Verbindung mit einem Farbstoff mit positivem Dichroismus und einem Flüssigkristallmaterial mit positiver dielektrischer Anisotropie erreicht werden. In anderen Ausführungsformen kann das Ergebnis erzielt werden, indem ein Farbstoff mit negativem Dichroismus mit einem Flüssigkristallmaterial mit negativer dielektrischer Anisotropie verwendet wird.
Geeignete Flüssigkristalle schließen nematische, chiral-nematische oder achiral-nematische, mit einem chiralen Dotierstoff ergänzte, nematisch verdrillte (TN), STN usw. ein, und sind allgemein bekannt.
Andere Beispiele der umschaltbaren elektrooptischen Schicht wie PDLC-, SPD- und elektrochrome Vorrichtungen, die die Lichttransmission durch die Vorrichtung variieren können, sind auf dem Fachgebiet allgemein bekannt und wurden an anderer Stelle beschrieben.
Der Teilreflektor kann eine separate Schicht oder ein integraler Bestandteil der elektrooptischen Schicht sein, wie oben in den 2A und 2B gezeigt.
Die elektronische Umschaltung, die zum Erregen oder Aktivieren der elektrooptischen Schicht verwendet wird, kann manuell (unter Verwendung eines Schalters) oder automatisch betätigt werden. In einigen Ausführungsformen kann sie auch ferngesteuert aktiviert werden, z. B. über das Internet, Bluetooth oder eine andere fernsteuerbare Vorrichtung. In einem Beispiel können ein oder mehrere Fenster mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Steuerbox mit einer Taste zum Aktivieren der Fenster verdrahtet sein. Es ist auch möglich, die Fenster mit einer externen Vorrichtung wie einem Computer oder einem Mobiltelefon zu verbinden, sodass der Einwegspiegel bei Eintritt eines weiteren Vorfalls ferngesteuert (z. B. vom Schulleiter, der Polizei usw.) oder automatisch aktiviert werden kann. In einigen Beispielen kann die Vorrichtung sprachaktiviert werden.
Während verschiedene erfinderische Aspekte, Konzepte und Merkmale der Erfindungen unter Umständen hierin beschrieben und als in Kombination in den beispielhaften Ausführungsformen veranschaulicht ausgeführt sind, können diese verschiedenen Aspekte, Konzepte und Merkmale in vielen alternativen Ausführungsformen entweder einzeln oder in verschiedenen Kombinationen und Unterkombinationen davon verwendet werden. Sofern hierin nicht ausdrücklich ausgeschlossen, ist beabsichtigt, dass alle derartigen Kombinationen und Unterkombinationen im Umfang der vorliegenden Erfindungen liegen. Weiterhin gilt dass, während unter Umständen hierin verschiedene alternative Ausführungsformen hinsichtlich der verschiedenen Aspekte, Konzepte und Merkmale der Erfindungen - wie alternative Materialien, Strukturen, Konfigurationen, Verfahren, Schaltungen, Vorrichtungen und Komponenten, Alternativen hinsichtlich Form, Passung und Funktion usw. - beschrieben werden, solche Beschreibungen keine vollständige oder erschöpfende Liste verfügbarer alternativer Ausführungsformen sein sollen, gleich ob derzeit bekannt oder zu einem späteren Zeitpunkt entwickelt. Fachleute können leicht einen oder mehrere der erfinderischen Aspekte, Konzepte oder Merkmale in zusätzliche Ausführungsformen und Verwendungen im Rahmen der vorliegenden Erfindungen übernehmen, selbst wenn solche Ausführungsformen hier nicht ausdrücklich offenbart sind. Während verschiedene Aspekte, Merkmale und Konzepte unter Umständen hierin ausdrücklich als erfinderisch oder als Bestandteil einer Erfindung identifiziert sind, soll eine solche Identifizierung nicht ausschließlich sein, sondern es kann erfinderische Aspekte, Konzepte und Merkmale geben, die hierin vollständig beschrieben sind, ohne ausdrücklich als solche oder als Teil einer spezifischen Erfindung identifiziert zu werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9116370 [0053]
US 2015/0323825 [0053]

Claims

Umschaltbare Einwegspiegelvorrichtung, die einen ersten Bereich (102) und einen zweiten Bereich (104) unterteilt, wobei der Spiegel umfasst: eine umschaltbare elektrooptische Schicht (110), die dem zweiten Bereich (104) zugewandt ist und so konfiguriert ist, dass sie elektronisch zwischen einem durchlässigen Zustand und einem oder mehreren undurchlässigen Zuständen umschaltbar ist, um die Lichttransmission zu variieren; und einen Teilreflektor (112), der in oder neben der umschaltbaren elektrooptischen Schicht integriert ist und dem ersten Bereich (102) zugewandt ist und dazu konfiguriert ist, Licht teilweise zu reflektieren; wobei der umschaltbare Einwegspiegel ein erstes Licht (120), das vom ersten Bereich zum zweiten Bereich geht, und ein zweites Licht (130), das vom zweiten Bereich zum ersten Bereich geht, teilweise überträgt, und wobei, wenn sich die umschaltbare elektrooptische Schicht in dem einen oder den mehreren undurchlässigen Zuständen befindet, die Lichttransmission durch die Vorrichtung teilweise verringert wird, wodurch das Verhältnis zwischen der Transmission des zweiten Lichts (130) zum ersten Bereich (102) und der Reflexion des ersten Lichts (120) durch den Teilreflektor (112) geändert wird, sodass es zu einer verringerten Sicht des zweiten Bereichs (104) vom Standpunkt eines Betrachters aus führt, der aus dem ersten Bereich (102) blickt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn sich die umschaltbare elektrooptische Schicht in dem einen oder den mehreren undurchlässigen Zuständen befindet, die Menge des ersten von der Vorrichtung (124) reflektierten Lichts ungefähr gleich oder größer ist als die Menge des durch die Vorrichtung (132) durchgelassenen zweiten Lichts.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-2, wobei sich die umschaltbare elektrooptische Schicht im durchlässigen Zustand befindet, wenn sie ausgeschaltet ist, und in dem einen oder mehreren undurchlässigen Zuständen, wenn sie durch Anlegen einer oder mehrerer Spannungen eingeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-2, wobei sich die umschaltbare elektrooptische Schicht, wenn sie ausgeschaltet ist, in dem einen oder mehreren undurchlässigen Zuständen befindet und, wenn sie durch Anlegen einer Spannung eingeschaltet ist, im durchlässigen Zustand befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-2, wobei die umschaltbare elektrooptische Schicht eine elektrochrome Vorrichtung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die umschaltbare elektrooptische Schicht eine Flüssigkristallvorrichtung umfasst, die ausgewählt ist aus: lichtabsorbierender, lichtreflektierender, lichtstreuender Konfiguration oder einer Kombination davon.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Flüssigkristallvorrichtung einen Guest-Host-Flüssigkristall, einen verdrillten nematischen Flüssigkristall oder eine Kombination davon umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die umschaltbare elektrooptische Schicht ein oder mehrere Kunststoffsubstrate umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die umschaltbare elektrooptische Schicht Glassubstrate umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, wobei das Anlegen einer Spannung an die umschaltbare elektrooptische Schicht manuell, automatisch, ferngesteuert, durch Sprachaktivierung oder eine beliebige Kombination davon gesteuert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, wobei die Vorrichtung keine Polarisatoren verwendet und eine nicht polarisationsbasierte Funktion hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, wobei das Anlegen einer Spannung einen Teil der Vorrichtung in einen Einwegspiegel verwandelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, wobei der Einwegspiegel mehrere Pixel aufweist, die jeweils unabhängig voneinander betrieben werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, wobei die Vorrichtung zur Verwendung mit einem Fenster, einer Virtual-Reality-Vorrichtung, einer Augmented-Reality-Vorrichtung oder einer Mixed-Reality-Vorrichtung vorgesehen ist.
Fenster, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13.
Augennahe Anzeige, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13.