DE102020002797B3

DE102020002797B3 - Optisches Element mit veränderbarer winkelabhängiger Transmission und Bildschirm mit einem solchen optischen Element

Info

Publication number: DE102020002797B3
Application number: DE102020002797.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bregulla; André HEBER; Yannick Bourgin; Ambrose Peter Nari; Yang Chin Tien; Markus Klippstein
Original assignee: SiOptica GmbH
Current assignee: SiOptica GmbH
Priority date: 2020-05-05
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2040-05-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element, umfassend, ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat (S) mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche, eine Vielzahl von in das Substrat (S) eingebetteten Kammern, welche in Abhängigkeit von ihrer Größe entweder einzeln eine Lamelle formen oder gruppenweise zusammengefasst sind, wobei jede Gruppe eine Lamelle formt, und jede Lamelle Längs- und Schmalseiten aufweist, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, wobei die Schmalseiten jeder Lamelle im Bereich der Großflächen angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden, eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix (F), mit der die Kammern (R) gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix (F) bis zu 95 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel (P) enthält, wobei die Partikel (P) mindestens erste Partikel (PA) einer ersten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich absorbieren, und zweite Partikel (PB) einer zweiten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich reflektieren und/oder streuen, oder in einer zweiten Ausgestaltung die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix (F) selbst entweder die Rolle der ersten Partikel (PA) oder der zweiten Partikel (PB) erfüllt und die Partikel (P) nur die jeweils anderen Partikel (PB) oder (PA) umfassen, sowie außerdem umfassend flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Lamellen im Substrat (S) ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Lamellen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel (P) in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix (F) bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln (P) absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche in das Substrat (S) eintritt, dass es auf die Lamellen trifft, ändert, wobei mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände B1 und B2 in Abhängigkeit von der Lage der Partikel (P) definiert sind, so dass im zweiten Betriebszustand B2 mehr als 70% der ersten Partikel (PA) jeweils an den Längsseiten der Lamellen lokalisiert sind, und in dem ersten Betriebszustand B1 mehr als 70% der zweiten Partikel (PB) jeweils an den Längsseiten der Lamellen lokalisiert sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Lamellen.Es werden darüber hinaus weitere Ausgestaltungsvarianten sowie ein das optische Element verwendender Bildschirm beschrieben.

Description

Gebiet der Erfindung
In den letzten Jahren wurden große Fortschritte zur Verbreiterung des Sehwinkels bei LCDs erzielt. Allerdings gibt es oft Situationen, in denen dieser sehr große Sehbereich eines Bildschirms von Nachteil sein kann. Zunehmend werden auch Informationen auf mobilen Geräten wie Notebooks und Tablet-PCs verfügbar, wie Bankdaten oder andere, persönliche Angaben, und sensible Daten. Dem entsprechend brauchen die Menschen eine Kontrolle darüber, wer diese sensiblen Daten sehen darf; sie müssen wählen können zwischen einem weiten Betrachtungswinkel, um Informationen auf ihrem Display mit anderen zu teilen, z.B. beim Betrachten von Urlaubsfotos oder auch für Werbezwecke. Andererseits benötigen sie einen kleinen Betrachtungswinkel, wenn sie die Bildinformationen vertraulich behandeln wollen.
Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich im Fahrzeugbau: Dort darf der Fahrer bei eingeschaltetem Motor nicht durch Bildinhalte, wie etwa digitale Entertainmentprogramme, abgelenkt werden, während der Beifahrer selbige jedoch auch während der Fahrt konsumieren möchte. Mithin wird ein Bildschirm benötigt, der zwischen den entsprechenden Darstellungsmodi umschalten kann.
Stand der Technik
Zusatzfolien, die auf Mikro-Lamellen basieren, wurden bereits für mobile Displays eingesetzt, um deren visuellen Datenschutz zu erreichen. Allerdings waren diese Folien nicht (um)schaltbar, sie mussten immer erst per Hand aufgelegt und danach wieder entfernt werden. Auch muss man sie separat zum Display transportieren, wenn man sie nicht gerade braucht. Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes solcher Lamellen-Folien ist ferner mit den einhergehenden Lichtverlusten verbunden.
Die US 6,765,550 B2 beschreibt einen solchen Sichtschutz durch Mikro-Lamellen. Größter Nachteil ist hier die mechanische Entfernung bzw. der mechanische Anbau des Filters sowie der Lichtverlust im geschützten Modus.
In der US 5,993,940 A wird der Einsatz einer Folie beschrieben, die auf ihrer Oberfläche gleichmäßig angeordnete, kleine Prismenstreifen hat, um einen Privacy-Modus zu erzielen. Entwicklung und Herstellung sind recht aufwändig.
In der WO 2012/033583 A1 wird die Umschaltung zwischen freier und eingeschränkter Sicht vermittels der Ansteuerung von Flüssigkristallen zwischen sogenannten „chromonischen“ Schichten erzeugt. Hierbei entsteht ein Lichtverlust und der Aufwand ist recht hoch.
Die US 2012/0235891 A1 beschreibt ein sehr aufwändiges Backlight in einem Bildschirm. Dort kommen gemäß 1 und 15 nicht nur mehrere Lichtleiter zum Einsatz, sondern auch weitere komplexe optische Elemente wie etwa Mikrolinsenelemente 40 und Prismenstrukturen 50, die das Licht von der hinteren Beleuchtung auf dem Weg zur vorderen Beleuchtung umformen. Dies ist teuer und aufwändig umzusetzen und ebenso mit Lichtverlust verbunden. Gemäß der Variante nach 17 in der US 2012/0235891 produzieren beide Lichtquellen 4R und 18 Licht mit einem schmalen Beleuchtungswinkel, wobei das Licht von der hinteren Lichtquelle 18 erst aufwändig in Licht mit einem großen Beleuchtungswinkel, umgewandelt wird. Diese komplexe Umwandlung ist - wie weiter oben schon bemerkt - stark helligkeitsmindernd.
Gemäß der JP 2007-155783 A werden spezielle, aufwändig zu berechnende und herzustellende optische Oberflächen 19 genutzt, die dann Licht je nach Lichteinfallswinkel in verschiedene schmale oder breite Bereiche ablenken. Diese Strukturen ähneln Fresnel-Linsen. Ferner sind Störflanken vorhanden, die Licht in unerwünschte Richtungen ablenken. Somit bleibt unklar, ob wirklich sinnvolle Lichtverteilungen erreicht werden können.
In der US 2013/0308185 A1 wird ein spezieller, mit Stufen ausgebildeter Lichtleiter beschrieben, der Licht auf einer Großfläche in verschiedene Richtungen abstrahlt, je nachdem, aus welcher Richtung er von einer Schmalseite aus beleuchtet wird. Im Zusammenspiel mit einem transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung, z.B. einem LC-Display, kann somit ein zwischen freiem und eingeschränktem Sichtmodus schaltbarer Bildschirm erzeugt werden. Nachteilig ist hierbei u.a., dass der eingeschränkte Sichteffekt entweder nur für links/rechts oder aber für oben/unten, nicht aber für links/rechts/oben/unten gleichzeitig erzeugt werden kann, wie es etwa für bestimmte Zahlungsvorgänge nötig ist. Hinzu kommt, dass auch im eingeschränkten Sichtmodus aus geblockten Einsichtwinkeln immer noch ein Restlicht sichtbar ist.
Die WO 2015/121398 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm mit zwei Betriebsarten, bei dem für die Umschaltung der Betriebsarten essentiell Streupartikel im Volumen des entsprechenden Lichtleiters vorhanden sind. Die dort gewählten Streupartikel aus einem Polymerisat weisen jedoch in der Regel den Nachteil auf, dass Licht aus beiden Großflächen ausgekoppelt wird, wodurch etwa die Hälfte des Nutzlichtes in die falsche Richtung, nämlich zur Hintergrundbeleuchtung hin, abgestrahlt und dort aufgrund des Aufbaus nicht in hinreichendem Umfang recycelt werden kann. Überdies können die im Volumen des Lichtleiters verteilten Streupartikel aus Polymerisat unter Umständen, insbesondere bei höherer Konzentration, zu Streueffekten führen, die den Sichtschutzeffekt in der geschützten Betriebsart vermindern.
In der DE 10 2019 006 022 B3 der Anmelderin ist ein optisches Element mit variabler Transmission offenbart. Dieses erlaubt die vorteilhafte Veränderung der winkelabhängigen Transmission. Allerdings kommen dort lediglich absorbierende elektro- bzw. magnetophoretische Partikel zum Einsatz, und die Vorteile von hinsichtlich der optischen Eigenschaften verschiedenartigen Partikeln oder Strukturen der Partikel bleiben unberührt.
Die US 2020 / 0050010 A1 beschreibt eine schaltbare Lichtkollimationsschicht. Mögliche Vorteile von hinsichtlich der optischen Eigenschaften verschiedenartigen Partikeln oder Strukturen der Partikel kommen hier nicht zum Einsatz.
Außerdem offenbart die US 2021/0223929 A1 ein elektrophoretisches Display auf Basis farbiger Partikel. Eine Funktion zur Variation der winkelabhängigen Transmission dieses Displays ist nicht vorgesehen und kann mit den dort offenbarten Displaymerkmalen auch nicht umgesetzt werden.
Schließlich beschreibt die EP 3066514 B1 eine optische variable Vorrichtung, die es erlaubt den optischen Eindruck ein- und derselben Vorrichtung zu variieren. Eine Funktion zur Variation der winkelabhängigen Transmission dieser Vorrichtung ist dabei nicht vorgesehen.
Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und/oder ein aufwändiges und teures optisches Element zur Modi-Umschaltung benötigen und/oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren.
Beschreibung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu entwickeln, welches die Transmission winkelabhängig (optional senkrecht) beeinflussen kann, und welches zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umschalten kann. Das optische Element soll preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sein, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt werden soll.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 7 sowie 8. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Untersprüchen sowie detailliert in der Beschreibung offenbart.
Gegenstand der Erfindung ist als ein optisches Element, umfassend,

- ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche,
- eine Vielzahl von in das Substrat eingebetteten Kammern, welche in Abhängigkeit von ihrer Größe entweder einzeln eine Lamelle formen oder gruppenweise zusammengefasst sind, wobei jede Gruppe eine Lamelle formt, und jede Lamelle Längs- und Schmalseiten aufweist, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, wobei die Schmalseiten jeder Lamelle im Bereich der Großflächen angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden,
- eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix, mit der die Kammern gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix bis zu 95 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel P enthält, wobei die Partikel P
1. i. entweder in einer ersten Ausgestaltung mindestens erste Partikel P_A einer ersten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich absorbieren, und zweite Partikel P_B einer zweiten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich reflektieren und/oder streuen, oder in einer zweiten Ausgestaltung die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix selbst entweder die Rolle der ersten Partikel P_A oder der zweiten Partikel P_B erfüllt und die Partikel P nur die jeweils anderen Partikel P_B oder P_A umfassen,
2. ii. oder die Partikel P als Januspartikel ausgebildet sind und jeweils mindestens einen ersten Bereich mit einer ersten Struktur P₁ und einen davon verschiedenen zweiten Bereich mit einer zweiten Struktur P₂ aufweisen, wobei die ersten Strukturen P₁ Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren, und die zweiten Strukturen P₂ Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche reflektieren und/oder streuen,

Die eine oder mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbaren Partikel P Licht absorbieren, liegen bevorzugt im sichtbaren Spektrum und decken dieses besonders bevorzugt komplett ab. Sie können aber für besondere Zwecke auch außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen, etwa wenn UV- bzw. IR-Licht beeinflusst werden soll, z.B. für Zwecke der Messtechnik.
Die erste und die zweite Großfläche des plattenförmigen Substrates sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Sie können jedoch in besonderen Ausgestaltungen, etwa wenn besondere winkelabhängige Transmissionen des optischen Elements erreicht werden sollen, auch nicht-parallel, z.B. keilförmig in einem definierten Winkel von bis zu 20 Grad zueinander angeordnet sein.
Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche des plattenförmigen Substrates befindet sich in der Regel aus Sicht eines Betrachters auf der Rückseite des Substrates und grenzt je nach Anwendungsfall des optischen Elements beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung, eine Lichtquelle oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche in das Substrat ein.
Vorteilhaft wird die Erfindung derart umgesetzt, dass die Partikel P erste Partikel P_A und/oder zweite Partikel P_B umfassen, welche in ortsfesten Kapseln eingebettet sind, die an Randflächen der Kammern lokalisiert sind oder die Kammern bilden, oder bei dem die Partikel P als Januspartikel ausgebildet sind, welche ortsfest an Randflächen der Kammern R lokalisiert sind, sich aber frei drehen können.
Unter dem Begriff „Januspartikel“ werden dabei Mikropartikel oder Nanopartikel verstanden, deren Oberflächen in getrennten Bereichen mindestens zwei voneinander verschiedene physikalische Eigenschaften haben. Beispielsweise kann ein kugelförmiges Partikel in zwei Hemisphären geteilt werden, wobei jede der Hemisphären andere Eigenschaften aufweist, was sich beispielsweise durch entsprechende Beschichtungen/Funktionalisierungen erreichen lässt, oder auch durch einen intrinsischen Strukturunterschied.
Die lamellenartig ausgebildeten Kammern mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, können beispielsweise in parallel zu den Großflächen ausgerichtet sein und eine Quaderform aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass es sich um eine trapezförmige oder gekrümmte -wie etwa bogenförmige- Schmalseiten handelt. Unter einer lamellenförmigen Ausbildung wird dabei verstanden, dass die Abmessung entlang der Längsseiten wesentlich länger als entlang der Schmalseiten ist, wie etwa bei Zinken eines Kammes oder den Lamellen einer Jalousie. Meist sind mehrere Lamellen auch entlang ihrer Längsrichtungen parallel zueinander angeordnet; auch eine gitterförmige Anordnung ist denkbar.
Im Falle der (nicht-würfelförmigen) Quaderform sind die Schmalseiten dann die länglichen Seiten, welche einen kleineren Flächeninhalt aufweisen, also die Längsseiten, welche wiederum in der Regel den größten Flächeninhalt aller sechs Oberflächen einer Fluidkammer aufweisen. Typischerweise sind die Schmalseiten parallel oder - bis auf einen weiter unten noch beschriebenen Verkippungswinkel - parallel zu den Großflächen des Substrates angeordnet, während die Längsseiten senkrecht oder - bis auf den Verkippungswinkel - senkrecht zu den zu den Großflächen des Substrates angeordnet sind.
Demgegenüber sind die verbleibenden Stirnseiten diejenigen beiden Oberflächen, welche keine Schmalseiten und keine Längsseiten verkörpern.
Es ist explizit auch möglich, dass die Kammern zumindest teilweise an einer oder beiden Großflächen des Substrates herausragen.
Vorteilhaft sind die Kammern mit einer Gerüstmatrix gefüllt, welche als Polymermatrix, beispielsweise als Gelmatrix ausgebildet ist. Eine solche Polymermatrix weist eine charakteristische Maschengröße auf. Durch diese Maschengröße spüren kleine Partikel P einen geringeren „Widerstand“ als große Partikel P und somit bewegen sich kleine und große Partikel P jeweils unterschiedlich schnell. Zum einen ist dies von Vorteil, um die Schaltzeiten zu kontrollieren und die Gleichverteilung der Partikel P zu beschleunigen, wenn diese als erste Partikel der ersten Art P_A und zweite Partikel der zweiten Art P_B ausgebildet sind; für Kapseln und Januspartikel ist dies allerdings irrelevant. Zum anderen hat eine solche Polymermatrix den Vorteil, dass sie die Diffusion stark hemmt und die Partikel P sich daher nicht von selbst bewegen, was vorteilhaft für die Kapseln ist.
Sofern die Kammern mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, ist im Falle von streuenden Partikeln P ein Brechungsindexkontrast zur Flüssigkeit notwendig. Die Flüssigkeit in den Kammern kann polar oder unpolar sein. Sie kann ferner zum Beispiel überwiegend aus Wasser, Öl, Toluol oder Formaldehyd bestehen, eventuell auch versetzt mit Elektrolyten.
Für den Fall, dass die Partikel P erste Partikel P_A einer ersten Art und/oder zweite Partikel P_B einer zweiten Art umfassen, sind die ersten Partikel P_A beispielsweise als Nanopartikel, Quantenpunkte und/oder Farbstoffe mit einer räumlichen Ausdehnung von maximal 200 nm, bevorzugt von maximal 50 nm, besonders bevorzugt von maximal 20 nm ausgebildet. Die zweiten Partikel P_B sind als transparente oder reflektierende Kugeln mit Durchmessern zwischen 5 nm und 5000 nm ausgebildet.
Hier ist es beispielsweise denkbar, dass die ersten Partikel P_A als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), Bleisulfid (PbS), CdTeSeS-Typ-II-Quantenpunkte, Azo-Farbstoffe und/oder als Metalloxidpartikel, bevorzugt aus CrO (insbesondere Chrom(IV)Oxid), Fe₂O₃, Fe₃O₄ oder FeO ausgebildet sind und eine Größe zwischen 2 nm und 50 nm einschließlich aufweisen.
Mit „räumlicher Ausdehnung“ ist die maximale Ausdehnung im dreidimensionalen Raum oder aber der hydrodynamische Radius gemeint, je nachdem, was größer ist. Bei kugelförmigen Partikeln ist das also der Durchmesser. Bei kettenartigen Partikeln ist das der größtmögliche Abstand, den zwei Punkte auf der Oberfläche des Partikels voneinander aufweisen.
In der anderen Variante sind die Partikel P als Januspartikel mit kugelförmiger Oberfläche ausgebildet, bei denen der erste und der zweite Bereich jeweils von Hemisphären der kugelförmigen Oberfläche gebildet wird. Die Partikel P sind dabei als Mikro-Partikel ausgebildet und weisen eine räumliche Ausdehnung von maximal 200 µm, bevorzugt von maximal 50 µm, besonders bevorzugt von maximal 20 µm auf. Insbesondere ist es denkbar, dass die Januspartikel aus einem transparenten Material, bevorzugt Polysterol, Melaminharz oder Silica gebildet sind und eine der Hemisphären zur Realisierung elektrophoretischer Eigenschaften mit einer Metallschicht oder einer metallischen Nanopartikelschicht überzogen ist.
Weiterhin ist es möglich, dass die Januspartikel aus einem transparenten Material, bevorzugt Latex, PMMA, Polysterol, Melaminharz oder Silica gebildet sind und eine der Hemisphären zur Realisierung magnetophoretischer Eigenschaften mit einer ferromagnetischen und absorbierenden Metall- oder Metalloxidschicht oder einer ferromagnetischen Nanopartikelschicht, bevorzugt mit Fe₂O₃-, FesO₄- oder FeO-Nanopartikeln überzogen ist, und die andere Hälfte mit einer reflektierenden Schicht, bevorzugt einer Silber- oder Aluminiumschicht, oder einer weißen Schicht überzogen ist.
Wie weiter oben bereits erläutert, ist das wesentliche Charakteristikum eines kugelförmigen Januspartikels, dass es zwei Hemisphären aufweist, die voneinander verschiedene physikalische Eigenschaften realisieren. Die erste Hemisphäre soll auf sie einfallendes Licht streuen oder reflektieren und die andere einfallendes Licht absorbieren. Somit erfüllt die Licht absorbierende erste Hemisphäre die Eigenschaften der ersten Partikel der ersten Art P_A und die Licht streuende/reflektierende zweite Hemisphäre die Eigenschaften der zweiten Partikel der zweiten Art P_B.
Beispielsweise lassen sich für die Verwendung im erfindungsgemäßen optischen Element geeignete Januspartikel auf folgende Weise ausgestalten:

a) wie vorstehend genannt: transparente Kugel (Polystyrol, Melaminharz oder Silica) oder streuende Kugel mit absorbierender Hemisphäre,
b) Farbige oder schwarze Kugel mit reflektierender Hemisphäre, sowie
c) Kugel mit je einer reflektierenden und je einer absorbierenden Hemisphäre.

Eine streuende Kugel lässt sich z.B. mittels TiO₂-NanopartikeIn oder Silika-Nanopartikeln in einer Polystyrolkugel realisieren. Allgemein sind alle passenden Materialien denkbar, die weiß-streuend bzw. reflektierend sind. Ein Brechungsindexkontrast der eingesetzten Nanopartikel zum Kugelmaterial der Januspartikel macht die transparente Kugel streuender.
Alternativ ist auch eine farbige oder schwarze Kugel als Realisierung der Januspartikel möglich, z.B. aus Polystyrol und gefüllt mit absorbierenden Nanopartikeln, Quantenpunkten oder Farbstoffen. Die Beispiele hierfür sind die gleichen wie für die Partikel P_A. Auch eine Chrom(IV)Oxidkugel mit ferromagnetischen Eigenschaften kann verwendet werden.
Die reflektierende Hemisphäre kann beispielsweise mittels eines Filmes oder Nanopartikeln aus Aluminium, Chrom, Silber oder anderen Metallen umgesetzt werden, wie für die zweiten Partikel der zweiten Art P_B beschrieben. Für die absorbierende Hemisphäre kommen beispielsweise Carbon, Chrom(IV)Oxid, Fe₂O₃, Fe₃O₄ oder FeO als Film oder eben Nanopartikel wie für P_B beschrieben in Frage.
Die elektrophoretischen Eigenschaften werden durch die Eigenschaften der Oberflächen bestimmt. Diese können durch eine Oberflächenfunktionalisierung verbessert bzw. kontrolliert werden. Damit die Januspartikel magnetophoretisch sind, muss entweder die Kugel selbst, d.h. das Material der Kugel magnetophoretisch sein oder eine der Hemisphären, d.h. die Oberflächenbeschichtung in dieser Hemisphäre. Magnetische Materialien sind beispielsweise Nickel, Eisen oder Chrom(IV)Oxid. Bei der Materialwahl muss darauf geachtet werden, dass die magnetischen Dipole der Kugeln permanent sind, damit die Januspartikel gezielt rotiert werden können. Dies lässt sich beispielsweise mit ferromagnetischen Januspartikeln erreichen.
Der Durchmesser der Januspartikel beträgt im Normalfall mehr als 200 nm und die Dicke der aufgetragenen Schichten beträgt mehr als 10 nm, diese Werte können aber auch über- oder unterschritten werden.
Zusätzlich sollten alle vorhandenen Partikel P noch eine Oberflächenfunktionalisierung aufweisen, und zwar mit hohem Zeta-Potential, -zum einen als Stabilisierung in der Flüssigkeit bzw. Gerüstmatrix, und zum anderen für die 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.
Die flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Kammern im Substrat ausgebildeten elektromagnetischen Schaltmittel sind beispielsweise an den Schmalseiten der jeweiligen Kammern angeordnet.
Für alle vorgenannten Ausgestaltungen gilt, dass bevorzugt entweder die Partikel P elektrisch geladen sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet sind oder die Partikel P magnetisch sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als elektromagnetische Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet sind, so dass die elektromagnetischen Partikel P im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit eine Bewegung ausführen. Bei Anliegen eines homogenen elektrischen Feldes beispielsweise sind die entsprechenden elektrischen Feldlinien dann in der Mitte einer Fluidkammer parallel ausgebildet und zeigen am Rande eher Abweichungen von der Parallelität. Andere Ausgestaltungen sind jedoch ebenso möglich.
Dominierende physikalische Effekte für die Bewegung der Partikel beim Anliegen eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere eines statischen Feldes, sind die (Di-)Elektrophorese oder die Magnetophorese. Für den Fall, dass kein elektrisches bzw. kein magnetisches Feld anliegt, bewegen sich die Partikel insbesondere aufgrund von Diffusion in den Kammern und verteilen sich somit über die Zeit homogen. Bei Partikeln, die nicht größer als 50 nm sind, spielt außerdem die Schwerkraft keine Rolle; diese sedimentieren also nicht bzw. ändern ihre vertikale Position in der Kammer nicht.
Die besagten Elektroden können parallel, senkrecht oder unter einem anderen definierten Winkel zu ersten Großfläche des Substrates S angeordnet sein.
Wenn die Partikel P erste Partikel P_A und/oder zweite Partikel P_B umfassen, so können die ersten Partikel P_A und die zweiten Partikel P_B eine translatorische Bewegung entlang des elektrischen oder magnetischen Feldes ausführen. Alternativ, wenn die Partikel P als Januspartikel ausgestaltet sind, ist die Bewegung bevorzugt eine rotatorische Bewegung um eine vorgegebene Achse, welche parallel zu einer Längs- oder Schmalseite der Lamelle liegt.
Mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung sind mindestens zwei Betriebszustände definiert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei mehr als 50% und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% liegt. Dies gilt in einem Winkelbereich von vorzugsweise +/-30° bis +/-90° (also jeweils von -90° bis -30° und gleichzeitig von +30° bis +90°, nicht aber zwischen -30° und +30°) bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen (Fluid-)Kammern. Der Winkelbereich kann auch variiert werden und anstelle von +/-30° auch den Bereich von +/-10° bis +/-90°, +/-20° bis +/-90°, +/-45° bis +/-90° oder +/-25° bis +/-90° umfassen. Die Längsausdehnung ist hier definiert mit der Verbindungsgeraden der Flächenmittelpunkte der beiden Stirnseiten einer jeden Fluidkammer.
Für den Anwendungsfall, bei dem die Partikel P erste Partikel P_A und zweite Partikel P_B umfassen, sind beispielsweise im zweiten Betriebszustand B2 mehr als 70% der ersten Partikel P_A und für den Fall, dass die Partikel P als Januspartikel ausgestaltet sind, der ersten Strukturen P₁ der Partikel P jeweils an den Längsseiten der Lamellen lokalisiert, wobei im Falle der ersten Strukturen P₁ diese den Längsseiten zugewandt und die zweiten Strukturen P₂ von den Längsseiten abgewandt sind, und in dem ersten Betriebszustand B1 mehr als 70% der zweiten Partikel P_B bzw. der zweiten Strukturen P₂ der Partikel P jeweils an den Längsseiten der Lamellen lokalisiert sind, wobei im Falle der zweiten Strukturen P₂ diese den Längsseiten zugewandt und die ersten Strukturen P₁ von den Längsseiten abgewandt sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Lamellen.
Demgegenüber ist es auch möglich, dass im ersten Betriebszustand B1 mehr als 70% der ersten Partikel P_A bzw. der ersten Strukturen P₁ der Partikel P jeweils an den Schmalseiten der Lamellen lokalisiert sind, wobei im Falle der ersten Strukturen P₁ diese den Schmalseiten zugewandt und die zweiten Strukturen P₂ von den Schmalseiten abgewandt sind, und in dem zweiten Betriebszustand B2 mehr als 70% der zweiten Partikel P_B oder der zweiten Strukturen P₂ der Partikel P jeweils an den Schmalseiten der Lamellen lokalisiert sind, wobei im Falle der zweiten Strukturen P₁ diese den Schmalseiten zugewandt und die ersten Strukturen P₂ von den Schmalseiten abgewandt sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Lamelle.
Mit anderen Worten: die verschiedenen Betriebszustände B1, B2 unterscheiden sich insbesondere dadurch, dass die jeweils lokale Konzentration und Lokalisation der Partikel in den Kammern verändert wird, um die Transmissionseigenschaften aufgrund der Absorption durch die Partikel zu verändern.
Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, dass mehr als zwei Betriebszustände B1, B2, B3 etc. eingestellt werden können. Hierzu würde z.B. gegenüber den oben beschriebenen Varianten für die Betriebszustände B1 und B2 in einem dritten (vierten, fünften, ..) Betriebszustand ein andersartiges elektromagnetisches Feld angelegt, was dazu führt, dass der Ausbringungsgrad der Partikel bzw. Partikelarten unterschiedlich stark zwischen den Betriebszuständen ist, so dass insgesamt drei oder mehr verschiedene winkelabhängige Transmissionsgrade erreicht werden. Die kann z.B. für winkelabhängige Dimmungsanwendungen von Interesse sein. Letzten Endes handelt es sich bei den weiteren Betriebszuständen nur um anders gestaltete Ausbildungen des Betriebszustandes B2.
Überdies sei angemerkt, dass wenn flächenförmig nur jeweils an einer Oberfläche der Kammern im Substrat elektromagnetische Schaltmittel ausgebildet sind, diese dann in den Kammern in einem eingeschalteten Zustand ein innerhalb der Kammern wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen können, welches einem elektromagnetischen Feld ähnelt, wie es in sogenannten IPS-(„In Plane Switching“) LCD-Panels zum Einsatz kommt.
Vorteilhaft sind die elektromagnetischen Schaltmittel für Licht, das senkrecht über die Lichteintrittsfläche in das Substrat S einfällt, im für ein menschliches Auge sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50% transparent.
Die elektromagnetischen Schaltmittel (wie auch die Fluidkammern) können weiterhin in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand B1 und dem zweiten Betriebszustand B2 ermöglicht wird. Mit lokaler Umschaltbarkeit ist hierbei gemeint, dass nicht in allen Kammern gleichzeitig der Betriebszustand zwischen B1 und B2 gewechselt wird, sondern dass vielmehr auf dem optischen Element gleichzeitig Bereiche mit beiden Betriebszuständen B1 und B2 vorliegen. Dies ist vorteilhaft, etwa wenn bei Nutzung des optischen Elements vor einem Bildschirm aus einem Blickwinkel von über 30 Grad zur Seite Teile des dargestellten Bildinhaltes sichtbar und andere nicht sichtbar sein sollen.
Vorteilhaft sind in der Flüssigkeit oder in der Gerüstmatrix mehrere Arten von Partikeln vorhanden, die sich in ihren Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Flüssigkeit mehrere Arten von Partikeln vorhanden, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder ihren Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden. Mit „Transporteigenschaften“ ist insbesondere das Verhalten der Partikel bei der (Di)-Elektro- oder Magnetophorese (Transport im Feld) gemeint. Diese Variante kommt insbesondere im Falle von Nanopartikeln zum Tragen: der Unterschied der Partikelarten besteht hierbei z.B. in der Partikelgröße und/oder der Oberflächenfunktion, d.h. im Zeta-Potential. Im Falle der Verwendung von 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.
Die Lamellen bzw. Kammern können entweder parallel oder gitterförmig mit sich kreuzenden Bereichen zueinander ausgerichtet sein. Entsprechend gestalten sich dann die winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des optischen Elements gegenüber einer oder zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen. Im bevorzugten Anwendungsfall sind die Kammern (insbesondere deren Längsseiten) jeweils parallel zur Mittelsenkrechten auf das Substrat S ausgerichtet.
Demgegenüber ist es aber auch möglich, dass die Kammern gegenüber der Mittelsenkrechten auf das Substrat S in einem Winkelbereich („Verkippungswinkel“) von -30° bis +30°, gegebenenfalls sogar zwischen -30° und +30°, geneigt sind. Auch diese Ausgestaltung nimmt Einfluss auf die Winkelabhängigkeit der Transmission des optischen Elements, insbesondere im Betriebszustand B2. Durch den genannten Neigungswinkel wird die durch die Partikelabsorption und die Partikelpositionen innerhalb der Kammern begründete winkelabhängige Absorption um einen festen Offset-Winkel gekippt, etwa wenn eine geringe Transmission in einem besonders steilen Winkel gewünscht ist.
Beispielhaft können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammern in einer ersten Ebene parallel zur Hauptausbreitungsrichtung des Substrates zwischen 2 µm und 30 µm breit (Abstand Längsseite zu Längsseite einer Fluidkammer) und jeweils minimal 10 µm und maximal 150 µm voneinander beabstandet (Abstand Längsseite zu nächstbenachbarter Längsseite der nächstbenachbarten Fluidkammer) sein. Schließlich können die lamellenartig ausgeprägten Kammern R eine Höhe (Abstand Schmalseite zu Schmalseite) von minimal 10 µm und maximal 300 µm aufweisen, gemessen in einer Ebene senkrecht zur ersten Ebene. Abweichungen von diesen typischen Maßen sind jedoch möglich und liegen ebenso im Rahmen der Erfindung.
Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung, indem das optische Element in einem Bildschirm verwendet wird, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend

- ein erfindungsgemäßes optisches Element, wie vorstehend beschrieben, und
- eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.

Bei der Bildwiedergabeeinheit handelt es sich beispielsweise um ein OLED-, ein LCD-Display, ein SED-Display, ein FED-Display, ein Micro-LED-Display oder ein VFD-Display. Da das optische Element unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.
Ferner ist es ebenso möglich, das erfindungsgemäße optische Element in einer Bildwiedergabeeinheit, die über eine Hintergrundbeleuchtung verfügt, 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 B1 für einen freien Sichtmodus und einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus umzuschalten, weil das Licht der Hintergrundbeleuchtung aufgrund des optischen Elements einmal fokussiert (im Betriebszustand B2) und einmal nicht fokussiert (im Betriebszustand B1) wird.
Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigt

1 eine Prinzipskizze zu zwei verschiedenen Partikelarten innerhalb einer Kapsel,
2 eine Prinzipskizze zur bevorzugten Ausgestaltung von Januspartikeln,
3 eine Prinzipskizze zu einer zweiten Ausgestaltung von Januspartikeln,
4 eine Prinzipskizze zu einer dritten Ausgestaltung von Januspartikeln,
5 die Prinzipskizze einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Elements im Betriebszustand B1 in Schnittdarstellung,
6 die Prinzipskizze einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Elements im Betriebszustand B2 in Schnittdarstellung,
7 die Prinzipskizze einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Elements im Betriebszustand B1 in Schnittdarstellung,
8 die Prinzipskizze einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Elements im Betriebszustand B2 in Schnittdarstellung,
9 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei lokal verschieden beide Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Kammern parallel zueinander angeordnet sind,
10 die Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen optischen Elements in Draufsicht, wobei lokal verschieden beide Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Kammern gekreuzt zueinander angeordnet sind, sowie
11 eine Prinzipskizze zur Wirkung eines erfindungsgemäßen optischen Elements in beiden Betriebszuständen B1 und B2.

Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder. Zunächst zeigt die 1 eine Prinzipskizze zu zwei verschiedenen Partikelarten, welche erste Partikel P_A einer ersten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich absorbieren, und zweite Partikel P_B einer zweiten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich reflektieren und/oder streuen, wobei sich jeweils mehrere Partikel beider Arten bevorzugt innerhalb einer (hier durch einen Kreis angedeuteten) Kapsel befinden.
Weiterhin zeigt 2 eine Prinzipskizze zur bevorzugten Ausgestaltung von Januspartikeln, die jeweils mindestens einen ersten Bereich mit einer ersten Struktur P₁ und einen davon verschiedenen zweiten Bereich mit einer zweiten Struktur P₂ aufweisen, wobei die ersten Strukturen P₁ Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren, und die zweiten Strukturen P₂ Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche reflektieren und/oder streuen.
Ferner zeigt 3 eine Prinzipskizze zu einer zweiten Ausgestaltung von Januspartikeln, bei der der zweite Bereich deutlich größer als der erste Bereich ist, und 4 eine Prinzipskizze zu einer dritten Ausgestaltung von Januspartikeln, bei der es genau genommen drei Bereiche gibt, wobei zwei identische erste Bereiche mit der ersten Struktur P₁ durch einen zweiten Bereich mit der zweiten Struktur P₂ getrennt sind. Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten, etwa auch mit einem dritten Bereich mit einer dritten Struktur P₃, welche wiederum noch andere optische Eigenschaften hat (etwa eine gegenüber P₂ verminderte Streuung oder Reflexion), sind denkbar.
In 5 ist die Prinzipskizze eines optischen Elements im Betriebszustand B1 wiedergegeben. Die Kreise stellen dabei entweder mit Partikeln der ersten und der zweiten Art gefüllte Kapseln oder Januspartikel dar.
Allgemein umfasst das optische Element

- ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche,
- eine Vielzahl von in das Substrat S eingebetteten Kammern R, welche in Abhängigkeit von ihrer Größe entweder einzeln eine Lamelle formen oder gruppenweise zusammengefasst sind, wobei jede Gruppe eine Lamelle formt, und jede Lamelle Längs- und Schmalseiten aufweist, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, wobei die Schmalseiten jeder Lamelle im Bereich der Großflächen angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden,
- eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix F, mit der die Kammern R gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix F bis zu 95 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel P enthält, wobei die Partikel P
1. i. entweder in einer ersten Ausgestaltung mindestens erste Partikel P_A einer ersten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich absorbieren, und zweite Partikel P_B einer zweiten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich reflektieren und/oder streuen, oder in einer zweiten Ausgestaltung die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix F selbst entweder die Rolle der ersten Partikel P_A oder der zweiten Partikel P_B erfüllt und die Partikel P nur die jeweils anderen Partikel P_B oder P_A umfassen,
2. ii. oder die Partikel P als Januspartikel ausgebildet sind und jeweils mindestens einen ersten Bereich mit einer ersten Struktur P₁ und einen davon verschiedenen zweiten Bereich mit einer zweiten Struktur P₂ aufweisen, wobei die ersten Strukturen P₁ Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren, und die zweiten Strukturen P₂ Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche reflektieren und/oder streuen.

Das optische Element umfasst außerdem flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Lamellen im Substrat S ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Lamellen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel P in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix F bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln P absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche in das Substrat S eintritt, dass es auf die Lamellen trifft, ändert.
Für alle folgenden Betrachtungen bezüglich der Zeichnungen 5 bis 8 wird der Einfachheit halber von der Variante Januspartikel gemäß 2 ausgegangen, wenngleich die gleichen erfindungsgemäßen Mittel-Wirkungszusammenhänge auch für Ausgestaltungen mit Partikeln P_A und Partikeln P_B umsetzbar sind.
5 zeigt die Prinzipskizze einer ersten Ausgestaltung des oben beschriebenen optischen Elements im Betriebszustand B1 in Schnittdarstellung, und 6 dasselbe optische Element im Betriebszustand B2, ebenfalls in Schnittdarstellung.
Im zweiten Betriebszustand B2 (6) sind mehr als 70% der ersten Strukturen P₁ der Partikel P jeweils an den Längsseiten der Lamellen lokalisiert und den Längsseiten zugewandt und die zweiten Strukturen P₂ von den Längsseiten abgewandt. Im ersten Betriebszustand B1 (5) sind demgegenüber mehr als 70% der zweiten Strukturen P₂ der Partikel P jeweils an den Längsseiten der Lamellen lokalisiert und den Längsseiten zugewandt und die ersten Strukturen P₁ von den Längsseiten abgewandt, so dass die winkelabhängige Transmission aufgrund der Wirkung der zweiten Strukturen P₂ im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und aufgrund der Wirkung der ersten Strukturen P₁ im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats S und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Lamellen.
Hier sind noch geeignete Elektroden E₁, E₂, E₃, E₄, ... (von denen nur ein Teil eingezeichnet und markiert ist) als elektromagnetische Schaltmittel vorhanden. Zu sehen ist, dass die vorgenannten Elektroden in den unterschiedlichen Betriebszuständen entsprechend unterschiedlich angeschaltet werden, um die Bewegung (Rotation) der Januspartikel zu ermöglichen.
Ferner zeigt 7 die Prinzipskizze einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Elements im Betriebszustand B1 in Schnittdarstellung, und 8 selbige im Betriebszustand B2. Dabei sind im ersten Betriebszustand B1 gemäß 7 mehr als 70% der ersten Strukturen P₁ der Partikel P jeweils an den Schmalseiten der Lamellen lokalisiert und den Schmalseiten zugewandt, und die zweiten Strukturen P₂ sind von den Schmalseiten abgewandt. Im zweiten Betriebszustand B2 gemäß 8 sind mehr als 70% der zweiten Strukturen P₂ der Partikel P jeweils an den Schmalseiten der Lamellen lokalisiert und den Schmalseiten zugewandt, während die ersten Strukturen P₂ von den Schmalseiten abgewandt sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Lamelle. Auch hier sind Elektroden E als elektromagnetische Schaltmittel vorhanden.
Schließlich stellt 11 eine Prinzipskizze zur Wirkung eines erfindungsgemäßen optischen Elements in beiden Betriebszuständen B1 und B2 dar. Die Ordinate ist hier die relative Helligkeit und die Abszisse gibt den (horizontalen, d.h. in senkrechter Richtung zu der Längsausbreitung der Lamellen gelegenen) Messwinkel wieder. Der Messwinkel deckt dabei den o.g. Winkelbereich ab, bezieht sich also auf die Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats S und wird in eine Richtung senkrecht zur Längsausdehnung der Lamelle gemessen. Bei einem in einem Auto eingebauten Bildschirm kann dies beispielsweise der Winkel in der horizontalen Ebene sein.
Die eine oder mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbaren Partikel P_A bzw. die Strukturen P₁ der Januspartikel Licht absorbieren, liegen bevorzugt im sichtbaren Spektrum und decken dieses besonders bevorzugt komplett ab. Sie können aber für besondere Zwecke auch außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen, etwa wenn UV- bzw. IR-Licht beeinflusst werden soll, z.B. für Zwecke der Messtechnik.
Die erste und die zweite Großfläche des plattenförmigen Substrates S sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Sie können jedoch in besonderen Ausgestaltungen, etwa wenn besondere winkelabhängige Transmissionen des optischen Elements erreicht werden sollen, auch nicht-parallel, z.B. keilförmig in einem definierten Winkel von bis zu 20 Grad zueinander angeordnet sein.
Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche des plattenförmigen Substrates S befindet sich in der Regel aus Sicht eines Betrachters auf der Rückseite des Substrates S und grenzt je nach Anwendungsfall des optischen Elements beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung, eine Lichtquelle oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche in das Substrat ein.
Vorteilhaft umfassen die Partikel P erste Partikel P_A und/oder zweite Partikel P_B, welche in ortsfesten Kapseln eingebettet sind, die an Randflächen der Kammern R lokalisiert sind oder die Kammern R bilden, oder bei dem die Partikel P als Januspartikel ausgebildet sind, welche ortsfest an Randflächen der Kammern R lokalisiert sind, sich aber frei drehen können.
Die lamellenartig ausgebildeten Kammern mit Längs- und Schmalseiten, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, können beispielsweise in parallel zu den Großflächen ausgerichtet sein und im einfachsten Fall eine Quaderform aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass es sich um eine trapezförmige oder gekrümmte - wie etwa bogenförmige - Schmalseiten handelt. Im Falle der (nicht-würfelförmigen) Quaderform sind die Schmalseiten dann die länglichen Seiten, welche einen kleineren Flächeninhalt aufweisen, als die Längsseiten, welche wiederum in der Regel den größten Flächeninhalt aller sechs Oberflächen einer Fluidkammer aufweisen. Typischerweise sind die Schmalseiten parallel oder - bis auf einen weiter unten noch beschriebenen Verkippungswinkel - parallel zu den Großflächen des Substrates angeordnet, während die Längsseiten senkrecht oder - bis auf den Verkippungswinkel - senkrecht zu den zu den Großflächen des Substrates angeordnet sind.
Demgegenüber sind die verbleibenden Stirnseiten diejenigen beiden Oberflächen, welche keine Schmalseiten und keine Längsseiten verkörpern.
Es ist explizit auch möglich, dass die Kammern zumindest teilweise an einer oder beiden Großflächen des Substrates herausragen.
Vorteilhaft sind die Kammern mit einer Gerüstmatrix F gefüllt, welche als Polymermatrix und insbesondere als Gelmatrix ausgebildet ist. Eine solche Polymermatrix weist eine charakteristische Maschengröße auf. Durch diese Maschengröße spüren kleine Partikel P einen geringeren „Widerstand“ bei der Bewegung als große Partikel P und somit bewegen sich kleine und große Partikel P jeweils unterschiedlich schnell. Zum einen ist dies von Vorteil, um die Schaltzeiten zu kontrollieren und die Gleichverteilung der Partikel P zu beschleunigen, wenn diese als erste Partikel der ersten Art P_A und zweite Partikel der zweiten Art P_B ausgebildet sind; für Kapseln und Januspartikel ist dies allerdings irrelevant. Zum anderen hat eine solche Polymermatrix den Vorteil, dass sie die Diffusion stark hemmt und die Partikel P sich daher nicht von selbst bewegen, was vorteilhaft für die Kapseln ist.
Sofern die Kammern mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, ist im Falle von streuenden Partikeln P ein Brechungsindexkontrast zur Flüssigkeit F notwendig. Die Flüssigkeit F in den Kammern kann polar oder unpolar sein. Sie kann ferner zum Beispiel überwiegend aus Wasser, Öl, Toluol oder Formaldehyd bestehen, eventuell versetzt mit Elektrolyten.
Für den Fall, dass die Partikel P erste Partikel P_A und/oder zweite Partikel P_B umfassen, sind die ersten Partikel P_A beispielsweise als Nano-Partikel, Quanten-Punkte und/oder Farbstoffe mit einer räumlichen Ausdehnung von maximal 200 nm, bevorzugt von maximal 50 nm, besonders bevorzugt von maximal 20 nm ausgebildet. Die zweiten Partikel P_B sind als transparente oder reflektierende Kugeln mit Durchmessern zwischen 5 nm und 5000 nm ausgebildet.
Hier ist es beispielsweise denkbar, dass die ersten Partikel P_A als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), Bleisulfid (PbS), CdTeSeS-Typ-II-Quantenpunkte, Azo-Farbstoffe und/oder als Metalloxidpartikel, bevorzugt aus CrO (insbesondere Chrom(IV)Oxid) oder Fe2O3, ausgebildet sind und eine Größe zwischen 2 nm und 50 nm einschließlich aufweisen.
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 schnurförmigen Partikeln ist das der größtmögliche Abstand, den zwei Punkte auf der Oberfläche des Partikels jeweils voneinander aufweisen können.
In der anderen Variante sind die Partikel P als Januspartikel mit kugelförmiger Oberfläche ausgebildet, bei denen der erste und der zweite Bereich jeweils von Hemisphären der kugelförmigen Oberfläche gebildet wird. Die Partikel P sind dabei als Mikro-Partikel ausgebildet und weisen eine räumliche Ausdehnung von maximal 200 µm, bevorzugt von maximal 50 µm, besonders bevorzugt von maximal 20 µm auf. Insbesondere ist es denkbar, dass die Januspartikel aus einem transparenten Material, bevorzugt Polysterol, Melaminharz oder Silica gebildet sind und eine der Hemisphären zur Realisierung elektrophoretischer Eigenschaften mit einer Metallschicht oder einer metallischen Nanopartikelschicht überzogen ist.
Weiterhin ist es möglich, dass die Januspartikel aus einem transparenten Material, bevorzugt Polysterol, Melaminharz oder Silica gebildet sind und eine der Hemisphären zur Realisierung magnetophoretischer Eigenschaften mit einer ferromagnetischen und absorbierenden Metall- oder Metalloxidschicht oder einer ferromagnetischen Nanopartikelschicht, bevorzugt mit Fe₂O₃-Nanopartikeln überzogen ist, und die andere Hälfte mit einer reflektierenden Schicht, bevorzugt einer Silber- oder Aluminiumschicht, oder einer weißen Schicht überzogen ist.
Wie weiter oben bereits erläutert, ist das wesentliche Charakteristikum eines kugelförmigen Januspartikels, dass es zwei Hemisphären aufweist, die voneinander verschiedene physikalische Eigenschaften aufweisen. Die erste Hemisphäre soll auf sie einfallendes Licht streuen oder reflektieren und die andere einfallendes Licht absorbieren. Somit erfüllt die Licht absorbierende erste Hemisphäre quasi die Eigenschaften der ersten Partikel P_A der ersten Art und die Licht streuende/reflektierende Hemisphäre die Eigenschaften der zweiten Partikel P_B der zweiten Art.
Beispielsweise lassen sich für die Verwendung im erfindungsgemäßen optischen Element geeignete Januspartikel auf folgende Weise ausgestalten:

d) wie vorstehend genannt: transparente Kugel (Polystyrol, Melaminharz oder Silica) oder streuende Kugel mit absorbierender Hemisphäre,
e) Farbige oder schwarze Kugel mit reflektierender Hemisphäre, sowie
f) Kugel mit je einer reflektierenden und je einer absorbierenden Hemisphäre.

Eine streuende Kugel lässt sich z.B. mittels TiO - Nanopartikel in einer Polystyrol Kugel oder Silika - Nanopartikel in einer Polystyrolkugel realisieren. Allgemein sind alle passenden Materialien denkbar, die weiß-streuend bzw. reflektierend sind. Ein Brechungsindexkontrast der eingesetzten Nanopartikel zum Kugelmaterial der Partikel macht die transparente Kugel streuender. Alternativ ist auch eine farbige oder schwarze Kugel für die Partikel P möglich, z.B. mit Polystyrol gefüllt mit absorbierenden Nanopartikel, QD oder Farbstoffen. Die Beispiele hierfür sind die gleichen wie für die Partikel P_a. Auch eine Chrom(IV)Oxidkugel mit ferromagnetischen Eigenschaften kann verwendet werden.
Die reflektierende Hemisphäre kann beispielsweise mittels eines Filmes oder Nanopartikeln aus Aluminium, Chrom, Silber oder anderen Metallen umgesetzt werden, wie für die zweiten Partikel der zweiten Art P_B beschrieben. Für die absorbierende Hemisphäre kommen beispielsweise Carbon, Chrom(IV)Oxid, Fe₂O₃ als Film oder eben Nanopartikel wie für P_B beschrieben in Frage.
Die elektrophoretischen Eigenschaften werden durch die Eigenschaften der Oberflächen bestimmt. Diese können durch eine Oberflächenfunktionalisierung verbessert bzw. kontrolliert werden. Damit die Januspartikel magnetophoretisch sind, muss entweder die Kugel selbst, d.h. das Material der Kugel magnetophoretisch sein oder eine der Hemisphären, d.h. genauer eine Oberflächenbeschichtung in dieser Hemisphäre. Magnetische Materialien sind beispielsweise Nickel, Eisen oder Chrom(IV)Oxid. Bei der Materialwahl muss darauf geachtet werden, dass die magnetischen Dipole der Kugeln permanent sind, damit die Januspartikel gezielt rotiert werden können. Dies lässt sich beispielsweise mit ferromagnetischen Januspartikeln erreichen.
Der Durchmesser der Januspartikel beträgt im Normalfall mehr als 200 nm und die Dicke der aufgetragenen Schichten beträgt mehr als 10 nm, diese Werte können aber auch über- oder unterschritten werden.
Zusätzlich sollten möglichst alle vorhandenen Partikel P noch eine Oberflächenfunktionalisierung aufweisen, und zwar mit hohem Zeta-Potential - zum einen als Stabilisierung im der Flüssigkeit bzw, Gerüstmatrix F und zum anderen für die Begünstigung der Elektrophorese, sofern es sich um elektrophoretisch bewegbare Partikel handelt. Dies lässt sich mit PVP (Polyvinylpyrrolidon) oder PEG (Polyethylenglykol) für wässrige Systeme umsetzen.
Die flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Kammern im Substrat ausgebildeten elektromagnetischen Schaltmittel sind beispielsweise an den Schmalseiten der jeweiligen Kammern angeordnet.
Für alle vorgenannten Ausgestaltungen gilt, dass bevorzugt entweder die Partikel P elektrisch geladen sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet sind oder die Partikel P magnetisch sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als elektromagnetische Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet sind, so dass die elektromagnetischen Partikel P im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit eine Bewegung ausführen. Bei Anliegen eines homogenen elektrischen Feldes beispielsweise sind die entsprechenden elektrischen Feldlinien dann in der Mitte einer Fluidkammer parallel ausgebildet und zeigen am Rande eher Abweichungen von der Parallelität. Andere Ausgestaltungen sind jedoch ebenso möglich.
Dominierende physikalische Effekte für die Bewegung der Partikel beim Anliegen eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere eines statischen Feldes, sind die (Di-)Elektrophorese oder die Magnetophorese. Für den Fall, dass kein elektrisches bzw. kein magnetisches Feld anliegt, bewegen sich die Partikel insbesondere aufgrund von Diffusion in den Kammern und verteilen sich somit über die Zeit homogen . Bei Partikeln, die nicht größer als 50 nm sind, spielt außerdem die Schwerkraft keine Rolle; diese sedimentieren also nicht bzw. ändern ihre vertikale Position in der Kammer nicht.
Die besagten Elektroden E, E₁, E₂, ... können parallel, senkrecht oder unter einem anderen definierten Winkel zu ersten Großfläche des Substrates S angeordnet sein.
Wenn die Partikel P erste Partikel P_A und/oder zweite Partikel P_B umfassen, so können die ersten Partikel P_A und die zweiten Partikel P_B eine translatorische Bewegung entlang des elektrischen oder magnetischen Feldes ausführen.
Alternativ, wenn die Partikel (P) als Januspartikel ausgestaltet sind, ist die Bewegung bevorzugt eine rotatorische Bewegung um eine vorgegebene Achse, welche parallel zu einer Längs- oder Schmalseite der Lamelle liegt.
Mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung sind mindestens zwei Betriebszustände definiert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei mehr als 50% und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% liegt. Dies gilt in einem Winkelbereich von vorzugsweise +/-30° bis +/-90° (also jeweils von -90° bis -30° und gleichzeitig von +30° bis +90°, nicht aber zwischen -30° und +30°) bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der lamellenförmigen (Fluid-)Kammern. Der Winkelbereich kann auch variiert werden und anstelle von +/-30° auch den Bereich von jeweils +/-10° bis +/-90°, +/-20° bis +/-90°, +/-45° bis +/-90° oder +/-25° bis +/-90° umfassen. Die Längsausdehnung ist hier definiert mit der Verbindungsgeraden der Flächenmittelpunkte der beiden Stirnseiten einer jeden Fluidkammer.
Mit anderen Worten: die verschiedenen Betriebszustände B1, B2 unterscheiden sich insbesondere dadurch, dass die jeweils lokale Konzentration und Lokalisation der Partikel in den Kammern verändert wird, um die Transmissionseigenschaften aufgrund der Absorption durch die Partikel zu verändern.
Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, dass mehr als zwei Betriebszustände B1, B2, B3 etc. eingestellt werden können. Hierzu würde z.B. gegenüber den oben beschriebenen Varianten für die Betriebszustände B1 und B2 in einem dritten (vierten, fünften, ..) Betriebszustand ein andersartiges elektromagnetisches Feld angelegt, was dazu führt, dass der Ausbringungsgrad der Partikel bzw. Partikelarten unterschiedlich stark zwischen den Betriebszuständen ist, so dass insgesamt drei oder mehr verschiedene winkelabhängige Transmissionsgrade erreicht werden. Die kann z.B. für winkelabhängige Dimmungsanwendungen von Interesse sein. Letzten Endes handelt es sich bei den weiteren Betriebszuständen nur um anders gestaltete Ausbildungen des Betriebszustandes B2.
Überdies sei angemerkt, dass wenn flächenförmig nur jeweils an einer Oberfläche der Kammern im Substrat elektromagnetische Schaltmittel ausgebildet sind, diese dann in den Kammern in einem eingeschalteten Zustand ein innerhalb der Kammern wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen können, welches einem elektromagnetischen Feld ähnelt, wie es in sogenannten IPS-(„In Plane Switching“) LCD-Panels zum Einsatz kommt.
Vorteilhaft sind die elektromagnetischen Schaltmittel für Licht, das senkrecht über die Lichteintrittsfläche in das Substrat S einfällt, im für ein menschliches Auge sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50% transparent.
Die elektromagnetischen Schaltmittel E, E₁, E₂, ... (wie auch die Fluidkammern) können weiterhin in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand B1 und dem zweiten Betriebszustand B2 ermöglicht wird. Mit lokaler Umschaltbarkeit ist hierbei gemeint, dass nicht in allen Kammern gleichzeitig der Betriebszustand zwischen B1 und B2 gewechselt wird, sondern dass vielmehr auf dem optischen Element gleichzeitig Bereiche mit beiden Betriebszuständen B1 und B2 vorliegen. Dies ist vorteilhaft, etwa wenn bei Nutzung des optischen Elements vor einem Bildschirm aus einem Blickwinkel von über 30 Grad zur Seite Teile des dargestellten Bildinhaltes sichtbar und andere nicht sichtbar sein sollen.
Die ist dargestellt in 9. Diese Zeichnung zeigt die Prinzipskizze eines optischen Elements in Draufsicht, wobei lokal verschieden beide Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Kammern R parallel zueinander angeordnet sind.
Demgegenüber zeigt 10 die Prinzipskizze eines optischen Elements in Draufsicht, wobei lokal verschieden beide Betriebszustände B1 und B2 eingeschaltet sind, und wobei die Kammern R gekreuzt zueinander angeordnet sind.
Vorteilhaft sind in der Flüssigkeit oder in der Gerüstmatrix F mehrere Arten von Partikeln vorhanden, die sich in ihren Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden.
Die Lamellen bzw. Kammern R können, wie in 9 und 10 gezeigt, entweder parallel oder gitterförmig mit sich kreuzenden Bereichen zueinander ausgerichtet sein. Entsprechend gestalten sich dann die winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des optischen Elements gegenüber einer oder zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen. Im bevorzugten Anwendungsfall sind die Kammern (insbesondere deren Längsseiten) jeweils parallel zur Mittelsenkrechten auf das Substrat S ausgerichtet.
Demgegenüber ist es aber auch möglich, dass die Kammern gegenüber der Mittelsenkrechten auf das Substrat S in einem Winkelbereich („Verkippungswinkel“) von -30° bis +30°, gegebenenfalls sogar zwischen -30° und +30°, geneigt sind. Auch diese Ausgestaltung nimmt Einfluss auf die Winkelabhängigkeit der Transmission des optischen Elements, insbesondere im Betriebszustand B2. Durch den genannten Neigungswinkel wird die durch die Partikelabsorption und die Partikelpositionen innerhalb der Kammern begründete winkelabhängige Absorption um einen festen Offset-Winkel gekippt, etwa wenn eine geringe Transmission in einem besonders steilen Winkel gewünscht ist.
Beispielhaft können die lamellenartig ausgeprägten Fluidkammern, in einer ersten Ebene parallel zur Hauptausbreitungsrichtung des Substrates zwischen 2 µm und 30 µm breit (Abstand Längsseite zu Längsseite einer Fluidkammer) und jeweils minimal 10 µm und maximal 150 µm voneinander beabstandet (Abstand Längsseite zu nächstbenachbarter Längsseite der nächstbenachbarten Fluidkammer) sein. Schließlich können die lamellenartig ausgeprägten Kammern R eine Höhe (Abstand Schmalseite zu Schmalseite) von minimal 10µm und maximal 300µm aufweisen, gemessen in einer Ebene senkrecht zur ersten Ebene. Abweichungen von diesen typischen Maßen sind jedoch möglich und liegen ebenso im Rahmen der Erfindung.
Das vorangehend beschriebene optische Element eignet sich besonders für die Verwendung in einem Bildschirm, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend

- ein optisches Element, wie vorstehend beschrieben, und
- eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.

Bei der Bildwiedergabeeinheit handelt es sich beispielsweise um ein OLED, ein LCD-Display, ein SED-Display, ein FED-Display, ein Micro-LED-Display oder ein VFD-Display. Da das optische Element unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.
Ferner ist es ebenso möglich, das erfindungsgemäße optische Element in einer Bildwiedergabeeinheit, die über eine Hintergrundbeleuchtung verfügt, 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 B1 für einen freien Sichtmodus und einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus umzuschalten, weil das Licht der Hintergrundbeleuchtung aufgrund des optischen Elements einmal fokussiert (im Betriebszustand B2) und einmal nicht fokussiert (im Betriebszustand B1) wird.
Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße optische Element löst die gestellte Aufgabe: Es wurde ein optisches Element beschrieben, welches die Transmission winkelabhängig (und optional senkrecht) beeinflussen kann, und welches zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umschalten kann. Das optische Element ist preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt wird.
Die vorangehend beschriebene Erfindung kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und/oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe oder beim Lesen von Emails auf mobilen Geräten. Die Erfindung kann - wie weiter oben beschrieben - auch in Fahrzeugen, insbesondere in PKW, angewendet werden.

Claims

Optisches Element, umfassend, - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat (S) mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche, - eine Vielzahl von in das Substrat (S) eingebetteten Kammern, welche in Abhängigkeit von ihrer Größe entweder einzeln eine Lamelle formen oder gruppenweise zusammengefasst sind, wobei jede Gruppe eine Lamelle formt, und jede Lamelle Längs- und Schmalseiten aufweist, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, wobei die Schmalseiten jeder Lamelle im Bereich der Großflächen angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden, - eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix (F), mit der die Kammern (R) gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix (F) bis zu 95 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel (P) enthält, wobei die Partikel (P) entweder in einer ersten Ausgestaltung mindestens erste Partikel (P_A) einer ersten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich absorbieren, und zweite Partikel (P_B) einer zweiten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich reflektieren und/oder streuen, oder in einer zweiten Ausgestaltung die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix (F) selbst entweder die Rolle der ersten Partikel (P_A) oder der zweiten Partikel (P_B) erfüllt und die Partikel (P) nur die jeweils anderen Partikel (P_B) oder (P_A) umfassen, - sowie außerdem umfassend flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Lamellen im Substrat (S) ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Lamellen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel (P) in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix (F) bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln (P) absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche in das Substrat (S) eintritt, dass es auf die Lamellen trifft, ändert, - wobei mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände B1 und B2 in Abhängigkeit von der Lage der Partikel (P) definiert sind, so dass im zweiten Betriebszustand B2 mehr als 70% der ersten Partikel (P_A) jeweils an den Längsseiten der Lamellen lokalisiert sind, und in dem ersten Betriebszustand B1 mehr als 70% der zweiten Partikel (P_B) jeweils an den Längsseiten der Lamellen lokalisiert sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Lamellen.
Optisches Element, umfassend, - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat (S) mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche, - eine Vielzahl von in das Substrat (S) eingebetteten Kammern, welche in Abhängigkeit von ihrer Größe entweder einzeln eine Lamelle formen oder gruppenweise zusammengefasst sind, wobei jede Gruppe eine Lamelle formt, und jede Lamelle Längs- und Schmalseiten aufweist, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, wobei die Schmalseiten jeder Lamelle im Bereich der Großflächen angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden, - eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix (F), mit der die Kammern (R) gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix (F) bis zu 95 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel (P) enthält, wobei die Partikel (P) in einer ersten Ausgestaltung mindestens erste Partikel (P_A) einer ersten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich absorbieren, und zweite Partikel (P_B) einer zweiten Art von Partikeln umfassen, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche im für ein menschliches Auge sichtbaren Bereich reflektieren und/oder streuen, oder in einer zweiten Ausgestaltung die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix (F) selbst entweder die Rolle der ersten Partikel (P_A) oder der zweiten Partikel (P_B) erfüllt und die Partikel (P) nur die jeweils anderen Partikel (P_B) oder (P_A) umfassen, - sowie außerdem umfassend flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Lamellen im Substrat (S) ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Lamellen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel (P) in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix (F) bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln (P) absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche in das Substrat (S) eintritt, dass es auf die Lamellen trifft, ändert, - wobei mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände B1 und B2 in Abhängigkeit von der Lage der Partikel (P) definiert sind, so dass im ersten Betriebszustand B1 mehr als 70% der ersten Partikel (P_A) jeweils an den Schmalseiten der Lamellen lokalisiert sind, und in dem zweiten Betriebszustand B2 mehr als 70% der zweiten Partikel (P_B) jeweils an den Schmalseiten der Lamellen lokalisiert sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Lamellen.
Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Partikel (P) in ortsfesten Kapseln eingebettet sind, die an Randflächen der Kammern lokalisiert sind oder die Kammern bilden.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Partikel (P_A) als Nanopartikel, Quantenpunkte und/oder Farbstoffe mit einer räumlichen Ausdehnung von maximal 200 nm, bevorzugt von maximal 50 nm, besonders bevorzugt von maximal 20 nm ausgebildet sind und die zweiten Partikel (P_B) als transparente oder reflektierende Kugeln mit Durchmessern zwischen 5 nm und 5000 nm ausgebildet sind.
Optisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Partikel (P_A) als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), Bleisulfid (PbS), CdTeSeS-Quantenpunkte, Azo-Farbstoffe und/oder als Metalloxidpartikel, bevorzugt aus Chrom(IV)Oxid oder Fe₂O₃ ausgebildet sind und eine Größe zwischen 2 nm und 50 nm einschließlich aufweisen.
Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Partikel (P) elektrisch geladen sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet sind oder die Partikel (P) magnetisch sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als elektromagnetische Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet sind, so dass die elektromagnetischen Partikel (P) im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit eine Bewegung ausführen.
Optisches Element, umfassend, - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat (S) mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche, - eine Vielzahl von in das Substrat (S) eingebetteten Kammern, welche in Abhängigkeit von ihrer Größe entweder einzeln eine Lamelle formen oder gruppenweise zusammengefasst sind, wobei jede Gruppe eine Lamelle formt, und jede Lamelle Längs- und Schmalseiten aufweist, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, wobei die Schmalseiten jeder Lamelle im Bereich der Großflächen angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden, - eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix (F), mit der die Kammern (R) gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix (F) bis zu 95 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel (P) enthält, wobei die Partikel (P) als Januspartikel ausgebildet sind und jeweils mindestens einen ersten Bereich mit einer ersten Struktur (P₁) und einen davon verschiedenen zweiten Bereich mit einer zweiten Struktur (P₂) aufweisen, wobei die ersten Strukturen (P₁) Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren, und die zweiten Strukturen (P₂) Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche reflektieren und/oder streuen, - sowie außerdem umfassend flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Lamellen im Substrat (S) ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Lamellen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel (P) in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix (F) bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln (P) absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche in das Substrat (S) eintritt, dass es auf die Lamellen trifft, ändert, - wobei mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände B1 und B2 in Abhängigkeit von der Lage der Partikel (P) definiert sind, so dass im zweiten Betriebszustand B2 mehr als 70% der ersten Strukturen (P₁) der Partikel (P) jeweils an den Längsseiten der Lamellen lokalisiert sind, wobei die ersten Strukturen (P₁) den Längsseiten zugewandt und die zweiten Strukturen (P₂) von den Längsseiten abgewandt sind, und in dem ersten Betriebszustand B1 mehr als 70% der zweiten Strukturen (P₂) der Partikel (P) jeweils an den Längsseiten der Lamellen lokalisiert sind, wobei die zweiten Strukturen (P₂) den Längsseiten zugewandt und die ersten Strukturen (P₁) von den Längsseiten abgewandt sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Lamellen.
Optisches Element, umfassend, - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat (S) mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche, - eine Vielzahl von in das Substrat (S) eingebetteten Kammern, welche in Abhängigkeit von ihrer Größe entweder einzeln eine Lamelle formen oder gruppenweise zusammengefasst sind, wobei jede Gruppe eine Lamelle formt, und jede Lamelle Längs- und Schmalseiten aufweist, welche sich zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche erstrecken, wobei die Schmalseiten jeder Lamelle im Bereich der Großflächen angeordnet sind und die Längsseiten diese verbinden, - eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix (F), mit der die Kammern (R) gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit oder die Gerüstmatrix (F) bis zu 95 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel (P) enthält, wobei die Partikel (P) als Januspartikel ausgebildet sind und jeweils mindestens einen ersten Bereich mit einer ersten Struktur (P₁) und einen davon verschiedenen zweiten Bereich mit einer zweiten Struktur (P₂) aufweisen, wobei die ersten Strukturen (P₁) Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren, und die zweiten Strukturen (P₂) Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche reflektieren und/oder streuen, - sowie außerdem umfassend flächenförmig an einer oder mehreren Seiten der Lamellen im Substrat (S) ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein in den Lamellen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel (P) in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix (F) bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln (P) absorbiert werden, welches in solchen Winkeln über die Lichteintrittsfläche in das Substrat (S) eintritt, dass es auf die Lamellen trifft, ändert, - wobei mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände B1 und B2 in Abhängigkeit von der Lage der Partikel (P) definiert sind, so dass im ersten Betriebszustand B1 mehr als 70% der ersten Strukturen (P₁) der Partikel (P) jeweils an den Schmalseiten der Lamellen lokalisiert sind, wobei die ersten Strukturen (P₁) den Schmalseiten zugewandt und die zweiten Strukturen (P₂) von den Schmalseiten abgewandt sind, und in dem zweiten Betriebszustand B2 mehr als 70% der zweiten Strukturen (P₂) der Partikel (P) jeweils an den Schmalseiten der Lamellen lokalisiert sind, wobei die zweiten Strukturen (P₂) den Schmalseiten zugewandt und die ersten Strukturen (P₁) von den Schmalseiten abgewandt sind, so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Lamelle
Optisches Element nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Partikel (P) ortsfest an Randflächen der Kammern lokalisiert sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Partikel (P) als Januspartikel mit kugelförmiger Oberfläche ausgebildet sind, bei denen der erste und der zweite Bereich jeweils von Hemisphären der kugelförmigen Oberfläche gebildet wird.
Optisches Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (P) als Mikropartikel ausgebildet sind und eine räumliche Ausdehnung von maximal 200 µm, bevorzugt von maximal 50 µm, besonders bevorzugt von maximal 20 µm aufweisen.
Optisches Element nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Januspartikel aus einem transparenten Material, bevorzugt Latex, PMMA, Polysterol, Melaminharz oder Silica gebildet sind und eine der Hemisphären zur Realisierung elektrophoretischer Eigenschaften mit einer Metallschicht oder einer metallischen Nanopartikelschicht überzogen ist.
Optisches Element nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Januspartikel aus einem transparenten Material, bevorzugt Polysterol, Melaminharz oder Silica gebildet sind und eine der Hemisphären zur Realisierung magnetophoretischer Eigenschaften mit einer ferromagnetischen und absorbierenden Metall- oder Metalloxidschicht oder einer ferromagnetischen Nanopartikelschicht, bevorzugt mit Fe₂O₃-NanopartikeIn überzogen ist, und die andere Hälfte mit einer reflektierenden Schicht, bevorzugt einer Silber- oder Aluminiumschicht, oder einer weißen Schicht überzogen ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Januspartikel mehr als 200 nm beträgt und die Dicke der aufgetragenen Schichten mehr als 10 nm beträgt.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Partikel (P) elektrisch geladen sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet sind oder die Partikel (P) magnetisch sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als elektromagnetische Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet sind, so dass die elektromagnetischen Partikel (P) im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit eine Bewegung ausführen.
Optisches Element nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung eine rotatorische Bewegung um eine vorgegebene Achse ist, welche parallel zu einer Längs- oder Schmalseite der Lamelle liegt.
Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Schaltmittel für Licht, das senkrecht über die Lichteintrittsfläche in das Substrat (S) einfällt, im für ein menschliches Auge sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50% transparent sind.
Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Schaltmittel in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sind, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand B1 und dem zweiten Betriebszustand B2 ermöglicht wird.
Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flüssigkeit oder in der Gerüstmatrix (F) mehrere Arten von Partikeln vorhanden sind, die sich in ihren Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden.
Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen entweder parallel oder gitterförmig mit sich kreuzenden Bereichen zueinander ausgerichtet sind.
Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen gegenüber der Mittelsenkrechten auf das Substrat (S) in einem Winkelbereich von -30° bis +30° geneigt sind.
Bildschirm, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend - ein optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 21, und - eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.