DE102020007974B3 - Optisches Element mit variabler Transmission und Bildschirm mit einem solchen optischen Element - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element, umfassend einen transparenten Lichtleiter (1) mit einer Lichteintrittsfläche (F1) und einer Lichtaustrittsfläche (F2) , wobei an der Lichteintrittsfläche (F1) und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche (F2) einander abwechselnd erste Bereiche (G1) und zweite Bereiche (G2) ausgebildet sind, wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche (F2) liegenden zweiten Bereiche (G2) jeweils ein Volumen (V) aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit (FL) oder eine Gerüstmatrix enthält, welche Licht absorbierende Elemente enthält, die entweder als Flüssigkeitstropfen(F) oder als elektrophoretische Partikel (P) ausgebildet sind, und wobei mittels eines elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel (P) deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen (F) deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist, so dass a) die Licht absorbierenden Elemente (F, P) in einem ersten Zustand zu mehr als 85% die zweiten Elektroden (E2) bedecken, wodurch die innere Totalreflexion von Licht an den strukturierten Oberflächen gestört wird, und b) die Licht absorbierenden Elemente (F, P) in einem zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweiten Elektroden (E2) bedecken, so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses im ersten Zustand das optische Element in einem eingeschränkten Winkelbereich verlässt, oder im zweiten Zustand im Lichtleiter (1) solange propagiert, bis es diesen in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt. Die Erfindung betrifft ferner weitere Alternativen des optischen Elements.

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 sind diese Folien nicht (um)schaltbar, sie müssen per Hand aufgelegt und danach wieder entfernt werden. Auch muss man sie separat zum Display transportieren, wenn man sie nicht gerade braucht. Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes solcher Lamellen-Folien ist ferner mit den einhergehenden Lichtverlusten verbunden.
• 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 aufwendig.
• 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 aufwendig aufgebautes 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 aufwendig umzusetzen und ebenso mit Lichtverlust verbunden. Gemäß der Variante nach 17 in der US 2012 / 0 235 891 A1 produzieren beide Lichtquellen 4R und 18 Licht mit einem schmalen Beleuchtungswinkel, wobei das Licht von der hinteren Lichtquelle 18 erst aufwendig 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, aufwendig 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 einer 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 die Kombination links/rechts, also von den Seiten, oder aber für die Kombination oben/unten, nicht aber für alle vier Möglichkeiten gleichzeitig erzeugt werden kann, wie es etwa für bestimmte Zahlungsvorgänge nötig ist, wo sowohl der Einblick von der Seite als auch von oben oder unten eingeschränkt werden sollte. Hinzu kommt, dass auch im eingeschränkten Sichtmodus aus geblockten Blickwinkeln 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 essenziell 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 und verloren geht. 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.
• Weiterhin beschreibt die WO 2021/032735 A1 der Anmelderin ein optisches Element mit variabler Transmission und einen Bildschirm mit einem solchen optischen Element. Dabei kommen je nach Ausgestaltung unterschiedliche Arten von elektro- oder magnetophoretischen Partikeln zum Einsatz, die in Kammern bewegt werden, um die winkelabhängige Transmission zu variieren. Dort ist es jedoch nicht vorgesehen, die Totalreflexion im optischen Element zu stören, um zwischen verschiedenen optischen Wirkungen umzuschalten.
• Die US 2004/0136047 A1 offenbart ein Display, welches auf der Störung von Totalreflexion beruht. Eine winkelabhängige Transmission in mehreren Zuständen kann hiermit jedoch nicht erzeugt werden.
• Ferner beschreibt die US 2019/0107765 A1 ein hybrides reflektives Display. Auch mit dieser Lehre ist es nicht möglich, eine winkelabhängige Transmission in mehreren Zuständen zu erzeugen.
• In der US 2020/0050075 A1 wird eine schaltbare Lichtkollimationsschicht beschrieben. Ein immanenter Nachteil dieser Lösung ist die lange Schaltzeit, welche nötig ist, um die verhältnismäßig großen Wege der Pigmentpartikel in den Kammern zwischen den einzelnen Schaltzuständen zurückzulegen.
• Die US 2017/0160620 A1 offenbart Verfahren und Anordnung für ein frontal beleuchtetes Display, welches semi-retro-reflektiv aufgebaut ist. Damit ist es jedoch nicht möglich, eine winkelabhängige Transmission in mehreren Zuständen zu erzeugen.
• Weiterhin gibt die WO 2007/082369 A1 ein Verfahren zu Helligkeitssteigerung in reflektiven Displays wieder. Auch hiermit kann keine eine winkelabhängige Transmission in mehreren Zuständen generiert werden.
• Schließlich beschreibt die EP 3327498 A1 einen Bildschirm mit breitem Betrachtungswinkel, der auf der Modulation der Totalreflexion beruht. Mit einem solchen Bildschirm kann keinerlei winkelabhängige Transmission erzielt werden.
• Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und/oder ein aufwendiges und teures optisches Element zur Modi-Umschaltung benötigen und/oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren und/oder eine lange Schaltzeit aufweisen.
• Beschreibung der Erfindung
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu beschreiben, welches die Transmission winkelabhängig beeinflussen kann, und welches zwischen mindestens zwei Zuständen umschalten kann. Das optische Element soll preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sein, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt werden soll.
• Diese Aufgabe wird in einer ersten Alternative gelöst von einem optischen Element, umfassend
• ― einen transparenten, platten- oder schalenförmigen, als Lichtleiter aus einem Material mit einer Brechzahl n_L ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche einander abwechselnd erste Bereiche G1 und zweite Bereiche G2 ausgebildet, ausgespart oder angeordnet sind,
• ― wobei die ersten Bereiche G1 mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl n_G1 ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen n_L und n_G1 höchstens bis zu einem Wert von 0,11 voneinander abweichen, und
• ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche liegenden zweiten Bereiche G2 jeweils ein Volumen aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix mit einer Brechzahl n_G2, welche kleiner als die Brechzahl n_L ist, enthält, wobei die Flüssigkeit oder Gerüstmatrix Licht absorbierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit entweder als Flüssigkeitstropfen oder als elektrophoretische Partikel ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist, wobei die Brechzahlen n_L und n_G2 sich mindestens um einen Wert von 0,05 und höchstens um einen Wert von 0,35 unterscheiden,
• ― wobei der Lichtleiter an Grenzflächen zu den jeweils ein Volumen aufweisenden zweiten Bereichen G2 mindestens auf der Seite der Lichtaustrittsfläche strukturierte Oberflächen aufweist, welche Licht, dass über die Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt, überwiegend intern total reflektieren,
• ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen aufweisenden zweiten Bereichen G₂ auf der Seite der Lichtaustrittsfläche, mit planen ersten Elektroden an einer dem Lichtleiter abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters parallel liegt oder dieser entspricht, und mit transparenten, an den strukturierten Oberflächen anliegenden zweiten Elektroden im Innern des zweiten Bereichs G₂ an einer Grenzfläche zum Lichtleiter, welche umgekehrt zu den ersten Elektroden gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind,
• ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche in den zweiten Bereichen G₂ analog strukturierte Oberflächen und/oder eine opake Reflexionsschicht, welche an der Lichteintrittsfläche angebracht ist, so dass
  1. a) die Licht absorbierenden Elemente im ersten Zustand zu mehr als 85% die zweiten Elektroden bedecken, wodurch die innere Totalreflexion von Licht an den strukturierten Oberflächen gestört und die Ausbreitung von Licht, welches über die ersten Bereiche G₁ in den Lichtleiter eintritt, mittels Absorption durch die Licht absorbierenden Elemente überwiegend unterbunden wird, und
  2. b) die Licht absorbierenden Elemente im zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweiten Elektroden bedecken, so dass die Ausbreitung von Licht, welches über die ersten Bereiche G₁ in den Lichtleiter eintritt, zu weniger als 50% von den Licht absorbierenden Elementen absorbiert wird,
  • ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G₁ in den Lichtleiter eintritt, und
    • ― im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G₁ verlässt oder aufgrund der Licht absorbierenden Elemente in den zweiten Bereichen G₂ überwiegend absorbiert wird, oder
    • ― im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G₁ verlässt oder aufgrund innerer Totalreflexion an den strukturierten Oberflächen und ggf. Reflexion an einer reflektierenden Schicht an der Lichteintrittsfläche im Lichtleiter solange propagiert, bis es den Lichtleiter durch die an der Lichtaustrittsfläche lokalisierten ersten Bereiche G₁ in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
• In dieser ersten Alternative dürfen im zweiten Zustand die Licht absorbierenden Elemente keinen Kontakt mit der dem Lichtleiter zugewandten zweiten Elektrode haben. Dieser Zustand korrespondiert zu einem sogenannten öffentlichen Modus, in welchem der Sichtbereich nicht eingeschränkt ist.
• Im ersten Zustand hingegen sind die absorbierenden Elemente im Kontakt mit der Grenzfläche. Dieser Zustand korrespondiert zu einem sogenannten privaten Modus, in welchem der Sichtbereich eingeschränkt ist. Die Mindestdicke der aus den Licht absorbierenden Elementen an der dem Lichtleiter zugewandten Elektrode angehäuften Schicht sollte 100 nm an mindestens 85% der Fläche betragen. Die Maximaldicke einer solchen Schicht ist typischerweise fünf Mikrometer.
• Die Aufgabe der Erfindung wird in einer zweiten Alternative auch gelöst von einem optischen Element, umfassend
• ― einen transparenten, platten- oder schalenförmigen, als Lichtleiter aus einem Material mit einer Brechzahl n_L ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche einander abwechselnd erste Bereiche G1 und zweite Bereiche G2 ausgebildet, ausgespart oder angeordnet sind,
• ― wobei die ersten Bereiche G1 mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl n_G1 ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen n_L und n_G1 höchstens bis zu einem Wert von 0,11 voneinander abweichen, und
• ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche liegenden zweiten Bereiche G2 jeweils ein Volumen aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix enthält, wobei die Flüssigkeit oder Gerüstmatrix Licht reflektierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit entweder als Flüssigkeitstropfen oder als elektrophoretische Partikel ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist,
• ― wobei die ein Volumen aufweisenden zweiten Bereiche G2 an einer dem Lichtleiter abgewandten Seite jeweils eine opake Absorptionsschicht aufweisen,
• ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen aufweisenden zweiten Bereichen G2 auf der Seite der Lichtaustrittsfläche, mit ersten Elektroden an der dem Lichtleiter abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters parallel liegt oder dieser entspricht, und mit transparenten, an einer planen Grenzfläche zum Lichtleiter anliegenden zweiten Elektroden im Innern des zweiten Bereichs G2, welche umgekehrt zu den ersten Elektroden gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind,
• ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche in den zweiten Bereichen G2 eine opake Reflexionsschicht, welche an der Lichteintrittsfläche angebracht ist, so dass
  1. a) die Licht reflektierenden Elemente im ersten Zustand zu weniger als 15% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche G₁ in den Lichtleiter eintritt und in die zweiten Bereiche G2 übertritt, überwiegend an den opaken Schichten absorbiert wird, und
  2. b) die Licht reflektierenden Elemente im zweiten Zustand zu mehr als 85% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt, an den Grenzflächen des Lichtleiters zu den zweiten Bereichen G2 reflektiert wird,
  • ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt, und
    • - im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt oder aufgrund der opaken Schichten in den zweiten Bereichen G2 absorbiert wird, oder
    • - im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt oder aufgrund der Reflexion an einer reflektierenden Schicht an der Lichteintrittsfläche im Lichtleiter solange propagiert, bis es den Lichtleiter durch die an der Lichtaustrittsfläche lokalisierten ersten Bereiche G1 in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
• Dabei sind beispielsweise die zweiten Elektroden über die gesamte Fläche des Lichtleiters ausgebildet, während die ersten Elektroden die gesamte Fläche des Lichtleiters oder auch nur Teile davon überdecken können. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die erste und die zweite Elektrode beide auf ein- und derselben Fläche nicht überlappend aufgebracht sind. Auch hier korrespondiert der erste Zustand zu einem privaten Modus, während der zweite Zustand zu einem öffentlichen Modus korrespondiert.
• Optional umfasst ein erfindungsgemäßes optisches Element der ersten oder zweiten Alternative außerdem auf der Seite der Lichteintrittsfläche. in den ein Volumen aufweisenden zweiten Bereichen G2 elektrische Schaltmittel mit planen ersten Elektroden an einer dem Lichtleiter abgewandten Fläche, welche zur Lichteintrittsfläche des Lichtleiters parallel liegt oder dieser entspricht, und mit transparenten, an den strukturierten Oberflächen anliegenden zweiten Elektroden im Innern des zweiten Bereichs G2 an einer Grenzfläche zum Lichtleiter, welche umgekehrt zu den ersten Elektroden gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind. Mittels dieser Ausgestaltung wird es ermöglicht, die beiden Zustände zusätzlich, d.h. verstärkend, auch auf der Seite der Lichteintrittsfläche des Lichtleiters zu beeinflussen.
• Die Lichteintritts- und die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters können bevorzugt parallel zueinander angeordnet sein. Sie können jedoch in besonderen Ausgestaltungen, etwa wenn spezielle winkelabhängige Transmissionen des optischen Elements erreicht werden sollen, auch nicht-parallel, z.B. keilförmig in einem definierten Winkel von bis zu 20 Grad zueinander angeordnet sein. Auch eine schalenförmige Ausbildung des Lichtleiters ist denkbar.
• Für die erste Alternative des optischen Elements kann die strukturierte Oberfläche des Lichtleiters mit wellenförmigen, linsenförmigen und/oder prismenförmigen Strukturen ausgebildet sein.
• Für alle Ausgestaltungen der Erfindung - auch die im Folgenden noch genannten - gilt, dass „überwiegend“ mindestens 50% der jeweiligen Maßeinheit bedeutet. Dies schließt jedoch insbesondere auch solche Fälle mit mehr als 90% und mehr als 95% der jeweiligen Maßeinheit ein Die Maßeinheit kann dabei beispielsweise die Intensität, die Lichtstärke, die Leuchtdichte, der Transmissionsgrad, der Absorptionsgrad und/oder der Reflexionsgrad sein.
• Ein optisches Element der ersten oder zweite Alternative kann ferner derart ausgestaltet sein, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel ausgestaltet sind, welche als (Nano-)Partikel, Quantenpunkte und/oder Farbstoffe ausgebildet sind und eine räumliche Ausdehnung von maximal 500 nm, maximal 200 nm, maximal 50 nm oder maximal 20 nm aufweisen. Andere Ausgestaltungen mit größeren oder anderen Maximalausdehnungen sind jedoch explizit möglich. Mit „räumlicher Ausdehnung“ ist die maximale Ausdehnung im dreidimensionalen Raum oder aber der hydrodynamische Radius gemeint, je nach dem, was größer ist. Bei kugelförmigen Partikeln ist das also der Durchmesser. Bei kettenförmigen Partikeln ist das der größtmögliche Abstand, den zwei Punkte auf der Oberfläche des Partikels jeweils voneinander aufweisen können.
• Für die zweite Alternative ist es darüber hinaus möglich, dass die Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel ausgestaltet sind, welche als reflektierende Kugeln mit Durchmessern zwischen 5 nm und 5000 nm ausgebildet sind.
• Was die Licht absorbierenden Elemente, d.h. die Licht absorbierenden elektrophoretischen Partikel oder Flüssigkeitstropfen betrifft, so liegen eine oder mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen diese Licht absorbieren, bevorzugt im sichtbaren Spektrum und decken dieses besonders bevorzugt komplett ab. Sie können aber für besondere Zwecke auch außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen, etwa wenn UV- bzw. IR-Licht beeinflusst werden soll, z.B. für Zwecke der Messtechnik.
• Bevorzugt sind mittels der elektrischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände definiert, wobei im Falle, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel ausgestaltet sind, in Abhängigkeit von deren Position und wobei im Falle, dass Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen ausgestaltet sind, in Abhängigkeit von deren Ausdehnung, Form und/oder Position, in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei weniger als 50% liegt und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei mehr als 50% in einem Winkelbereich von mehr als 30° bis 90° bezogen auf eine Flächennormale der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters, gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Bereiche G1. Im ersten Betriebszustand B1 befinden sich die jeweiligen Partikel bzw. Tropfen überwiegend im ersten Zustand und im zweiten Betriebszustand B2 befinden sie sich im zweiten Zustand.
• Dabei ist es insbesondere möglich, dass die winkelabhängige Transmission im zweiten Betriebszustand B2 mehr als 20%, bevorzugt mehr als 60%, und im ersten Betriebszustand B1 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Bereiche G1. Somit können im Zusammenspiel des optischen Elements mit einer Bildwiedergabeeinrichtung ein eingeschränkter Sichtmodus für das dargestellte Bild (Betriebszustand B1 korrespondierend zum ersten Zustand des optischen Elements) und ein freier Sichtmodus für das dargestellte Bild (Betriebszustand B2 korrespondierend zum zweiten Zustand des optischen Elements) ermöglicht werden. Bevorzugt beträgt die winkelabhängige Transmission des optischen Elements im ersten Zustand in dem besagten Winkelbereich sogar weniger als 2%, besonders bevorzugt weniger als 1%.
• In diesem Sinne umfasst der Winkelbereich dann jeweils die Winkel von +/-30° bis +/-90° (also jeweils von -90° bis -30° und gleichzeitig von +30° bis +90°, nicht aber zwischen -30° und +30°) in dieser Ebene. Der Winkelbereich kann auch variiert werden und anstelle von +/-30° auch den Bereich von +/-10° bis +/-90°, +/-20° bis +/-90°, +/-45° bis +/-90° oder +/-25° bis +/-90° umfassen. Bei 90° liegt der Winkel auf der Oberfläche des Substrats.
• Weiterhin ist es möglich, dass für die erste oder zweite Alternative die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel ausgestaltet sind und dabei gleichzeitig mehrere Arten solcher Partikeln vorhanden sind, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden. Mit dem Begriff „Transporteigenschaften“ ist insbesondere das Verhalten der Partikel bei der (Di-)Elektrophorese, d.h. beim Transport im Feld, gemeint. Diese Variante kommt insbesondere im Falle von (Nano-)-Partikeln zum Tragen: der Unterschied der Partikelarten besteht hierbei z.B. in der Partikelgröße und/oder der Oberflächenfunktionalisierung, d.h. im Zeta-Potential. Im Falle der Verwendung von Quantenpunkten oder Farbstoffen als Partikel und wenn diese fluoreszierend sind, kommt bevorzugt noch ein sogenanntes „Quencher“-Material zum Einsatz, um eben die Fluoreszenz zu vermeiden.
• Für das erfindungsgemäße optische Element der ersten Alternative ist es von Vorteil, wenn die Licht absorbierenden Elemente als elektrophoretische Partikel ausgestaltet sind, welche als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), Bleisulfid (PbS), colloidale Halbleiterquantenpunkte, Azo-Farbstoffe und/oder als Metalloxidpartikel, bevorzugt aus Chrom(IV)Oxid oder Fe₂O₃ ausgebildet sind, und eine Größe zwischen 2 nm und 50 nm jeweils einschließlich aufweisen.
• Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn alle vorhandenen elektrophoretischen Partikel noch eine Oberflächenfunktionalisierung aufweisen, und zwar mit hohem Zeta-Potential, zum einen als Stabilisierung in der Flüssigkeit bzw. Gerüstmatrix, und zum anderen für eine Verbesserung der Elektrophorese, d.h. einer Begünstigung der Elektrophorese, sofern es sich um elektrophoretisch bewegbare Partikel handelt. Dies lässt sich beispielsweise mit PVP (Polyvinylpyrrolidon) oder PEG (Polyethylenglykol) für wässrige Systeme umsetzen.
• Für die zweite Alternative können die Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen ausgestaltet sein und zur Erzielung einer Reflexion Metallmikropartikel bzw. Metallnanopartikel aus Aluminium, Chrom, Silber oder anderen Metallen, oder metall- oder nanopartikelbeschichtete Polymer- oder Silikamikropartikel enthalten.
• In bevorzugten Ausgestaltungen der ersten und der zweiten Alternative des optischen Elements sind die Bereiche G₁ und G₂ bei Projektion senkrecht auf die Lichtaustrittsfläche streifen- oder rechteckförmig. Mit anderen Worten: Die Außenkanten der Bereiche G₁ und G₂ stellen bei Parallelprojektion von jeweils oben Streifen oder Rechtecke dar. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Verhältnis der Flächenanteile der Oberflächen der Bereiche G₁ zu den Oberflächen der Bereiche G₂ bei Projektion senkrecht auf die Lichtaustrittsfläche kleiner oder gleich 1:1, bevorzugt 1:2, besonders bevorzugt 1:4 ist.
• Weiterhin wird die Aufgabe in einer dritten, nicht erfindungsgemäßen Alternative gelöst von einem optischen Element, umfassend
• - einen transparenten, platten- oder schalenförmigen Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche,
• - eine transparente Flüssigkeit oder Gerüstmatrix, welche zwischen der ersten Großfläche und der zweiten Großfläche angeordnet ist und Licht absorbierende Flüssigkeitstropfen enthält, deren Ausdehnung und Form und/oder Position im Grundkörper mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes einstallbar ist, wobei die Ausdehnung in einer Ausdehnungsspanne zwischen einer Minimalausdehnung und einer Maximalausdehnung einstellbar ist,
• - elektrische Schaltmittel mit einer Vielzahl von ersten flächenförmigen Elektroden, welche transparent und zwischen den Großflächen angeordnet sind, und dazu korrespondierenden zweiten flächenförmigen Elektroden, welche an der Lichteintritts- (oder -austritts)-fläche angeordnet und umgekehrt zu den ersten flächenförmigen Elektroden gepolt sind, wobei die Polungen von ersten und zweiten flächenförmigen Elektroden umkehrbar sind,
• - wobei die Maximalausdehnung in der Größenordnung einer Längsausdehnung der ersten flächenförmigen Elektroden zwischen der ersten und zweiten Großfläche liegt,
• - bei einer Ausdehnung der absorbierenden Flüssigkeitstropfen von mindestens 85% der Maximalausdehnung ein Austrittswinkelbereich von Licht, welches aus der Lichtaustrittsfläche tritt, gegenüber einem Eintrittswinkelbereich des Lichts beim Eintritt über die Lichteintrittsfläche beschnitten ist, und
• - bei einer Ausdehnung der absorbierenden Flüssigkeitstropfen von weniger als 20% der Maximalausdehnung der Austrittswinkelbereich gegenüber dem Eintrittswinkelbereich nicht oder nur unwesentlich beschnitten ist.
• Speziell im Fall der dritten Alternative ist es möglich, dass die Normalen der Vielzahl von ersten flächenförmigen Elektroden, welche transparent und zwischen den Großflächen angeordnet sind, einen Winkel von einschließlich -25 Grad bis einschließlich +25 Grad mit der Mittelsenkrechten der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters aufweisen. Damit kann der beschnittene Austrittswinkelbereich um einen Absolutwert herum gekippt werden, wenn die Anwendung dies erfordert. Die ersten Elektroden können jedoch auch alle im gleichen Winkel zur zweiten Großfläche des Substrates, insbesondere jeweils im Wesentlichen parallel zur Mittelsenkrechten auf das Substrat, ausgerichtet sein.
• Ein Vorteil dieser dritten Alternative ist, dass keinerlei Kammern oder ähnliches zur Kanalisierung der Flüssigkeit bzw. Gerüstmatrix und der darin befindlichen Flüssigkeitstropfen nötig sind. Die finale Lokalisierung der Flüssigkeitstropfen nach deren Bewegung erübrigt grundsätzlich das Vorhandensein solcher Kammern. Die ersten Elektroden können hier beispielsweise streifenförmig ausgebildet sein und sind dann entweder parallel oder gitterförmig, mit sich kreuzenden Bereichen, angeordnet. Entsprechend gestalten sich dann die winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des optischen Elements gegenüber einer oder zwei senkrecht zueinanderstehenden Ebenen.
• Es ist aber auch die Ausgestaltung als eine einzige, flächenförmige zweite Elektrode möglich, oder eine Ausbildung der zweiten Elektrode aus Waben, die die Fläche bedecken, wobei diese gemeinsam, aber auch einzeln angesteuert werden können.
• Die elektromagnetischen Schaltmittel, zumeist wie vorbeschrieben Elektroden, sind vorteilhaft in allen drei Alternativen für Licht, das über die Lichteintrittsfläche in das optische Element einfällt, im für ein menschliches Auge sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50% transparent. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Indiumzinnoxid-Schicht (ITO-Schicht) handeln. Im Falle von Elektroden auf der vom Lichtleiter jeweils abgewandten Seite der Bereiche G2 kann es sich jedoch unter Umständen auch um opake Elektroden handeln.
• Für alle Alternativen gilt ferner, dass optional die elektrischen Schaltmittel in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein können, wodurch eine segmentweise und dadurch lokal beschränkbare Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand B1 und dem zweiten Betriebszustand B2 ermöglicht wird. Mehrere erste oder zweite Elektroden können dabei in einem Segment zusammengeschaltet sein: Mit lokaler Umschaltbarkeit ist hierbei gemeint, dass nicht in allen Bereichen G2 gleichzeitig der Betriebszustand zwischen B1 und B2 gewechselt wird, sondern dass vielmehr auf dem optischen Element gleichzeitig Bereiche G2 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.
• Überdies ist es optional in allen Alternativen möglich, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen ausgestaltet sind und mehrere Arten solcher Flüssigkeitstropfen vorhanden sind, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder Bewegungseigenschaften und/oder Verformungseigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden.
• Die besagte Gerüstmatrix ist beispielsweise als Polymermatrix, bevorzugt als Gelmatrix ausgebildet. Eine solche Polymermatrix weist eine charakteristische Maschengröße auf. Durch diese Maschengröße spüren kleine Partikel einen geringeren „Widerstand“ als große Partikel und somit bewegen sich kleine und große Partikel jeweils unterschiedlich schnell. Zum einen ist dies von Vorteil, um die Schaltzeiten zu kontrollieren und die Bewegung der Partikel zu beschleunigen. Zum anderen hat eine solche Polymermatrix den Vorteil, dass sie die Diffusion stark hemmt und die Partikel sich daher nicht von selbst bewegen, was vorteilhaft sein kann.
• Die Flüssigkeit kann polar oder unpolar sein. Sie kann ferner zum Beispiel aus Wasser, Öl, Toluol oder Formaldehyd bestehen, auch versetzt mit Elektrolyten oder anderen organischen Substanzen, um die Partikel in der Flüssigkeit zu stabilisieren oder ihre elektrophoretischen Eigenschaften zu modifizieren.
• Im Falle der ersten oder dritten Alternative können die Licht absorbierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen ausgestaltet sein und zur Erzielung einer Absorption organische Farbstoffe, Ruß, Graphen, Carbon, Metalloxide wie beispielsweise Chrom(IV)Oxid, Fe₂O₃, Fe₃O₄ oder FeO oder colloidale Halbleiterquantenpunkte enthalten oder mit Polymer- oder porösen Silikamikropartikeln versetzt sind. Dabei beinhaltet ein Flüssigkeitstropfen die vorgenannten Ingredienzien zu höchstens 70 Vol-%.
• Für alle Ausgestaltungen der Erfindung gilt vorteilhaft, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen ausgestaltet sind, welche jeweils einzeln ein Volumen von 5 × 10^-13 bis 2 × 10^-10 Liter einschließlich aufweisen. Diese Werte ergeben sich, wenn die Flüssigkeitstropfen in angenommener Quaderform ein minimales Volumen von 5×10×10 µm³ und ein maximales Volumen von 10×20×1000 µm³ einnehmen.
• Die Lichteintrittsfläche des Lichtleiters bzw. Grundkörpers eines vorbeschriebenen optischen Elements befindet sich in der Regel aus Sicht eines Betrachters auf der Rückseite des optischen Elements und grenzt je nach dessen Anwendungsfall beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung, eine Lichtquelle oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche bzw. die Bereiche G1 in das Substrat ein.
• Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung in einer vierten Alternative gelöst von einem optischen Element, umfassend
• ― einen transparenten, platten- oder schalenförmigen, als Lichtleiter aus einem Material mit einer Brechzahl n_L ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche einander abwechselnd erste Bereiche G1 und zweite Bereiche G2 ausgebildet, ausgespart oder angeordnet sind,
• ― wobei die ersten Bereiche G1 mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl n_G1 ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen n_L und n_G1 höchstens bis zu einem Wert von 0,11 voneinander abweichen, und
• ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche liegenden zweiten Bereiche G2 jeweils ein Volumen aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix enthält, wobei die Flüssigkeit oder Gerüstmatrix Licht absorbierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit entweder als Flüssigkeitstropfen oder als elektrophoretische Partikel ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist,
• ― wobei die ein Volumen aufweisenden zweiten Bereiche G2 an einer dem Lichtleiter abgewandten Seite jeweils eine reflektierende Schicht aufweisen,
• ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen aufweisenden zweiten Bereichen G2 auf der Seite der Lichtaustrittsfläche, mit ersten Elektroden an der dem Lichtleiter abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters parallel liegt oder dieser entspricht, und mit transparenten, an einer planen Grenzfläche zum Lichtleiter anliegenden zweiten Elektroden im Innern des zweiten Bereichs G2, welche umgekehrt zu den ersten Elektroden gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind,
• ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche in den zweiten Bereichen G2 eine (optional opake) Reflexionsschicht, welche an der Lichteintrittsfläche angebracht ist, so dass
  1. a) die Licht absorbierenden Elemente im ersten Zustand zu mehr als 85% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt und in die zweiten Bereiche G2 übertritt, von den absorbierenden Elementen überwiegend absorbiert wird,
  2. b) die Licht absorbierenden Elemente im zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt und in die zweiten Bereiche G2 übertritt, überwiegend an den reflektierenden Schichten reflektiert wird, und
  • ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt, und
    • - im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt oder aufgrund der absorbierenden Elemente in den zweiten Bereichen G2 absorbiert wird, oder
    • - im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt oder aufgrund der Reflexion an einer reflektierenden Schicht an einer dem Lichtleiter abgewandten Seite jeweils eines zweiten Bereichs G2 und/oder an einer Reflexionsschicht an der Lichteintrittsfläche im Lichtleiter solange propagiert, bis es den Lichtleiter durch die an der Lichtaustrittsfläche lokalisierten ersten Bereiche G1 in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
• Für die vierte Alternative gelten sinngemäß weiter oben gegebene Ausgestaltungsvarianten, sie lassen sich analog anwenden und werden aus Redundanzgründen an dieser Stelle nicht wiederholt.
• Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung, indem das optische Element gemäß der ersten, zweiten, dritten oder vierten Alternative einschließlich deren Abwandlungen in einem Bildschirm verwendet wird, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen eingeschränkten Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen freien Sichtmodus betrieben werden kann. Ein solcher Bildschirm umfasst mindestens ein optisches Element wie vorangehend beschrieben und eine dem mindestens einen optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit. Die Verwendung von zwei bevorzugt gleich ausgebildeten, übereinander gestapelten optischen Elementen verbessert die Wahrnehmung im Betriebszustand B2. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die optischen Elemente zwar gleichartig sind, jedoch die Bereiche G₂ auf den beiden optischen Elementen jeweils gegeneinander um einen vorgegebenen Winkel in der Ebene einer der Austrittsflächen bzw. in der Draufsicht auf den Bildschirm verdreht angeordnet sind. Der vorgegebene Winkel kann bis zu 25° betragen und liegt bevorzugt bei 16°. Bei der Bildwiedergabeeinheit handelt es sich beispielsweise um ein OLED-Display, ein LCD-Panel, ein SED, ein FED, ein Micro-LED-Display oder ein VFD. Da das optische Element unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.
• Ferner ist es beispielsweise möglich, das erfindungsgemäße optische Element in einer Bildwiedergabeeinheit, die über eine Hintergrundbeleuchtung verfügt, wie beispielsweise in einem LCD-Bildschirm, zu verwenden. Hier ist dann vorteilhaft das optische Element zwischen dem Bildwiedergabe-Panel (also dem LCD-Panel) und der Hintergrundbeleuchtung angeordnet, um zwischen einem ersten Betriebszustand B1 für einen eingeschränkten Sichtmodus und einem zweiten Betriebszustand B2 für einen freien Sichtmodus umzuschalten, weil das Licht der Hintergrundbeleuchtung aufgrund des optischen Elements einmal fokussiert (B1) und einmal nicht fokussiert (B2) wird. Mit „Fokussierung“ ist dabei nicht eine Fokussierung nach Art von Linsen gemeint, sondern eine räumliche Einengung des Abstrahlbereichs gemäß der jeweiligen Transmissionseigenschaften des erfindungsgemäßen optischen Elements, d.h. eine Beschränkung des Raumwinkelbereichs, in welchen Licht abgestrahlt wird.
• Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, dass mehr als zwei Zustände eines erfindungsgemäßen optischen Elements eingestellt werden können. Hierzu wird z.B. gegenüber den oben beschriebenen Varianten für die ersten und zweiten Zustände in einem dritten (vierten, fünften, ...) Zustand ein anderes elektromagnetisches Feld angelegt, was dazu führt, dass im Falle elektrophoretischer Partikel P deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen F deren Ausdehnung, Form und/oder Position unterschiedlich zwischen allen einstellbaren Zuständen ausgestaltet ist, so dass insgesamt drei oder mehr verschiedene winkelabhängige Transmissionsgrade erreicht werden. Die kann z.B. für eine winkelabhängige Abdunklung von Interesse sein. Letzten Endes handelt es sich bei den weiteren Betriebszuständen nur um anders gestaltete Ausbildungen des zweiten Zustandes.
• Die Erfindung umfasst auch die Verwendung eines optischen Elements einer der vier Alternativen oder eines vorbeschriebenen Bildschirms in einem PKW, einem mobilen Gerät, einem Desktop-Bildschirm, in einem Geldautomaten oder in einem Zahlterminal.
• 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.
• Figurenliste
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:
• 1 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß einer ersten Alternative in einem ersten Zustand,
• 2 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der ersten Alternative in einem zweiten Zustand,
• 3 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß einer zweiten Alternative in einem ersten Zustand,
• 4 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der zweiten Alternative in einer ersten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand,
• 5 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der zweiten Alternative in einer zweiten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand,
• 6 eine schematische Draufsicht auf die Bereiche G1 und G2 in einer ersten Ausgestaltung,
• 7 eine schematische Draufsicht auf die Bereiche G1 und G2 in einer zweiten Ausgestaltung,
• 8 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß einer dritten Alternative in einem ersten Zustand, bei der ein Austrittswinkelbereich von Licht, welches aus der Lichtaustrittsfläche tritt, gegenüber einem Eintrittswinkelbereich des Lichts beim Eintritt über die Lichteintrittsfläche beschnitten ist,
• 9 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der dritten Alternative in einem zweiten Zustand, bei der ein Austrittswinkelbereich von Licht gegenüber dessen Eintrittswinkelbereich nicht oder nur unwesentlich beschnitten ist,
• 10 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß einer vierten Alternative in einer ersten Ausgestaltung in einem ersten Zustand,
• 11 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der vierten Alternative in einer zweiten Ausgestaltung in einem ersten Zustand,
• 12 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der vierten Alternative in einer dritten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand,
• 13 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der vierten Alternative in einer vierten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand,
• 14 die Prinzipskizze zur Anlagerung eines opaken Flüssigkeitstropfens oder einer Vielzahl an opaken elektrophoretischen Partikeln an einer negativ geladenen ersten Elektrode,
• 15 die Prinzipskizze zur Anlagerung eines opaken Flüssigkeitstropfens oder einer Vielzahl an opaken elektrophoretischen Partikeln an einer negativ geladenen zweiten Elektrode,
• 16 die Prinzipskizze einer Draufsicht auf Bereiche G1 und G2 eines optischen Elements gemäß der ersten bis vierten Alternative, wobei unterschiedliche Teilbereiche der Bereiche G2 in unterschiedlichen Zuständen befindlich sind, sowie
• 17 die Prinzipskizze einer Draufsicht auf Bereiche G1 und G2 eines optischen Elements gemäß der ersten bis vierten Alternative, wobei unterschiedliche Teilbereiche der Bereiche G2 in unterschiedlichen Zuständen befindlich sind, und wobei ferner sich kreuzende Bereiche G2 vorgesehen sind.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
• Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder. Außerdem sind der besseren Übersichtlichkeit geschuldet in der Regel jeweils nur eine geringe Auswahl an Elektroden, Lichtstrahlen, Partikeln, Flüssigkeitstropfen oder dergleichen dargestellt, obwohl in der Realität von diesen eine regelrechte Vielzahl vorhanden sein kann bzw. ist. Im Folgenden werden vier verschiedene Alternativen beschrieben, welche insbesondere was die Beschaffenheit des Substrats an sich und die Beschaffenheit der Partikel betrifft, Gemeinsamkeiten aufweist, die nicht explizit bei jeder Alternative wiederholt werden.
• In 1 ist die Prinzipskizze eines ersten optischen Elements im Querschnitt gemäß einer ersten Alternative in einem ersten Zustand, und in 2 in einem zweiten Zustand gezeigt.
• Das erste optische Element in der ersten Alternative umfasst in einer beispielhaften Ausgestaltung
• ― einen transparenten, plattenförmigen, als Lichtleiter 1 aus einem Material mit einer Brechzahl n_L ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche F1 ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche F2 ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche F1 und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche F2 einander abwechselnd erste Bereiche G1 und zweite Bereiche G2 ausgebildet sind,
• ― wobei die ersten Bereiche G1 mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl n_G1ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen n_L und n_G1 höchstens bis zu einem Wert von 0,11 voneinander abweichen, und
• ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche F2 liegenden zweiten Bereiche G2 jeweils ein Volumen V aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit mit einer Brechzahl n_G2 welche kleiner als die Brechzahl n_L ist, enthält, wobei die Flüssigkeit FL Licht absorbierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit als elektrophoretische Partikel P ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes deren Position einstellbar ist, wobei die Brechzahlen n_L und n_G2 sich mindestens um einen Wert von 0,05 und höchstens um einen Wert von 0,35 unterscheiden,
• ― wobei der Lichtleiter 1 an Grenzflächen zu den jeweils ein Volumen V aufweisenden zweiten Bereichen G2 mindestens auf der Seite der Lichtaustrittsfläche F2 strukturierte Oberflächen aufweist, welche Licht, dass über die Bereiche G1 in den Lichtleiter 1 eintritt, überwiegend intern total reflektieren,
• ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen V aufweisenden zweiten Bereichen G₂ auf der Seite der Lichtaustrittsfläche F2, mit planen ersten Elektroden E1 an einer dem Lichtleiter 1 abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche F2 des Lichtleiters 1 parallel, und mit transparenten, an den strukturierten Oberflächen anliegenden zweiten Elektroden E2 im Innern des zweiten Bereichs G2 an einer Grenzfläche F2 zum Lichtleiter 1, welche umgekehrt zu den ersten Elektroden E1 gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind,
• ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche F1 in den zweiten Bereichen G2 eine opake Reflexionsschicht 2, welche an der Lichteintrittsfläche F1 angebracht ist, so dass
  1. a) die Licht absorbierenden Elemente P im ersten Zustand zu mehr als 85% die zweiten Elektroden E2 bedecken, wodurch die innere Totalreflexion von Licht an den strukturierten Oberflächen gestört und die Ausbreitung von Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter 1 eintritt, mittels Absorption durch die Licht absorbierenden Elemente P überwiegend unterbunden wird, und
  2. b) die Licht absorbierenden Elemente P im zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweiten Elektroden E2 bedecken, so dass die Ausbreitung von Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter 1 eintritt, zu weniger als 50% von den Licht absorbierenden Elementen P absorbiert wird,
• ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche F1 lokalisierte erste Bereiche G1 in den Lichtleiter 1 eintritt, und
  • ― im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche F2 lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt oder aufgrund der Licht absorbierenden Elemente P in den zweiten Bereichen G2 überwiegend absorbiert wird, oder
  • ― im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche F2 lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt oder aufgrund innerer Totalreflexion an den strukturierten Oberflächen und Reflexion an einer reflektierenden Schicht 2 an der Lichteintrittsfläche F1 im Lichtleiter solange propagiert, bis es den Lichtleiter 1 durch die an der Lichtaustrittsfläche F2 lokalisierten ersten Bereiche G1 in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
• In dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird als Material für den Lichtleiter 1 und die ersten Bereiche G1 jeweils PMMA (Polymethylacrylat oder Acrylglas) mit einer Brechzahl von 1,48 verwendet, die Brechzahlen n_L und n_G1 sind also gleich. Als transparente Flüssigkeit wird hier Wasser mit einem Brechungsindex von 1,33 verwendet. Licht, welches durch die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter 1 eintritt und im ersten und zweiten Zustand das optische Element in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche F2 lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt, wird durch den Lichtstrahl symbolisiert, welcher den zentralen Bereich G1 in 1 und 2 verlässt. Licht, welches aus den Bereichen G1 in den Lichtleiter 1 unterhalb der Bereiche G2 übertritt, wird im ersten Zustand dort absorbiert, wie 1 für den von rechts eintretenden Strahl zeigt. Im zweiten Zustand wird dieser Strahl jedoch mehrfach reflektiert und verlässt den Lichtleiter 1 ebenfalls durch an der Lichtaustrittsfläche F2 lokalisierte Bereiche G1, wie 2 zeigt. Die Bereiche G1 erstrecken sich hier über die gesamte Tiefe (entsprechend der vertikalen Richtung in der Zeichenebene), die Bereiche G2 sind jedoch nur im Bereich der Lichtaustrittsfläche lokalisiert.
• In der Realität sind eine Vielzahl von ersten und zweiten Bereichen G1 und G2 vorhanden, auch wenn hier in den Zeichnungen nur wenige dargestellt und diese der Übersichtlichkeit geschuldet auch nur primär jeweils auf der linken Seite im Detail beschriftet sind.
• Alternativ können anstelle von elektrophoretischen Partikeln P auch Flüssigkeitstropfen F verwendet werden. Dabei ist mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar. Ansonsten gelten für die Wirkungsweise des optischen Elements die vorstehend beschriebenen Ausführungen im Zusammenspiel mit 1 und 2.
• In dieser ersten Alternative dürfen im zweiten Zustand die Licht absorbierenden Elemente F,P keinen Kontakt mit der dem Lichtleiter 1 zugewandten zweiten Elektrode E2 haben. Im ersten Zustand hingegen sind die Licht absorbierenden Elemente F, P im Kontakt mit der Grenzfläche F2. Die Mindestdicke der aus den absorbierenden Elementen F, P an der dem Lichtleiter zugewandten zweiten Elektrode E2 angehäuften Schicht sollte 100 nm an mindestens 85% der Fläche F2 in den Bereichen G2 betragen. Die Maximaldicke einer solchen Schicht ist typischerweise fünf Mikrometer. Im Falle elektrophoretischer Partikel P wird die besagte Schicht über Anhäufung einer Vielzahl von Partikeln gebildet, im Falle von Flüssigkeitstropfen F durch Überlagerung und/oder Bewegung einer Vielzahl von Flüssigkeitstropfen F.
• 3 stellt die Prinzipskizze eines beispielhaften optischen Elements gemäß einer zweiten Alternative in einem ersten Zustand dar, 4 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der zweiten Alternative in einer ersten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand, sowie 5 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der zweiten Alternative in einer zweiten Ausgestaltung in dem zweiten Zustand. Dieses optische Element gemäß der zweiten Alternative umfasst
• ― einen transparenten, plattenförmigen, als Lichtleiter 1 mit einer Brechzahl n_L ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche F1 ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche F2 ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche F1 und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche F2 einander abwechselnd erste Bereiche G1 und zweite Bereiche G2 ausgebildet sind,
• ― wobei die ersten Bereiche G1 mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl n_G1 ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen n_L und n_G1 höchstens bis zu einem Wert von 0,11 voneinander abweichen, und
• ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche F2 liegenden zweiten Bereiche G2 jeweils ein Volumen V aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit FL enthält, wobei die Flüssigkeit FL Licht reflektierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit als Flüssigkeitstropfen F ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes deren Position einstellbar ist,
• ― wobei die ein Volumen V aufweisenden zweiten Bereiche G2 an einer dem Lichtleiter 1 abgewandten Seite jeweils eine opake Absorptionsschicht 3 aufweisen,
• ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen V aufweisenden zweiten Bereichen G2 auf der Seite der Lichtaustrittsfläche F2, mit ersten Elektroden E1 an der dem Lichtleiter 1 abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche F2 des Lichtleiters parallel liegt, und mit transparenten, an einer planen Grenzfläche F2 zum Lichtleiter 1 anliegenden zweiten Elektroden E2 im Innern des zweiten Bereichs G2, welche umgekehrt zu den ersten Elektroden E1 gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind,
• ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche F1 in den zweiten Bereichen G2 eine opake Reflexionsschicht 2, welche an der Lichteintrittsfläche F1 angebracht ist, so dass
  1. a) die Licht reflektierenden Elemente P im ersten Zustand zu weniger als 15% die zweite Elektrode E2 bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter 1 eintritt und in die zweiten Bereiche G2 übertritt, überwiegend an den opaken Schichten 3 absorbiert wird, und
  2. b) die Licht reflektierenden Elemente P im zweiten Zustand zu mehr als 85% die zweite Elektrode E2 bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter 1 eintritt, - je nach Ausgestaltung, z.B. gemäß einer Umsetzung nach 4 an den Grenzflächen F2 des Lichtleiters 1- zu den zweiten Bereichen G2 reflektiert wird,
  • ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche F1 lokalisierte erste Bereiche G1 in den Lichtleiter 1 eintritt, und
    • ― im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche F2 lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt oder aufgrund der opaken Schichten 3 in den zweiten Bereichen G2 absorbiert wird, oder
    • ― im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche F2 lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt oder aufgrund der Reflexion an einer reflektierenden Schicht 2 an der Lichteintrittsfläche F1 im Lichtleiter 1 solange propagiert, bis es den Lichtleiter 1 durch die an der Lichtaustrittsfläche F2 lokalisierten ersten Bereiche G1 in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
• Der Lichtleiter 1 und die ersten Bereiche G1 sind auch in diesem Beispiel aus PMMA mit einem Brechungsindex von 1,48. Als Flüssigkeit kommt auch hier Wasser infrage. Licht, welches durch die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter 1 eintritt und im ersten und zweiten Zustand das optische Element in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche F2 lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt, wird durch den Lichtstrahl symbolisiert, welcher den zentralen Bereich G1 in 3 bis 5 verlässt. Licht, das aus den Bereichen G1 unterhalb der Bereiche G2 in den Lichtleiter 1 eintritt, wird jedoch im ersten Zustand in den opaken Bereichen G2 absorbiert, wie 3 zeigt. Im zweiten Zustand hingegen wird solches Licht in beiden Ausgestaltungen durch mehrfache Reflexion nach Brechung an der Reflexionsschicht 2 sowie den Grenzflächen F2 den Lichtleiter wieder in Bereichen G1 - in den 4 und 5 auf der linken Seite - verlässt.
• Dabei sind die zweiten Elektroden E2 über die gesamte Fläche des Lichtleiters 1 ausgebildet, zumindest in den Bereichen G2, während die ersten Elektroden E1 die gesamte Fläche des Lichtleiters 1 oder auch nur Teile davon überdecken. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die erste und die zweite Elektrode E1, E2 beide auf ein- und derselben Fläche nicht überlappend aufgebracht sind.
• Die in 4 und 5 gezeigten Ausgestaltungen unterscheiden sich dahingehend, dass gemäß 4 die zweiten Elektroden E2 in unmittelbarer Nähe auf direkt auf den Grenzflächen F2 in den Bereichen G2 angeordnet sind, während gemäß 5 die ersten Elektroden E1 und die zweiten Elektroden E2 räumlich nahe beieinander, ggf. sogar in der gleichen Ebene liegen. Hier würden sich beispielsweise die ersten Elektroden E1 und die zweiten Elektroden E2 jeweils alternierend und streifenförmig unmittelbar vor der opaken Schicht 3 befinden. Die beispielhaften Ansammlungen elektrophoretischer Partikel P im ersten Zustand gemäß 3 würden dann erreicht, indem die ersten Elektroden E1 und die zweiten Elektroden E2 entsprechend jeweils komplementär so gepolt werden, so dass keine Partikelansammlung auf den zweiten Elektroden E2, wohl aber auf den ersten Elektroden E1 stattfindet.
  Im Falle einer solchen Ausgestaltung nach 5 würden beispielsweise die Licht reflektierenden Elemente P im zweiten Zustand zu mehr als 85% die zweiten Elektroden E2 und optional gleichzeitig die ersten Elektroden E1 (hier ausnahmsweise gleiche Polung beider Elektroden E1 und E2) bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter 1 eintritt, zu den zweiten Bereichen G2 reflektiert wird.
• Alternativ können anstelle von elektrophoretischen Partikeln P auch Flüssigkeitstropfen F verwendet werden. Dabei ist mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar. Ansonsten gelten für die Wirkungsweise des optischen Elements die vorstehend beschriebenen Ausführungen im Zusammenspiel mit 3 bis 5.
• Die Lichteintritts- und die Lichtaustrittsfläche F1, F2 des Lichtleiters 1 sind hier parallel zueinander angeordnet.
• Für die erste Alternative des optischen Elements kann die strukturierte Oberfläche F2 des Lichtleiters 1 mit wellenförmigen, linsenförmigen und/oder prismenförmigen Strukturen ausgebildet sein.
• Ein optisches Element der ersten oder zweite Alternative kann ferner derart ausgestaltet sein, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel P ausgestaltet sind, welche als (Nano-)Partikel, Quantenpunkte und/oder Farbstoffe ausgebildet sind und eine räumliche Ausdehnung von maximal 500 nm 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 kettenförmigen Partikeln P ist das der größtmögliche Abstand, den zwei Punkte auf der Oberfläche des Partikels jeweils voneinander aufweisen können.
• Für das erfindungsgemäße optische Element der ersten Alternative ist es von Vorteil, wenn die Licht absorbierenden Elemente als elektrophoretische Partikel P ausgestaltet sind, welche als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), ausgebildet sind, und eine Größe zwischen 2 nm und 50 nm jeweils einschließlich aufweisen.
  Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn alle vorhandenen elektrophoretischen Partikel P noch eine Oberflächenfunktionalisierung aufweisen, und zwar mit hohem Zeta-Potential, zum einen als Stabilisierung in der Flüssigkeit FL, und zum anderen für eine Verbesserung der Elektrophorese, d.h. einer Begünstigung der Elektrophorese, sofern es sich um elektrophoretisch bewegbare Partikel P handelt. Dies lässt sich beispielsweise mit PVP (Polyvinylpyrrolidon) oder PEG (Polyethylenglykol) für wässrige Systeme umsetzen.
• Für die zweite Alternative ist es darüber hinaus möglich, dass die Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel P ausgestaltet sind, welche als reflektierende Kugeln mit Durchmessern zwischen 5 nm und 5000 nm ausgebildet sind.
  Eine oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die Licht absorbierenden Partikel P oder Flüssigkeitstropfen F 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.
• Beide hier gezeigten Alternativen des optischen Elements sind so ausgestaltet, dass mittels der elektrischen Schaltmittel E1, E2 und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände definiert sind, wobei im Falle, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel P ausgestaltet sind, in Abhängigkeit von deren Position und wobei im Falle, dass Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen F ausgestaltet sind, in Abhängigkeit von deren Ausdehnung, Form und/oder Position, in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei weniger als 50% liegt und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei mehr als 50% in einem Winkelbereich von mehr als 30° bis 90° bezogen auf eine Flächennormale der Lichtaustrittsfläche F2 des Lichtleiters 1, gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Bereiche G1.
• Dabei ist es insbesondere möglich, dass die winkelabhängige Transmission im zweiten Betriebszustand B2 mehr als 60% und im ersten Betriebszustand B1 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der Lichtaustrittsfläche F2 des Lichtleiters 1 und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der Bereiche G1. Wenn das optische Element, wie weiter unten noch detaillierter ausgeführt in Zusammenhang mit einer Bildwiedergabeeinheit verwendet wird, so kann bevorzugt die vorgenannte Richtung, in welcher gemessen wird, der horizontalen Ausdehnungsrichtung der Bildwiedergabeeinrichtung entsprechen.
• In diesem Sinne umfasst der Winkelbereich im gezeigten Beispiel dann jeweils die Winkel von +/-30° bis +/-90° (also jeweils von -90° bis -30° und gleichzeitig von +30° bis +90°, nicht aber zwischen -30° und +30°) in dieser Ebene. Bei 90° liegt der Winkel auf der Oberfläche des optischen Elements.
• Weiterhin ist es möglich, dass für die erste oder zweite Alternative die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel P ausgestaltet sind und dabei gleichzeitig mehrere Arten solcher Partikeln P vorhanden sind, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden. Mit dem Begriff „Transporteigenschaften“ ist insbesondere das Verhalten der Partikel P bei der (Di- )Elektrophorese, d.h. beim Transport im Feld, gemeint. Diese Variante kommt insbesondere im Falle von (Nano-)-Partikeln P zum Tragen: der Unterschied der Partikelarten P1, P2, P3, ... besteht hierbei z.B. in der Partikelgröße und/oder der Oberflächenfunktionalisierung, d.h. im Zeta-Potential. Im Falle der Verwendung von Quantenpunkten oder Farbstoffen als Partikel P und wenn diese fluoreszierend sind, kommt bevorzugt noch ein sogenanntes „Quencher“-Material zum Einsatz, um eben die Fluoreszenz zu vermeiden.
• 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erste mögliche Anordnung der ersten und zweiten Bereiche G1 bzw. G2. Die ersten Bereiche G1sind hell, die zweiten Bereiche G2 sind dunkel dargestellt. Für bevorzugte Ausgestaltungen der ersten und der zweiten Alternative des optischen Elements sind die ersten und zweiten Bereiche G1 bzw. G2 bei Projektion senkrecht auf die Lichtaustrittsfläche streifen- oder rechteckförmig, wie in 6 dargestellt. Mit anderen Worten: Die Außenkanten der ersten Bereiche G1 und der zweiten Bereiche G2 stellen bei Parallelprojektion von jeweils oben Streifen oder Rechtecke dar. Damit wird die Winkelbeeinflussung für das aus dem optischen Element austretende Licht in genau einer Ebene erzeugt. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Verhältnis der Flächenanteile der Oberflächen der ersten Bereiche G1 zu den Oberflächen der zweiten Bereiche G2 bei Projektion senkrecht auf die Lichtaustrittsfläche kleiner oder gleich 1:1 ist, wie hier gezeigt.
• Alternativ dazu gibt 7 eine schematische Draufsicht auf die ersten und zweiten Bereiche G1 bzw. G2 in einer zweiten möglichen Anordnung wieder. Dabei sind rechteckförmige zweite Bereiche G2 in einen im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des optischen Elements überdeckenden ersten Bereich G1 eingebettet. Im Gegensatz zur Variante nach 6 ist es hier möglich, die Winkelbeeinflussung für das aus dem optischen Element austretende Licht in zwei Ebenen zu erzeugen.
• Weiterhin zeigt 8 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß einer dritten Alternative im Querschnitt in einem ersten Zustand, bei der ein Austrittswinkelbereich von Licht, welches aus der Lichtaustrittsfläche tritt, gegenüber einem Eintrittswinkelbereich des Lichts beim Eintritt über die Lichteintrittsfläche beschnitten ist, und 9 die Prinzipskizze des optischen Elements gemäß der dritten Alternative in einem zweiten Zustand, bei der ein Austrittswinkelbereich von Licht gegenüber dessen Eintrittswinkelbereich nicht oder nur unwesentlich beschnitten ist.
• Ein solches optisches Element gemäß der dritten Alternative umfasst beispielhaft
• - einen transparenten, plattenförmigen Grundkörper S mit einer als Lichteintrittsfläche F1 ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche F2 ausgebildeten zweiten Großfläche,
• - eine transparente Flüssigkeit FL, welche zwischen der ersten Großfläche F1 und der zweiten Großfläche F2 angeordnet ist und Licht absorbierende Flüssigkeitstropfen F enthält, deren Ausdehnung und Form und/oder Position im Grundkörper mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes einstallbar ist, wobei die Ausdehnung in einer Ausdehnungsspanne zwischen einer Minimalausdehnung und einer Maximalausdehnung einstellbar ist,
• - elektrische Schaltmittel mit einer Vielzahl von ersten flächenförmigen Elektroden E1, welche transparent und zwischen den Großflächen F1, F2 angeordnet sind, und dazu korrespondierenden zweiten flächenförmigen Elektroden E2, welche an der Lichteintrittsfläche F1 angeordnet und umgekehrt zu den ersten flächenförmigen Elektroden E1 gepolt sind, wobei die Polungen von ersten und zweiten flächenförmigen Elektroden E1, E2 umkehrbar sind,
• - wobei die Maximalausdehnung in der Größenordnung einer Längsausdehnung der ersten flächenförmigen Elektroden E1 zwischen der ersten und zweiten Großfläche F1, F2 liegt,
• - bei einer Ausdehnung der absorbierenden Flüssigkeitstropfen F von mindestens 85% der Maximalausdehnung ein Austrittswinkelbereich von Licht, welches aus der Lichtaustrittsfläche F2 tritt, gegenüber einem Eintrittswinkelbereich des Lichts beim Eintritt über die Lichteintrittsfläche F1 beschnitten ist (siehe 8), und
• - bei einer Ausdehnung der absorbierenden Flüssigkeitstropfen F von weniger als 20% der Maximalausdehnung der Austrittswinkelbereich gegenüber dem Eintrittswinkelbereich nicht oder nur unwesentlich beschnitten ist (siehe 9).
• Speziell im Fall der dritten Alternative ist es möglich, dass die Normalen der Vielzahl von ersten flächenförmigen Elektroden E1, welche transparent und zwischen den Großflächen F1, F2 angeordnet sind, einen Winkel von einschließlich -25 Grad bis einschließlich +25 Grad mit der Mittelsenkrechten der Lichtaustrittsfläche F2 des optischen Elements aufweisen. Damit kann der beschnittene Austrittswinkelbereich um einen Absolutwert herum gekippt werden, wenn die Anwendung dies erfordert.
• Ein Vorteil dieser dritten Alternative ist, dass keinerlei Kammern oder ähnliches zur Kanalisierung der Flüssigkeit FL bzw. Gerüstmatrix und der darin befindlichen Flüssigkeitstropfen F nötig sind. Die finale Lokalisierung der Flüssigkeitstropfen nach deren Bewegung an den Elektroden erübrigt grundsätzlich das Vorhandensein solcher Kammern. Die ersten Elektroden E1 sind hier beispielsweise streifenförmig ausgebildet und entweder parallel oder gitterförmig, mit sich kreuzenden Bereichen, angeordnet. Entsprechend gestalten sich dann die winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des optischen Elements gegenüber einer oder zwei senkrecht zueinanderstehenden Ebenen.
• Die ersten Elektroden E1 sind hier alle im gleichen Winkel zur zweiten Großfläche des Substrates, jeweils im Wesentlichen parallel zur Mittelsenkrechten auf das Substrat, ausgerichtet.
• Die elektromagnetischen Schaltmittel, d.h. wie vorbeschrieben die Elektroden E1, E2, sind vorteilhaft in allen Alternativen für Licht, das über die Lichteintrittsfläche F1 in das optische Element einfällt, im für ein menschliches Auge sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50% transparent. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Indiumzinnoxid-Schicht (ITO-Schicht) handeln. Im Falle von Elektroden E1 auf der vom Lichtleiter jeweils abgewandten Seite der Bereiche G2 kann es sich jedoch unter Umständen auch um opake Elektroden handeln.
• Die Flüssigkeit FL kann polar oder unpolar sein. Sie kann ferner zum Beispiel aus Wasser, Öl, Toluol oder Formaldehyd bestehen, auch versetzt mit Elektrolyten oder anderen organischen Substanzen, um die Partikel P in der Flüssigkeit FL zu stabilisieren oder ihre elektrophoretischen Eigenschaften zu modifizieren.
• Sind die Licht absorbierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen F ausgestaltet , können sie zur Erzielung einer Absorption organische Farbstoffe, Ruß, Graphen, Carbon, Metalloxide wie beispielsweise Chrom(IV)Oxid, Fe₂O₃, Fe₃O₄ oder FeO oder colloidale Halbleiterquantenpunkte enthalten oder mit Polymer- oder porösen Silikamikropartikeln versetzt sein. Dabei beinhaltet ein einzelner Flüssigkeitstropfen F die vorgenannten Ingredienzien zu höchstens 70 Vol-% und weist ein Volumen von 5 × 10^-13 bis 2 × 10^-10 Liter einschließlich auf.
• Die Lichteintrittsfläche F1 des Lichtleiters 1 eines vorbeschriebenen optischen Elements befindet sich in der Regel aus Sicht eines Betrachters auf der Rückseite des optischen Elements und grenzt je nach dessen Anwendungsfall beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung, eine Lichtquelle oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche F1 bzw. die Bereiche G1 in das optische Element ein.
• Schließlich zeigt 10 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß einer vierten Alternative in einer ersten Ausgestaltung in einem ersten Zustand, 11 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der vierten Alternative in einer zweiten Ausgestaltung in dem ersten Zustand, 12 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der vierten Alternative in der dritten Ausgestaltung in einem zweiten Zustand, sowie 13 die Prinzipskizze eines optischen Elements gemäß der vierten Alternative in der vierten Ausgestaltung in dem zweiten Zustand. Ein solches beispielhaftes optisches Element gemäß der vierten Alternative umfasst
• ― einen transparenten, plattenförmigen, als Lichtleiter 1 aus einem PMMA mit einer Brechzahl n_L =1,48 ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche F1 ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche F2 ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche F1 und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche F2 einander abwechselnd erste Bereiche G1 und zweite Bereiche G2 ausgebildet, ausgespart oder angeordnet sind,
• ― wobei die ersten Bereiche G1 mit einem transparenten Material - hier ebenfalls PMMA - mit der Brechzahl n_G1 =1,48 ausgefüllt sind, und
• ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche F2 liegenden zweiten Bereiche G2 jeweils ein Volumen V aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit FL enthält, wobei die Flüssigkeit FL Licht absorbierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit entweder als Flüssigkeitstropfen F oder als elektrophoretische Partikel P ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel P deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen F deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist,
• ― wobei die ein Volumen V aufweisenden zweiten Bereiche G2 an einer dem Lichtleiter 1 abgewandten Seite jeweils eine reflektierende Schicht 4 aufweisen,
• ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen V aufweisenden zweiten Bereichen G2 auf der Seite der Lichtaustrittsfläche F2, mit ersten Elektroden E1 an der dem Lichtleiter 1 abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche F2 des Lichtleiters 1 parallel liegt, und mit transparenten, an einer planen Grenzfläche F2 zum Lichtleiter 1 anliegenden zweiten Elektroden E2 im Innern des zweiten Bereichs G2, welche umgekehrt zu den ersten Elektroden E1 gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind,
• ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche F1 in den zweiten Bereichen G2 eine (optional opake) Reflexionsschicht 2, welche an der Lichteintrittsfläche F1 angebracht ist, so dass
  1. a) die Licht absorbierenden Elemente F, P im ersten Zustand zu mehr als 85% die zweite Elektrode E2 bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt und in die zweiten Bereiche G2 übertritt, von den absorbierenden Elementen überwiegend absorbiert wird,
  2. b) die Licht absorbierenden Elemente F,P im zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweite Elektrode bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche G1 in den Lichtleiter eintritt und in die zweiten Bereiche G2 übertritt, überwiegend an den reflektierenden Schichten 2, 4 reflektiert wird, und
  • ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche F1 lokalisierte erste Bereiche G1 in den Lichtleiter 1 eintritt, und
    • ― im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche F2 lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt (siehe Strahl, der den zentralen Bereich G1 in 10 und 11 verlässt) oder aufgrund der absorbierenden Elemente F, P in den zweiten Bereichen G2 absorbiert wird (siehe den Strahl, der im Bereich G2 in 10 und 11 absorbiert wird), oder
    • ― im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche F2 lokalisierte erste Bereiche G1 verlässt (siehe den Strahl, der den zentralen Bereich G1 in 12 und 13 verlässt) oder aufgrund der Reflexion an einer reflektierenden Schicht 4 an einer dem Lichtleiter 1 abgewandten Seite jeweils eines zweiten Bereichs G2 und/oder an einer Reflexionsschicht 2 an der Lichteintrittsfläche F1 im Lichtleiter 1 solange propagiert, bis es den Lichtleiter 1 durch die an der Lichtaustrittsfläche lokalisierten ersten Bereiche G1 in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt (siehe den Strahl, der den links eingezeichneten Bereich G1 in 12+13 verlässt).
• Als Material für den Lichtleiter 1 und für die ersten Bereiche G1 wurde hier jeweils PMMA genommen. Allgemein ist es jedoch möglich, unterschiedliche Materialien zu nehmen, deren Brechzahlen bis zu einem Absolutwert von 0,11 voneinander abweichen können. So könnte beispielsweise ein anderes Polymer, Polycarbonat, PET oder auch Glas zum Einsatz kommen.
• Der Unterschied zwischen den Ausgestaltungen der vierten Alternative des optischen Elements gemäß der Zeichnungen 10 (erste Ausgestaltung) und 11 (zweite Ausgestaltung) besteht darin, dass die Elektroden unterschiedlich angeordnet sind. Gemäß der ersten Ausgestaltung der vierten Alternative in 10 sind die zweiten Elektroden E2 unmittelbar bei der Lichtaustrittsfläche F2 des Lichtleiters 1 angeordnet, so dass die absorbierenden Elemente F, P sich bei entsprechender Polung für den ersten Zustand dort anordnen und verteilen. Demgegenüber sind in der zweiten Ausgestaltung gemäß 11 die ersten und zweiten Elektroden E1 und E2 so strukturiert, dass sie durch entsprechende flächige Gleichpolung einmal eine flächige Verteilung der absorbierenden Elemente F, P im ersten Zustand erzielen, und ein anderes Mal für den zweiten Zustand gemäß 12 oder 13 die absorbierenden Elemente F, P nur punktuell im Bereich G2 verteilen.
• Die dritten und vierten Ausgestaltungen gemäß der Zeichnungen 12 und 13 wiederum unterscheiden sich dadurch, dass auch hier die ersten Elektroden E1 jeweils anders strukturiert sind, um unterschiedliche Verteilungen der absorbierenden Element F, P im zweiten Zustand erzielen, insbesondere durch jeweils unterschiedliche Verteilung der ersten Elektroden E1, wie aus den genannten Zeichnungen ersichtlich ist.
  Es ist somit möglich, in der vierten Alternative die erste (10) bzw. zweite (11) Ausgestaltung der ersten Elektroden E1 zum Erhalt des ersten Zustandes mit den dritten (12) und vierten Ausgestaltungen (13) der zweiten Elektroden E2 zu kombinieren.
• Für die vierte Alternative gelten ansonsten sinngemäß weiter oben gegebene Ausgestaltungsvarianten, insbesondere zur ersten Ausgestaltung. Diese werden aus Redundanzgründen an dieser Stelle nicht wiederholt.
• Überdies zeigt 14 allgemein die Prinzipskizze zur Anlagerung eines opaken Flüssigkeitstropfens F oder einer Vielzahl an opaken elektrophoretischen Partikeln P an negativ geladenen ersten Elektroden E1 und 15 die Prinzipskizze zur Anlagerung eines opaken Flüssigkeitstropfens F oder einer Vielzahl an opaken elektrophoretischen Partikeln P an einer flächigen, negativ geladenen zweiten Elektrode E2.
• Ferner gibt 16 die Prinzipskizze einer Draufsicht auf erste Bereiche G1 und zweite Bereiche G2 eines optischen Elements gemäß der ersten, zweiten oder vierten Alternative wieder, wobei unterschiedliche Teilbereiche der zweiten Bereiche G2 in unterschiedlichen Zuständen befindlich sind, was durch den gestrichelt umrahmten Anteil hervorgehoben ist.
• Weiterhin stellt 17 die Prinzipskizze einer Draufsicht auf erste Bereiche G1 und zweite Bereiche G2 eines optischen Elements gemäß der ersten, zweiten oder vierten Alternative dar, wobei unterschiedliche Teilbereiche der zweiten Bereiche G2 in unterschiedlichen Zuständen befindlich sind (siehe umrahmter Teil), und wobei hier fernerhin sich kreuzende erste Bereiche G1 vorgesehen sind.
• Für alle Alternativen des optischen Elements gilt in diesem Zusammenhang, dass optional die elektrischen Schaltmittel E1, E2 in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sein können, wodurch eine segmentweise und dadurch lokal beschränkbare Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand ermöglicht wird. Mit lokaler Umschaltbarkeit ist hierbei gemeint, dass nicht in allen zweiten Bereichen G2 gleichzeitig der zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand gewechselt wird, sondern dass vielmehr auf dem optischen Element gleichzeitig zweite Bereiche G2 mit sowohl dem ersten als auch dem zweiten Zustand vorliegen. Dies ist vorteilhaft, etwa wenn bei Nutzung des optischen Elements vor oder hinter einer Bildwiedergabeeinrichtung aus einem Blickwinkel von über 30 Grad zur Seite Teile des dargestellten Bildinhaltes sichtbar und andere nicht sichtbar sein sollen.
• Die Erfindung erlangt besondere Bedeutung, indem das optische Element gemäß der ersten, zweiten oder vierten Alternative einschließlich deren Abwandlungen in einem Bildschirm verwendet wird, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen eingeschränkten Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen freien Sichtmodus betrieben werden kann. Ein solcher Bildschirm umfasst mindestens ein optisches Element -wie vorangehend beschrieben- und eine dem mindestens einen optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit. Die Verwendung von zwei bevorzugt gleich ausgebildeten, übereinander gestapelten optischen Elementen verbessert die Wahrnehmung im Betriebszustand B2. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die optischen Elemente zwar gleichartig sind, jedoch die zweiten Bereiche G2 auf den beiden optischen Elementen jeweils gegeneinander um einen vorgegebenen Winkel in der Ebene einer der Austrittsflächen bzw. in der Draufsicht auf den Bildschirm verdreht angeordnet sind. Der besagte vorgegebene Winkel kann bis zu 25° betragen und liegt bevorzugt bei 16°.
• Bei der Bildwiedergabeeinheit handelt es sich beispielsweise um ein OLED-Display, ein LCD-Panel, ein SED, ein FED, ein Micro-LED-Display oder ein VFD. Da das optische Element unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.
• Ferner ist es beispielsweise möglich, das erfindungsgemäße optische Element in einer Bildwiedergabeeinheit, die über eine Hintergrundbeleuchtung verfügt, wie beispielsweise in einem LCD-Bildschirm, zu verwenden. Hier würde dann vorteilhaft das optische Element zwischen dem Bildwiedergabe-Panel (also dem LCD-Panel) und der Hintergrundbeleuchtung angeordnet sein, um zwischen einem ersten Betriebszustand B1 für einen eingeschränkten Sichtmodus und einem zweiten Betriebszustand B2 für einen freien Sichtmodus umzuschalten, weil das Licht der Hintergrundbeleuchtung aufgrund des optischen Elements einmal fokussiert (B1) und einmal nicht fokussiert (B2) wird. Mit „Fokussierung“ ist dabei nicht eine Fokussierung nach Art von Linsen gemeint, sondern eine räumliche Einengung des Abstrahlbereichs gemäß der jeweiligen winkelabhängigen Transmissionseigenschaften des erfindungsgemäßen optischen Elements.
• Die Erfindung umfasst auch die Verwendung eines optischen Elements einer der vier Alternativen oder eines vorbeschriebenen Bildschirms in einem PKW, einem mobilen Gerät, einem Desktop-Bildschirm, in einem Geldautomaten oder in einem Zahlterminal.
• Das vorangehend beschriebene optische Element kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und/oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe oder beim Lesen von Emails auf mobilen Geräten. Das optische Element kann - wie weiter oben beschrieben - auch im PKW angewendet werden. Außerdem ist es möglich, dass optische Element in Verbindung mit einer Bildwiedergabeeinrichtung für Werbezwecke zu verwenden, etwa wenn bestimmte Werbung nur mit einer bestimmten Körpergröße gesehen werden soll, und andere Werbung für alle Personen sichtbar sein darf.
• Mit den vorangehend beschriebenen Ausführungen eines erfindungsgemäßen optischen Elements lässt sich erreichen, was gewünscht war, nämlich die Transmission winkelabhängig zu beeinflussen, wobei das optische Element zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umschalten kann. Es ist preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt wird.

Claims (20)

1. Optisches Element, umfassend ― einen transparenten, platten- oder schalenförmigen, als Lichtleiter (1) aus einem Material mit einer Brechzahl nL ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche (F1) ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche (F2) ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche (F1) und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche (F2) einander abwechselnd erste Bereiche (G1) und zweite Bereiche (G2) ausgebildet, ausgespart oder angeordnet sind, ― wobei die ersten Bereiche (G1) mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl nG1 ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen nL und nG1 höchstens bis zu einem Wert von 0,11 voneinander abweichen, und ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche (F2) liegenden zweiten Bereiche (G2) jeweils ein Volumen (V) aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit (FL) oder eine Gerüstmatrix mit einer Brechzahl nG2 , welche kleiner als die Brechzah nL ist, enthält, wobei die Flüssigkeit (FL) oder Gerüstmatrix Licht absorbierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit entweder als Flüssigkeitstropfen (F) oder als elektrophoretische Partikel (P) ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel (P) deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen (F) deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist, wobei die Brechzahlen n_L und n_G2 sich mindestens um einen Wert von 0,05 und höchstens um einen Wert von 0,35 unterscheiden, ― wobei der Lichtleiter (1) an Grenzflächen zu den jeweils ein Volumen (V) aufweisenden zweiten Bereichen (G2) mindestens auf der Seite der Lichtaustrittsfläche (F2) strukturierte Oberflächen aufweist, welche Licht, dass über die ersten Bereiche (G1) in den Lichtleiter (1) eintritt, überwiegend intern total reflektieren, ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen (V) aufweisenden zweiten Bereichen (G2) auf der Seite der Lichtaustrittsfläche (F2), mit planen ersten Elektroden (E1) an einer dem Lichtleiter (1) abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche (F2) des Lichtleiters (1) parallel liegt oder dieser entspricht, und mit transparenten, an den strukturierten Oberflächen anliegenden zweiten Elektroden (E2) im Innern des zweiten Bereichs (G2) an einer Grenzfläche zum Lichtleiter (1), welche umgekehrt zu den ersten Elektroden (E1) gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind, ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche (F1) in den zweiten Bereichen (G2) analog strukturierte Oberflächen und/oder eine opake Reflexionsschicht (2), welche an der Lichteintrittsfläche (F1) angebracht ist, so dass a) die Licht absorbierenden Elemente (F, P) im ersten Zustand zu mehr als 85% die zweiten Elektroden (E2) bedecken, wodurch die innere Totalreflexion von Licht an den strukturierten Oberflächen gestört und die Ausbreitung von Licht, welches über die ersten Bereiche (G1) in den Lichtleiter (1) eintritt, mittels Absorption durch die Licht absorbierenden Elemente (F, P) überwiegend unterbunden wird, und b) die Licht absorbierenden Elemente (F, P) im zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweiten Elektroden (E2) bedecken, so dass die Ausbreitung von Licht, welches über die ersten Bereiche (G1) in den Lichtleiter (1) eintritt, zu weniger als 50% von den Licht absorbierenden Elementen (F, P) absorbiert wird, ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche (F1) lokalisierte erste Bereiche (G1) in den Lichtleiter (1) eintritt, und - im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche (F2) lokalisierte erste Bereiche (G1) verlässt oder aufgrund der Licht absorbierenden Elemente (F,P) in den zweiten Bereichen (G2) überwiegend absorbiert wird, oder - im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche (F2) lokalisierte erste Bereiche (G1) verlässt oder aufgrund innerer Totalreflexion an den strukturierten Oberflächen und ggf. Reflexion an einer reflektierenden Schicht (2) an der Lichteintrittsfläche (F1) im Lichtleiter (1) solange propagiert, bis es den Lichtleiter (1) durch die an der Lichtaustrittsfläche (F2) lokalisierten ersten Bereiche (G1) in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
2. Optisches Element, umfassend ― einen transparenten, platten- oder schalenförmigen, als Lichtleiter (1) aus einem Material mit einer Brechzahl nL ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche (F1) ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche (F2) ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche (F1) und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche (F2) einander abwechselnd erste Bereiche (G1) und zweite Bereiche (G2) ausgebildet, ausgespart oder angeordnet sind, ― wobei die ersten Bereiche (G1) mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl nG1 ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen nL und nG1 höchstens bis zu einem Wert von 0,11 voneinander abweichen, und ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche (F2) liegenden zweiten Bereiche (G2) jeweils ein Volumen (V) aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit (FL) oder eine Gerüstmatrix enthält, wobei die Flüssigkeit (FL) oder Gerüstmatrix Licht reflektierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit entweder als Flüssigkeitstropfen (F) oder als elektrophoretische Partikel (P) ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel (P) deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen (F) deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist, ― wobei die ein Volumen (V) aufweisenden zweiten Bereiche (G2) an einer dem Lichtleiter (1) abgewandten Seite jeweils eine opake Absorptionsschicht (3) aufweisen, ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen (V) aufweisenden zweiten Bereichen (G2) auf der Seite der Lichtaustrittsfläche (F2), mit ersten Elektroden (E1) an der dem Lichtleiter (1) abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche (F2) des Lichtleiters (1) parallel liegt oder dieser entspricht, und mit transparenten, an einer planen Grenzfläche zum Lichtleiter (1) anliegenden zweiten Elektroden (E2) im Innern des zweiten Bereichs (G2), welche umgekehrt zu den ersten Elektroden (E1) gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind, ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche (F1) in den zweiten Bereichen (G2) eine opake Reflexionsschicht (2), welche an der Lichteintrittsfläche (F1) angebracht ist, so dass a) die Licht reflektierenden Elemente (F, P) im ersten Zustand zu weniger als 15% die zweite Elektrode (E2) bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche (G1) in den Lichtleiter (1) eintritt und in die zweiten Bereiche (G2) übertritt, überwiegend an den opaken Schichten (3) absorbiert wird, und b) die Licht reflektierenden Elemente (F, P) im zweiten Zustand zu mehr als 85% die zweite Elektrode (E2) bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche (G2) in den Lichtleiter (1) eintritt, an den Grenzflächen des Lichtleiters (1) zu den zweiten Bereichen (G2) reflektiert wird, ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche (F1) lokalisierte erste Bereiche (G1) in den Lichtleiter (1) eintritt, und - im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche (F2) lokalisierte erste Bereiche (G1) verlässt oder aufgrund der opaken Schichten (3) in den zweiten Bereichen (G2) absorbiert wird, oder -im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche (F2) lokalisierte erste Bereiche (G1) verlässt oder aufgrund der Reflexion an einer reflektierenden Schicht (2) an der Lichteintrittsfläche (F1) im Lichtleiter (1) solange propagiert, bis es den Lichtleiter (1) durch die an der Lichtaustrittsfläche (F2) lokalisierten ersten Bereiche (G1) in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.
3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, umfassend außerdem auf der Seite der Lichteintrittsfläche (F1) in den ein Volumen (V) aufweisenden zweiten Bereichen (G2) elektrische Schaltmittel mit planen ersten Elektroden (E1) an einer dem Lichtleiter (1) abgewandten Fläche, welche zur Lichteintrittsfläche (F1) des Lichtleiters (1) parallel liegt oder dieser entspricht, und mit transparenten, an den strukturierten Oberflächen anliegenden zweiten Elektroden (E2) im Innern des zweiten Bereichs (G2) an einer Grenzfläche zum Lichtleiter (1), welche umgekehrt zu den ersten Elektroden (E1) gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind.
4. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche des Lichtleiters (1) mit wellenförmigen, linsenförmigen und/oder prismenförmigen Strukturen ausgebildet ist.
5. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel (P) ausgestaltet sind, welche als Nano-Partikel, Quanten-Punkte und/oder Farbstoffe ausgebildet sind und eine räumliche Ausdehnung von maximal 500 nm, maximal 200 nm, maximal 50 nm oder maximal 20 nm aufweisen.
6. Optisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel (P) ausgestaltet sind, welche als reflektierende Kugeln mit Durchmessern zwischen 5 nm und 5000 nm ausgebildet sind.
7. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht absorbierenden Elemente als elektrophoretische Partikel (P) ausgestaltet sind, welche als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), Bleisulfid (PbS), colloidale Halbleiterquantenpunkte, Azo-Farbstoffe und/oder als Metalloxidpartikel, bevorzugt aus Chrom(IV)Oxid oder Fe₂O₃ ausgebildet sind, und eine Größe zwischen 2 nm und 50 nm jeweils einschließlich aufweisen.
8. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der elektrischen Schaltmittel (E1, E2) und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände definiert sind, wobei im Falle, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel (P) ausgestaltet sind, in Abhängigkeit von deren Position und wobei im Falle, dass Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen (F) ausgestaltet sind, in Abhängigkeit von deren Ausdehnung, Form und/oder Position, in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei weniger als 50% liegt und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei mehr als 50% in einem Winkelbereich von mehr als 30° bis 90° bezogen auf eine Flächennormale der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters (1), gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der ersten Bereiche (G1).
9. Optisches Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die winkelabhängige Transmission im zweiten Betriebszustand B2 mehr als 60% und im ersten Betriebszustand B1 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° bezogen auf eine Flächennormale der Lichtaustrittsfläche (F2) des Lichtleiters (1) und gemessen in eine Richtung senkrecht zu einer Längsausdehnung der ersten Bereiche (G1).
10. Optisches Element nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Schaltmittel (E1, E2) in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sind, wodurch eine segmentweise und dadurch lokal beschränkbare Umschaltbarkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand ermöglicht wird.
11. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als elektrophoretische Partikel (P) ausgestaltet sind und mehrere Arten solcher Partikeln (P) vorhanden sind, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden.
12. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen (F) ausgestaltet sind und mehrere Arten solcher Flüssigkeitstropfen (F) vorhanden sind, die sich in ihren Absorptionseigenschaften und/oder Bewegungseigenschaften und/oder Verformungseigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden.
13. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht absorbierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen (F) ausgestaltet sind und zur Erzielung einer Absorption organische Farbstoffe, Ruß, Graphen, Metalloxide oder Halbleiterquantenpunkte enthalten oder mit Polymer- oder porösen Silikamikropartikeln versetzt sind.
14. Optisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen (F) ausgestaltet sind und zur Erzielung einer Reflexion Metallmikropartikel, Metallnanopartikel, oder metall- oder nanopartikelbeschichtete Polymer- oder Silikamikropartikel enthalten.
15. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht absorbierenden bzw. Licht reflektierenden Elemente als Flüssigkeitstropfen (F) ausgestaltet sind, welche jeweils einzeln ein Volumen von 5 × 10^-13 bis 2 × 10^-10Liter einschließlich aufweisen.
16. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bereiche (G1) und die zweiten Bereiche (G2) bei Projektion senkrecht auf die Lichtaustrittsfläche (F2) streifen- oder rechteckförmig sind.
17. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Flächenanteile der Oberflächen der ersten Bereiche (G1) zu den Oberflächen der zweiten Bereiche (G2) bei Projektion senkrecht auf die Lichtaustrittsfläche (F2) kleiner oder gleich 1:1, bevorzugt 1:2, besonders bevorzugt 1:4 ist.
18. Bildschirm, der der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen eingeschränkten Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen freien Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend mindestens ein optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 17 und eine dem mindestens einen optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.
19. Verwendung eines optischen Elements oder eines Bildschirms nach einem der vorgenannten Ansprüche in einem PKW, einem mobilen Gerät, einem Desktop-Bildschirm, in einem Geldautomaten oder in einem Zahlterminal.
20. Optisches Element, umfassend ― einen transparenten, platten- oder schalenförmigen, als Lichtleiter (1) aus einem Material mit einer Brechzahl nL ausgestalteten Grundkörper mit einer als Lichteintrittsfläche (F1) ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche (F2) ausgebildeten zweiten Großfläche, wobei an der Lichteintrittsfläche (F1) und dazu korrespondierend an der Lichtaustrittsfläche (F2) einander abwechselnd erste Bereiche (G1) und zweite Bereiche (G2) ausgebildet, ausgespart oder angeordnet sind, ― wobei die ersten Bereiche (G1) mit einem transparenten Material mit einer Brechzahl nG1 ausgefüllt sind, wobei die Brechzahlen nL und nG1 höchstens bis zu einem Wert von 0,11 voneinander abweichen, und ― wobei mindestens die auf der Seite der Lichtaustrittsfläche (F2) liegenden zweiten Bereiche (G2) jeweils ein Volumen (V) aufweisen, welches eine transparente Flüssigkeit (FL) oder eine Gerüstmatrix enthält, wobei die Flüssigkeit (FL) oder Gerüstmatrix Licht absorbierende Elemente enthält, welche in ihrer Gesamtheit entweder als Flüssigkeitstropfen (F) oder als elektrophoretische Partikel (P) ausgebildet sind, und wobei mittels eines wählbaren und veränderbaren elektrischen Feldes im Falle elektrophoretischer Partikel (P) deren Position und im Falle von Flüssigkeitstropfen (F) deren Ausdehnung, Form und/oder Position einstellbar ist, ― wobei die ein Volumen aufweisenden zweiten Bereiche (G2) an einer dem Lichtleiter (1) abgewandten Seite jeweils eine reflektierende Schicht (4) aufweisen, ― elektrische Schaltmittel in den ein Volumen (V) aufweisenden zweiten Bereichen (G2) auf der Seite der Lichtaustrittsfläche (F2), mit ersten Elektroden (E1) an der dem Lichtleiter (1) abgewandten Fläche, welche zur Lichtaustrittsfläche (F2) des Lichtleiters (1) parallel liegt oder dieser entspricht, und mit transparenten, an einer planen Grenzfläche zum Lichtleiter (1) anliegenden zweiten Elektroden (E2) im Innern des zweiten Bereichs (G2), welche umgekehrt zu den ersten Elektroden (E1) gepolt sind und wobei die Polungen zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand umschaltbar sind, ― sowie auf der Seite der Lichteintrittsfläche (F1) in den zweiten Bereichen (G2) eine Reflexionsschicht (2), welche an der Lichteintrittsfläche (F1) angebracht ist, so dass a) die Licht absorbierenden Elemente (F, P) im ersten Zustand zu mehr als 85% die zweite Elektrode (E2) bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche (G1) in den Lichtleiter (1) eintritt und in die zweiten Bereiche (G2) übertritt, von den absorbierenden Elementen (F,P) überwiegend absorbiert wird, b) die Licht absorbierenden Elemente (F, P) im zweiten Zustand zu weniger als 15% die zweite Elektrode (E2) bedecken, so dass Licht, welches über die ersten Bereiche (G1) in den Lichtleiter (1) eintritt und in die zweiten Bereiche (G2) übertritt, überwiegend an den reflektierenden Schichten (4) reflektiert wird, und ― so dass, wenn Licht auf das optische Element einfällt, dieses mindestens durch an der Lichteintrittsfläche (F1) lokalisierte erste Bereiche (G1) in den Lichtleiter (1) eintritt, und - im ersten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche (F2) lokalisierte erste Bereiche (G1) verlässt oder aufgrund der absorbierenden Elemente (F, P) in den zweiten Bereichen (G2) absorbiert wird, oder -im zweiten Zustand das optische Element entweder in einem eingeschränkten Winkelbereich durch an der Lichtaustrittsfläche (F2) lokalisierte erste Bereiche (G1) verlässt oder aufgrund der Reflexion an einer reflektierenden Schicht (4) an einer dem Lichtleiter (1) abgewandten Seite jeweils eines zweiten Bereichs (G2) und/oder an einer Reflexionsschicht (2) an der Lichteintrittsfläche (F1) im Lichtleiter (1) solange propagiert, bis es den Lichtleiter (1) durch die an der Lichtaustrittsfläche (F2) lokalisierten ersten Bereiche (G1) in größeren Winkeln als die des besagten eingeschränkten Winkelbereichs verlässt.

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