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Gebiet der Erfindung
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In den letzten Jahren wurden große Fortschritte zur Verbreiterung des Sehwinkels bei LCDs erzielt. Allerdings gibt es oft Situationen, in denen dieser sehr große Sehbereich eines Bildschirms von Nachteil sein kann. Zunehmend werden auch Informationen auf mobilen Geräten wie Notebooks und Tablet-PCs verfügbar, wie Bankdaten oder andere, persönliche Angaben, und sensible Daten. Dem entsprechend brauchen die Menschen eine Kontrolle darüber, wer diese sensiblen Daten sehen darf; sie müssen wählen können zwischen einem weiten Betrachtungswinkel, um Informationen auf ihrem Display mit anderen zu teilen, z.B. beim Betrachten von Urlaubsfotos oder auch für Werbezwecke. Andererseits benötigen sie einen kleinen Betrachtungswinkel, wenn sie die Bildinformationen vertraulich behandeln wollen.
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Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich im Fahrzeugbau: Dort darf der Fahrer bei eingeschaltetem Motor nicht durch Bildinhalte, wie etwa digitale Entertainmentprogramme, abgelenkt werden, während der Beifahrer selbige jedoch auch während der Fahrt konsumieren möchte. Mithin wird ein Bildschirm benötigt, der zwischen den entsprechenden Darstellungsmodi umschalten kann.
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Stand der Technik
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Zusatzfolien, die auf Mikro-Lamellen basieren, wurden bereits für mobile Displays eingesetzt, um deren visuellen Datenschutz zu erreichen. Allerdings waren diese Folien nicht (um)schaltbar, sie mussten immer erst per Hand aufgelegt und danach wieder entfernt werden. Auch muss man sie separat zum Display transportieren, wenn man sie nicht gerade braucht. Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes solcher Lamellen-Folien ist ferner mit den einhergehenden Lichtverlusten verbunden.
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Die
US 6,765,550 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.
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In der
US 5,993,940 A wird der Einsatz einer Folie beschrieben, die auf ihrer Oberfläche gleichmäßig angeordnete, kleine Prismenstreifen hat, um einen Privacy-Modus zu erzielen. Entwicklung und Herstellung sind recht aufwändig.
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In der
WO 2012/033583 A1 wird die Umschaltung zwischen freier und eingeschränkter Sicht vermittels der Ansteuerung von Flüssigkristallen zwischen sogenannten „chromonischen“ Schichten erzeugt. Hierbei entsteht ein Lichtverlust und der Aufwand ist recht hoch.
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Die
US 2012/0235891 A1 beschreibt ein sehr aufwändiges Backlight in einem Bildschirm. Dort kommen gemäß
1 und
15 nicht nur mehrere Lichtleiter zum Einsatz, sondern auch weitere komplexe optische Elemente wie etwa Mikrolinsenelemente 40 und Prismenstrukturen 50, die das Licht von der hinteren Beleuchtung auf dem Weg zur vorderen Beleuchtung umformen. Dies ist teuer und aufwändig umzusetzen und ebenso mit Lichtverlust verbunden. Gemäß der Variante nach
17 in der US 2012 / 0 235 891 A1 produzieren beide Lichtquellen 4R und 18 Licht mit einem schmalen Beleuchtungswinkel, wobei das Licht von der hinteren Lichtquelle 18 erst aufwändig in Licht mit einem großen Beleuchtungswinkel, umgewandelt wird. Diese komplexe Umwandlung ist - wie weiter oben schon bemerkt - stark helligkeitsmindernd.
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Gemäß der
JP 2007-155783 A werden spezielle, aufwändig zu berechnende und herzustellende optische Oberflächen 19 genutzt, die dann Licht je nach Lichteinfallswinkel in verschiedene schmale oder breite Bereiche ablenken. Diese Strukturen ähneln Fresnel-Linsen. Ferner sind Störflanken vorhanden, die Licht in unerwünschte Richtungen ablenken. Somit bleibt unklar, ob wirklich sinnvolle Lichtverteilungen erreicht werden können.
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In der
US 2013/0308185 A1 wird ein spezieller, mit Stufen ausgebildeter Lichtleiter beschrieben, der Licht auf einer Großfläche in verschiedene Richtungen abstrahlt, je nachdem, aus welcher Richtung er von einer Schmalseite aus beleuchtet wird. Im Zusammenspiel mit einem transmissiven Bildwiedergabeeinrichtung, z.B. einem LC-Display, kann somit ein zwischen freiem und eingeschränktem Sichtmodus schaltbarer Bildschirm erzeugt werden. Nachteilig ist hierbei u.a., dass der eingeschränkte Sichteffekt entweder nur für links/rechts oder aber für oben/unten, nicht aber für links/rechts/oben/unten gleichzeitig erzeugt werden kann, wie es etwa für bestimmte Zahlungsvorgänge nötig ist. Hinzu kommt, dass auch im eingeschränkten Sichtmodus aus geblockten Einblickwinkeln immer noch ein Restlicht sichtbar ist.
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Die
WO 2015/121398 A1 der Anmelderin beschreibt einen Bildschirm mit zwei Betriebsarten, bei dem für die Umschaltung der Betriebsarten essentiell Streupartikel im Volumen des entsprechenden Lichtleiters vorhanden sind. Die dort gewählten Streupartikel aus einem Polymerisat weisen jedoch in der Regel den Nachteil auf, dass Licht aus beiden Großflächen ausgekoppelt wird, wodurch etwa die Hälfte des Nutzlichtes in die falsche Richtung, nämlich zur Hintergrundbeleuchtung hin, abgestrahlt und dort aufgrund des Aufbaus nicht in hinreichendem Umfang recycelt werden kann. Überdies können die im Volumen des Lichtleiters verteilten Streupartikel aus Polymerisat unter Umständen, insbesondere bei höherer Konzentration, zu Streueffekten führen, die den Sichtschutzeffekt in der geschützten Betriebsart vermindern.
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Die
DE 10 2019 006 022 B3 der Anmelderin beschreibt ein optisches Element, umfassend ein plattenförmiges Substrat mit einer Vielzahl von darin eingebetteten, lamellenartig ausgebildeten Fluidkammern, wobei diese mit einer Flüssigkeit gefüllt sind. Die Flüssigkeit enthält elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbarer Partikel, welche Licht absorbieren. Aufgrund von veränderbaren, über Schaltmittel anlegbare, elektromagnetische Felder werden diese Partikel wahlweise bewegt, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht, welches in solchen Winkeln in das Substrat eintritt, dass es auf die Fluidkammern trifft, ändert. Hierbei sind allerdings die besagten Fluidkammern unbedingt notwendig, was einen gewissen Mastering- und Herstellungsaufwand nach sich zieht.
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Die
US 2015/0346578 A1 offenbart ein Verfahren, um ein elektrophoretisches Display anzusteuern. Dabei kommt eine dielektrophoretische Bewegung von Partikeln zum Einsatz. Eine Funktion zur definierten Variation der winkelabhängigen Transmission dieser Vorrichtung ist hierbei nicht vorgesehen und kann mit den in dieser Schrift offenbarten Mitteln auch nicht realisiert werden.
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In der
WO 2018/232 099 A1 wird ein elektro-optisches Medium mit gekapselten Pigmenten in einem Gelatinebindemittel beschrieben. Eine Funktion zur definierten Variation der winkelabhängigen Transmission dieser Vorrichtung ist auch hier nicht vorgesehen und kann mit den in dieser Schrift offenbarten Mitteln ebenso wenig realisiert werden.
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Schließlich beschreibt die
US 6,323,989 , B1 ein elektrophoretisches Display mit Nanopartikeln. Die zu Grunde liegende Lehre erlaubt jedoch nicht eine Funktion zur definierten Variation der winkelabhängigen Transmission und kann mit den dort vorliegenden Mitteln ebenfalls nicht realisiert werden.
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Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen ist in der Regel der Nachteil gemein, dass sie die Helligkeit des Grundbildschirms deutlich reduzieren und/oder ein aufwändiges und teures optisches Element zur Modi-Umschaltung benötigen und/oder die Auflösung im frei betrachtbaren Modus reduzieren.
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Beschreibung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zu beschreiben, welches die Transmission winkelabhängig (optional senkrecht) beeinflussen kann, und welches zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umschalten kann. Das optische Element soll preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar sein, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt werden soll. Optional soll das optische Element ohne lamellenartige Kammern auskommen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem optischen Element, umfassend,
- - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche,
- - eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix, die zwischen der ersten und der zweiten Großfläche angeordnet ist und bis zu 60 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbare Partikel einer ersten Art PA enthält, wobei eine Vielzahl an Partikeln der ersten Art PA vorhanden ist, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
- - flächenförmig an einer oder beiden Großflächen und/oder zwischen den Großflächen im Substrat ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein zwischen den Großflächen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel der ersten Art PA in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln der ersten Art PA absorbiert werden, welches über die Lichteintrittsfläche in das Substrat eintritt, ändert, so dass mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände B1 und B2 definiert sind.
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Dabei gilt erfindungsgemäß, dass
- - zusätzlich zu den Partikeln der ersten Art PA außerdem Partikel einer zweiten Art PB in der Flüssigkeit oder Gerüstmatrix F enthalten sind, wobei die Partikel der zweiten Art PB Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche reflektieren und/oder streuen und/oder transmittieren,
- - alle elektromagnetischen Schaltmittel als flächenförmige Elektroden EPN mit zwischen positiv und negativ umkehrbarer Polung auf der ersten und der zweiten Großfläche angeordnet sind, wobei entlang einer Flächennormalen der ersten oder zweiten Großfläche gesehen negativ gepolte Elektroden EPN auf der ersten Großfläche negativ gepolten Elektroden EPN auf der zweiten Großfläche und positiv gepolte Elektroden EPN auf der ersten Großfläche positiv gepolten Elektroden EPN auf der zweiten Großfläche gegenüberliegen, und wobei in einer -wie weiter vorn bereits definierten-Vorzugsrichtung zwischen zwei positiv gepolten Elektroden EPN auf jeder der Großflächen eine negativ gepolte Elektrode EPN und zwischen zwei negativ gepolten Elektroden EPN eine positive Elektrode EPN angeordnet ist, sofern nicht zwischen zwei positiv gepolten Elektroden EPN oder zwei negativ gepolten Elektroden EPN eine Leerstelle ohne Elektrode angeordnet ist, wobei die Leerstellen periodisch angeordnet sind,
- - die Partikel der ersten Art PA jeweils die eine und die Partikel der zweiten Art PB die andere elektrische Ladungspolarität aufweisen,
- - in beiden Betriebszuständen B1 und B2 mehr als 70% der Partikel der ersten Art PA jeweils zwischen den positiv gepolten Elektroden EPN lokalisiert und dazu komplementär mehr als 70% der Partikel der zweiten Art PB jeweils zwischen den negativ gepolten Elektroden EPN lokalisiert sind, oder umgekehrt, und dabei im ersten Betriebszustand B1 die Partikel der zweiten Art PB jeweils zwischen gleichpoligen Elektroden lokalisiert sind, die jeweils an eine Leerstelle angrenzen, und in dem zweiten Betriebszustand B2 die Partikel der ersten Art PA jeweils zwischen gleichpoligen Elektroden lokalisiert sind, die jeweils an eine Leerstelle angrenzen,
- - so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats.
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Elektrophoretisch zu bewegende Partikel der zweiten Art PB , welche das Licht streuen, können aus Polysterol, Melaninharz oder Silika mit Partikelgrößen zwischen 20 nm und 10 µm gebildet sein, und/oder die Partikel der zweiten Art PB , welche das Licht reflektieren, können als Silber-Nanopartikel mit Partikelgrößen zwischen 10 nm und 50 nm gebildet sein. Für eine Magnetophorese derartiger Partikel PB müssen selbige paramagnetische Eigenschaften aufweisen. Das kann dadurch erreicht werden, dass paramagnetische Partikel in die Partikel PB eingebaut werden. Dazu können beispielsweise Nickelnanopartikel verwendet werden, mit denen die Partikel der zweiten Art PB durchsetzt und/oder beschichtet sein können.
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In einer technisch äquivalenten Abwandlung können lamellenförmige ausgebildete und lamellenartig angeordnete Kammern vorhanden sein, die eine Licht streuende Gelmatrix Fs enthalten, wodurch die Partikel PB der zweiten Art ersetzt werden, d.h. die Kammern werden anstelle der Partikel PB der zweiten Art verwendet. Innerhalb dieser Gelmatrix Fs können sich dann die Partikel PA je nach Betriebszustand hin- und her bewegen.
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Die Gerüstmatrix ist beispielsweise als Polymermatrix, bevorzugt als Gelmatrix ausgebildet. Die Flüssigkeit kann polar oder unpolar sein. Sie kann ferner zum Beispiel aus Wasser, Öl, Toluol oder Formaldehyd bestehen, auch versetzt mit einem 10 Vol.-%igen Ferrofluid und/oder Elektrolyten.
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Die eine oder mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbaren Partikel PA 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.
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Die erste und die zweite Großfläche des plattenförmigen Substrates sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Sie können jedoch in besonderen Ausgestaltungen, etwa wenn besondere winkelabhängige Transmissionen des optischen Elements erreicht werden sollen, auch nicht-parallel, z.B. keilförmig in einem definierten Winkel von bis zu 20 Grad zueinander angeordnet sein.
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Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche des plattenförmigen Substrates befindet sich in der Regel aus Betrachtersicht auf der Rückseite des Substrates und grenzt je nach Anwendungsfall des optischen Elements beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung, eine Lichtquelle oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche in das Substrat ein.
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Bei den Partikeln der ersten Art PA kann es sich um Nanopartikel, Quantenpunkte und/ oder Farbstoffe handeln, welche eine räumliche Ausdehnung von maximal 200 nm, bevorzugt von maximal 50 nm, besonders bevorzugt von maximal 20 nm aufweisen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch explizit möglich. Mit räumlicher Ausdehnung ist hier die maximale Ausdehnung im dreidimensionalen Raum oder aber der hydrodynamische Radius gemeint, je nach dem, was größer ist. Bei kugelförmigen Partikeln ist das also der Durchmesser. Bei kettenförmigen Partikeln ist das der größtmögliche Abstand, den zwei Punkte auf der Oberfläche des Partikels jeweils voneinander aufweisen können.
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Ferner können die Partikel der ersten Art PA als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), Bleisulfid (PbS), CdTeSeS-Quantenpunkte, Azo-Farbstoffe und/oder als Metalloxidpartikel, bevorzugt aus Chrom(IV)Oxid oder Fe2O3, ausgebildet sein und eine Größe zwischen 2 nm und 50 nm jeweils einschließlich aufweisen.
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Alternativ ist es möglich, dass die Partikel der ersten Art PA als paramagnetische Körper, bevorzugt als Kugeln mit einem Durchmesser von mindestens 100 nm, aus einem paramagnetischen oder diamagnetischen Trägermaterial mit einer relativen magnetischen Permeabilität zwischen 0 und 2, bevorzugt Melaninharz oder Polystyrol, ausgebildet sind, wobei die Körper entweder mit paramagnetischen oder superparamagnetischen Nanopartikeln mit einer relativen magnetischen Permeabilität größer als 10, bevorzugt Fe2O3-Nanopartikeln, beschichtet sind, oder das Trägermaterial mit diesen Nanopartikeln durchsetzt ist. Andere Realisationsvarianten sind ebenfalls möglich.
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Bevorzugt sollten die Partikel PA noch eine Oberflächenfunktionalisierung mit hohem Zeta-Potential aufweisen, zum einen als Stabilisierung in der Flüssigkeit und zum anderen für eine Verbesserung der elektrophoretischen Eigenschaften. Dies lässt sich beispielsweise mit PVP (Polyvinylpyrrolidon) oder PEG (Polyethylenglykol) für wässrige Systeme umsetzen.
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Allgemein gilt im Rahmen der Erfindung, dass die Partikel der ersten Art PA entweder elektrisch geladen sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet sind oder die Partikel der ersten Art PA magnetisch, insbesondere para- oder superparamagnetisch sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als elektrisch leitende Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet sind, so dass sich die elektro- bzw. magnetophoretischen Partikel der ersten Art PA im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit bzw. Gerüstmatrix bewegen.
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Mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung sind mindestens zwei Betriebszustände definiert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei mehr als z.B. 50% liegt und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats. Der besagte Winkelbereich um eine Flächennormale kann beispielsweise innerhalb einer Ebene gemessen werden, die die Mittelsenkrechte als Flächennormale beinhaltet, d.h. senkrecht auf der zweiten Großfläche des Substrates S steht, und aus Sicht eines Betrachters horizontal gelegen ist. Diese Definition gilt auch für die weiteren Betrachtungen.
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Mit anderen Worten: die verschiedenen Betriebszustände B1, B2, ... unterscheiden sich insbesondere dadurch, dass die jeweils lokale Konzentration und Lokalisation der Partikel innerhalb des Substrates verändert wird, um die Transmissionseigenschaften aufgrund der Absorption durch die Partikel zu verändern.
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Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, dass mehr als zwei Betriebszustände B1, B2, B3 etc. eingestellt werden können. Hierzu würde z.B. gegenüber den oben beschriebenen Varianten für die Betriebszustände B1 und B2 in einem dritten (vierten, fünften, ...) Betriebszustand ein andersartiges elektromagnetisches Feld angelegt, was dazu führt, dass die Konzentrationen bzw. die Positionen der Partikel bzw. Partikelarten unterschiedlich stark zwischen den Betriebszuständen ist, so dass insgesamt drei oder mehr verschiedene winkelabhängige Transmissionsgrade erreicht werden. Die kann z.B. für winkelabhängige Dimmungsanwendungen von Interesse sein.
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Führende physikalische Effekte für die Bewegung der Partikel beim Anliegen eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere eines statischen Feldes, sind demnach die (Di-)Elektrophorese oder die Magnetophorese. Für den Fall, dass kein elektrisches bzw. kein magnetisches Feld anliegt, bewegen sich die Partikel insbesondere aufgrund von Diffusion in den Kammern und breiten sich somit über die Zeit homogen aus. Bei Partikeln, die nicht größer als 50 nm sind, spielt die Schwerkraft keine Rolle; diese sedimentieren also nicht, d.h. die Partikel verbleiben schwebend in der Flüssigkeit oder Gelmatrix.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass keinerlei Kammern oder ähnliches zur Kanalisierung der Flüssigkeit bzw. Gerüstmatrix und der darin befindlichen Partikel PA nötig sind. Die finale Lokalisierung der Partikel PA nach deren Bewegung erübrigt grundsätzlich das Vorhandensein solcher Kammern.
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Für alle Ausgestaltungen des vorangehend beschriebenen optischen Elements gilt, dass die elektromagnetischen Schaltmittel für senkrecht über die Lichteintrittsfläche in das Substrat S einfallendes Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50% transparent sind.
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Ferner ist es denkbar, dass die elektromagnetischen Schaltmittel in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sind, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand B1 und dem zweiten Betriebszustand B2 ermöglicht wird. Mit lokaler Umschaltbarkeit ist hierbei gemeint, dass nicht in allen Bereichen des optischen Elements gleichzeitig der Betriebszustand zwischen B1 und B2 gewechselt wird, sondern dass vielmehr auf dem optischen Element gleichzeitig Bereiche mit beiden Betriebszuständen B1 und B2 vorliegen. Dies ist vorteilhaft, etwa wenn bei Nutzung des optischen Elements vor einem Bildschirm aus einem Blickwinkel von über 30 Grad zur Seite Teile des dargestellten Bildinhaltes sichtbar und andere nicht sichtbar sein sollen.
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In einer weiteren vorteilhaften Variation sind in der Flüssigkeit gleichzeitig mehrere Arten von Partikeln (Px, Py, ...) vorhanden, die sich in ihren optischen bzw. Absorptionseigenschaften und/oder ihren Transporteigenschaften im elektromagnetischen Feld unterscheiden. Mit „Transporteigenschaften“ ist insbesondere das Verhalten der Partikel bei der jeweiligen Phorese (Transport im Feld) gemeint. Diese Variante kommt insbesondere im Falle von Nanopartikeln zum Tragen: der Unterschied der Partikelarten besteht hierbei z.B. in der Partikelgröße und/oder der 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 unterdrücken.
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Außerdem beinhaltet die Erfindung auch noch einen Bildschirm, der in einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und in einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus betrieben werden kann, umfassend
- - ein erfindungsgemäßes optisches Element, und
- - eine dem optischen Element von einem Betrachter aus gesehen nach- oder vorgeordnete Bildwiedergabeeinheit.
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Bei der Bildwiedergabeeinheit handelt es sich beispielsweise um ein OLED, ein LCD-Display, ein SED-Display, ein FED-Display, in microLED-Display oder ein VFD Display. Da das optische Element unabhängig von der Art der Bildwiedergabeeinheit wirksam ist, kommen jedwede andere Bildschirmtypen ebenso in Frage.
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Ferner ist es beispielsweise möglich, das erfindungsgemäße optische Element in einer Bildwiedergabeeinheit, die über eine Hintergrundbeleuchtung verfügt, wie beispielsweise in einem LCD-Bildschirm, zu verwenden. Hier würde dann vorteilhaft das optische Element zwischen dem Bildwiedergabe-Panel (also dem LCD-Panel) und der Hintergrundbeleuchtung angeordnet sein, um zwischen einem ersten Betriebszustand B1 für einen freien Sichtmodus und einem zweiten Betriebszustand B2 für einen eingeschränkten Sichtmodus umzuschalten, weil das Licht der Hintergrundbeleuchtung aufgrund des optischen Elements einmal fokussiert (B2) und einmal nicht fokussiert (B1) wird. Mit „Fokussierung“ ist dabei nicht eine Fokussierung nach Art von Linsen gemeint, sondern eine Einengung des Abstrahlbereichs.
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Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigt
- 1 die Prinzipskizze eines optischen Elements im Betriebszustand B1,
- 2 die Prinzipskizze eines optischen Elements im Betriebszustand B2, sowie
- 3 die Prinzipskizze zur beispielhaften Wirkung eines optischen Elements in beiden Betriebszuständen B1 und B2 hinsichtlich der Transmission über verschiedene Winkel.
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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 oder dergleichen dargestellt, obwohl in der Realität von diesen eine regelrechte Vielzahl vorhanden sein kann bzw. ist.
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In 1 ist also die Prinzipskizze eines optischen Elements im Betriebszustand B1 und in 2 im Betriebszustand B2 wiedergegeben.
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Das optische Element umfasst,
- - ein im Wesentlichen plattenförmiges Substrat S mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten ersten Großfläche und einer als Lichtaustrittsfläche zweiten ausgebildeten Großfläche,
- - eine Flüssigkeit oder eine Gerüstmatrix F, die zwischen der ersten und der zweiten Großfläche angeordnet ist und bis zu 60 Volumenprozent elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbare Partikel einer ersten Art PA enthält, wobei eine Vielzahl an Partikeln der ersten Art PA vorhanden ist, welche Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche absorbieren,
- - flächenförmig an einer oder beiden Großflächen und/oder zwischen den Großflächen im Substrat S ausgebildete elektromagnetische Schaltmittel, welche in einem eingeschalteten Zustand ein zwischen den Großflächen wirksames elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Partikel der ersten Art PA in der Flüssigkeit oder der Gerüstmatrix F bewegt werden, so dass sich eine winkelabhängige Transmission des optischen Elements für Licht der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die von den Partikeln der ersten Art PA absorbiert werden, welches über die Lichteintrittsfläche in das Substrat S eintritt, ändert, so dass mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung mindestens zwei Betriebszustände B1 und B2 definiert sind.
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Dabei wird das optische Element derart umgesetzt, dass
- - zusätzlich zu den Partikeln der ersten Art PA außerdem Partikel einer zweiten Art PB in der Flüssigkeit oder Gerüstmatrix F enthalten sind, wobei die Partikel der zweiten Art PB Licht einer oder mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche reflektieren und/oder streuen und/oder transmittieren,
- - alle elektromagnetischen Schaltmittel als flächenförmige Elektroden EPN mit zwischen positiv und negativ umkehrbarer Polung auf der ersten und der zweiten Großfläche angeordnet sind, wobei entlang einer Flächennormalen der ersten oder zweiten Großfläche gesehen negativ gepolte Elektroden EPN auf der ersten Großfläche negativ gepolten Elektroden EPN auf der zweiten Großfläche und positiv gepolte Elektroden EPN auf der ersten Großfläche positiv gepolten Elektroden EPN auf der zweiten Großfläche gegenüberliegen, und wobei in einer -wie weiter vorn bereits definierten-Vorzugsrichtung zwischen zwei positiv gepolten Elektroden EPN auf jeder der Großflächen eine negativ gepolte Elektrode EPN und zwischen zwei negativ gepolten Elektroden EPN eine positive Elektrode EPN angeordnet ist, sofern nicht zwischen zwei positiv gepolten Elektroden EPN oder zwei negativ gepolten Elektroden EPN eine Leerstelle ohne Elektrode angeordnet ist, wobei die Leerstellen periodisch angeordnet sind,
- - die Partikel der ersten Art PA jeweils die eine und die Partikel der zweiten Art PB die andere elektrische Ladungspolarität aufweisen,
- - in beiden Betriebszuständen B1 und B2 mehr als 70% der Partikel der ersten Art PA jeweils zwischen den positiv gepolten Elektroden EPN lokalisiert und dazu komplementär mehr als 70% der Partikel der zweiten Art PB jeweils zwischen den negativ gepolten Elektroden EPN lokalisiert sind, oder umgekehrt, und dabei im ersten Betriebszustand B1 (siehe 1) die Partikel der zweiten Art PB jeweils zwischen gleichpoligen Elektroden lokalisiert sind, die jeweils an eine Leerstelle angrenzen, und in dem zweiten Betriebszustand B2 (siehe 2) die Partikel der ersten Art PA jeweils zwischen gleichpoligen Elektroden lokalisiert sind, die jeweils an eine Leerstelle angrenzen,
- - so dass die winkelabhängige Transmission im ersten Betriebszustand B1 mehr als 60% und im zweiten Betriebszustand B2 weniger als 5% beträgt, in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats S.
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Auf der Lichteinfallsseite des Substrates S einfallendes Licht kann sich nun insbesondere dort (nahezu ungehindert) ausbreiten, wo aufgrund der Leerstellen keine Partikel PA vorhanden sind und dort, wo Partikel der zweiten Art PB angeordnet sind. In 1 und 2 sind Lichtstrahlen eingezeichnet, die die Funktionalität illustrieren.
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Elektrophoretisch zu bewegende Partikel der zweiten Art PB , welche das Licht streuen, können aus Polysterol, Melaninharz oder Silika mit Partikelgrößen zwischen 20 nm und 10 µm gebildet sein, und/oder die Partikel der zweiten Art PB , welche das Licht reflektieren, können als Silber-Nanopartikel mit Partikelgrößen zwischen 10 nm und 50 nm gebildet sein. Für eine Magnetophorese derartiger Partikel PB müssen selbige paramagnetische Eigenschaften aufweisen. Das kann dadurch erreicht werden, dass paramagnetische Teilpartikel in die Partikel PB eingebaut werden. Dazu können beispielsweise Nickelnanopartikel verwendet werden.
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Die Gerüstmatrix F ist beispielsweise als Polymermatrix, bevorzugt als Gelmatrix ausgebildet. Die Flüssigkeit F kann polar oder unpolar sein. Sie kann ferner zum Beispiel aus Wasser, Öl, Toluol oder Formaldehyd bestehen, auch versetzt mit Elektrolyten.
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Die als Lichteintrittsfläche ausgebildete erste Großfläche des plattenförmiges Substrates S befindet sich in der Regel aus Betrachtersicht auf der Rückseite des Substrates S und grenzt je nach Anwendungsfall des optischen Elements beispielsweise an eine Bildwiedergabeeinrichtung, eine Lichtquelle oder an ein Luftvolumen. Aus den letztgenannten Objekten tritt dann Licht durch die besagte Lichteintrittsfläche in das Substrat ein.
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Die eine oder mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, in denen die elektrophoretisch oder magnetophoretisch bewegbaren Partikel PA Licht absorbieren, liegen bevorzugt im sichtbaren Spektrum und decken dieses besonders bevorzugt komplett ab. Die erste und die zweite Großfläche des plattenförmigen Substrates S sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Sie können jedoch in besonderen Ausgestaltungen, etwa wenn besondere winkelabhängige Transmissionen des optischen Elements erreicht werden sollen, auch nicht-parallel, z.B. keilförmig in einem definierten Winkel von bis zu 20 Grad zueinander angeordnet sein.
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Bei den Partikeln der ersten Art PA kann es sich um Nanopartikel, Quantenpunkte und/ oder Farbstoffe handeln, welche eine räumliche Ausdehnung von maximal 200 nm, bevorzugt von maximal 50 nm, besonders bevorzugt von maximal 20 nm aufweisen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch explizit möglich. Mit räumlicher Ausdehnung ist hier die maximale Ausdehnung im dreidimensionalen Raum oder aber der hydrodynamische Radius gemeint, je nach dem, was größer ist. Bei kugelförmigen Partikeln ist das also der Durchmesser. Bei kettenförmigen Partikeln ist das der größtmögliche Abstand, den zwei Punkte auf der Oberfläche des Partikels jeweils voneinander aufweisen können. Ferner können die Partikel der ersten Art PA als BPQDs (Black Phosphorus Quantum Dots), Bleisulfid (PbS), CdTeSeS-Quantenpunkte, Azo-Farbstoffe und/oder als Metalloxidpartikel, bevorzugt aus Chrom(IV)Oxid oder Fe2O3, ausgebildet sein und eine Größe zwischen 2 nm und 50 nm jeweils einschließlich aufweisen.
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Alternativ ist es möglich, dass die Partikel der ersten Art PA als paramagnetische Körper, bevorzugt als Kugeln mit einem Durchmesser von mindestens 100 nm, aus einem paramagnetischen oder diamagnetischen Trägermaterial mit einer relativen magnetischen Permeabilität zwischen 0 und 2, bevorzugt Melaninharz oder Polystyrol, ausgebildet sind, wobei die Körper entweder mit paramagnetischen oder superparamagnetischen Nanopartikeln mit einer relativen magnetischen Permeabilität größer als 10, bevorzugt Fe2O3-Nanopartikeln, beschichtet sind, oder das Trägermaterial mit diesen Nanopartikeln durchsetzt ist. Andere Realisationsvarianten sind ebenfalls möglich. Bevorzugt sollten die Partikel PA zusätzlich eine Oberflächenfunktionalisierung mit hohem Zeta-Potential aufweisen, zum einen als Stabilisierung in der Flüssigkeit F und zum anderen für eine Verbesserung der elektrophoretischen Eigenschaften. Dies lässt sich beispielsweise mit PVP (Polyvinylpyrrolidon) oder PEG (Polyethylenglykol) für wässrige Systeme umsetzen.
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Allgemein gilt im Rahmen der Erfindung, dass die Partikel der ersten Art PA entweder elektrisch geladen sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als Elektroden zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen elektrischen Feldes ausgebildet sind oder die Partikel der ersten Art PA para- oder superpararmagnetisch sind und die elektromagnetischen Schaltmittel als elektrischleitende Schichten zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes ausgebildet sind, so dass sich die elektro- oder magnetophoretischen Partikel der ersten Art PA im elektrischen oder magnetischen Feld in der Flüssigkeit bzw. Gerüstmatrix F bewegen.
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Mittels der elektromagnetischen Schaltmittel und einer Ansteuerschaltung sind, wie oben beschrieben, mindestens zwei Betriebszustände definiert, wobei in einem ersten Betriebszustand B1 die winkelabhängige Transmission bei z.B. mehr als 50% liegt und in einem zweiten Betriebszustand B2 bei weniger als 50% in einem Winkelbereich von mehr als 30° (dieser Winkel kann auch variiert werden, z.B. 10°, 20° oder 25°) um eine Flächennormale der zweiten Großfläche des Substrats. Der besagte Winkelbereich um eine Flächennormale kann beispielsweise innerhalb einer Ebene gemessen werden, die die Mittelsenkrechte als Flächennormale beinhaltet, d.h. senkrecht auf der zweiten Großfläche des Substrates S steht, und aus Sicht eines Betrachters horizontal gelegen ist. Diese Definition gilt auch für die weiteren Betrachtungen.
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Für alle Ausgestaltungen sollte gelten, dass die elektromagnetischen Schaltmittel für senkrecht über die Lichteintrittsfläche in das Substrat S einfallendes Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu mindestens 50%, bevorzugt zu über 80%, transparent sind.
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Ferner ist es für all Ausgestaltungsvarianten des optischen Elements denkbar, dass die elektromagnetischen Schaltmittel EPN in mehrere, separat schaltbare Segmente unterteilt sind, so dass eine lokale Umschaltbarkeit zwischen dem ersten Betriebszustand B1 und dem zweiten Betriebszustand B2 ermöglicht wird. Mit lokaler Umschaltbarkeit ist hierbei gemeint, dass nicht in allen Bereichen des optischen Elements gleichzeitig der Betriebszustand zwischen B1 und B2 gewechselt wird, sondern dass vielmehr auf dem optischen Element gleichzeitig Bereiche mit beiden Betriebszuständen B1 und B2 realisiert werden. 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.
Außerdem ist es hier denkbar, dass mindestens eine Elektrode der Elektroden EPN (z.B. die jeweils mittlere) vorteilhaft nach unten reflektierend ausgestaltet werden kann, um die Leistung und die Effizienz des optischen Aufbaus zu verbessern.
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Für alle vorgenannten Ausgestaltungen des optischen Elements zeigt die 3 die Prinzipskizze zur beispielhaften Wirkung in jeweils beiden Betriebszuständen B1 und B2 hinsichtlich der Transmission über verschiedene Winkel. Es handelt sich hier der Einfachheit halber um normierte Werte. Die gestrichelte Linie entspricht dem Betriebszustand B2, die durchgezogene Linie dem Betriebszustand B1.
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Das vorstehend beschriebene optische Element löst die gestellte Aufgabe: Es wurde ein optisches Element beschrieben, welches die Transmission winkelabhängig (und optional senkrecht) beeinflussen kann, und welches zwischen mindestens zwei Betriebszuständen umschalten kann. Jedes optische Element ist preiswert umsetzbar und insbesondere mit verschiedenartigen Bildschirmtypen universell verwendbar, um eine Umschaltung zwischen einem Sichtschutz- und einem freien Betrachtungsmodus zu ermöglichen, wobei die Auflösung eines solchen Bildschirms im Wesentlichen nicht herabgesetzt wird.
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Die vorangehend beschriebene Erfindung kann im Zusammenspiel mit einer Bildwiedergabeeinrichtung vorteilhaft überall da angewendet werden, wo vertrauliche Daten angezeigt und/oder eingegeben werden, wie etwa bei der PIN-Eingabe oder zur Datenanzeige an Geldautomaten oder Zahlungsterminals oder zur Passworteingabe oder beim Lesen von Emails auf mobilen Geräten. Die Erfindung kann -wie weiter oben beschrieben- auch im PKW angewendet werden.
