CN101900918B - 具有可变电致变色外部吸收能力的光学部件 - Google Patents

具有可变电致变色外部吸收能力的光学部件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有可变电致变色外部吸收能力的光学部件。一种光学部件包括至少一个光导元件，所述光导元件具有在入射和发射面之间延伸的侧表面，引入入射面的光能够通过内反射在入射和发射面之间传播。外部吸收材料设置于该至少一个光导元件的至少一个的侧表面的至少一部分上，该外部吸收材料被配置为选择性地吸收进入光导元件的入射面，但通过侧表面而不是发射面退出的“杂散光”。所述吸收材料至少部分的由电致变色材料制成，该电致变色材料展示了响应于以下至少之一的变化而选择可调节的半透明度：(i)通过吸收材料的至少一部分施加的电流和(ii)在吸收材料内的不同位置之间施加的电势差。

Description

具有可变电致变色外部吸收能力的光学部件
临时的优先权请求
本申请要求基于在2008年11月10日提交的名称为“OPTICAL COMPONENTS HAVINGELECTRO-CHROMIC CONTRAST ENHANCEMENT”的序列号为61／198,795的临时申请的优先权。在先临时申请中的包括附图的全部公开内容在本申请中引入以供参考。
1.技术领域
本发明的实施方式以及实现总体上涉及图象转换阵列，例如纤维光学面板及其他光纤成像和光传输器件，更具体地涉及在这样的器件中包括整体对比度增强。
2.背景技术
通过由柔性的或者相邻熔凝的光导器件(例如光纤)组成的多个束传输光和图象是已经确定的技术。诸如倒转、锥形和“直通”的导像管都是光纤技术领域的技术人员所熟知的。熔凝光纤导像管发现作为部件广泛的用在如夜视镜、步枪瞄准镜、X射线检测器和医疗成像装置的器件中，这些装置是非限定的例子。
光吸收材料(例如玻璃)掺杂入如纤维光学面板、直通以及锥形之类的熔凝光学部件中，以便抑制串音、增强对比度和控制数值孔径，是光纤工业中公知的。这些吸收材料，根据上下文所指示的可替换地被称为外部吸收(EMA)材料、介质、玻璃、光纤、细丝以及杆，根据三种常规方法中的一种或多种被通常并入。根据第一种方法，一种吸收涂层-或者甚至是套管或管子——被单独地应用在每个组成波导的外面，得到所谓的“圆周EMA”。图1A示出了包含带有圆周EMA材料的光纤的示例性光纤束的横截面。参照图1B，第二种方法指示用吸收光纤取代束中所选择的光导元件(例如光纤)，其中替代光纤可替换地被称为“代替的”、“替换的”或“统计的”EMA光纤。根据第三种常用方法，吸收光纤被插入光纤阵列的间隙填充的空隙中。图1C、1D和1E示出了包括这种通常所说的“间隙EMA光纤”的这种光纤的束的例子。
虽然圆周的、间隙的以及代替的EMA介质很大程度上成功的抑制由于不想要的散射光的折射和传播造成的串音，但是在各种配置中，对黑玻璃管和／或各个EMA光纤的需求，总是增加生产的复杂性和成本，而且还可给转换的图像带来像差。另外，在阵列中的不同玻璃成分的引入增加了不相容的玻璃之间的不利相互作用的可能性。在成像或者照明束中并入玻璃基EMA元件的又一个限制是它们必须在处理中早期加入结构中，而且一旦它们被并入，它们的光吸收能力不能被调节。
因此，需要一种并入了外部吸收材料的光传输光学部件，其(i)为非玻璃基，以及(ii)具有可调节的光吸收特征。
发明内容
根据第一说明性的实施方式，一种光传输光学部件包括具有相对的入射和发射面以及在入射和发射面之间延伸的光导元件侧表面的光导元件。在光导元件侧表面的至少一部分上延伸的是外部吸收层。外部吸收层包含电致变色材料，该电致变色材料的不透明度相对于预定电磁波长组响应于以下至少一个的大小的改变是可变的：(i)通过该层的至少一部分施加的电流(ii)在沿该层的不同位置之间施加的电势差。
在各个版本的每个中，光导元件包含由具有第一折射率的第一材料制成的芯和由围绕该芯熔融地设置的并具有第二折射率的第二材料制成的包层，该第二折射率在大小上小于该第一折射率，使得进入入射面的光能够通过在入射和发射面之间的内反射传播。而且，一组可替换版本并入由非玻璃聚合材料形成的电致变色外部吸收层，而在第二组可替换版本中，该层由玻璃基材料形成。
根据第二说明性实施方式，一种光学部件组件包含具有相对的第一和第二板面的束状(例如，板)结构和将多个光导元件保持在固定的相对位置的基质材料，该光导元件诸如为与第一说明性的实施方式相关的所述光导元件。更明确的，每个光导元件具有相对的入射和发射面，和在入射和发射面之间延伸的光导元件侧表面。该多个入射和发射面部分地分别限定了第一和第二束(例如，板)面。在第二实施方式中，基质材料是用于每个光导元件的外部吸收层，其与每个光导元件接触。因此，如前述外部吸收层，该基质材料包含电致变色材料，该电致变色材料的不透明度响应于以下至少一个的大小的变化而选择性可调节的：(i)通过该基质的至少一部分施加的电流(ii)在该基质内的不同位置之间施加的电势差。
尽管在板结构的一些版本中，例如能够改变整个电致变色基质的不透明度，但是，其他版本是这样的以致于电致变色基质的不透明度可以在第一和第二板面之一处或者两处可调节。在另外的版本中，第一和第二板面处的不透明度可以相互独立被调节。在这样的版本中，所述基质的中心部分具有固定的不透明度。
在诸如“杆”、“杆状”之类的术语用来描述光导元件和其他部件而言，这些术语被广泛地使用，而且包括，例如，具有各种横截面几何形状的部件和直径比其长度大的部件。此外，术语“直径”的使用并不暗示一种圆形的横截面几何形状。更具体的，虽然“直径”经常被狭义的理解为是适应于定义圆形的曲线内的最长弦，但是该词的更技术的数学定义是可适用于本说明书和所附的权利要求的。例如，正方形、长方形、六边形，以及甚至不规则形状中的弦同样是直径。因此在前面的解释、详细的说明、所附的权利要求或者附图中，不能对术语“直径”做比普通使用更狭义的含义的理解，而且可以将科技的数学应用归于它们。
有代表性的实现在以下具体实施方式和所附附图中更完整的描述和描写。
附图说明
图1A是一种光纤束的横截面视图，其中每一个组成的光导元件大约在外围(例如，圆周的)设置外部吸收材料；
图1B是一种光纤束的横截面视图，该光纤束并入“代替的”外部吸收光纤；
图1C到1E示出了可替换地配置的光纤束的横截面视图，其包括被置于组成的光导元件(例如，光纤)之间的间隙中的外部吸收材料；
图2示出了一种包含光导元件的光传输光学部件，在该光导元件之上设置由电致变色材料制成的外部吸收层，所述电致变色材料的不透明度响应于通过该层施加电流而可调节，其中该层处于非受激态；
图2A是图2的光学部件从平面IA处观察到的横截面视图；
图2B是图2的光学部件的视图，其中外部吸收层处于部分受激态；
图2C是图2和图2B的光学部件的视图，其中外部吸收层处于完全受激(即最小半透明)态；
图3示出了一种示例性的图象转换面板，该面板包含多个由电致变色材料的基质(matrix)支撑的杆状光导元件，其中电致变色材料的不透明性响应于通过该层施加的电流而可调节，其中该层处于非受激态；以及
图3A示出了图3的面板的视图，其中所述基质处于受激态，其中它比在图3的视图中更小半透明(或更不透明)。
具体实施方式
下面对于包含具有选择性可调节的不透明度的外部吸收材料的光学部件以及光学部件组件的示例性的实施方式的描述实质上是说明性的，并由此不会限制本发明或其应用。在发明内容和具体实施方式中描述的各种实现形式、方面、型式和实施方式实质上都是所附权利要求范围内的非限定性的实例，而且没有限定权利要求的最大范围。
参考图2，第一示例性的光学部件10包含伸长的光导元件20，光导元件20具有带有入射面22f的入射端22和带有与发射面22f纵向相对的发射面24f的发射端24。另外，光导元件侧表面26在入射和发射面22f和24f之间延伸。在图2的示例性版本中，光导元件20包括具有第一折射率n1的光传输芯30和围绕该芯30熔融设置的具有第二折射率n2的包层32，其中第二折射率n2在大小上低于第一折射率n1，以使得进入任一个入射面22f的光都可以内反射穿过芯30传播并从发射面24f退出。应当理解，为了说明的目的，入射和发射端以及面22和22f以及24和24f已经被任意设置，实践中对应于实际的实施方式，入射面22f是光被引入光导元件20而通过的那个面，而发射面24f是光从光导元件20退出而通过的相对面。此外，尽管如附图2所示的光导元件20由圆柱形侧表面26所限定，但是，如在发明内容中所述，包括可替换配置的光导元件20的光学部件10也在本发明的范围和预期内。
继续参照图2，围绕光导元件侧表面26设置光学层50。所述光学层50具有第一和第二光学层端52和54，以及在光学层端52和54之间延伸的光学层外表面56。虽然在图2的说明性版本中，正如从垂直于纵向的元件轴ALE的平面IA观察的那样(图2A)，光学层50设置在光导元件20的整个长度上，并围绕了由侧表面26所限定的整个外围，可以理解在小于光导元件侧表面26的整个长度上(或者围绕小于其整个外围)设置光学层50的实施方式是在本发明的范围和预期内。
所述光学层50是被配置为选择性地吸收“杂散光”的外部吸收层60，该“杂散光”进入光导元件20的入射面22f，但是从侧表面26而不是从发射面24f退出。所述吸收层60至少部分由电致变色材料MEC制成。该电致变色材料MEC展示这样的不透明度，其响应于如下至少一个值大小的变化而可选择性地调节：(i)通过光学层50的至少一部分的电流IE(ii)沿光学层50的不同位置之间施加的电势差(电压V)。尽管在实际的实施方式中，除相反的完全透明和完全不透明(或“黑色”)所表示的极端情况之外，可调的不透明度范围包括不同程度的半透明度，为了说明的目的，图2，2B和2C示出了相同的光学部件10，其中光学层50为(i)完全透明(图2)，(ii)中度透明或“灰色”(图2B)以及(iii)完全不透明(图2C)。在任何具体的实施方式中，选择电致变色材料MEC以使得(i)随着施加电流IE的大小增加而半透明度降低(或不透明度增加)或(ii)随着施加电流IE的大小增加而半透明度增加。可以理解，电流IE是通过沿电致变色光学层50的不同位置之间的电势差V(即电压)而建立的。在图2到图2C的说明性版本中，示意性示出了简单的电路80。该电路80包括电源81，与第一光学层端52电耦合的第一电导线82，与第二光学层端54电耦合的第二电导线84，和用于改变第一和第二电导线82和84之间的电势差V值的电压控制装置86(例如，电位计)。
很明显图2到图2C的说明性光学部件10示出了带有沿圆周设置——或更一般的，沿外围设置的——EMA材料的单个内反射光导元件20。然而，包含多个的、各种阵列排列的光导元件20的部件以通过非限定性的实例形成如伸长的图像束和图象转换面板之类的组件，也是在本发明的范围和预期内。在任何具体的组件中，不管是围绕所选择的各个光导元件圆周式地、在多个光导元件之间的间隙、还是替代地并入电致变色材料MEC，每个这种组件都包括至少一个具有侧表面的光导元件，在至少一部分该侧表面上设置电致变色材料MEC的外部吸收层。
如前所述，在其中包含电致变色材料MEC是尤其有优势的部件是例如包含光纤面板的图象转换束。因此，图3示出了说明性的包含相对的第一和第二板面112和114的图象转换面板100。多个杆状光导元件20保持在电致变色材料MEC的基质150中。在所描述的实施方式中，每个光导元件20具有和图2到图2C的光导元件20相似的结构，并且在面板100的光导元件20包括对应图2到图2C的光导元件20的子元件和部分的程度上，相同的参考标记用来标识这些子元件和部分。
继续参照图3，每个光导元件20包含相对的入射和发射面22f和24f，该入射和发射面22f和24f与第一和第二板面112和114相一致，并分别形成第一和第二板面112和114的一部分。因此，在图3的具体版本中，其中每个组成光导元件20的纵向元件轴ALE垂直于平行的第一和第二板面112和114取向，每个光导元件20的长度LGE对应于板厚TP。尽管这后面的观察对应于图3的特定实施例，具有非统一厚度轮廓的和／或其中组成光导元件20是非相互平行的(例如，会聚的)板也在本发明的范围和预期内。
类似于图2到图2C的方式，该方式通过在沿电致变色光学层50的不同位置之间选择性地施加电压，能够“调节”电致变色光学层50的相对半透明度，诸如图3的面板100的光学部件组件中的基质150的不透明度可选择性被调节。在图3中，第一和第二电导线82和84电耦合到沿基质150的不同的第一和第二位置152和154，以便选择性地在基质150上施加电势差V。在图3中，例如，当通过基质150没有施加电流IE时，基质150处于“非受激态”。在非受激态中，基质150至少是部分半透明的。
图3A示出了与图3所示的面板相同的面板100。然而，在图3A中，对应于通过基质150施加电流IE时的激发态，基质150比其在图3中更不透明。在图3和3A中，只示出了没有描述的电路的电导线82和84，依据参照图2到图2C的实施方式所示出和描绘的示例性电路80，对附加电路的描述是不必要的。
虽然图2到2C和图3和3A的实施方式描述为并入电致变色材料MEC，其随着所施加的电流的增大而变得更不透明，然而在本发明的范围和预期内，如同说明书和所附权利要求所表达的那样，电致变色材料MEC的不透明度随着施加电流而降低也是可以理解的。因此，在缺少明确的权利要求限定相反的情形下，由所附权利要求限定的本发明不局限于并入其不透明性随着所施加的电流而增大的电致变色材料MEC的构造。此外，电致变色材料MEC是至少如下之一的可替换版本也在本发明的范围和预期之内：(i)玻璃基的材料和(ii)非玻璃聚合材料。
前文所述认为是本发明原理的示例。而且，由于本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围内对发明的各个方面及实现作出修改和改变，可以理解的是前文并不把所附权利要求所表示的本发明限制为所示和所描述的明确的结构、实现和版本。

Claims (16)

1.一种光传输光学部件，包括：
具有相对的入射和发射面以及在入射和发射面之间延伸的光导元件侧表面的光导元件；以及
在光导元件侧表面的至少一部分上延伸的、并且包含电致变色材料的外部吸收层，其中该电致变色材料的不透明度响应于以下至少一个的大小的改变是可变的：(i)通过该层的至少一部分施加的电流；和(ii)在沿该层的不同位置之间施加的电势差。
2.根据权利要求1所述的光学部件，其中光导元件包含由具有第一折射率的第一材料制成的芯和由围绕该芯熔融地设置的并具有第二折射率的第二材料制成的包层，该第二折射率在大小上小于该第一折射率，使得进入入射面的光能够通过在入射和发射面之间的内反射传播。
3.根据权利要求2所述的光学部件，其中所述外部吸收层由非玻璃聚合材料形成。
4.根据权利要求2所述的光学部件，其中所述外部吸收层由玻璃基材料形成。
5.根据权利要求1所述的光学部件，其中所述外部吸收层由非玻璃聚合材料形成。
6.根据权利要求1所述的光学部件，其中所述外部吸收层由玻璃基材料形成。
7.一种光传输光学部件，包括：
具有纵向相对的入射和发射面以及在入射和发射面之间延伸的光导元件侧表面的伸长的光导元件；以及
在光导元件的长度的至少一部分上延伸的光学层，并且从垂直于该光导元件的纵向轴的平面观察，该光学层围绕光导元件侧表面的外围的至少一部分被设置，该光学层具有第一和第二光学层端以及在该第一和第二光学层端之间延伸的光学层外表面；其中
该光学层是包含电致变色材料的外部吸收层，该电致变色材料具有这样的不透明度，响应于在沿光学层的不同位置之间施加的电势差，该不透明度是选择性的(i)激发的和(ii)非激发之一。
8.根据权利要求7所述的光学部件，其中光导元件包含由具有第一折射率的第一材料制成的芯和由围绕该芯熔融地设置的并具有第二折射率的第二材料制成的包层，该第二折射率在大小上小于该第一折射率，使得进入入射面的光能够通过在入射和发射面之间的内反射传播。
9.根据权利要求8所述的光学部件，其中光学层由非玻璃聚合材料形成。
10.根据权利要求8所述的光学部件，其中光学层由玻璃基材料形成。
11.一种光学部件组件，包括：
包含相对的第一和第二板面以及将多个光导元件保持在固定的相对位置的基质材料的板结构，每个光导元件具有相对的入射和发射面以及在入射和发射面之间延伸的光导元件侧表面；其中
(a)该入射和发射面分别部分地限定了第一和第二板面；和
(b)该基质材料是电致变色的并且展示出响应于以下至少一个的大小的变化而选择性可调节的不透明度：(i)通过该基质材料的至少一部分施加的电流；和(ii)在该基质材料内的不同位置之间施加的电势差。
12.根据权利要求11所述的光学部件组件，其中每个光导元件包含由具有第一折射率的第一材料制成的芯和由围绕该芯熔融地设置的并具有第二折射率的第二材料制成的包层，该第二折射率在大小上小于该第一折射率，使得进入入射面的光能够通过在入射和发射面之间的内反射传播。
13.根据权利要求12所述的光学部件组件，其中该基质材料由非玻璃聚合材料形成。
14.根据权利要求12所述的光学部件组件，其中该基质材料由玻璃基材料形成。
15.根据权利要求12所述的光学部件组件，其中该电致变色材料的不透明度随着所施加的电流的大小的增大而增大。
16.根据权利要求12所述的光学部件组件，其中该电致变色材料的不透明度随着所施加的电流的大小的增大而减小。
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