CN101910891B - 热控开关吸收性百叶窗 - Google Patents

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Abstract

本发明披露一种热控开关吸收性百叶窗(100)，其可以是自调节的“可开关吸收器”设备，当高于阈值温度时，该设备可以吸收大约100％的入射光，当低于阈值温度时，可以吸收大约50％的入射光。百叶窗(100)可形成如下：在所述两个吸收性偏振器(101、103)之间的安装热致去偏器(102)。对于辐射能的这种控制的发生可以不取决于百叶窗设备(100)的传导性和绝缘性，可以保持入射可见光的图像和色彩性质，也可以不保持。其能量效率暗示，在无需外部电源或操作者信号的情况下，其能够用于调节建筑物，车辆或其他结构的内部温度和照明。由于百叶窗设备(100)还具有美学上的影响。另外，百叶窗设备(100)可以用作建筑物材料。

Description

热控开关吸收性百叶窗
相关申请的交叉参考
本申请依据35U.S.C.§119(e)要求美国临时专利申请no.61/015,598的优先权，该申请提交于2007年12月20日，标题为“Thermally Switched Absorptive Liquid Crystal Window Shutter”，以及美国专利申请no.12/340,552的优先权，该申请提交于2008年12月19日，标题为“Thermally Switched Absorptive WindowShutter”，全部公开内容通过引用方式结合于此。
本申请也涉及美国专利申请no.12/172,158，该申请提交于2008年7月11日，标题为“Thermally switched reflective optical Shutter”。
技术领域
本申请涉及通过选择性吸收控制光和辐射热的固态设备。更具体地，本申请涉及被动和/或主动的光调节和温度调节膜、材料和设备。
背景技术
多种应用(例如调节建筑物中的日照的热量)可使用光学方法控制辐射能(例如，光和热)的流动。例如，光暗化(photodarkening)材料可结合到窗户中，在遮光玻璃镜片中已经普遍使用了光暗化材料以便在由紫外(“UV”)辐射激发时选择性地衰减入射光。这样的材料可用于通过暗化削弱明亮的日光，从而调节结构的内部温度，并通过再次变得透明而允许人造光或漫射日光无阻碍经过。这样的系统是无源(被动)的和自调节的，除了为操作需要环境UV光之外不需要外部信号。然而，因为它们由UV光控制而不是由温度控制，所以这样的系统在温度调节应用中的使用受限制。例如，它们在天气寒冷时可阻挡需要的日光，同时在天气炎热时阻挡不需要的日光。
在控制辐射能流动的另一实例中，系统可使用热暗化材料，该热暗化材料在材料温度增加或降低超过预定值的时候可变色并可增加材料吸收光的量。例如，在MI的West Olive的Pletotint公司生产的可在两片玻璃之间层合并且加入到窗户中的热暗化材料。
另外，电暗化滤光器(例如电气控制液晶设备)已加入到窗户中。这些设备具有的缺点是，需要持续供电来操作，并需要大量基础设施(配线、开关、传感器、控制系统，等等)作为它们的装置的一部分。此外，这样的设备基于并使用相同的基础技术，例如LCD视频显示器。电暗化窗户滤光器本质上是具有单个巨大像素的黑色和白色视频显示器。LCD视频显示器中的液晶被设计成具有非常高的“清亮点(clearing point)”(LC相变并变为不受控制的、无序的、各向同性的液体的温度)，从而防止显示器在正常操作温度和亮度级下变黑。多年来显示器设计的目的是发展满足其它关键设计目的的液晶剂型(liquid crystal formulation)，该设计目的例如是开关速度，该开关速度具有尽可能高的清亮点以允许显示器在较高温度下运转且没有失败模式，并且加入了商业上可获得的LC混合物的电暗化窗户滤光器共享该特点。
包括在本说明书的背景技术部分中的信息包括在此仅用于技术参见的目的并且不被看作本发明要限定的范畴的主题，该信息包括了这里引用的任何参考文献及其任何描述或讨论。
发明内容
在本公开的技术的一个实施方式中，热控可开关设备被描述为调节光和辐射能的透射和吸收。该设备可包括两个吸收性偏振器(absorptive polarizer)和放置在两个偏振器之间的热致去偏器(thermotropic depolarizer)。在第一温度下，该设备可吸收第一百分比的入射辐射能并可使得第二百分比的入射辐射能透射穿过该设备。在第二温度下，该设备可吸收第三百分比的入射辐射能并可使得第四百分比的入射辐射能透射穿过该设备。另外，当可开关设备温度高于阈值温度时，多达100％的入射光可由该设备吸收，当可开关设备温度低于阈值温度时，多达50％的入射光可由该设备吸收。热致去偏器在温度低于阈值温度时可调整入射光的偏振。此外，吸收性偏振器中的一个或更多可以是相对于辐射能的偏振而频率选择的。
在一个示范性实施例中，第一偏振器和第二偏振器每个都可限定透明区域并可允许未偏振辐射能透射穿过设备。可开关设备也可包括向电(electrotropic)控制系统，从而在阈值温度下补充和致动热致去偏器。向电控制系统可包括至少一个控制器、与控制器连接的电源以及与控制器连接的温度传感器。
本发明的另一实施例可采用绝缘玻璃单元(insulating glassunit)的形式。绝缘玻璃单元可包括第一玻璃板和第二玻璃板。绝缘玻璃单元也可包括安置在第一玻璃板和第二玻璃板之间的第一偏振器。第一偏振器可吸收多达50％的入射辐射能，并可透射大部分未吸收辐射能。另外，绝缘玻璃单元可包括安置在第一玻璃板和第二玻璃板之间的第二偏振器以及可安置在第一偏振器和第二偏振器之间的热致去偏器。热致去偏器可在温度低于阈值温度时调整入射光的偏振。在温度高于阈值温度时，多达100％的入射光可由该设备吸收，并且在温度低于阈值温度时，多达50％的入射光可由该设备吸收。进一步地，第二偏振器可在热致去偏器温度高于阈值温度时吸收多达100％的由第一偏振器透射的辐射能，并可在热致去偏器温度低于阈值温度时透射多达100％的由第一偏振器透射的辐射能。
在另一实施例中，公开了使用热控开关吸收性光学百叶窗(TSAOS)设备调节入射辐射能的吸收和透射的方法。该设备可包括第一吸收性偏振器、第二吸收性偏振器以及设置在第一偏振器和第二偏振器之间的热致去偏器，其中第一偏振器和第二偏振器可定向成相互交叉。该设备可被设置成使得辐射能入射到其上，并且在第一温度下该设备可从该设备吸收第一百分比的辐射能并可使得第二百分比的辐射能透射穿过该设备。另外，在第二温度下该设备可从该设备吸收第三百分比的辐射能并可使得第四百分比的辐射能透射穿过该设备。此外，在第一温度高于阈值温度时，在第一吸收操作中，第一偏振器和第二偏振器可吸收多达100％的辐射能。可替换地，在第二温度低于阈值温度时，在第一偏振器和第二偏振器之间透射的辐射能的一部分可被去偏振。在此情况下，该设备可透射多达50％的辐射能并可吸收多达50％的辐射能。
另一实施例是用于调节辐射能的反射和透射的方法。吸收性偏振器可被定向为与极性旋转偏振器交叉，并且热致去偏器可置于偏振器和极性旋转偏振器之间。吸收性偏振器和极性旋转偏振器可在热致去偏器温度高于阈值温度时吸收多达100％的入射辐射能，并在热致去偏器温度低于阈值温度时，多达100％的入射辐射能可穿过吸收性偏振器、热致去偏器和极性旋转偏振器透射。
由于百叶窗设备进一步在附图中图解并在所附权利要求中限定，其它特性、详述、效用和优点会根据以下百叶窗设备的各种实施例的更详细的书面描述变得明显。
附图说明
图1是热控开关吸收性百叶窗设备的一个实施例的剖面示意图，示出夹在两个吸收性偏振滤光器之间且附接到透明衬底的热敏去偏器材料层。为百叶窗设备的冷态示出入射光的行为。
图2是图1的百叶窗设备的实施例的剖面示意图，不同之处在于，为百叶窗设备的热态示出入射光的行为。
图3是热控开关吸收性百叶窗设备的另一实施例的示意性图示，其中，吸收性偏振器限定了孔径或透明区域，从而允许一些源自外部源的未偏振光穿过百叶窗设备而不更改。
图4是热控开关吸收性百叶窗设备的附加实施例的示意性图示，其中，为美观或其它原因包括可选颜色的滤光器。
图5是热控开关吸收性百叶窗设备的另外的实施例的示意性图示，其中，通过添加两个透明电极和控制系统而利用电致去偏器取代热致去偏器，或使其另外地用作电致去偏器。
图6是热控开关吸收性百叶窗设备的附加实施例的示意性图示，其中，热致去偏器被去除并且吸收性偏振器自身是热致的。为百叶窗设备的冷态示出入射光的行为。
图7是图6的实施例的示意性图示，不同之处在于，为百叶窗设备的热态示出入射光的行为。
图8是既处于热态又处于冷态的示范性热致吸收性偏振器的示意性图示。
图9是热控开关吸收性百叶窗设备的附加实施例的示意性图示，其中，第一偏振器是极性旋转偏振器。
图10是处于冷态的示范性的极性旋转偏振器的示意性图示。
图11是示范性的光电吸收性偏振器的示意性图示。
具体实施方式
在此公开的技术涉及关于辐射能(例如，可见光、UV光、红外光等)的对窗户或相似材料或结构的透射率的基于温度的控制，所述辐射能潜在包括太阳光谱的全部范围，其目的在于，基于外部天气状况、内部温度或该两者的任意结合来调节进入结构中的热流。该技术可用作房屋或构造材料，从而基于温度调节穿过窗户、天窗和其它透明材料的辐射能(包括可见光、UV光、IR光)的流动，因此在高温下限制辐射能(例如日光)进入。因此，该技术可用来通过控制它们吸收的太阳辐射的量来调节房屋和其它结构的内部温度。
该技术可用作具有温响应(temperature-responsive)光学去偏器的设备，例如，夹在两个吸收性偏振滤光器之间的热致液晶，从而调节光能的经过。经过该设备的入射能可取决于所使用的偏振器的吸收效率。例如，对于在所关注的工作频带宽度上吸收辐射能的效果非常好的偏振器，多达一半的入射辐射能在该设备温度低于阈值温度(例如，液晶的清亮点)时经过该设备，并且多达100％的入射辐射能在温度高于阈值温度时可由该设备吸收，产生热控开关吸收性光学百叶窗(在下文中称为“TSAOS”或“百叶窗”)。
出于美观、能量管理或其它原因的需要，低效偏振器，或效率依赖于频率的偏振器可用来影响温度高于或低于阈值温度时的吸收的百分比。该效应也可反向以使TSAOS设备在冷态下可以是吸收性的，或该效应可扩大以使TSAOS设备的透射率在透明态下可更高，或该效应可延迟以使TSAOS设备的吸收率在吸收态下可更低。为了美观或能量管理的原因，或为了其它原因，该效应可反向。
电暗化材料也可用来调节光的透射。最广泛使用的电暗化材料是夹在两个高效吸收性偏振器之间的液晶，该两个高效吸收性偏振器主要通过吸收使经过它们的光的衰减略多于50％。该材料的光透射由透明的、传导性的材料(例如铟锡氧化物(ITO))的涂层形成的电场所控制。这些液晶面板通常用于视频显示器中，在房屋材料中仅非常有限地使用。其原因部分地在于利用它们需要相当多的基础设施，包括电配线和电源，并需要成熟的控制系统、传感器和算法，或广泛的用户输入，从而设置材料的状态，并因此通过它们调节光、热和辐射能。在现有技术中，将液晶设备用作百叶窗受限于电气操作的(即，电暗化)面板。
另外，热控开关(thermal switches)可允许热能在其接通(ON)或封闭态(closed state)下经过，但防止热能在它们其断开(OFF)或打开态(opened state)下经过。这些开关可以是机械继电器(mechanical relay)，其依靠在两个传导表面(通常由金属制成)之间的接触从而使热能够通过。当两个表面后撤(withdrawn)时，热能可能物无法它们之间传导，除非通过空隙。如果该设备放置在真空中，那么可防止打开态下的热传导。热控开关的另一类型可涉及将气体或液体泵入腔室内，或从腔室抽出气体或液体。当腔室被充满时，它可以导热。当腔室为空时，可以没有传导，尽管穿过腔室的辐射转移仍可发生。
由于吸收的光变成热，光开关也可以是热控开关，以便控制日照的热增量。光可由光学滤光器阻挡，该滤光器可吸收或反射某些频率的光而允许其它频率的光经过，因此该滤光器行为类似光开关。同样，机械百叶窗的附加物可将包括滤光器的其它透明材料转变为光开关。在一个实例中，当百叶窗打开时，光可容易地经过，并且当百叶窗关闭时，没有光可穿过百叶窗。如果机械百叶窗被电暗化材料(例如液晶像素)取代，那么该开关是“接近固态”，其除光子、电子和液晶分子自身外没有移动部分。其它电暗化材料，例如在Azens等人的美国专利No.7,099,062中描述的电暗化材料，可实现相似的功能。这些光学滤光器/光开关的组合不是无源(被动)的，而是必须由外部电信号操作。
在材料温度提高或降低超过预定值的时候，热暗化材料可变色并可增加由材料吸收的光的量。光的降频转换(down-conversion)产生热，并因此在吸收期间热吸收性材料的温度可能根据该材料的环境温度而增加。然而，该效应在许多应用中可以是有利的，并可在其它应用中被实际上忽略。扭曲向列(twisted nematic)液晶显示器利用吸收性偏振器，例如，如果温度升高到高于它们的“清亮点”温度，则液晶显示器完全变黑，因为，在液化(各向同性)状态下，无序的液晶分子不能影响经过它们的光的偏振。如果显示器使用交叉的偏振器，那么近50％的入射光可在第一偏振器处被吸收，并且其它50％可在第二偏振器处吸收，导致近100％的不透明度。然而，如果偏振器以相差小于90度的角度取向，或如果第三偏振器以偏斜角放置在它们之间，那么液晶显示器在温度高于它的清亮点时可以不是完全的不透明的。
吸收性偏振器采用许多形式，并可吸收给定的线偏振或圆偏振的光。某些晶体吸收一种偏振光比吸收另一种更多。已经使用这样的晶体布置来制造人造偏振片(polaroid film)，普通的吸收性偏振器。它也使用掺碘的聚乙烯醇(PVA)塑料来制造。该塑料经拉伸从而使聚合物链优选在一个方向上排列。平行于链而偏振的光被吸收，并且平行于链而偏振的光被透射。另外，吸收性偏振器可由某些类型的液晶制作。吸收性液晶偏振器(LCP)可直线地或圆形地偏振。因此，一种螺旋性的光(即，右旋或左旋的)被透射并且相反的螺旋性的光被吸收。
对本文档来说，术语“热吸收性”在此用来描述具有随温度变化或直接受温度控制的可变吸收性的设备或材料。术语“辐射能”用来指代遵守光学定律的可见光、红外光、紫外光和其它波长的光。在此使用的术语“光学的”指代材料或设备关于辐射能的任意效应，例如，吸收、反射、透射、偏振、去偏振，或漫射。
对本文档来说，术语“热致去偏器”意指这样一种材料，在该材料中，去偏振(例如偏振的旋转)随温度而变化或直接受温度控制。构造热致去偏器的一个示范性方式是，将热致液晶保持在两个配向层(alignment layer)之间。热致液晶分子的取向既受配向层影响(例如受它们的化学作用和结构影响)，又受温度或温度梯度影响。在具有向列态的热致液晶中，该结构可用作波块(waveblock)，其中，光的各种频率和带宽的偏振的旋转取决于温度，并且其中，波块的类晶结构在温度高于阈值温度时瓦解。提供对于热致液晶的描述作为实例，并且该描述不应被认为是限制TSAOS设备的范畴。
对本文档来说，术语“低清亮点”意指这样的清亮点，该清亮点被选择成使得在设备的正常操作中，操作态之间(例如，在液晶中的向列态和各向同性态之间，或在其它有序态和各向同性之间)的功能转换的发生可作为设备的正常操作的一部分，并且“清亮点”大约落入设备的操作温度的正常范围内。这使在显示器中使用的低清亮点剂型与高清亮点剂型区分开，该高清亮点剂型的清亮点设置得足够高，以使显示器正常操作中绝不发生操作态之间的转换，并且该清亮点落在设备的操作温度的正常范围外。低清亮点设备的一个实例可以是这样的热吸收性百叶窗，其清亮点设置成低于在通常使用中遮蔽的窗户所经受的接近85摄氏度的最高温度，该接近85摄氏度的最高温度适当地低于通常在显示器中使用的高清亮点。在另一实例中，在高温地区夏天受充分日光影响的窗膜或室外视频显示器(例如，气泵表)可达到85℃的温度。因此，意图经受住这些状况的“低清亮点”设备应具有低于85℃的清亮点，而“高清亮点”设备应具有高于85℃的清亮点。
对本文档来说，术语“开关”包括但不限于固态的、电气的、光学的和机械的设备，以便选择性阻挡或准许能量流动，并包括数字式开关(例如，晶体管和继电器)和模拟式调节器(例如，电子管和变阻器)两者。此外，用于选择性阻挡或准许气体或液体流动的阀门可认为类似于开关，因此，原则上，两个术语可互换使用。通过该定义，TSAOS设备可以是这样的固态光开关，其基于TSAOS设备的温度而从其“打开”或透射态移动到其“关闭”或吸收态。
对本文档来说，术语“无源(被动)”指代这样的物体或设备，其可响应于环境状况，但可独立于外部信号或源自操作员的指令而操作。因此，设备可包括许多复杂组件(包括移动部件)，并在此处的叙述中仍当作无源设备。相似地，尽管用户撤销模式可包括在设备中，但这样的设备的被动性质本质上不可改变。相反，主动设备可以是需要用户输入以便执行它的正常功能的设备。作为这些定义的实例，光敏遮光玻璃可以是(无源)被动设备，而由墙壁开关或调光开关操作的标准灯泡可以是主动设备。
对本文档来说，术语“去偏器”指代这样的物体、设备或物质，其通过衰减之外的一些方式旋转或以其它方式改变经过它的光的偏振矢量。分别地，术语“偏振器”指代这样的物体、设备或物质，该物体、设备或物质阻挡一种极性的光而透射正交极性的光，或在阻挡圆形偏振光的情况下，透射相反螺旋性偏振光。最通常地，该阻挡由吸收引起。
也应理解，仅当在反射性偏振器中发生一些吸收时，可在吸收性偏振器中发生一些反射，但该两种类型可依靠不同的操作原理并产生性质不同的光学效应。当论述吸收性偏振器时，对论述来说，假设吸收性偏振器在吸收一种极性的光并透射其它极性的光方面100％有效(或效率接近100％)是方便的。然而，在实践中，这些偏振器的效率可能低于100％(例如，由于设计选择或设计和制造限制)，偏振器可以是部分反射性的并具有频率依赖和空间依赖的反射、吸收和透射特征(例如，由于设计选择或设计和制造限制)或其任意的结合，并且这不应解释为限制本发明的范畴。
通常，本发明的一个实施例可采用一种形式的热致光学去偏器，其可与两个透明偏振器一起使用，从而构造热控开关吸收性光学百叶窗。TSAOS设备可允许光和辐射能在低温下经过，并在高温下吸收这样的光和辐射能。去偏器可经选择或设计以使它的偏振态在预定温度改变(例如，该去偏器可以是热致的，因此在预定温度改变偏振态)。TSAOS设备也可用于如下应用中，在所述应用中，通过控制房屋、车辆或其它结构吸收的太阳辐射的量而调节房屋、车辆或其它结构的温度。
在TSAOS设备的一个实施中，可连续布置两个吸收性偏振滤光器，其可透射平行于它们自己的偏振光，并可吸收垂直偏振的光。当吸收性偏振器平行定向时，可吸收多达50％的入射辐射能。当吸收性偏振器相互垂直定向时，可在一个偏振器处阻挡多达50％的光，并且由第一吸收性偏振器透射的多达50％的剩余光可由第二吸收性偏振器阻挡。在此情况下，穿过两个吸收性偏振器的光的透射可以是非常少的(经常少于1％)，并且大部分光(经常接近100％)可被吸收。
TSAOS设备的一个实施例包括可透射平行于它们自己的偏振的偏振光并可吸收垂直偏振光的两个吸收性偏振滤光器。因此，近50％的入射光可被吸收。实际上，也可被吸收小附加量，因此穿过两个平行偏振器的光透射可以是30％～40％。在偏振器相互垂直定向时，可在一个偏振器处阻挡近50％的光，并且在另一偏振器处阻挡近50％的光。在此情况下，穿过两个滤光器的光的透射可少于1％，并且大部分光(接近100％)可被吸收。
在另一实施中，可改变经过它的光的偏振的可开关去偏器可以与两个或更多个吸收性偏振器一起配置。在该实施的一个实施例中，可开关去偏器可以是夹在两片透明的微观结构材料(例如聚合物涂敷玻璃或聚合物膜)之间的液晶。可开关去偏器可被特殊地选择或设计为热致的，因此它的偏振态在预定温度转变。在“断开”状态下，入射光的偏振态可基本上不受去偏器影响，并且在“接通”状态下，已经经过第一偏振器的特定偏振光可以旋转设定量。这通常是为了，根据所需的光学效应而使得光与第二偏振器排列在平行态或垂直态。因此，两个吸收性偏振滤光器和液晶(例如，具有向列态的热致液晶)的组合可构成可开关吸收器，该吸收器根据液晶状态吸收多达50％或多达100％的入射光。因此，两个吸收性偏振滤光器和液晶的组合可构成可开关吸收器，该吸收器根据液晶状态(并因此根据温度)吸收多达50％或多达100％的入射光。这样的热吸收性百叶窗可使用其设计操作温度范围在约-30摄氏度至60摄氏度之间的液晶或液晶剂型，该温度范围可与人们通常耐受的温度相符，和/或适于人类生活的环境的户外地面温度的设计清亮点相符，例如，高于约-40摄氏度并低于约85摄氏度。
包括液晶的许多材料展示出热致性质，液晶在这里称为“清亮点”的温度上从有序态或“接通”态(例如，结晶、向列或近晶状(smectic))转换到无序态或“断开”态(例如，液体、各向同性、或非偏振)。例如，4-丁基氰基联苯(4-butylcyanobiphenyl)(CB)液晶可具有接近16.5摄氏度的清亮点，而6CB液晶可具有接近29.0摄氏度的清亮点，并因此在温度接近室温的状况下“熔化”(即，变得各向同性)。4CB和6CB的混合物可具有在这两个值之间的清亮点，该清亮点接近线性地与混合物中每种成分的百分比成正比。在“断开”状态下，入射光的偏振态可基本不受去偏器影响，并且在“接通”状态下，已经经过第一偏振器的特定偏振光可旋转设定的量(例如，45或90度，但也可以是180或270度，或其它不能被45整除的值)。
在一些实施中，TSAOS设备可处在冷态(例如，结晶、向列或近晶状)下，并吸收多达50％的到达它的光或其它辐射能，并透射近40％的光或其它辐射能。在热(例如，各向同性)状态下，TSAOS设备可吸收多达100％的入射光。因此，TSAOS设备可形成热控开关的吸收性光学百叶窗。相反转换也是可能的，即，百叶窗在寒冷时是吸收性的并在炎热时是透射性，并且该相反转换可取决于偏振器和去偏器层的精确布置。
在详细解释公开的实施例之前，应该理解，本发明在它的应用中不受限于所示出的具体布置的详述，因为本发明能具有其它实施例。同样，在此使用的术语是为了描述的目的而不是限制。
图1是TSAOS设备100的一个实施例的图解剖面图。如图1中所示，热致去偏器层102可设置在两个吸收性偏振滤光器101和103之间，并可附接到光学透明衬底104。在通常情况下，外部光源可以是未偏振的白光(即，强度处于可见频谱、近UV频谱和近IR频谱的主要带宽范围的光)。在百叶窗设备100的一个应用中，外部光源可以是太阳。然而，TSAOS设备100也可在外部光源不是白光(例如是蓝色天空的漫射辐射能)时运行。
在一个实施例中，入射光可首先经过外部吸收性偏振器101。偏振器的形式可包括PolaroidTM膜或可以是吸收性液晶偏振器(LCP)，尽管其它形式也可使用。
近50％入射光可具有与外部吸收性偏振器101的偏振垂直的偏振，并可由外部吸收性偏振器101吸收。在具有与外部吸收性偏振器101的偏振平行的偏振的剩余光中，一些百分比可由热致去偏器102吸收，和/或通过外部吸收性偏振器101离轴吸收，并且剩余光可透射穿过。
一旦入射光经过外部吸收性偏振滤光器101，入射光(例如，日光)可进入热致去偏器102，该热致去偏器102可以是能展示出两种偏振态的设备或材料。在它的热(例如，各向同性或液体)态下，经过热致去偏器102的偏振光可不受影响。在它的冷(例如，向列或结晶)态下，热致去偏器102可使入射光的偏振矢量旋转一固定量。在一个实施例中，热致去偏器102可以是可使光的偏振矢量旋转90度的扭曲向列液晶。然而，可使用各种其它设备和材料，包括可与外部吸收性偏振器101成45度角定向的向列液晶。
一旦光穿过了热致去偏器102，则剩余偏振光可到达内部吸收性偏振器103，该偏振器103也称作“检偏镜(analyzer)”，其中，光可根据偏振态被吸收或透射。内部吸收性偏振器103可定向成使得它的偏振垂直于外部吸收性偏振器101的偏振。因此，在百叶窗设备100的热态下，当光的偏振矢量不可旋转时，光的极性可垂直于内部反射性偏振器103的极性，并且近100％的光可以被吸收。然而，在冷态下，当光的偏振矢量不可旋转90度并可平行于内部吸收性偏振器103时，少量光可由内部吸收性偏振器材料吸收，并且其余光可透射穿过。
在图1中示出了针对冷态的入射光的行为，其中，外部吸收性偏振器101可吸收多达50％的入射光。剩余光可经过热致去偏器102，其中，光的偏振矢量可旋转，然后光可经过内部吸收性偏振器103或检偏镜，其中光基本不受影响。然后光可经过可选的透明衬底104并最终离开TSAOS设备100。因此，在百叶窗设备100的冷态下，该设备100可用作衰减器，该衰减器可吸收到达其外表面的光的近50％，可反射少量光，并可使其余的光透射到内表面。
图2是与图1相同的实施例的剖面示意图，不同之处在于，为TSAOS设备100的热态示出入射光的行为。热致去偏器102不可影响经过它的光的偏振矢量。因此，到达内部吸收性偏振器103的任何光都可具有与内部吸收性偏振器103的极性垂直的极性，并且近100％的光可被吸收。因此TSAOS设备100可用作遮光物，该遮光物可吸收到达其外表面的光的近100％。
因此，在TSAOS设备100的冷态下，该设备100可透射的光能是到达它的外表面的光能的略少于一半，由此在热态下，TSAOS设备100可透射少于1％的光能。因此，TSAOS设备100可用来基于TSAOS设备100的温度来调节进入结构的光或辐射热的流动。
在该实施例中，透明衬底104可为结构支撑和方便的原因而存在。透明衬底104可被去除而不显著改变TSAOS设备100的功能。可替换地，透明衬底104可放置在TSAOS设备100的外表面而不是内表面上，或透明衬底104可放置在两个表面上，在TSAOS设备100的功能层中的一个或更多或其结合之间插入，而不显著影响它的功能。此外，透明衬底104可设置在百叶窗设备100的内表面上，如图1和2中所示，并且透明衬底104不需要对所有波长透明。另外，只要被透射的波长用作热能、照明或用于其它目的，透明衬底104可以是长通、短通或带通的滤光器。然而，为了方便和成本，透明衬底104通常优选将普通透明材料(例如玻璃或丙烯酸树脂)用作衬底。
通常，用眼睛来看对数标度。因此，入射光的50％衰减或许可能看起来主观地认为是接近原始未偏振光的亮度的84％，尽管它根据具体状况或境况可能比此更大或更小。作为美观、人和能量管理因素的平衡，初步证据表现出，近10％～20％的入射太阳能的热态散射和50％～70％的入射太阳能的冷态散射对于窗户应用来说可以是需要的。然而，对于TSAOS设备的不同应用和实施例来说，可能需要不同的透射级。
在制造TSAOS设备的一个示范性过程中，第一步可以是形成液晶(LC)盒或“瓶”。两片二氧化硅涂敷(钝化)玻璃可被划出预定尺寸并放置在衬底架中。如果在玻璃上具有铟锡氧化物(ITO)低发射率涂层，那么它可被腐蚀，在原位留下SiO2。然后片材可放置在48KHz超声波清洁器(例如，功率级设置为8的Crest Truesweep清洁器)中15分钟，使用pH中性皂，该pH中性皂以每加仑去离子(DI)水(纯度为28Ohm或更好)混合一盎司pH中性皂的配比混合。如有聚酰亚胺(PI)受潮问题，那么片材可以用Detrex皂重洗。更大的片材可改为使用商用玻璃清洗机(例如，Billco 600系列)清洁。可用异丙醇(IPA)使片材干燥，并且片材可放置在80-85摄氏度的干燥炉中，按无水储存和分段运输(staging)的需要持续近120分钟或更长，并且然后可放置在臭氧清洁器中近15分钟。然后通过旋涂(spin coating)，该旋涂以500RPM的转速持续10秒，继之以2000RPM的转速持续45秒，在溶剂中溶解的PI定向层可被沉积。一致的涂层需要每平方英寸片材近1ml。对于过大以致于不能旋涂的片材，PI溶液可由喷墨打印机沉积。在涂敷后，衬底可在85摄氏度下被加热近5分钟，从而快速去除任何剩余溶剂，然后可在180-190摄氏度下烘烤近一小时，从而使PI固化。炉门不应打开，直到内部温度为85摄氏度或更低。
然后片材可储存在50摄氏度的真空炉中直到被使用，从而防止PI表面的污染。然后片材可放置在真空夹具中，从而将它们保持在适当位置，并用聚丙烯或铝块摩擦，用双边条带固定的摩擦布材料覆盖该聚丙烯或铝块。摩擦块可在没有向下压力(除其自重之外)的情况下，沿相同方向推过表面25次。然后可在片材的未涂敷侧上标记出(例如，用记号笔)摩擦方向。然后多个7.5微米的间隔珠可通过喷气(air puff)机器施加于一个片材的摩擦面，并且摩擦方向与第一衬底成90度角定向的第二片材可以通过摩擦侧向下(rubbed-side-down)的方式放置在第一片材顶部。边缘可首先用不可与液晶相互作用的光学粘合剂(例如，Norlin 68)密封，然后用防水密封剂(例如，Loctite 349)密封，留下至少两个打开的孔口，每个孔口都接近1cm宽。Norlin 68可用剂量至少为4000mJ/cm2的UV固化，并在50℃下烘烤12小时，或允许在室温下固化一整个星期。
然后瓶(具有部分密封的边缘的两个片材)可放置在具有20milliTorr或更低压力，温度低于清亮点并高于液晶凝固点的真空装载机中，并下降到含有液晶(例如，5份6CB、1.25份E7和0.008份811的清亮点为35℃的混合物)的槽中。液晶可由毛细作用抽取到瓶内。在装载完成时，瓶可从真空室移除，孔口可用Norlin 68和Loctite 349密封，并且可重复固化步骤，务必避免液晶混合物不必要地暴露于UV光。一旦瓶被制造，然后可将其进一步构造成完成的TSAOS设备。示范性的TSAOS设备可包括独立的热吸收性滤光器(例如，LC瓶、偏振器，以及仅UV防护)和具有层合到一个窗框的热吸收性滤光器的绝缘玻璃单元(IGU)或“双框玻璃”。LC瓶可与光学清洁片材粘合剂(例如，光学清洁粘合剂3M 8141和3M 8142)和吸收性偏振器膜(例如，Nitto Denko GU-1220DUN)的层多次层合，从而制造热吸收性滤光器。然后可应用UV屏蔽层(例如，GamColor 1510UV膜)。所有层合步骤可在具有1,000级下吸式排风罩(downdraft hood)的10,000级的净化室环境中执行，从而防止微粒在任何粘合层中引起气泡。
由瓶构造TSAOS设备的过程开始于，使用6ft自动/手动辊压层合机将粘合剂应用于瓶。通过在水准旋钮(leveling knobs)上使用预置增量，可在层合机上设置高度，从而避免损坏瓶。3M 8141的一个层可施加于瓶，之后是吸收性偏振器层。该过程可在瓶的反面上重复，偏振器膜从先前的层旋转90°。3M 8141的另一个层可应用于瓶的任意一侧，然后可施加UV屏蔽层，作为最后步骤。此时，瓶已成为热吸收性滤光器。
可替换地，软瓶可由两个偏振器直接形成。一种方法可包括从聚合物膜的拉延和伸展方向上自然形成定向层，或依靠上述摩擦将定向层应用于它们。在此情况下，一旦第二偏振器已经放置在顶部并且与底部上的第一偏振器成90度角，那么LC可通过上述孔口装载，或可作为薄膜涂敷到偏振器上(例如，通过照相凹版制版法(gravure process))，或可“溢出或泼浇(glopped)”到偏振器上，并且辊压平面(例如，用薄片轧辊(laminating roller))。在任一种情况下，瓶的边缘之后都可由热封(例如，用高温烙铁，例如345摄氏度的烙铁)密封，或用虎钳和热风枪密封，其温度为540摄氏度，或高于偏振膜熔化温度并可产生可接受的软边封的一些其它温度。然后UV阻挡膜可层合到瓶，如上所述。
为了由LC瓶制造绝缘玻璃单元(“IGU”)，需要进一步的层合。可向热吸收性滤光器给予位于UV屏蔽上的两个连续的3M 8142层。然后也可向通常比瓶大1-2英寸(in)的窗玻璃(无论是未加工的、退火的、热强化的、化学强化的，或钢化的)给予两个连续的3M 8142层。在钢化玻璃上的层可与在边沿下面的条带层合，从而防止3M 8142完全遮盖玻璃。然后可从LC瓶和钢化玻璃窗移除粘合衬背(adhesive backing)。每个的粘合侧都可放置在一起，然后最后一次穿过层合机，再次设置适于层合并防止损坏瓶的高度。现在，组件可具有在它周围构筑的标准绝缘玻璃单元。具有干燥剂的标准铝IGU隔离片可用来使两块IGU玻璃分隔，并可附接到具有PIB联结珠的玻璃并且用聚异丁烯(PIB)热熔密封剂密封在边缘周围。现在IGU已准备好运送和安装。
图3是TSAOS设备的另一实施例的示意性图示，其中，在偏振器101和103中的一个或两个中具有缺口105，从而允许一些源自外部源的未偏振光经过百叶窗设备而不更改。这些缺口105可采用孔洞或条带形式，或可替换地，偏振器材料自身可以用条带或斑点形式。然而，本领域技术人员会理解，有许多种不需要在此详述的塑造缺口105的可替换方法。例如，该实施例可用在提供相对清晰的视野的窗户中。在此情况下，吸收性偏振器101和103的衰减或阻碍可与透过普通纱窗观看相似。
使用具有缺口105的吸收性偏振器101和103取代统一的偏振器，可在所有情况下增加穿过百叶窗设备的能量的透射，并因此可降低设备在热态下反射光和辐射能的能力。然而，在冷态透明度比热态吸收性更重要的情况下，该布置可以是有利的。
可以注意到，相似效应可通过使两个吸收性偏振器旋转以相互成大于零度并小于90度的角度来实现，但是该方法仅增加热态下百叶窗的透明度，并可(取决于百叶窗的精确几何形状和去偏器的精确性质)在冷态下降低透明度。在此情况下，偏振器有效操作，冷态下的透明度可不高于50％(该状态在两个理想偏振器以平行取向放置时发生)。然而，如果偏振效率低于100％，那么在舍弃热态下的吸收性的情况下，在冷态下可实现更高透明度。
在可替换实施例中，液晶或定向层中的缺口，或液晶或定向层的其它间隔可产生与在偏振器中具有缺口的实施例相似的效应，而且在一些情况下，这可以更简单或另外地更被需要。同样，任意种类的缺口105都可布置成以使仅间接光能够经过百叶窗。
图4是TSAOS设备的附加实施例的示意性剖面图示，其中，添加可选彩色滤光器106。其它形式的彩色滤光器106可包括带反射器(例如分布式Bragg反射器(DBR)或梳状滤光器)，其可被设计成反射窄幅波长并透射其它全部波长，或可包括带通滤光器(例如，彩色玻璃或塑料的片材)，该带通滤光器可被设计成透射一定范围的波长并反射或吸收其它全部波长。
在图4中，彩色滤光器106被示作位于百叶窗设备的外表面上。然而，本领域技术人员会理解，通过将彩色滤光器106设置在百叶窗设备中的其它层后面，可以产生不同的美观的或光学效应。例如，通过将彩色滤光器106放置在百叶窗设备的内表面上，当百叶窗设备处于热态或100％吸收态时，对于外部观察者，颜色可以是不明显的。
使用彩色滤光器可降低穿过冷态或50％吸收态下的百叶窗设备透射的光和辐射能的量。然而，该布置在美观、关键波长抑制或热态吸收性比冷态透明度更重要的情况下可以是有利的。
可替换地，百叶窗设备可使用一个或更多的有色偏振器(即，不吸收或反射整个可见光谱的偏振器)而不是附加彩色滤光器层来取代吸收性偏振器中的一个。一个示范性有色偏振器可以是在热态或吸收态下产生绿色的Nitto Denko G1220DUN偏振膜。
图5是TSAOS设备的另外的实施例的示意性图示，其中，利用操作一个或更多的致动器107的电驱动控制系统108补充了热致去偏器102。
致动器107的示范形式可以是透明的传导材料(例如氧化锡或铟锡氧化物(ITO))的薄层，该材料可用作电阻加热器，从而将电能作为热散失，以便提高热致去偏器102的温度。致动器107的另一示范形式是在施加电压时膨胀或收缩的压电材料，因此使热致去偏器102的体积收缩或膨胀，从而激励或抑制某些相变或热膨胀和缩小效应。本领域技术人员可以理解，其它类型致动器可用来影响去偏器102的热致性能或使热致性能偏向，而不背离本发明的精神。
控制系统108可包括温度传感器、电源和控制器硬件。控制系统108的示范形式可以是包括热电偶的恒温器和LCD控制器，该热电偶连接到可编程微型控制器并由小型电池或光点电池供电。在被感测的温度上升到高于阈值或降低到低于阈值时，控制系统可向致动器(或多个致动器)107施加AC或DC电压，以使热致去偏器的偏振性质可改变(例如，通过强制或激励液晶分子重新定向)。该实施例的操作和使用与在图1和图2中示出的实施例的操作和使用在其它方面相似。
图6是TSAOS设备的附加实施例的示意性图示，其中，热致去偏器102被去除，并且吸收性偏振器101’和103’中的一个或两个是热致变的。如此设计热致吸收性偏振器101’和103’，以使它们可在热态下正常偏振，并可在冷态下最低程度偏振或不偏振。在一个示范形式中，这些偏振器由吸收性“记忆合金”纳米杆组成，该纳米杆在热态下首尾相连排列，从而形成吸收性偏振器，并在冷态下竖直排列，从而形成不偏振的、最低程度吸收性的结构。可替换地，热致偏振器可以是液晶偏振器。因此，在冷态下，进入百叶窗的未偏振光可遇到非偏振态下的外部偏振器101’，并且光可不受它显著影响，然后光可遇到非偏振态下的内部热致吸收性偏振器103’，并且光也可不受内部热致吸收性偏振器103’显著影响。因此，除了与穿过透明衬底和非偏振态下的热致吸收性偏振器101’与103’的透射有关的一些微量吸收、反射和散射，基本上100％的入射光可穿过百叶窗透射。
图7是图6的实施例在热态下的示意性图示。在此情况下，热致吸收性偏振器101’和103’两者都处于它们的全偏振配置，它们之间没有去偏器。因此，在未偏振光遇到外部热致吸收性偏振器101’时，多达50％的光可被吸收，与其它实施例相同。经过的光具有相反极性，并因此多达100％的经过的光可由内部热致吸收性偏振器103’吸收。因此，百叶窗在冷态下透射性可高达100％，并且在热态下的百叶窗的吸收性可高达100％。与在其它实施例中相同，该理想反射可在两个热致吸收性偏振器101’和103’以分开近90度定向时发生。在热态下透射和反射的量可通过使两个热致吸收性偏振器101’和103’错位(misalign)来调整，并且在冷态下透射和吸收的量可通过在两个热致吸收性偏振器101’和103’之间放置去偏器来调整。
图8是在热态和冷态下的示范性热致吸收性偏振器101的示意性图示。在该示范性实施例中，偏振器101是可由平行元件109构成的吸收性偏振器。在该实施例中的偏振器是具有由区段(segment)110构成的元件109的MEMS(微机电系统)设备，该区段110由可根据温度改变物理形状的吸收性热致材料制成。这样的材料的实例可包括但不限于形状记忆合金，例如铜-铝-镍合金。在该示范性实施例中，区段110可被形成为使得它们在高温下平放，并在低温下从表面上直立。因此，在温度高于某个阈值温度时，单独的区段110可充分平放，从而相互进行物理接触，并可形成连续的吸收性偏振器109。然而，可以理解，其它形式的热致吸收性偏振器也是可能的，包括由液晶或纳米工程化的光学和光子材料或所谓“超材料(metamaterial)”构成的版本，而且这些或其它形式的热致吸收性偏振器可用来取代图8中示出的设计，而不改变该实施方式的基本性质、意图或机能。
图9是TSAOS设备的另一实施例的示意性图示，其中，外部吸收性偏振器被“极性旋转”偏振器101替代。到目前为止，因为吸收性偏振器吸收相反极性的光而反射性偏振器反射相反极性的光，所以极性旋转偏振器可将相反极性的光转变为极性一致的光。因此，偏振器101透射性可高达100％，并且离开它的所有的光都具有相同极性。在图9中，极性一致的入射光到达外部偏振器101并且穿过偏振器101透射。同样在图9中，相反极性的光到达外部偏振器101并被“旋转”以使它的极性与外部极性旋转偏振器101的极性一致。
图9示出在冷态下的实施例的操作，其中，偏振光进入冷的、有序状态(例如，扭曲向列态)下的去偏器102，因此，去偏器102可操作以使所有经过它的光的极性旋转，从而使光的极性与内部吸收性偏振器或检偏镜103的极性一致。内部吸收性偏振器103可以是与前述其它实施例中的吸收性偏振器相同的标准吸收性偏振器。由于被去偏振的光的极性与内部吸收性偏振器103的极性一致，所以它可穿过偏振器103透射。因此，在该实施例中，TSAOS设备在冷态下的透射性可达100％。在热态下，去偏器102可变得无序(即，液体或各向同性态)并且不可影响经过它的光的极性。因此，由于光可具有与内部吸收性偏振器103的极性相反的极性，所以多达100％的光可被吸收。因此，TSAOS设备在热态下的吸收性可达100％。
图10是极性旋转偏振器设备的示范形式的示例性图示，包括线栅偏振器111、反射镜112和去偏器113。在极性一致的光到达线栅偏振器111时，光可穿过线栅偏振器111透射。然而，在极性相反的光到达线栅偏振器111时，光可以成45度角反射到反射镜112，该反射镜112也可用45度角反射光，以使光可以再次在它原来方向上运动。此时，被反射的光可经过永久去偏器(也称作波块或波片)，该永久去偏器使得光的极性旋转特定量(通常为90度)。因此，被反射的光的极性现在可与透射光的极性一致。所以，极性旋转偏振器可使得多达100％的到达它的光透射，而且确保所有的光可具有相同极性。
应该认识到，光学元件的多种其它布置可实现相同效应，而且也可发现其它类型的极性旋转偏振器，包括基于纳米结构化的光学或光子材料的偏振器材料，所谓“超材料”，以及根据不同原理运行的其它材料。然而，本实施的基本机能、意图和性能不受所采用的极性旋转偏振器的精确性质影响。
图11是另一类型的吸收性偏振器(光电偏振器)的示意性图示，其中，杆状吸收性元件109已被光电条带所取代。在一个实施例中，这些条带109可以是Shottky型二极管，该Shottky型二极管通过低带隙半导体(例如锗)薄膜位于高带隙半导体(例如硅)薄膜顶部上而构成。然而，其它光电材料或设备也可被替换，且基本上不改变TSAOS设备的该实施例的性质和机能。在该布置中，尽管光电条带109可吸收(例如，以热的形式)达到它的具有相反极性的光的大部分，但该光的大部分也可以电位(电势)的形式被吸收，可收集该电位(电势)以便形成电流。光电设备的设计和功能在现有技术中已经得到良好的描述并且不需要在此进一步详述。
然而，应该理解，本实施方式中可采用一个或多个光电偏振器，以使由一个或多个偏振器阻挡的光的部分可通过电能形式被利用。这可在百叶窗的常规热致吸收性行为之外发生。
TSAOS设备可以是被动的和自调节的(不需要外部信号或用户输入以进行操作)，并因此可认为是“智能材料”。TSAOS设备也可被理解为近固态光开关。在一些实施方式中，除液晶分子薄膜外，开关可在除光子和电子之外不含有移动部件。TSAOS设备可基于温度、经过它的光和辐射能的量来进行调节。因此该百叶窗可用于通过控制太阳能或其它入射光能的反射和吸收来帮助调节建筑物、车辆和其它结构的内部温度。
TSAOS设备可具有多种配置。例如，TSAOS设备可被配置成透射和吸收漫射的可见光，并且它可用作半透明建筑物材料(例如玻璃砖、调光玻璃(privacy glass)和织构聚合物(textured polymers))的美观的、能量调节的替换件。可替换地，TSAOS设备可被配置成透射和吸收稍有散射的平行可见光。在此情况下，该设备可用作透明建筑物材料(例如玻璃或聚合物窗户)的美观的、能量调节的替换件。进一步地，TSAOS设备可被配置成在可见频谱中示出反射、吸收或透射峰，并可用作彩色玻璃(stained glass)、有色窗户(tinted windows)或窗户贴花(appliqué)和涂层，或人造彩色光源的能量调节的替换件。TSAOS设备的物理例示可以是厚或薄、坚固或薄弱、坚硬或柔软、由单片构成或由独立的部件构成，这些因素不以任何显著方式改变设备的运行。
另外，TSAOS设备的性能可通过提高或降低它的导热性和/或热容量以改善它的冷态光透射、吸收或反射来增强。此外，通过调节一个或两个偏振层的结构(例如，通过使偏振材料的条带或斑点与透明材料交替)来提高TSAOS设备的在冷态和热态下的透明度。另外，在热态下可通过调节偏振器相对于彼此的定向(即，在热态下角度小于90度会产生低于100％的吸收)来提高TSAOS设备的透明度，但是这样不能提高冷态下的透明度。在冷态下可通过调整由去偏器提供的偏振光的旋转来提高或降低TSAOS设备的透明度。也可通过附加可选特征而为某些应用增强TSAOS设备的功能，该附加可选特征例如抗反射涂层、半反镜(部分反射镜，partialmirror)、低发射率涂层、聚光镜片(concentrating lenses)、空隙或真空隙、相变材料、半透明绝热体，其包括但不限于泡沫玻璃和硅土气凝胶(silica aerogel)或其任意组合。
各种偏振器类型(包括但不限于功能随温度改变的拉伸的聚合物偏振器、液晶偏振器、镜面反射(specular)吸收性偏振器、散射吸收性偏振器、热致偏振器，以及极性旋转偏振器)可用任意数量的不同布置组合，从而实现与本申请中描述的效应相似的效应，而不从根本上偏离本发明的精神。例如，吸收性偏振器可被选择以使每个偏振器都具有不同的偏振性质(例如，偏振性质可以是相反的，如在不同频率下的镜面反射对漫射，或反射性对吸收性)。
尽管关于TSAOS设备的能量输送的最大控制可在吸收的波长的范围尽可能大的时候发生，但彩色滤光器层的添加可为美观或其它原因而改变经过TSAOS设备的光的透射频谱(即，颜色)。另外，通过添加一个或多个带阻滤光器从而反射特定波长的光，可以向TSAOS设备的表面添加对该设备效率影响最小的反射性“颜色”。获得的光学性质不与任意其它建筑物材料的光学性质密切相似。为美观、热和光管理或其它原因，可以使用频谱选择性偏振器，该偏振器仅对特定范围(或多个范围)的波长进行操作，而且可以使用对于特定范围(或多个范围)或波长具有不同偏振效率和吸收性与反射性程度的偏振器。
尽管TSAOS设备的材料和结构可以是刚性的，但为了使TSAOS设备执行在此描述的功能不需要刚性。此外，尽管TSAOS设备的各种组件以附加或直接物理接触的形式示出或描述，但是，如果组件是邻接但物理分离的，TSAOS设备也可以操作。因此，尽管TSAOS设备可实施为固体(例如，窗户、玻璃块、拱肩(spandrel)或可移动面板)或固体组(例如，附于光学工作台的多个部件)，该设备也可实施为柔性物体，例如可应用于玻璃窗、拱肩或玻璃块建筑物材料的帐篷材料、覆盖物(blanket)、窗帘或贴花膜。
另外，多种可替换材料可用来制造TSAOS设备，包括金属、陶瓷、半导体、玻璃、聚合物、蜡、盐、纳米结构化和微米结构化的光子材料、超材料、液晶、冰、液体，以及蒸汽。该设备可包括被设计成增强它的绝热性质的特征，该特征包括但不限于例如空隙、真空隙、泡沫、珠子、纤维垫或气凝胶。TSAOS设备也可包括被设计成改善热感测、响应和转换温度精确性能力的特征，例如传导粘合剂、具有大或小的热质量的材料，以及相变材料。另外，TSAOS设备可包括被设计成改善将热向外传导的速率的特征，并且TSAOS设备可足够厚和刚性，从而用作车辆或建筑物墙体的结构组件。TSAOS设备可被包裹在复曲面周围或在复曲面上形成，并可用颜色增强美观，或该设备可以伪装以便与常规建筑物材料更相似。热变色颜料可添加到某些表面上，从而在其炎热或寒冷时进行显示。
添加剂(例如手征性液晶)可包括在热致去偏器中，从而设置偏振光的旋转的优选方向。这可提高状态之间转换的速度和光学性质。溶剂(例如，Merck的液晶溶剂ZLI1132)可用作基础，从而形成液晶混合物。另外，例如，添加剂可包括在去偏器中，从而改善转换的温度稳定性，或降低去偏器对特定波长或波长范围的光或能量的敏感性，以降低对由UV光引起的分解(breakdown)的化学敏感性，从而防止某些波长的光被吸收和防止光转化为热，或减轻由于其它部件的分解引起的转换温度的变化。例如，可引入己烷和三氯甲烷，以调整液晶的凝固温度或降低粘度。机械增强可添加到重新定向部件，使它们朝向或远离入射光，或改变它们的波长响应或视厚度。
各层的精确布置可改变并且(取决于所选择的材料和波长)不同的层可组合成单个层、物体、设备或材料，而不改变TSAOS设备的基本结构和功能。尽管上面的描述含有许多特性，但这些不应解释为限制本发明的范畴，而应解释为仅提供本发明的某些实施例的说明。存在制作不同材料的并在不同配置下的TSAOS设备的各种可能。例如，结构可以是可膨胀的或可以是针对水下或在外层空间(而不是在标准大气(例如，大气压力))的使用最优化的。
另外，TSAOS设备可加入一个或多个附加偏振器(无论是相互平行或旋转以相互成某个角度，或者平行于原有两个偏振器或旋转与之成某个角度，)，以便在TSAOS设备内的各位置处更改光的偏振态。偏振角和液晶分子取向的众多组合可用来产生不同的光学效应(例如，冷时的吸收性代替热时的吸收性，可透射态下的不同颜色，等等)。去偏器可采用向列、扭曲向列、近晶、固体/晶体、盘状(discotic)、手征性，以及其它物理/分子态的多种不同的组合，以及可替换液晶技术(例如，聚合物稳定的胆固醇、聚合物向列、以及具有或不具有电场的宾主单元(guest-host cell)、有织纹表面(textured surface)、内部引导线、或使部件分子重定向的其它工具。
可以制造在冷态下漫射并在热态下镜面反射的去偏器(以及反向的)，该去偏器在一个或两个状态下为乳白色，与温度改变不同地改变透射光和吸收光的色平衡，并且在处于热态和冷态时相似地具有不同的色平衡。另外，可以使用对于光的各种偏振(例如，圆形的、椭圆形的和直线的)中的任何偏振进行作用的偏振器。这样的实施例被明确要求作为本发明的一部分。
不影响本发明的核心原理的众多其它变更是存在的。例如，去偏器或一个或多个偏振器在性质上可以是机械的，根据温度变化而物理地旋转90度(或旋转一些其它量)。可替换地，热致去偏器可被设计成使它的温度影响它操作的波长的范围，而不是(或另外地)影响它的去偏能力。例如，由具有非常高的热膨胀系数的材料制造的波块会具有该性质。该设备中任意或全部的层可由掺杂的纳米结构化或微米结构化的材料构成，包括但不限于常规光子晶体。
将TSAOS设备用作热调节建筑物材料，可通过谨慎安置该设备来增强这种使用。例如，TSAOS设备可放置在屋子南面的屋檐下，以使设备在冬天处于全日照下，并且在夏天太阳在天空中较高位置时受屋檐遮蔽。可替换地，TSAOS设备可用来取代传统天窗，或用作附加在普通玻璃窗或玻璃块上的嵌板或贴花。在一些情况下，也可需要在热吸收性材料或设备后面放置不透明的吸收能量材料，以使在冷(透明)态下的热能吸收最大化。在其它情况下，也可需要在热吸收性材料或设备后面放置反射材料，以使在冷(透明)态下的热能吸收最小化。
尽管在此公开的TSAOS设备可用作建筑物材料，特别是用作暴露于日光的结构的外层(external skin)，但它也可通过多种其它方式使用。例如，热吸收性材料或设备可被结合到浴室门中，以使热水或蒸汽的存在导致该门变得不透明、漫射、半透明或遮护，确保使用者的隐私。相似地，咖啡壶可由热吸收性材料制造，以使热咖啡在壶中的存在对于任何观察者是明显的。
另外，TSAOS设备可用来显示温度控制的图像。这样的图像(包括文本、线图、企业标识和单色照片)可通过以下方式来实现：以所需图像的形状布置热吸收性材料，或通过选择性改变在特定区域的热吸收性材料的温度响应，因此图像在特定温度下或在特定温度范围下显现，或通过操纵液晶定向层或其它分子定向过程以使在特定区域的材料的热吸收响应增强或减弱，从而形成图像，或通过基本上不改变图像的性质和它的基础技术的其它方法。这样的图像可包括光学元件，例如反射镜、半透明反射镜(half-mirror)、光栅、栅格，以及fresnel透镜，以使热吸收性材料或设备在高温和低温下展示出明显不同的光学性质。
尽管已在此示出和描述若干示范性实施例，但应该理解，本发明不限于这些特定配置。可选组件(例如抗反射涂层或膜、透镜、棱镜膜，以及直接感光偏振器)可添加或移动，从而适应特定应用或特定制造方法的需要，并且一些实施例的降级形式可通过去除或替换某些部件来产生。尽管本发明的各种实施例已在上面通过某种程度的特性来描述，或根据一个或多个个别实施例来描述，但本领域技术人员可对公开的实施例做出多种修改，而不背离本发明的精神或范畴。
本申请意指上面描述中包含的和在附图中示出的全部内容仅被解释为说明特定实施例并且不是限制。所有方向参考(例如邻近的、远端的、较高的、较低的、内部的、外部的、向上的、向下的、左、右、侧面的、前、后、顶部的、底部的、上面的、下面的、竖直的、水平的、顺时针方向的，以及逆时针方向的)仅用来确定的目的，以辅助读者理解本发明，但是不形成限制，特别是对本发明的位置、取向或使用的限制。连接参考(例如附接的、耦接的、连接的，以及接合的)应该被广泛意义地解释，并可包括在一系列元件之间具有中间部件和在元件之间具有相对运动，除非另外指出。同样，连接参考不需要暗指两个元件直接连接并处于相互固定关系。光的透射、吸收和反射的指定的百分比应理解为仅是说明性的而不能被当作限制性的。
此外，尽管已根据操作的特定仪器、配置、部件、系统和方法而描述了本发明，但阅读了本公开的本领域技术人员会认识到，如在此描述的，可对实施例和/或它们的操作做出某些变化或更改而不背离本发明的精神和范畴。在此公开的各种实施例、操作、部件和配置通常是示范性的而不限制范畴。因此，本发明的正确范畴由所附权利要求限定。

Claims (48)

1.一种用于调节光和辐射能的透射和吸收的热控可开关设备，包括：
至少两个吸收性偏振器；以及
安装在所述两个吸收性偏振器之间的热致去偏器，其中
在第一温度下，所述设备吸收第一百分比的入射辐射能，并使第二百分比的所述入射辐射能透射穿过所述设备；
在第二温度下，所述设备吸收第三百分比的所述入射辐射能，并使第四百分比的所述入射辐射能透射穿过所述设备。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热致去偏器是低清亮点热致去偏器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，
所述热致去偏器在低于阈值温度时调节入射光的偏振；
在高于所述阈值温度时，多达100％的入射光被所述设备吸收；以及
在低于所述阈值温度时，多达50％的入射光被所述设备吸收。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述第一温度、所述第二温度和所述阈值温度在操作温度范围内。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述操作温度范围是-30摄氏度至85摄氏度。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述阈值温度使得所述热致去偏器从有序态转换为无序态。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述阈值温度在所述操作温度范围内。
8.根据权利要求3所述的设备，其中，所述阈值温度是低清亮点。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述吸收性偏振器中的至少一个相对于所述辐射能的偏振是频率选择性的。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述吸收性偏振器中的至少一个是漫射偏振器。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述吸收性偏振器中的至少一个是热致吸收性偏振器。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述吸收性偏振器中的至少一个是光电吸收性偏振器。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述吸收性偏振器中的至少一个是极性旋转偏振器。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，
在高于阈值温度时，所述设备仅透射0％的入射辐射能，以及
在低于所述阈值温度时，所述设备透射多达100％的入射辐射能。
15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备是薄且柔软的膜的形式。
16.根据权利要求1所述的设备，进一步包括透明衬底，所述透明衬底支撑所述至少两个吸收性偏振器中的第一吸收性偏振器、所述至少两个吸收性偏振器中的第二吸收性偏振器、以及所述热致去偏器。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述透明衬底是刚性板。
18.根据权利要求16所述的设备，其中，所述透明衬底进一步包含长通滤光器、短通滤光器或带通滤光器，并且仅对某些波长的辐射能是可透过的。
19.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备结合到构造材料中，以便调节进入在建筑物、车辆内的入射光的流动，并调节所述建筑物、车辆的内部温度。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述构造材料是绝缘玻璃单元。
21.根据权利要求1所述的设备，进一步包括以下部件中的至少一个：外部反射器或半反镜、彩色滤光器、UV或有害辐射滤光器、透明衬底、用于提供绝热的填充的或中空的空间、抗反射涂层、传导或绝缘的粘合剂、相变材料和低发射率涂层或设备。
22.根据权利要求3所述的设备，其中，所述至少两个吸收性偏振器均限定了透明区域并允许未偏振辐射能透射穿过所述设备。
23.根据权利要求22所述的设备，进一步包括电致控制系统，以便在所述阈值温度下补充和致动所述热致去偏器。
24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述电致控制系统进一步包括：
控制器；
与所述控制器连接的电源；以及
与所述控制器连接的温度传感器。
25.根据权利要求1所述的设备，其中，由所述设备调节的辐射能的波长范围包括可见光、红外线和紫外线的中的至少一种。
26.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少两个吸收性偏振器中的至少一个是频谱选择性偏振器。
27.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少两个吸收性偏振器中的第一吸收性偏振器和第二吸收性偏振器均具有不同的偏振效率、偏振响应中的至少一个，或者所述第一吸收性偏振器和所述第二吸收性偏振器在不同频率上。
28.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少两个吸收性偏振器中的第一吸收性偏振器和第二吸收性偏振器中的每个在不同频率上均具有不同的偏振性质。
29.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少两个吸收性偏振器中的第一吸收性偏振器和第二吸收性偏振器中的每个均包括多个偏振器的组合。
30.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热致去偏器包含液晶。
31.根据权利要求30所述的设备，其中，所述液晶进一步包含与所述液晶混合的添加剂，以影响所述液晶的光学性质中的至少一个，或影响所述液晶的物理状态之间的转换速度。
32.根据权利要求31所述的设备，其中，所述添加剂包含与所述液晶混合的第二类液晶。
33.根据权利要求31所述的设备，其中，所述添加剂被选择成改进所述设备对环境状况的机能响应的稳定性。
34.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热致去偏器基于所述热致去偏器的频率依赖性质被设计或选择，所述频率依赖性质与偏振光的旋转有关，从而影响所述设备的颜色、光，或能量透射、吸收和反射性质中的一个或更多。
35.一种绝缘玻璃单元，包含：
第一玻璃板；
第二玻璃板；
安置在所述第一玻璃板和所述第二玻璃板之间的第一偏振器，所述第一偏振器吸收多达50％的入射辐射能并透射未吸收的辐射能的大部分；
安置在所述第一玻璃板和所述第二玻璃板之间的第二偏振器；以及
安置在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间的热致去偏器，所述热致去偏器在低于阈值温度时调节入射光的偏振，其中
在高于所述阈值温度时，多达100％的入射光被所述绝缘玻璃单元吸收，
在低于所述阈值温度时，多达50％的入射光被所述绝缘玻璃单元吸收；以及
当所述热致去偏器高于所述阈值温度时，所述第二偏振器吸收由所述第一偏振器透射的辐射能多达100％，并在所述热致去偏器低于所述阈值温度时，所述第二偏振器透射由所述第一偏振器透射的辐射能多达100％。
36.一种用于调节入射辐射能的吸收的可开关百叶窗设备，包括：
第一热致吸收性偏振器；以及
第二热致吸收性偏振器，其中，
在高于阈值温度时，低至0％的入射辐射能由所述设备透射；
在低于所述阈值温度时，多达50％的所述入射辐射能由所述设备透射，并且进一步其中，
在第一温度下，第一百分比的所述入射辐射能被所述设备吸收，并且第二百分比的所述入射辐射能透射穿过所述设备；以及
在第二温度下，第三百分比的所述入射辐射能被所述设备吸收，并且第四百分比的所述入射辐射能透射穿过所述设备。
37.一种用于调节入射辐射能的吸收和透射的方法，包括：
提供热控开关吸收性光学百叶窗(TSAOS)设备，所述热控开关吸收性光学百叶窗设备包括第一吸收性偏振器、第二吸收性偏振器、以及设置在所述第一吸收性偏振器和所述第二吸收性偏振器之间的热致去偏器，其中，所述第一吸收性偏振器和所述第二吸收性偏振器被定向成相互交叉；
在第一温度下，从所述TSAOS设备吸收第一百分比的所述辐射能，并穿过所述TSAOS设备透射第二百分比的所述辐射能；以及
在第二温度下，从所述TSAOS设备吸收第三百分比的所述辐射能，并穿过所述TSAOS设备透射第四百分比的所述辐射能。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，
在所述第一温度高于阈值温度时，吸收第一百分比的所述辐射能的操作进一步包括利用所述第一偏振器和所述第二偏振器吸收多达100％的辐射能；以及
在所述第二温度低于所述阈值温度时，所述方法进一步包括：
使得在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间透射的所述辐射能的一部分被去偏振；
使多达50％的所述辐射能透射穿过所述TSAOS设备；以及
吸收多达50％的所述辐射能。
39.根据权利要求38所述的方法，进一步包括将与所述第二偏振器交叉的所述第一偏振器定向在非正交方向上，以增加所述入射辐射能的透射。
40.一种用于调节辐射能的吸收和透射的方法，包括：
将第一吸收性热致偏振器定向成与第二吸收性热致偏振器交叉；
在高于阈值温度时，用所述第一热致偏振器和第二热致偏振器吸收多达100％的入射辐射能；以及
在低于所述阈值温度时，透射多达100％的所述入射辐射能，所述第一热致偏振器和第二热致偏振器在低于所述阈值温度时停止偏振。
41.一种用于调节辐射能的吸收和透射的方法，包括：
将吸收性偏振器定向成与极性旋转偏振器交叉；
将热致去偏器设置在所述偏振器与所述极性旋转偏振器之间；
在所述热致去偏器高于阈值温度时，利用所述吸收性偏振器和所述极性旋转偏振器吸收多达100％的入射辐射能；以及
在低于阈值温度时，多达100％的所述入射辐射能透射穿过所述吸收性偏振器、热致去偏器和所述极性旋转偏振器。
42.一种用于显示图像的方法，包括：
在表面上以所需图像的形状布置热吸收性材料或设备，其包括至少两个吸收性偏振器和位于两个吸收性偏振器之间的热致去偏器；以及
在高于特定阈值温度或温度范围时，从所述热吸收性材料反射入射光，其中，所述图像变得可见。
43.根据权利要求42所述的用于显示图像的方法，其中，布置热吸收性材料或设备进一步包括移除区域中的所述热吸收性材料以形成图像区域。
44.根据权利要求42所述的方法，进一步包括：
将反射性光学元件结合到所述热吸收性材料中；以及
当所述热吸收图像被激活时，改变所述热吸收性材料的光学响应。
45.根据权利要求42所述的方法，进一步包括，使得去偏器在所述热吸收性材料中具有空间依赖的旋转角。
46.根据权利要求42所述的方法，进一步包括，使得一个或多个偏振器在所述热吸收性材料中具有空间依赖的偏振效率。
47.一种用于调节建筑物、车辆的内部温度的方法，所述方法包括：
将热吸收性材料放置在结构的外部上，所述热吸收性材料包括至少两个吸收性偏振器和位于两个吸收性偏振器之间的热致去偏器；以及
将所述热吸收性材料的温度响应反向，由此所述热吸收性材料在低温下主要吸收入射辐射能，而在高温下对于入射辐射能相对更透明，相对更能吸收入射辐射能，或两种情况皆有。
48.根据权利要求47所述的方法，进一步包括，将所述热吸收性材料布置在所述结构上，以便在低温下或在冬季接受最多的入射辐射能，并在高温下或夏季接受最少的入射辐射能。
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