CN104536074A - 一种可调近红外滤波片 - Google Patents

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Abstract

一种可调近红外滤波片，属于光学滤波技术领域，以克服现有可调红外滤波系统成本高的缺点，包括相对设置的第一玻璃基片和第二玻璃基片，二者相向两侧分别设有透明导电薄膜层，透明导电薄膜层之间设有可调材料层，可调材料层为近晶型液晶层或有预定向的液晶层，有预定向的液晶层包括两层取向层以及位于两层取向层之间的宾主型液晶层，宾主型液晶层包括均匀分布的液晶及二向色性的近红外吸收染料，液晶层外围设有封接胶层，其上下两端分别与两层透明导电薄膜层密封连接。采用特殊液晶的特有光学性质制备的滤波片结构简单，操作方便，且可根据需求对近红外光束进行选择性吸收，适用于近红外滤波系统。

Description

一种可调近红外滤波片
技术领域
本发明属于光学滤波技术领域，具体是涉及一种可调近红外滤波片。
背景技术
近红外滤光片(又称近红外截止滤光片或吸热滤光片)是一种用于过滤近红外波段的光学元件。可以用在白炽光灯的设备上(如：幻灯片、投影机)可以阻挡不必要的热度灼伤镜头，也可以装在固态电子器件(CCD或CMOS)的摄影机上，阻止红外线穿过摄像机的镜头造成图片失真等；此外，也可以用于安防监控领域。
然而，对于某些近红外探测器，并不是时刻都需要近红外滤波片阻光，因此需要添加一个机械部件组成可调近红外滤波系统，在需要滤波时启动该部件使滤波片滤去不需要的波段，不需要滤波时移除滤光片。虽然在光谱成像中，常常使用可调近红外滤光系统以进行滤光，但其大大地增加了光学系统的复杂度，提高光学系统的成本，而且结构庞大、笨重，无法用于微型红外探测系统。
由于液晶材料能够制得显示器件，因此考虑利用特殊的液晶材料制得能够对近红外光波选择性吸收的可调近红外滤波片。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有可调红外滤波系统成本高的缺点，提供一种可调近红外滤波片，该装置成本低廉。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可调近红外滤波片，包括相对设置的第一玻璃基片和第二玻璃基片，第一玻璃基片和第二玻璃基片相向的两侧分别设有透明导电薄膜层，透明导电薄膜层之间设有可调材料层，所述可调材料层为近晶型液晶层或有预定向的液晶层，有预定向的液晶层包括两层取向层以及位于两层取向层之间的宾主型液晶层，宾主型液晶层包括均匀分布的液晶及具有二向色性的近红外吸收染料，近红外吸收染料分子能够依附在液晶分子的旁边，近红外吸收染料分子按照液晶分子的排列方式排列，近晶型液晶层或宾主型液晶层外围设有封接胶层，封接胶层的上下两端分别与第一玻璃基片的透明导电薄膜层和第二玻璃基片的透明导电薄膜层密封连接，两层透明导电薄膜层之间均匀设有间隔子。
作为上述技术方案的优选方案，所述第一玻璃基片和第二玻璃基片为钠钙玻璃。
具体的，所述透明导电薄膜层的材质为ITO或AZO。
优选的，所述近晶型液晶层或宾主型液晶层的厚度范围为5～20μm。
进一步的，所述宾主型液晶层中的液晶为负性液晶，近红外吸收染料为正性近红外吸收染料，沿面取向。
进一步的，所述宾主型液晶层中的液晶为正性液晶，垂直取向。
具体的，所述取向层的材质为聚酰亚胺。
进一步的，两层透明导电薄膜层之间均匀设有间隔子。
优选的，所述间隔子为玻璃棒粉或玻璃球粉。
本发明的有益效果是：采用特殊液晶的特有光学性质制备成的滤波片结构简单，操作方便，且能够根据需求对近红外光束进行选择性吸收，实时性强，成本低廉。本发明适用于现有的近红外滤波系统中。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是本发明实施例2处于开态时的结构示意图；
图4是本发明实施例2处于关态时的结构示意图；
图5是本发明实施例2的入射光谱图；
图6是本发明实施例2处于开态时的出射光谱图；
图7是本发明实施例2处于关态时的出射光谱图；
其中，1为第一玻璃基片，2为第二玻璃基片，3为透明导电薄膜层，4为液晶分子，5为近红外吸收染料分子，6为封接胶层，7为间隔子，8为偏振片，9为电源，41为近晶型液晶层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示，一种可调近红外滤波片，包括相对设置的第一玻璃基片1和第二玻璃基片2，第一玻璃基片1和第二玻璃基片2相向的两侧分别设有透明导电薄膜层3，即形成两层透明导电薄膜层3，透明导电薄膜层3之间设有近晶型液晶层41，近晶型液晶层41外围设有封接胶层6，封接胶层6的上下两端分别与第一玻璃基片1的透明导电薄膜层3和第二玻璃基片2的透明导电薄膜层3密封连接，封接胶层6中的封接胶保证近晶型液晶层41中的近晶型液晶与外界环境相隔绝。
近晶型液晶层41是由近晶型液晶填充形成的，这种液晶具有分子空间一维有序性，粘度比较大。近晶型液晶又称为近晶相液晶，是分子在排列的有序程度上和晶体相近的液晶。其结构是由液晶棒状分子聚集一起，形成层状结构。其每一层的分子的长轴方向相互平行，且此长轴的方向对于每一层平面是垂直或有一倾斜角。分子可以在层内运动，不能来往于各层间。如果对滤波片透过率不是很高，而且允许滤光片体积较大，则可以直接使用近晶型液晶作为红外滤波材料制得近红外滤波片。
基于成本考虑，第一玻璃基片1和第二玻璃基片2一般采用低成本的钠钙玻璃。
所述透明导电薄膜层的材质为ITO(锡掺杂三氧化铟)或AZO(铝掺杂氧化锌)等，它们的禁带宽度大，只吸收紫外光，不吸收可见光，因此称之为“透明”。基于效果考虑，常选用在玻璃基片上均匀沉积ITO膜。
为了尽可能减少通过近晶型液晶层的光能损失且保证实现滤波效果，所述近晶型液晶层的厚度范围为5～20μm。
上下两层透明导电薄膜层之间均匀设有用于保持近晶型液晶层41厚度的间隔子7，从而保证液晶盒具有一定且均匀的厚度，间隔子7的化学成分是惰性的，不会与近晶型液晶层41中的液晶进行化学反应或者被液晶溶胀，间隔子的材料通常为玻璃棒粉或玻璃球粉，直径为几微米。
本实施例的工作原理如下：可见光在透过近晶型液晶层41时的吸收可忽略不计。而在近紫外和近红外一定波长范围内，近晶型液晶对光的吸收特性与近晶型液晶分子的指向有明显依赖关系。当光矢量的方向与分子指向矢一致时，近晶型液晶对光波强烈吸收；当光失量与分子轴垂直时，近晶型液晶分子对光吸收较少，光波很容易通过。因此在具体使用过程中，不加电压时，近晶型液晶分子排列无规则排列，对通过的光波没有选择吸收特性；在两层透明导电薄膜层3的分别接电压的两端，加电压之后，近晶型液晶分子的长轴与电场矢量方向一致，此时，近晶型液晶分子对近红外光波有强烈吸收特性，可见光仍可通过，这样就达到滤除红外光的目的。
实施例2
如图2所示，可调近红外滤波片，包括相对设置的第一玻璃基片1和第二玻璃基片2，第一玻璃基片1和第二玻璃基片2相向的两侧分别设有透明导电薄膜层3，即形成两层透明导电薄膜层3，透明导电薄膜层3之间设有有预定向的液晶层，有预定向的液晶层包括两层取向层以及位于两层取向层之间的宾主型液晶层，宾主型液晶层中包括均匀分布的液晶及具有二向色性的近红外吸收染料，近红外吸收染料分子能够依附在液晶分子的旁边，由于二者之间的作用力，近红外吸收染料分子按照液晶分子的排列方式排列，宾主型液晶层外围环绕设有封接胶层6，封接胶层6的两端分别与第一玻璃基片1的透明导电薄膜层3和第二玻璃基片2的透明导电薄膜层3密封连接，封接胶层6中的封接胶保证宾主型液晶层4中的物质与外界环境相隔绝。
本发明中选用宾主型液晶作为滤光材料，宾主型液晶即在液晶中添加一种具有二向色性的近红外吸收染料，能吸收绝大部分近红外光，并且通过改变吸收材料来制备各种具有不同吸收特性的滤光片。在宾主型液晶中，二向色性的近红外吸收染料溶于液晶中构成一种宾主关系，液晶为主，二向色性的近红外吸收染料为宾，在外电场作用下，客随主便，染料分子随着液晶分子的转动而转动。
二向色性的近红外吸收染料具有光吸光度各向异性的性质，根据染料分子的吸收轴同分子轴的方位关系可把二向色性的近红外吸收染料分为正性(P型)二色性的近红外吸收染料和负性(N型)二向色性的近红外吸收染料。当光线的E矢量与近红外吸收染料的光轴垂直时,光线基本上通过；然而当光线的E矢量与染料的光轴平行时，光线基本上被吸收。这一类染料为正性二色性染料。负性二色性染料则正好相反，根据正负性染料的特性，对光产生吸收或透过，从而改变液晶层的透过率。在选择近红外吸收染料时，需使得近红外吸收染料分子能依附在液晶分子的旁边，并与液晶分子对齐，这样当液晶分子发生偏转时近红外吸收染料分子会一同偏转。
基于成本考虑，第一玻璃基片1和第二玻璃基片2一般采用低成本的钠钙玻璃。
所述透明导电薄膜层的材质为ITO(锡掺杂三氧化铟)或AZO(铝掺杂氧化锌)等，它们的禁带宽度大，只吸收紫外光，不吸收可见光，因此称之为“透明”。基于效果考虑，常选用在玻璃基片上均匀沉积ITO膜。
为了尽可能减少通过宾主型液晶层的光能损失且保证实现滤波效果，所述宾主型液晶层的厚度范围为5～20μm。
两层透明导电薄膜层3之间可均匀设有用于保持宾主型液晶层厚度的间隔子7，从而保证液晶盒具有一定且均匀的厚度，间隔子7的化学成分是惰性的，不会与宾主型液晶层中的液晶及近红外吸收染料发生化学反应或者被液晶溶胀，间隔子的材料通常为玻璃棒粉或玻璃球粉，直径为几微米。
使用时，入射光束为自然光，其光谱图像为图5所示。采用正性液晶的宾主型液晶红外滤波片中，采用近红外滤波片选用正性(p型)近红外吸收染料，该染料溶入液晶之后，染料分子的长轴与液晶分子的长轴平行排列，而液晶分子在玻璃表面的取向取决于对玻璃表面的处理方式。液晶表面的取向层材料选用的是聚酰亚胺。聚酰亚胺旋涂在玻璃基板(有ITO的一面)上，在一定的温度和时间内使其固化后，即可摩擦定向；如果两块玻璃内表面摩擦方向一致，使得基板表面附近的液晶分子在铺定力的作用下，趋于平行取向于玻璃表面。其原理如下：当开关合上后，如图3所示，电源两端与透明导电薄膜层3相连接，液晶盒有外电场作用，近红外吸收染料分子随液晶分子转向成垂直于玻璃基片表面，光矢量垂直于近红外吸收染料分子长轴，近红外吸收染料对光几乎无吸收，光波将全部通过液晶盒。其出射光谱如图6所示。当开关断开，如图4所示，没有电场加在滤波片上时，近红外吸收染料分子随液晶分子一起与玻璃基片表面平行，通过偏振片之后的光矢量平行于近红外吸收染料分子的长轴，近红外吸收染料分子对红外光有强烈吸收。出射光谱如图7所示。
采用负性液晶的宾主型液晶红外滤波片中，采用近红外滤波片选用正性(p型)染料，该染料溶入液晶之后，染料分子的长轴与液晶分子的长轴平行排列，而液晶分子在垂面的取向层的作用下趋于垂直玻璃表面。其工作原理如下：当液晶盒无电场作用，近红外吸收染料分子随液晶分子垂直于玻璃基片表面，光矢量垂直于近红外吸收染料分子长轴，近红外吸收染料对光几乎无吸收，光波将全部通过液晶盒。当液晶盒有电场作用，近红外吸收染料分子随液晶分子转向成平行于玻璃基片表面，近红外吸收染料分子随液晶分子一起与玻璃基片表面平行，通过偏振片之后的光矢量平行于近红外吸收染料分子的长轴，近红外吸收染料分子对红外光有强烈吸收。

Claims (9)

1.一种可调近红外滤波片，其特征在于，包括相对设置的第一玻璃基片(1)和第二玻璃基片(2)，第一玻璃基片(1)和第二玻璃基片(2)相向的两侧分别设有透明导电薄膜层(3)，透明导电薄膜层(3)之间设有可调材料层，所述可调材料层为近晶型液晶层(41)或有预定向的液晶层，有预定向的液晶层包括两层取向层以及位于两层取向层之间的宾主型液晶层，宾主型液晶层包括均匀分布的液晶及具有二向色性的近红外吸收染料，近红外吸收染料分子能够依附在液晶分子的旁边，近红外吸收染料分子按照液晶分子的排列方式排列，近晶型液晶层(41)或宾主型液晶层外围设有封接胶层(6)，封接胶层(6)的上下两端分别与第一玻璃基片(1)的透明导电薄膜层(3)和第二玻璃基片(2)的透明导电薄膜层(3)密封连接。
2.如权利要求1所述的一种可调近红外滤波片，其特征在于，所述第一玻璃基片(1)和第二玻璃基片(2)为钠钙玻璃。
3.如权利要求1或2所述的一种可调近红外滤波片，其特征在于，所述透明导电薄膜层的材质为ITO或AZO。
4.如权利要求3所述的一种可调近红外滤波片，其特征在于，所述近晶型液晶层(41)或宾主型液晶层的厚度范围为5～20μm。
5.如权利要求1所述的一种可调近红外滤波片，其特征在于，所述宾主型液晶层中的液晶为负性液晶，近红外吸收染料为正性近红外吸收染料，沿面取向。
6.如权利要求1所述的一种可调近红外滤波片，其特征在于，所述宾主型液晶层中的液晶为正性液晶，垂直取向。
7.如权利要求1所述的一种可调近红外滤波片，其特征在于，所述取向层的材质为聚酰亚胺。
8.如权利要求1所述的一种可调近红外滤波片，其特征在于，两层透明导电薄膜层(3)之间均匀设有间隔子(7)。
9.如权利要求8所述的一种可调近红外滤波片，其特征在于，所述间隔子(7)为玻璃棒粉或玻璃球粉。
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