CN109154752B - 具有宽视角的电子光学宾主液晶可变透射滤波器 - Google Patents

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Abstract

可变透射滤波器(10)在光学系列中组合第一宾主液晶器件和第二宾主液晶器件(12、14)，第一宾主液晶器件和第二宾主液晶器件被布置成使得它们中的一个相对于另一个绕其垂直轴旋转180°。第一宾主液晶器件和第二宾主液晶器件的液晶指向矢的反向排列改善了可变透射滤波器的视角范围，但是没有补偿，引入了对比度的降低。位于第一宾主液晶器件和第二宾主液晶器件之间的偏振状态改变器件(44)改变离开第一宾主液晶器件的光的偏振状态，使得入射在第一正交偏振状态和第二正交偏振状态的光的透射率响应于施加到第一液晶器件和第二液晶器件的电场，从而抵消对比度的降低，同时保持改善的视角范围。

Description

具有宽视角的电子光学宾主液晶可变透射滤波器
版权声明
Figure GDA0002487907100000011
2017 LC-TEC Displays AB。本专利文件的公开的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人对本专利文件或本专利公开进行传真复制，因为本专利文件或本专利公开出现在专利局和商标局的专利文件或记录中，但在其他方面保留所有版权。
技术领域
本公开涉及一种具有宽视角的宾主液晶可变透射滤波器，其用于图像记录器件(诸如照相机)或者与图像观察器件进行组合(诸如用于近眼显示器的背景滤波器)。
背景技术
对于一些应用，液晶可变透射滤波器可透射入射在其上的至少50％的非偏振光是令人期望的。具有高耐久性输入偏振器和输出偏振器的传统液晶可变透射滤波器不可能实现这种高透射率，因为这些偏振器的大量光吸收允许可变透射滤波器仅透射18％-20％的非偏振光。不需要偏振器的液晶可变透射滤波器设计方案可以实现至少50％的透射率，或者f/1。这样的设计方案还应该在其工作范围内具有最小的色移，以及在入射极角范围内的透射亮度的最小变化，尤其是关于垂直入射方向。
美国专利申请公开US 2012/0242924在图6A和图6B中示出的宾主液晶相机光圈具有以光学系列放置并且以其表面排列方向90°取向的两个均匀排列的宾主液晶单元。(这两个宾主单元配置有90°表面排列方向，也被称为两个交叉的宾主单元。)虽然理论上这个相机光圈在垂直入射时可以透射50％的非偏振光，但是存在不可接受的透射率的大视角依赖性。取决于到达观察者的眼睛的透射光的视角或相机中的记录介质的光敏区域，这种角度依赖的透射率将导致光强度的不均匀和不对称的感知。
发明内容
所公开的可变透射滤波器的优选实施例在光学系列中组合第一宾主液晶器件和第二宾主液晶器件，第一宾主液晶器件和第二宾主液晶器件被布置成使得其中一个相对于它们中的另一个以反向排列绕其垂直轴旋转180°。第一宾主器件包括第一电极构件，第一电极构件具有内表面，在内表面之间包含具有液晶指向矢的液晶材料。液晶指向矢具有位于内表面上的凸起。偏振状态改变器件(诸如半波光学延迟器)位于第一宾主液晶器件和第二宾主液晶器件之间。第一宾主液晶器件和第二宾主液晶器件的液晶指向矢的反向排列改进了可变透射滤波器的视角范围，但是，结果在没有偏振状态改变器件的情况下，引入了对比度的降低。对比度降低的原因如下：入射在可变透射滤波器上的非偏振光可以被认为是第一正交相关的线性偏振状态和第二正交相关的线性偏振状态，第一偏振状态和第二偏振状态分别平行于和垂直于第一宾主液晶器件的液晶指向矢的凸起。在没有补偿的情况下，响应于施加到第一宾主液晶器件和第二宾主液晶器件的电场和可变透射滤波器的对比度总是小于2，传播通过可变透射滤波器传播的第二偏振状态的光的透射率没有明显改变。通过在第一宾主液晶器件和第二宾主液晶器件之间定位偏振状态改变器件以引入离开第一宾主液晶器件的光的偏振状态的改变来补偿由反向排列引起的对比度的降低，使得入射在第一宾主液晶器件上的第一偏振状态和第二偏振状态的光的透射率分别响应施加到第一宾主液晶器件的电场和施加到第二宾主液晶器件的电场。偏振状态改变器件抵消了由第一和宾主液晶器件第二宾主液晶器件的反向排列引起的对比度的降低，同时保持了由反向排列提供的改进的视角范围。
优选的偏振状态改变器件是90°偏振旋转器。在第一种实施方式中，90°偏振旋转器是传统的半波光学延迟器。在第二种实施方式中，90°偏振旋转器是消色差90°偏振旋转器，包括多个传统的半波光学延迟器，其光轴取向在规定的方向上。在第三种实施方式中，90°偏振旋转器是90°扭曲的向列层，或者是传统的液晶单元形式，或者是液晶聚合物层。技术人员将理解利用其他光学排列也可以实现90°偏振旋转器。
在第四种实施方式中，偏振状态改变器件是宽带设计的半波光学延迟器，包括由包括光学正性单体单元和光学负性单体单元的共混聚合物或共聚物制成的单层聚合物膜。
所公开的液晶可变透射滤波器的有利应用包括液晶可变透射滤波器在智能眼镜中的使用，例如增强现实眼镜，受益于电子调光控制。
从以下参考附图进行的优选实施例的详细描述中，其他方面和优点将显而易见。
附图说明
图1是所公开的可变透射滤波器的实施例的示意性分解图，可变透射滤波器包括实施为位于两个垂直对准的宾主液晶器件(一个相对于另一个绕其垂直轴旋转180°)之间的传统半波光学延迟器的光学元件。
图2示出了消色差Teijin型半波光学延迟器与聚碳酸酯型半波光学延迟器的波长依赖性的比较。
图3示出了图1中描绘的实施例的模拟电子光学曲线，其中垂直轴刻度指示f-光圈数(f-stop number)。
图4A示出了现有技术透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/1透射率调节驱动电压。
图4B示出了根据本公开的包括传统半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/1透射率调节驱动电压。
图4C示出了根据本公开的包括三层消色差90°偏振旋转器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/1透射率调节驱动电压。
图5A示出了现有技术透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/2透射率调节驱动电压。
图5B示出了根据本公开的包括传统半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/2透射率调节驱动电压。
图5C示出了根据本公开的包括三层消色差90°偏振旋转器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/2透射率调节驱动电压。
图6A示出了现有技术透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/3透射率调节驱动电压。
图6B示出了根据本公开的包括传统半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/3透射率调节驱动电压。
图6C示出了根据本公开的包括三层消色差90°偏振旋转器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/3透射率调节驱动电压。
图7A示出了现有技术透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/4透射率调节驱动电压。
图7B示出了根据本公开的包括传统半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/4透射率调节驱动电压。
图7C示出了根据本公开的包括三层消色差90°偏振旋转器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/4透射率调节驱动电压。
图8A示出了现有技术透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/5透射率调节驱动电压。
图8B示出了根据本公开的包括传统半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/5透射率调节驱动电压。
图8C示出了根据本公开的包括三层消色差90°偏振旋转器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/5透射率调节驱动电压。
图9A示出了现有技术可变透射滤波器的0°-180°方位角平面中的实验测量的角度依赖性。
图9B示出了在图1描绘的实施例中用传统的半波光学延迟器实施的可变透射滤波器的0°-180°方位角平面中的实验测量的角度依赖性。
图10A示出了现有技术可变透射滤波器的0°-180°方位角平面中的模拟角度依赖性。
图10B示出了在图1描绘的实施例中用传统的半波光学延迟器实施的可变透射滤波器的0°-180°方位角平面中的模拟角度依赖性。
图10C示出了在图1描绘的实施例中用消色差90°偏振旋转器实施的可变透射率的0°-180°方位角平面中的模拟角度依赖性。
图11示出了根据本公开的以1976CIE均匀颜色空间中的u'、v'色度坐标表示的透射光的颜色的模拟f-光圈依赖性。
图12A示出了现有技术透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/1透射率调节驱动电压。
图12B示出了根据本公开的包括聚碳酸酯半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/1透射率调节驱动电压。
图12C示出了根据本公开的包括Teijin型半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/1透射率调节驱动电压。
图13A示出了现有技术透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/2透射率调节驱动电压。
图13B示出了根据本公开的包括聚碳酸酯半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/2透射率调节驱动电压。
图13C示出了根据本公开的包括Teijin型半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/2透射率调节驱动电压。
图14A示出了现有技术透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/3透射率调节驱动电压。
图14B示出了根据本公开的包括聚碳酸酯半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/3透射率调节驱动电压。
图14C示出了根据本公开的包括Teijin型半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/3透射率调节驱动电压。
图15A示出了现有技术透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/4透射率调节驱动电压。
图15B示出了根据本公开的包括聚碳酸酯半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/4透射率调节驱动电压。
图15C示出了根据本公开的包括Teijin型半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/4透射率调节驱动电压。
图16A示出了现有技术透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/4.5透射率调节驱动电压。
图16C示出了根据本公开的包括Teijin型半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等亮度图，其中针对垂直入射光的f/4.5透射率调节驱动电压。
图17A示出了根据本公开的包括聚碳酸酯半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等色度差异图，其中针对垂直入射光的f/1透射率调节驱动电压。
图17B示出了根据本公开的包括Teijin型半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等色度差异图，其中针对垂直入射光的f/1透射率调节驱动电压。
图18A示出了根据本公开的包括聚碳酸酯半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等色度差异图，其中针对垂直入射光的f/2透射率调节驱动电压。
图18B示出了根据本公开的包括Teijin型半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等色度差异图，其中针对垂直入射光的f/2透射率调节驱动电压。
图19A示出了根据本公开的包括聚碳酸酯半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等色度差异图，其中针对垂直入射光的f/3透射率调节驱动电压。
图19B示出了根据本公开的包括Teijin型半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等色度差异图，其中针对垂直入射光的f/3透射率调节驱动电压。
图20A示出了根据本公开的包括聚碳酸酯半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等色度差异图，其中针对垂直入射光的f/4透射率调节驱动电压。
图20B示出了根据本公开的包括Teijin型半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等色度差异图，其中针对垂直入射光的f/4透射率调节驱动电压。
图21B示出了根据本公开的包括Teijin型半波光学延迟器的广角透射滤波器的模拟等色度差异图，其中针对垂直入射光的f/4.5透射率调节驱动电压。
图22示出了根据本公开的在1976CIE均匀颜色空间中以u'、v'色度坐标表示的垂直入射的透射光的颜色的模拟光圈依赖性。
图23示出了根据本公开的青色二向色染料的归一化吸收光谱，其用于降低在广角可变透射滤波器的垂直入射时透射的光的颜色的f-光圈依赖性。
图24示出了根据本公开的在具有和不具有青色二向色染料的添加的情况下，在1976CIE均匀颜色空间中以u'、v'色度坐标表示的垂直入射的透射光的颜色的模拟f-光圈光圈依赖性。
图25是所公开的可变透射滤波器的可替代的实施例的示意性分解图，其包括半波光学延迟器，该半波光学延迟器也用作于两个垂直对准的宾主液晶器件(一个相对另一个以反向排列绕其垂直轴旋转180°)的公共基板。
图26是智能眼镜的示意图，其在每个目镜中合并图1或图25的可变透射滤波器。
具体实施方式
图1是公开的宾主液晶可变透射滤波器10的优选实施例的简化图，该宾主液晶可变透射滤波器10包括第一VAN宾主液晶器件12和第二VAN宾主液晶器件14，第一VAN宾主液晶器件12和第二VAN宾主液晶器件14中的每一个都含有具有负介电各向异性的其中加入二向色性染料或染料混合物的主液晶。液晶器件12和液晶器件14是电控双折射型即ECB型，对于具有负介电各向异性的主液晶的情况，液晶器件12和液晶器件14也被称为垂直对准(VAN)向列宾主液晶器件。为简单起见，图中省略了VAN宾主液晶器件12和VAN宾主液晶器件14中的每一个的指数匹配涂层。VAN宾主液晶器件12和VAN宾主液晶器件14分别具有包括液晶指向矢(director)18的指向矢场16和包括液晶指向矢22的指向矢场20。指向矢场16和指向矢场20中的每一个在中间驱动器处V中示出。VAN宾主液晶器件14的指向矢场20与VAN宾主液晶器件12的指向矢场16类似，除了VAN宾主液晶器件14绕其垂直轴(normal axis)旋转180°。换句话说，指向矢场20中的液晶指向矢22与指向矢场16中的相应的液晶指向矢18反向排列。嵌入在第一VAN宾主器件12的指向矢场16中的加粗黑线段19和嵌入在第二VAN宾主器件14的指向矢场20中的加粗黑线段23表示溶解的二向色染料或染料混合物。
VAN液晶器件12具有包括基板241和基板242的间隔开的一对第一电极构件。形成在基板241上的光学透明电极261对于该对第一电极构件中的一个电极构件构成内表面，在该内表面上形成对准层281。形成在基板242上的光学透明电极262对于该对第一电极构件中的另一个电极构件构成内表面，在该内表面上形成对准层282。对准层281和对准层282具有各自的对准表面301和对准表面302。
VAN宾主液晶器件14具有包括基板321和基板322的间隔开的一对第二电极构件。形成在基板321上的光学透明电极341对于该对第二电极构件中的一个电极构件构成内表面，在该内表面上形成有对准层361。形成在基板322上的光学透明电极342对于该对第二电极构件中的另一个电极构件构成内表面，在该内表面上形成有对准层362。对准层361和对准层362具有各自的对准表面381和对准表面382。
表面接触指向矢18c和表面接触指向矢22c与它们各自的对准表面301、302和381、382形成优选地大约87°的预倾角α。这种类型的对准通常被称为准垂直对准，因为预倾角是接近90°。箭头指示表面接触指向矢的方位角方向。具体地，箭头40分别指示在对准表面301和对准表面382处的表面接触指向矢18c和表面接触指向矢22c的方位角方向；并且箭头42指示在对准表面302和对准表面381处的表面接触指向矢18c和表面接触指向矢22c的方位角方向。箭头42分别在VAN宾主液晶器件12和VAN宾主液晶器件14的基板242和基板321的相邻表面或相对表面处平行。具有正交相关偏振状态的入射非偏振光50入射到基板241的光输入面52上。液晶指向矢18具有位于第一电极构件的内表面上的凸起，并且液晶指向矢22具有位于第二电极构件的内表面上的凸起。液晶指向矢18和液晶指向矢22的凸起与表面接触指向矢的方位角方向共线，如图1中的箭头40和箭头42所示。非偏振入射光50的第一偏振状态和第二偏振状态分别平行于和垂直于液晶指向矢18的凸起。
在第一种实施方式中，光学元件44是位于VAN宾主液晶器件12和VAN宾主液晶器件14之间的传统半波光学延迟器。半波光学延迟器被取向为其光轴与箭头42成45°角，这表示在对准表面302和对准表面381处的表面接触指向矢18c和表面接触指向矢22c的方位角方向。传统半波光学延迟器通常旋转在设计波长λ0处的与其光轴成45°的线性偏振的垂直入射光90°，例如，对于275nm半波光学延迟器，λ0＝550nm。对于λ0以外的波长，与光学延迟器的光轴成45°入射的线性偏振光变为椭圆偏振。
在第二种实施方式中，图1的光学元件44是C.J.Koester在“Achromaticcombinations of half-wave plates”，J.Opt.Soc.Am.49(4)，405-409(1959)中描述的类型的消色差90°偏振旋转器。这种类型的消色差90°偏振旋转器包括以规定角度放置的一堆传统半波光学延迟器。对于所公开的可变透射滤波器特别感兴趣的组合是三层堆叠，其中第一半波光学延迟器的光轴与图1中箭头42的方向成(11.25°+δ)角，第二半波光学延迟器的光轴与箭头42成45°角，并且第三半波光学延迟器的光轴与箭头42成(78.75°-δ)角。参数δ被称为纵倾角并且在几度或更小的数量级上，例如0.5°。双层堆叠也是已知的，其中第一半波光学延迟器的光轴与图1中的箭头42的方向成(22.5°+δ)角，并且第二半波光学延迟器的光轴与图1中的箭头42成(67.5°-δ)角。
在第三种实施方式中，光学元件44是由指向矢场描述的双折射层，其中指向矢在层的平面中从层的一个表面到另一个表面均匀地旋转90°。这种双折射层的示例是包括传统液晶或固态聚合液晶的90°扭曲向列液晶层。90°扭曲向列构件优选地服从“第一最小”条件
Figure GDA0002487907100000081
其中Δn是液晶或聚合液晶的双折射，d是层厚度，λ0是设计波长。
在第四种实施方式中，图1中的光学元件44是使用由日本东京的Teijin有限公司制造的材料的类型的宽带半波光学延迟膜。这些光学延迟膜由包含光学正性和光学负性单体单元的共混聚合物或共聚物制成。这些宽带偏振状态改变膜具有表现出相位延迟的特性，相位延迟实际上与波长宽带上的波长无关。此半波光学延迟器优选地是单个延迟器膜，但是可以被构造为光轴彼此平行排列的四分之一波长光学延迟器膜的叠压的两层堆叠。这种叠压堆叠的外侧会具有第一主表面和第二主表面。与第一种实施方式一样，这种半波光学延迟器被定位在VAN宾主液晶器件12和VAN宾主液晶器件14之间，并且其光轴与箭头42成45°取向，这表示表面接触指向矢18c和表面接触指向矢22c的方位角方向在对准表面302和对准表面381处。
图2比较了Teijin型半波光学延迟器与由聚碳酸酯膜制成的半波光学延迟器的波长依赖性。聚碳酸酯半波光学延迟器仅在550nm处赋予半波延迟，其延迟为275nm。另一方面，Teijin型半波光学延迟器不仅是在550nm处的半波延迟器(其延迟为275nm)，而且是在440nm处的半波延迟器(其延迟为220nm)。Teijin型半波光学延迟器的波长依赖性接近在波长宽带上的波长无关的半波光学延迟器，如图2中的理想线所示。
图3示出了图1中描绘的实施例的模拟电子光学曲线，其中垂直轴上的垂直标度指示了f-光圈数。使用商业软件LCD Master(可从日本山口市的Shintech公司获得)进行模拟。两个VAN宾主单元的单元间隙为9.0μm，并且与对准表面的预倾角为87°。宾主染料或染料混合物被假定为消色差的，并且半波光学延迟器对于所有波长具有275nm的恒定延迟。模拟使用下表中给出的液晶材料常数。
Δn(589nm，20℃) 0.080
n<sub>e</sub>(589nm，20℃) 1.556
n<sub>o</sub>(589nm，20℃) 1.476
Δε(1KHz，25℃) -4.4
ε<sub>||</sub>(1KHz，25℃) 3.6
ε<sub>+</sub>(1KHz，25℃) 8.0
K<sub>11</sub> 14.4pN
K<sub>22</sub> 7.1pN
K<sub>33</sub> 19.1pN
图4A、图5A、图6A、图7A和图8A分别示出了用于f-光圈数1、2、3、4和5的两个交叉宾主单元的现有技术配置的模拟等亮度图。图4B、图5B、图6B、图7B和图8B分别示出了用于f-光圈数1、2、3、4和5的第一实施方式的模拟等亮度图。图4C、图5C、图6C、图7C和图8C分别示出了用于f-光圈数1、2、3、4和5的第二实施方式的模拟等亮度图。
等亮度图示出了作为极角和方位角的函数的透射亮度，其中极角从中心向外延伸到60°并且方位角的视角的全范围从O°逆时针围绕示图到360°。对于f/1，每个等亮度图的中心对应于垂直入射的标称光圈亮度的50％；对于f/2，为25％；对于f/3，为12.5％；对于f/4，为6.25％；对于f/5，为3.125％。f/1处的亮度值除以f/5处的亮度值对应于16的对比度，对于能够实现f/1透射状态的宾主系统，可以认为亮度值高。等亮度轮廓线表示亮度值以垂直入射值的20％的步进量(increment)增加、减少或二者均可。图4A、图5A、图6A、图7A、图8A、图4B、图5B、图6B、图7B、图8B、图4C、图5C、图6C、图7C以及图8C的等亮度图在折射率为1.5的环境中被模拟，以便比较液晶层内的大极角效应。在空气中，由于斯涅尔定律确定的折射效应，极角会更小。例如，空气中的10°入射角将对应于折射率为1.5的周围介质内的6.6°入射角。
图9A示出了对于极角范围从-25°至+25°的在0°-180°方位角平面上测量的对于f/1、f/2、f/3、f/4和f/5的f-光圈的现有技术双宾主透射滤波器的透射亮度的实验测量的视角依赖性。图9B示出了对于极角范围从-25°至+25°的在0°-180°方位角平面中也测量的第一实施方式的透射亮度的实验测量的视角依赖性。比较图9A和图9B，可以看出所公开的可变透射滤波器的透射亮度的角度依赖性和不对称性明显小于两个交叉的宾主器件的现有技术配置的角度依赖性和不对称性。在上述测量中使用的实验宾主器件包括两个VAN宾主单元，每个单元具有9.0μm的单元间隙并且与对准表面成87°的预倾角α。液晶宾主混合物是用主混合物TEC92700-100稀释的商业黑色染料混合物TEC90700-100，以在没有施加电压时实现f/1透射率。这些材料可从中国南京的江苏合成显示技术有限公司HCCH获得。
图10A示出了现有技术的透射滤波器的模拟视角依赖性，图10B示出了所公开的可变透射滤波器使用半波光学延迟器作为图1中的光学元件44的第一实施方式的模拟视角依赖性，并且图10C示出了所公开的可变透射滤波器使用消色差90°偏振旋转器作为图1中的光学元件44的第二实施方式的模拟视角依赖性。对于范围为-25°至+25°的极角，所有模拟都在0°-180°方位角平面中进行，因此结果可直接与图9A和图9B的实验测量结果进行比较。现有技术的透射滤波器的图10A的模拟结果与图9A的实验结果非常一致，所公开的可变透射滤波器的第一实施方式的图10B的模拟结果与图9B的实验结果一致。对于所公开的可变透射滤波器的第二实施方式的角度依赖性没有示出实验测量，但是由于图10C中所示的第二实施方式的角度依赖性的模拟结果与图10B中所示的第一种实施方式的模拟结果几乎相同，所以预期第二种实施方式的角度依赖性的实验结果也是类似的。
图11示出了根据1976CIE均匀颜色空间中的u'、v'色度坐标的透射光的颜色的模拟f-光圈依赖性。f-光圈值的范围从f/1到f/5的色移量由CIE颜色空间中内接的线的长度表示，较短的线用于所公开的可变透射滤波器的第二种实施方式，而较长的线用于所公开的可变透射滤波器的第一种实施方式。因此，所公开的可变透射滤波器的第二实施方式经受比第一实施方式更少的色移。对于这些模拟，假设半波光学延迟器对于所有波长具有275nm的延迟。
图12A、图13A、图14A、图15A和图16A分别示出了用于f-光圈数1、2、3、4和4.5的两个交叉宾主单元的现有技术配置的模拟等亮度图。图12B、图13B、图14B和图15B分别示出了用于f-光圈数1、2、3和4的使用聚碳酸酯半波光学延迟器的第一实施方式的模拟等亮度图，聚碳酸酯半波光学延迟器在波长为550nm处具有275nm的延迟。这些模拟和随后的模拟包括聚碳酸酯延迟器的波长色散。由于在550nm以外的波长处的大量泄漏，使用该光学延迟器不可能实现4.5的f-光圈数(因此在模拟的等亮度图的集合中没有图16B)。图12C、图13C、图14C、图15C和图16C分别示出了用于f-光圈数1、2、3、4和4.5的Teijin型宽带半波光学延迟器的第四实施方式的模拟等亮度图。这些模拟是在空气环境中进行的，因此等亮度图的极角会对应于在实验室中测量的极角。如前所述，等亮度轮廓线指示亮度值以垂直入射值的20％的步进量增加、减少或两者均可。
除了图12A中所示的两个交叉宾主单元的现有技术配置的f/1情况的近似圆形轮廓线之外，如图13A、图14A、图15A和图16A所示的f/2、f/3、f/4和f/4.5的情况呈现出不对称的、不平衡的亮度轮廓线。这种亮度轮廓线使得现有技术的配置不适合用作具有宽视角的可变透射滤波器。另一方面，聚碳酸酯半波光学延迟器和Teijin型半波光学延迟器对于延伸到大约20°的极角呈现出亮度变化很小的水平和垂直对称性。
对于宾主可变透射滤波器10的许多应用而言，期望其对于所有可见波长表现为可变中性密度滤波器。在这种情况下，宾主液晶器件12和宾主液晶器件14内的液晶材料包括黑色宾主二向色染料混合物，并且有利的是使视角的色移最小化。这可以在本公开的广角可变透射滤波器10中实现。由本公开的可变密度滤波器从垂直入射的颜色引入到均匀白色照射下的其它视角的颜色的色移量可以通过如下定义的ΔC*定量地描述：
Figure GDA0002487907100000121
u*＝13L*(u′-u′n)
v*＝13L*(v′-v′n)，
其中Y是亮度并且下标n是指在指定白点的亮度和色度坐标(u'，v')。垂直入射处的颜色坐标
Figure GDA0002487907100000122
和
Figure GDA0002487907100000123
与其他入射角和方位角处的颜色坐标
Figure GDA0002487907100000124
和
Figure GDA0002487907100000125
之间的色度差ΔC*由下式给出：
Figure GDA0002487907100000126
粗略地说，ΔC*≤1是人眼无法察觉的；1<ΔC*≤2通过密切观察可以察觉，并且2<ΔC*≤10一眼就能感知到。
图17A、图18A、图19A、图20A、图17B、图18B、图19B、图20B和图21B示出了模拟的等色度差异图。这些图中的轮廓线表示相等色度差的轮廓，在其中图的中心处ΔC*＝0，跟着是在较大极角处具有ΔC*＝1的轮廓线，随后是在更大的极角处具有ΔC*＝2的轮廓线等，每次递增1直到ΔC*＝8。图17A、图18A、图19A和图20A分别示出了对于f-光圈数1、2、3和4使用聚碳酸酯半波光学延迟器的第一实施方式的模拟等色度差异图。(在模拟的等色度差异图的集合中没有图21A是因为不能实现4.5的f-光圈数。)图17B、图18B、图19B、图20B和图21B分别示出了用于f-光圈数1、2、3、4和4.5的Teijin型消色差半波光学延迟器的第四实施方式的模拟等色度差异图。比较这些等色度图，使用Teijin型半波光学延迟器的实施方式4与使用聚碳酸酯半波光学延迟器的实施方式1相比表现出远小于具有视角的色移。
在垂直入射时，由于通过改变驱动电压来改变f-光圈数，因此也存在色移。图22在1976CIE(u'、v')均匀颜色空间上定量地示出了使用聚碳酸酯半波光学延迟器的本公开的第一实施方式的该色移的模拟结果与使用Teijin型宽带半波光学延迟器的本公开的第四实施方式的模拟结果的比较。对于相同的f-光圈数，Teijin型宽带半波光学延迟器表现出比聚碳酸酯半波光学延迟器呈现的色移小得多的色移。
通过向黑色宾主液晶混合物中添加适当颜色的附加二向色染料或染料混合物，可以减少这种色移的量。例如，对于配置有Teijin型宽带半波光学延迟器的第四实施方式，图22示出，随着f-光圈数增加，颜色向红色偏移。添加互补的青色二向色染料或染料混合物可以抵消这种红色偏移，因为随着驱动电压和f-光圈数增加，互补的染料或染料混合物将吸收越来越多的红光，从而将色域压缩到更小的空间。
在下面的模拟中，SMP-475青色染料(可从日本东京的NAGASE的色彩与增强处理部(Colors&Advanced Processing Dept.)获得)加入到黑色宾主液晶混合物中。图23示出SMP-475青色染料的归一化吸收光谱，其二向色比为7.8。图24以放大的垂直刻度示出了在第四实施方案中将SMP-475青色染料添加到黑色染料混合物中的压缩效果。在浓度上加入SMP-475青色染料使得到的混合物的峰值吸收达到黑色染料混合物的峰值吸收的5％。SMP-475青色染料的添加使得所有f-光圈数的颜色坐标在互补的青色方向上移动，但现在颜色坐标靠近聚集在一起并占据更小的空间。如果需要，可以向宾主染料混合物中加入少量各向同性红色染料，使整个簇向红色移回，使整个簇集中在白点上。这也可以通过在宾主液晶可变透射滤波器10外部施加的弱红色滤波器来实现。
图25是所公开的宾主液晶可变透射滤波器10的替代性优选实施例的简化图。在该替换性的实施例中，图1所示实施例的两个内部基板242和基板321从第一宾主器件12和第二宾主器件14中移除并且由单个光学元件44代替，单个光学元件44现在用作半波光学延迟器以及用于第一宾主器件12a和第二宾主器件14a的内部基板。该可替代性实施例得到更薄、更轻的宾主液晶可变透射滤波器10a，宾主液晶可变透射滤波器10a包括第一宾主器件12a和第二宾主器件14a，并且特别适用于眼镜，特别是如果外部基板241和外部基板322由可以形成弯曲的形状的柔性塑料材料制成。图25中的其他编号元件与已经参考图1描述的元件相同。
图26是智能眼镜60的示意图，其在每个目镜62l、62r中并入一个具有通过施加到多组导线64的驱动电压调节的连续可变调光水平的用作电子调光滤波器的可变透射滤波器10。增强现实眼镜和太阳镜是用于智能眼镜受益的可变透射滤波器10的合适应用的两个示例。
在增强现实眼镜的情况下，其将虚拟信息添加到现实世界场景中，近眼显示系统的亮度是决定眼镜佩戴者在视觉上感知增强世界不同程度的一个因素。当照明条件改变时，例如当眼镜佩戴者从室内到室外时，两个世界的亮度比也会改变，这可能导致可读性显著降低。克服这种亮度比变化的解决方案是结合调光滤波器，该调光滤波器控制到达眼镜佩戴者眼睛的环境光量并使环境光与显示系统亮度相匹配。可变透射滤波器10提供这种模拟调光控制。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应仅由以下权利要求确定。

Claims (20)

1.一种具有宽视角的电子光学宾主液晶可变透射滤波器，其包括：
第一宾主液晶器件以及第二宾主液晶器件，所述第一宾主液晶器件包括间隔开的具有内表面的一对第一电极构件，所述第二宾主液晶器件包括间隔开的具有内表面的一对第二电极构件，所述第一宾主液晶器件和所述第二宾主液晶器件以光学系列排列并且是包含具有负介电各向异性的液晶材料的准同向取向的电控双折射器件即ECB器件；
间隔开的第一对准表面，其形成在所述第一宾主液晶器件的所述一对第一电极构件的所述内表面上；
第一液晶指向矢，其被限定在所述第一电极构件之间，所述第一液晶指向矢形成第一指向矢场并且包括与所述第一对准表面中的每一个接触的第一表面接触指向矢；
间隔开的第二对准表面，其形成在所述第二宾主液晶器件的所述一对第二电极构件的所述内表面上；
第二液晶指向矢，其被限定在所述第二电极构件之间，所述第二液晶指向矢形成第二指向矢场并且包括与所述第二对准表面中的每一个接触的第二表面接触指向矢；
分别在所述第一指向矢场和所述第二指向矢场中以反向排列的所述第一液晶指向矢和所述第二液晶指向矢中的相应指向矢；以及
偏振状态改变器件，其位于所述第一宾主液晶器件和所述第二宾主液晶器件之间。
2.根据权利要求1所述的液晶可变透射滤波器，其中所述偏振状态改变器件是半波光学延迟器。
3.根据权利要求2所述的液晶可变透射滤波器，其中所述半波光学延迟器是包括光学正单体单元和光学负单体单元的共混聚合物或共聚物的宽带半波光学延迟器。
4.根据权利要求1所述的液晶可变透射滤波器，其中所述偏振状态改变器件是包括多个半波光学延迟器的消色差90°偏振旋转器。
5.根据权利要求1所述的液晶可变透射滤波器，其中所述偏振状态改变器件是90°扭曲的向列层。
6.根据权利要求5所述的液晶可变透射滤波器，其中所述90°扭曲的向列层是扭曲向列液晶元。
7.根据权利要求5所述的液晶可变透射滤波器，其中所述90°扭曲的向列层是液晶聚合物层。
8.根据权利要求1所述的液晶可变透射滤波器，其中所述偏振状态改变器件是单个宽带偏振状态改变膜，其对两个不同波长中的每个波长赋予半波光学延迟。
9.根据权利要求8所述的液晶可变透射滤波器，其中所述单个宽带偏振状态改变膜包括光学正单体单元和光学负单体单元的共混聚合物或共聚物。
10.根据权利要求1所述的液晶可变透射滤波器，其中所述第一宾主液晶器件和所述第二宾主液晶器件中的所述液晶材料包括与黑色二向色染料或染料混合物混合的液晶，所述黑色二向色染料或染料混合物包括补偿由所述可变透射滤波器的f光圈数设置的变化引起的色移的选定数量的多种二向色染料组分。
11.根据权利要求1所述的液晶可变透射滤波器，其中所述第一宾主液晶器件和所述第二宾主液晶器件中的所述液晶材料包括：与黑色二向色染料或染料混合物混合的液晶；染料组分浓度中的多种二向色染料组分，其在朝向参考颜色空间的颜色成分的方向上引入色移；和补偿性二向色染料，其浓度在远离所述参考颜色空间的所述颜色成分的方向上抵消所述色移。
12.根据权利要求1所述的液晶可变透射滤波器，其中所述偏振状态改变器件被包括在眼镜的目镜中，并且其中所述偏振状态改变器件有助于对通过所述目镜传播的光进行电驱动的调光控制并到达所述眼镜的佩戴者的眼睛。
13.根据权利要求12所述的液晶可变透射滤波器，其中所述偏振状态改变器件是单个宽带偏振状态改变膜，所述单个宽带偏振状态改变膜对两个不同波长中的每个波长赋予半波光学延迟。
14.根据权利要求12所述的液晶可变透射滤波器，其中所述一对第一电极构件和所述一对第二电极构件以及所述偏振状态改变器件由柔性材料制成。
15.根据权利要求1所述的液晶可变透射滤波器，其中所述偏振状态改变器件具有第一主表面和第二主表面，并且位于所述第一宾主液晶器件和所述第二宾主液晶器件之间，以形成所述一对第一电极构件和所述一对第二电极构件的公共基板，所述偏振状态改变器件的所述第一主表面作为所述第一电极构件的一部分被包括，并且所述偏振状态改变器件的所述第二主表面作为所述第二电极构件的一部分被包括。
16.根据权利要求15所述的液晶可变透射滤波器，其中所述一对第一电极构件和所述一对第二电极构件以及所述偏振状态改变器件由柔性材料制成。
17.一种克服表现出高对比度的宾主液晶可变透射滤波器的操作中的光透射的角度依赖性的方法，所述可变透射滤波器接收具有第一正交相关偏振状态和第二正交相关偏振状态的非偏振入射光，所述方法包括：
在光学系列中定位第一宾主液晶器件和第二宾主液晶器件，所述第一宾主液晶器件包括具有内表面的间隔开的一对第一电极构件，所述第二宾主液晶器件包括间隔开的具有内表面的一对第二电极构件，所述第一宾主液晶器件和所述第二宾主液晶器件是包含具有负介电各向异性的液晶材料的准垂直取向的电控双折射器件即ECB器件，所述第一宾主液晶器件具有间隔开的第一对准构件，所述间隔开的第一对准构件被形成在所述一对第一电极构件的所述内表面上并且包括被限定在所述第一电极构件之间并具有位于所述第一电极构件的所述内表面上的凸起的第一液晶指向矢，并且所述第二宾主液晶器件具有间隔开的第二对准构件，所述间隔开的第二对准构件被形成在所述一对第二电极构件的所述内表面上并且包括第二液晶指向矢，所述第二液晶指向矢被限定在所述第二电极构件之间，所述第一偏振状态和所述第二偏振状态分别平行于和垂直于所述第一液晶指向矢的所述凸起；
通过将所述第一液晶指向矢和所述第二液晶指向矢中的相应指向矢以反向排列设置而将所述第一宾主液晶器件和所述第二宾主液晶器件进行取向，以改进所述可变透射滤波器的视角性能，在没有补偿情况下，所述第一液晶指向矢和所述第二液晶指向矢的所述反向排列导致对比度的降低，这是由于响应于施加到所述第一宾主液晶器件和所述第二宾主液晶器件的电场而传播通过所述可变透射滤波器的所述第二偏振状态的光的透射率没有明显变化引起的；以及
通过在所述第一宾主液晶器件和所述第二宾主液晶器件之间定位偏振状态改变器件来补偿所述第一液晶指向矢和所述第二液晶指向矢的所述反向排列，以抵消对比度的所述降低，所述偏振状态改变器件引入离开所述第一宾主液晶器件的光的偏振状态的改变，使得入射在所述第一宾主液晶器件上的所述第一偏振状态和所述第二偏振状态的光的透射率分别响应于施加到所述第一宾主液晶器件的电场和施加到所述第二宾主液晶器件的电场，从而提供具有高对比度和宽视角性能的可变透射滤波器。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述偏振状态改变器件是半波光学延迟器。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述偏振状态改变器件是单个宽带偏振状态改变膜，所述单个宽带偏振状态改变膜对两个不同波长中的每个波长赋予半波光学延迟。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述偏振状态改变器件被包括在眼镜的目镜中，并且其中所述偏振状态改变器件有助于对通过所述目镜传播的光进行电驱动的调光控制并且到达所述眼镜的佩戴者的眼睛。
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