CN112105985A - 抗反射调光面板及制造和使用的方法 - Google Patents

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Abstract

面板装置包括诸如液晶调光膜的调光膜。装置中包括的透明电极(例如氧化铟锡(ITO))被折射率匹配的氧化铟锡(IMITO)代替。装置中包含的固体/空气界面被抗反射涂层取代。

Description

抗反射调光面板及制造和使用的方法
相关申请的引用
本申请要求于2018年5月1日提交的美国临时专利申请序列号US62/762,368的权益。出于所有目的，其全部内容合并于此。
技术领域
本公开内容针对调光面板上使用的抗反射系统和方法，并且更具体地涉及使用液晶微滴(LCMD，liquid crystal microdroplet)装置，悬浮粒子装置(SPD，suspendedparticle device)，电致变色(electrochromic)或热致变色(thermochromic)材料的抗反射面板的系统和方法。在某些实施例中，本公开提供了与美国专利9,690,174B2和9,921,425B2有关的改进。
背景技术
在光电子学领域的持续进步导致了液晶微滴(LCMD)显示器的发展。在这种类型的显示器中，液晶(LC,liquid crystal)材料以微粒的形式分散在固体聚合物基质中。双折射是由在不同方向上具有不同折射率的材料产生的。液晶分子的寻常折射率(ne)被定义为沿着分子的长轴测量的，而非寻常折射率(no)是在垂直于长轴的平面上测量的。液晶的介电各向异性被定义为Δε＝ε∥-ε⊥，其中ε∥及ε⊥，分别是平行的和并垂直的介电常数。具有正介电各向异性(Δε＞0)的液晶称为正型液晶或正性液晶，具有负介电各向异性(Δε＜0)的液晶称为负型液晶或负性液晶。正型液晶沿电场方向取向，而负型液晶垂直于电场取向。液晶的这些电光性质已被广泛用于各种应用中。
一种获得在聚合物基质中分散的液晶微滴的方法是封装法或液晶乳化法，即使液晶悬浮在聚合物乳液中并使之成膜。例如，在美国专利5,235,300号中描述了这种方法，还有4,435,047，4,605,284和4,707,080号。该方法包括将正性液晶混合于不相溶的封装材料的液体之中，并使之形成分散的液晶微胶囊，再将乳液浇铸在预先涂有透明电极(例如氧化铟锡(ITO，indium tin oxide))涂层的基材之上，以形成封装的液晶器件。
LCMD显示器还可以通过低分子量的液晶与预聚物或聚合物的溶液的相分离，来形成液晶微滴。该过程在美国专利号US 4,685,771和US4,688,900有描述，包括将正性液状晶体溶解在未固化的树脂中，然后将混合物夹在两个预先涂有透明电极的基材之间。然后将树脂固化，从而形成液晶微滴并将其均匀分散在固化的树脂中，从而形成聚合物分散的液晶(PDLC，polymer dispersed liquid crystal)器件。当在两个透明电极之间施加交流电压时，如果使聚合物基材的折射率(np)等于液晶的寻常折射率(np)，则微滴中的正型液晶就会平行于电场取向，并且显示器是透明的。显示器在没有电场的情况下会散射光，这是因为液晶分子的矢量方向(分子长轴的方向)是随机的，并且聚合物的折射率无法与液晶的折射率相匹配。具有正介电各向异性(Δε＞0)，大Δn的向列液晶可以包含二向色性染料混合物，可以用于形成透明模式和吸收模式。
LCMD显示器可以被表征为正型模式显示器或反型模式显示器。正型模式显示器在没有电场的情况下是不透明的(散射或吸收)，而在有电场的情况下是透明的。反型模式显示器在没有电场的情况下是透明的，而在有电场的情况下是不透明的(散射或吸收)。LCMD膜通常具有以下层结构：透明膜/ITO涂层/液晶基质层/ITO涂层/透明膜。液晶基质层也被称为活性层，具有开关功能。其它类型的调光膜的，如悬浮颗粒器件(SPD)，电致变色材料或热致变色材料，具有类似的结构，但具有不同的活性层。
以前，由于担心器件的紫外线稳定性和湿气敏感性以及使用温度范围狭窄，LCMD装置只能在室内使用。但是，近年的创新导致了户外应用和投影应用的发展，例如美国专利9,690,174B2和美国专利9,921,425B2和已公开的美国专利申请US 2015/0275090A1和US2016/0243773A1中所示的示例，调光投影窗，建筑物广告和用于汽车和游轮的窗子。
为了使LCMD膜更耐用和更有用，LCMD膜通常由热熔胶复合于两层玻璃之间，即制成多层粘合结构的夹胶调光玻璃，如本文所中所讨论，这种夹胶玻璃面板通常被称为智能玻璃或调光玻璃，而(非整体粘合的)多层面板可称为调光投影面板或调光投影窗。
存在一种需求，在投影系统和调光玻璃系统中，使用改进的LCMD技术，以便改进视觉质量，并减少反射或减少至不可察觉的反射程度。这些方法还应该，能够减少在类似装置上的反射，例如悬浮粒子装置(SPD)，电致变色或热致变色材料。
发明内容
在一个实施例中，一种面板装置包括响应于所施加电压的变化，可在透明状态和不透明状态之间变换的液晶微滴(LCMD)膜，其中，LCMD中的氧化铟锡(ITO)的透明电极薄膜用折射率匹配的氧化铟锡(IMITO)代替以减少反射，而且/或者用抗反射(AR)涂层处理固体/空气或薄膜/空气界面。
在另一个实施例中，一种面板装置包括具有液晶微滴(LCMD)膜的夹胶调光玻璃。用两个玻璃层和两个热熔胶层将LCMD膜夹在中间，或夹胶于中间。LCMD膜中的透明导电电极ITO被折射率匹配的氧化铟锡IMITO所代替，而且/或者玻璃/空气界面经过抗反射涂层处理。
在另一个实施例中，一种面板装置包括具有液晶微滴(LCMD)膜的多层可变换玻璃面板。该装置包括第一层，即液晶微滴(LCMD)显示器，它可响应于所施加电压的变化而在透明状态和不透明状态之间变换。LCMD膜中的ITO透明导电电极被IMITO代替。面板装置还包括第二层，该第二层与第一层稍稍分开，而又耦合于第一层。第二层包括透明面板或玻璃层。两层玻璃层将LCMD膜层夹在中间，玻璃层和LCMD膜之间有空隙。包括膜/空气界面和玻璃/空气界面在内的所有固体/空气界面都可以使用抗反射(AR)涂层进行处理。
通过以下详细描述，本公开的其它方面的特征和优点将变得显而易见。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下详细描述可以更好地理解本公开。需要强调的是，根据行业中的标准实践，各种特征并未按比例绘制，而仅用于说明目的。实际上，为了清楚起见，可以任意增加或减小各种特征的尺寸。
根据本公开的实施例，图1是普通LCMD膜结构的截面图。
根据本公开的实施例，图2是普通夹胶LCMD面板的截面图。
图3展示了激光测试设置以及普通夹胶LCMD面板和显示板的结果。
图4展示了ITO的折射率与波长之间的关系。
根据本公开的一个或多个实施例，图5是具有降低反射的改进后的夹胶LCMD面板装置的截面图，其中，LCMD膜中的常规透明电极ITO被IMITO代替，并且玻璃/空气界面经过防反射涂层处理。
根据本公开的实施例，图6是具有LCMD膜的普通调光投影面板的截面图。
根据本公开实施例，图7是具有LCMD膜的改进后的调光投影面板的截面图，其中，LCMD膜中的常规透明电极ITO被IMITO代替，并且膜/空气和玻璃/空气界面经过抗反射涂层处理。
具体实施方式
下述申请为实施不同特征提供了许多不同的范例。为简化公开，一些特殊组成
和安排的例子描述如下。当然，所举例子不意味着任何限制。例如，第一特征的形成可以建立在后续描述的第二特征之上，也可以包含一些例子，这些例子由第一特征和第二特征直接接触而形成，也可以包含一些例子，这些例子间接地产生于第一特征和第二特征之间的其它特征，而第一特征和第二特征并无直接接触。另外，本申请在各种例子里可能重复引用号码和标记。这样的重复只是为了简洁，并不暗示各例之间有某些自动的关联和联系。
此处使用的术语“LCMD装置”或“LCMD膜”或“LCMD显示器”分别指由各类高分子薄膜制成的装置，膜或显示器。例如，LCMD装置可以由使用向列曲线取向相(NCAP)膜制成，例如于1981年9月16日申请的美国专4,435,047“封装的液晶和方法”中描述的材料和装置，此处整体引用。一个LCMD装置也可以由高分子分散的液晶(polymer dispersed liquidcrystal，PDLC)膜制成，该技术利用在均相介质中的相分离现象制成膜。例如于1985年9月17日申请的美国专利4,688,900“分散于塑料介质中的液晶调光材料”，此处整体引用。一个LCMD装置也可以由非均匀高分子分散的液晶显示器(NPD-LCD，non-homogenous polymerdispersed liquid crystal display)膜制成，该技术采用分散于非均匀的透明的共聚物介质中的液晶微粒制成膜。例如在1992年8月31日申请的美国专利5,270,843“直接形成的高分子分散的液晶光阀显示器”中所描述的技术，此处整体引用。其它形式的液晶微粒膜也是适用的。NPD-LCD装置可以分成正型和反型。正型NPD-LCD装置在无电场作用下处于不透明状态，而在电场作用下变成透明态。而反型NPD-LCD装置在无电场作用下处于透明状态，而在电场作用下变成不透明态。
在最近十年中，调光面板在各种应用中的使用急剧增加，例如用于节能玻璃，隐私窗，汽车窗和投影窗广告。这主要是由于以下事实：这些产品提供的特殊功能(例如正投或背投)以及在使用过程中自然光谱没有变化，现已可用于户外应用。但是，在使用这些装置时发生的反射光会严重影响许多应用，例如在建筑玻璃或汽车玻璃上的使用，并可能影响视觉舒适性，产品性能和安全性。在建筑物广告或窗户广告应用中，反射光也会影响影像品质。因此，这些调光装置上的反射仍然是个重要问题。
问题
在许多类型的调光装置中存在不必要的反射光。在本公开中，液晶(LC)调光装置被选作范例。本公开中讨论的原理和方法也可以应用于其它系统。选择用于此详细讨论的液晶型调光装置的一个原因是，液晶型调光装置可在不透明模式和透明模式之间变换而没有色彩变化，并且与其它类型的调光装置相比，它具有最高的透明度。也就是说，这种类型的装置最容易受到有害的反射光影响，因此，适用于液晶型的调光装置的任何解决方案也将适用于其它类型装置。
在本公开中描述了三个主要结构。它们是(1)具有以下层结构的调光膜或调光面板，例如，调光LCMD膜：透明膜/ITO透明电极/LC-聚合物基质/ITO透明电极/透明膜。LC-聚合物基体是光学活性层，负责变换功能。(2)具有以下层结构的夹胶液晶调光玻璃：玻璃/热熔胶层/调光LCMD膜/热熔胶层/玻璃；(3)具有以下层结构的调光的投影板：玻璃/气隙/调光LCMD膜/气隙/玻璃。其它类型的调光膜基本上具有相同的层结构，但是具有不同的光学活性层。
当使用这些调光膜或面板时，反射光降低了透射率，并在透明应用时干扰了观看，而且/或者降低了不透明应用时投影图像的品质。例如，当将LCMD膜粘贴到已有窗子上以用作调光的隐私窗帘和/或投影屏幕时，反射光会降低透明模式下的透视清晰度和不透明模式下的投影图像品质。另一范例是，当将夹胶调光玻璃用作驾驶室和乘客室之间的分隔板时，该分隔板上的反射光可以通过后视镜分散驾驶员的注意力。近年来，由于调光面板的反射光引起的问题越来越严重，这是由于抗紫外线(UV)，抗热性和抗温度的耐受性已经大大提高，LCMD器件已被广泛用于室外，而室外的自然光远比人工光源亮度(例如会议室中灯光)高所致。
另一个示例是当将如美国专利9,690,174和9,921,425中所述的调光投影面板与普通投影仪一起使用时，投影仪的强反射会干扰投影图像的观看。类似地，当将夹胶调光玻璃用作透明模式的调光窗子时，例如医院手术室或工厂生产区域的隔板，来自夹胶调光玻璃的反射光会降低透视清晰度。
如本领域技术人员所理解的，调查调光面板装置中的反射问题被认为是一个复杂的过程，它不仅受到反射光的影响，而且还受到散射光和折射光以及各种界面的影响。这些界面是由于装置中所使用的不同材料形成。通常很难准确地确定其中一些化合物的折射率，这使情况更加复杂。如下所述，这些部件对调光面板装置中的反射光的各自贡献难以使用各种传统的光度计和显微镜等仪器来分离和量化。对于多层结构，这样的分析则更为复杂。
为了解决该反射问题，以前尝试过使用有色热熔胶和有色玻璃的方法。虽然这些处理减少了不必要的反射光，但它们对图像质量和图像亮度有负面影响。这些有色材料也会改变图像应有的颜色，并导致自然光光谱的变化。如本领域技术人员已知的，自然光比人造光对人体健康和室内植物的生长更好。因此，有色热熔胶和有色玻璃的使用不适用于需要高质量采光的应用场合，例如医院，学校和教室。
减少反射的另一种尝试涉及改变LC-聚合物层的折射率，使其更接近ITO电极的折射率。然而，为了提高聚合物的折射率，让液晶和聚合物中含有更多的芳香族化合物，导致了LCMD装置的工作温度范围变化，特别是影响温度范围的下限。
由于种种困难，这个问题几十年来一直没有得到解决。本公开首先介绍一些解决方案。这些方案能够解决问题，而不会给系统带来任何负面影响。
解决方案
为了消除或减少反射，首先必须了解反射与调光装置结构之间的相互作用，并找出反射光究竟来自何处。图1展示了普通LCMD膜100的多层结构的截面图。LCMD膜结构100包括液晶(LC)-聚合物基质层110，透明电极120，例如氧化铟锡(ITO)涂层，以及透明塑料膜130，例如聚对苯二甲酸酯(PET，polyethylene terephthalate)或聚碳酸酯(polycarbonate)。LCMD膜100中存在三种不同的界面。LC-聚合物基质110和ITO 120之间的界面140以及ITO 120和膜130之间的界面150，这些是固-固界面。膜表面160为固-气界面。下面讨论消除或减少来自与ITO相关的界面(如ITO/薄膜界面和ITO/LC-聚合物界面)以及诸如玻璃/空气界面或薄膜/空气界面之类的固体/空气界面的反射的技术和处理。
图2是一个夹胶LCMD面板200的截面图。LCMD膜100被夹在两层玻璃230和两层热熔胶层220之间。热熔胶层材料可以从下述材料中选择：例如，聚乙烯醇缩丁醛(PVB，polyvinyl butyral)，乙烯醋酸乙烯酯(EVA，ethylene vinyl acetate)或热塑性聚氨酯(TPU，thermoplastic polyurethane)，如采用液体夹胶工艺，可选用丙烯酸酯(acrylate)，环氧树脂(epoxy)或聚氨酯(polyurethane)为夹胶层代替热熔胶层。热塑夹胶通常在高压釜或真空炉中用热熔胶进行。热塑性热熔胶层在高温高压或真空中熔化，可将不同的层粘合在一起。通常用液态树脂的混合物进行液体夹胶，该液体混合物固化后所形成聚合物可将不同的层粘合在一起。透明塑料膜130和热熔胶层220之间的界面240以及热熔胶层220和玻璃230之间的界面250是固-固界面。玻璃表面260是固体-空气界面。如本文所用术语“夹胶”是指含胶的层结构，其中LCMD膜和一层或多层玻璃，由处在LCMD膜和玻璃之间的基本上延伸至整个界面的粘合剂粘合在一起。当将LCMD膜被夹胶到具有热熔胶层的两层玻璃中时，原来膜的表面即膜-空气界面160被固体-固体界面即膜/热熔胶层间界面240代替，原来玻璃230的表面即玻璃-空气界面260被固体-固体界面即玻璃/热熔胶层间界面250代替。本文所用的术语“玻璃”包括硅基透明面板，例如钠钙硅酸盐玻璃和硼硅酸盐玻璃，以及基于聚合物的透明面板，例如丙烯酸玻璃和聚碳酸酯玻璃。
透明物质具有其折射率，表示为“n”。界面是否反射光取决于形成界面的物质的折射率之间的相对差，该相对差表示为“Δn”。由具有相同折射率的物质形成的界面不会产生反射光，也不会折射光。由于本公开主要处理反射，因此为了简化讨论，在附图中忽略了光路中的折射行为。反射强度取决于Δn值的大小即形成界面材料的折射率之差。气体(例如空气)的折射率比固体小很多，因此，未经处理的固体-空气界面通常也具有很强的反射率，例如，垂直入射下玻璃的反射率为4％。如本文所讨论的，这样的固体表面的实例包括一些构造的玻璃表面和膜表面。去除或减少这种表面的反射是本公开的重点之一。具有较大折射率差异的固-固界面也可以具有强反射，这是本公开的另一个重点。Δn较小或折射率的差异较小的固-固界面反射较弱，由于人眼通常对弱反射并不敏感，无法感觉到这种弱反射，因此本文将不详细讨论弱反射。为了简化讨论，在附图中也未展示弱反射。
抗反射是电子显示器工业中的活跃领域之一，尤其是那些使用氧化铟锡(ITO)作为透明电极的应用领域。ITO具有约2.0的高折射率，因此，任何ITO界面上的反射都很强。已经使用多种技术来减少由ITO层引起的反射，例如单层方法和多层方法。单层方法是降低ITO的反射率，以便匹配或接近所附着基材的折射率。例如，如果所附着基材是玻璃，ITO的折射率必须从2.0减少到约1.5的折射率。ITO的折射率可以通过不同的溅射方式来降低，例如采用倾斜溅射技术。随着溅射角增加，ITO膜的孔隙率增加，导致折射率降低。由此，可减小膜-ITO界面的折射率之差Δn，从而实现降低反射。多层(两层或更多层)方法使用干涉原理来实现抗反射效果。通过使用低折射率材料和高折射率材料的交替层并且通过控制层的厚度，以获得相反的光相位，这样来自不同层的反射可以彼此抵消，因此，导致总反射降低。术语“匹配”是指通过使用诸如单层技术或多层技术之类的技术来消除或减少反射。
单层和多层ITO膜产品刚刚在市场上出现。在本公开中，我们的主要焦点是在与调光装置有关的新系统上使用现有的防反射产品，所述新系统与调光装置如夹胶液晶调光面板和调光投影面板有关。如本领域的技术人员将理解的，在室外应用时，自然光的亮度是很强的，例如，可比人造光如“室内光”的亮度强数十倍。由于亮度增加，反射问题已达到不得不解决的地步。反射对投影相关的包括许多最近开发的新功能有严重影响，例如正面投影和背后投影，360度可视显示器和球形散射。
为了简化本公开中的讨论，对于所有的市面上的抗反射ITO膜或抗反射玻璃，图示中ITO层仅以单层来表示，而不提及是使用什么技术或原理在薄膜或玻璃上实现抗反射效果的。例如，在本公开中，单层可以被示为折射率匹配的氧化铟锡(IMITO)层，而没有进一步区分是如何通过使用单层技术或多层技术来实现抗反射的。在权利要求中，单层也作为折射率匹配的氧化铟锡(IMITO)层，而不区分是如何通过使用单层技术或多层技术来实现抗反射的。
关于诸如夹胶液晶调光面板的复杂产品的抗反射的研究几乎没有发表的文献。如上所述，一个原因可能是缺乏研究这种复杂产品的有效工具。尽管已有许多种光度计和千分尺，它们在液晶显示器(LCD)的研究中很有用，但是这些仪器在研究液晶调光面板上的反射方面无济于事，因为散射光与反射光和折射光混合在一起。此外，反射光随着不同的调光状态而变化，并且LC-聚合物层的折射率是难以确定的。利用光度计和千分尺的研究，散射光就是一个干扰因素，另外，在纳米级别的多层结构上会发生不同的光学行为，当调光面板的状态改变时，所有光束都可能在改变而且交融在一起。要解决调光膜或玻璃上的反射，需要首先了解反射行为以及这些反射来自何处，以及哪个界面对应哪个反射。
在许多不成功的实验之后，已经发现了成功的实验，证实了反射层和反射界面。本发明将首次揭示如何在多层结构内确定反射层，并解释反射的光学机理以及解决诸如LCMD面板的调光装置上的反射问题。本公开引入了一种非常有用的定位反射层的方式。尽管该实验并没有直接给出关于反射界面的答案，但是通过一系列消除，操作和逻辑分析的方法，可以用光学理论清楚地验证所预测的反射界面。
参考图3或300，这里描述了一种用于在夹胶液晶调光面板多层结构中寻找反射界面的方法，其中采用绿光激光器310进行激光测试。可以以大约45度的入射角将激光投射到夹胶液晶调光面板200上。然后将电压施加到透明ITO电极140上。为了接收和显示反射点，可以将黑板320(320A是其截面图，320B是其正视图)放置在与面板200平行的适当距离处，例如反射点与面板200之间的距离为30cm。增加的距离对反射点具有“放大”作用，从而可以确定反射点是由单个界面形成，还是由彼此靠近的多个界面形成。如果一个斑点是由两个或多个界面形成的，则随着黑板和面板之间的距离增加，原始斑点将被分成两个或更多个较小的斑点。这些小斑点包含有关界面的详细信息，如这些界面靠在一起，例如，以微米或纳米距离相隔。特定距离和激光角度也可以用于定量计算反射界面之间的实际距离。对于本领域技术人员将显而易见的是，虽然更长的距离会增加“放大”效果，但是如果距离太大，反射点的清晰度可能会降低。观察是在黑暗环境中进行的。当调光面板200处于透明状态时，在黑板320B上展示反射点。黑板320B上的顶点330是从远离黑板320的背后玻璃表面260反射而来，而底点350则从靠近黑板320的前面玻璃表面260反射而来。在图3中显示了三个反射点，顶部点330和底部点350接近圆形，但是中心点340是椭圆形的。可以看出，该实验可以提供重要的信息，也就是说，在此范例中，在两个玻璃表面260之间还有另一种反射源。由于在不透明模式下，在LC-聚合物层上的散射是向所有方向发散的，因此在特定角度下强度是很弱的，由于这样的散射光强度不以足以到达黑板320而被观察到，因此该实验成功地排除了散射光的影响。但是，此结果包括一些假设。为了清楚地解释观察结果，椭圆形中心点340被示为具有两个点：即点340A和点340B，实际上，当调光面板200处于透明状态时，它由点340A和340B形成。斑点340A和斑点340B来自如图3所示的两个与ITO相关的界面，但是，由于ITO 120的厚度仅为十几纳米，所以它形成了人眼看起来的一个斑点。为了证明反射点330来自远离黑板的玻璃(背面玻璃表面)，可以在背面的激光区域上贴上黑胶带，这样就去除了背面玻璃反射，反射点330就消失了。因此，如果用上黑色胶带，则黑板上就只显示两个斑点，即中间一个椭圆形斑点，底部一个圆形斑点，这是因为黑色胶带与玻璃形成了新界面，从而阻止了该表面的反射。在散射或不透明状态下，顶部斑点330和椭圆形斑点或斑点340A的一半消失，椭圆形斑点340变为圆形斑点340B，因为仅右侧的一个与ITO相关的界面反射了激光束。因此，黑板上有两个斑点，即一个圆形斑点340B和一个底部斑点350，因为入射光不能直接穿过LC-聚合物层110，这意味着在这些条件下，位于LC-聚合物层110左侧的反射层不贡献反射光。通过考虑与层厚度和点之间的距离以及面板200和黑板320之间的距离有关的数据，可以获得更多信息。实验结果总结在表1中。
Figure BDA0002753097060000131
表1。
必须指出的是，实际观察到的光斑340与图示的不一样，也就是说，在340A和340B之间图示有很大的间隔。实际上340A和340B斑点非常接近，因为LC-聚合物层的实际厚度约为20微米，而ITO的厚度约为15纳米，因此，在面板调光时，由于可观察到的反射强度改变，造成反射斑点形状仅略有变化。
这个精心设计的实验不仅使用相对较长的透射距离成功地将反射光与散射光分离，而且在不同条件下使用不同的反射点来确认实际的反射面。这些反射点的数量，点之间的距离和点的形状以及点的亮度的观察结果，可用于理解和定位具有已知光学器件的反射界面。该实验证实了ITO层是反射性较强的界面，并且首次从实验结果和光学分析两个方面解释了(长期困惑的)为什么处于透明状态的LCMD器件具有比普通玻璃更强的反射光，当然，还提供了避免反射的具体方法。在此之前，并没有成功减少或消除反射，而不带有负面影响的解决方案。(注意：上面已经提到，该实验首次回答了在实验结果和光学分析方面，为什么处于透明状态的LCMD器件具有比普通玻璃更强的反射的原因)
反射是由斯耐尔(Snell)定律和物质的折射率确定的。Δn大于零的界面会产生菲涅耳(Fresnel)反射。Δn的值越大，菲涅耳反射就越强。层之间的折射率不匹配将导致菲涅耳反射，而且每个界面都造成透射率损失。因此，折射率匹配的结构将使菲涅耳反射最小化。
参考图2和图3，让我们来看看调光玻璃200所有的层，玻璃/热熔胶层/薄膜/ITO/LC-聚合物基质/ITO/薄膜/热熔胶层//玻璃，以及它们的折射率。表2展示了夹胶液晶调光玻璃，即具有玻璃/PVB/PET/ITO/LC-聚合物/ITO/PVB/玻璃层结构的折射率。由于夹胶液晶调光面板200是对称的，因此如果调光LCMD膜处于不透明状态，则入射激光不能穿过LC-聚合物层，因此，仅需列出夹胶液晶调光玻璃200的一半结构就可以说明问题了。
为了使用实际数据，透明塑料薄膜为PET，热熔胶层为PVB。
Figure BDA0002753097060000151
表2
图4显示了ITO涂层的折射率随波长的变化而变化，在波长为530nm的绿色激光下，ITO的折射率为1.90。
由于ITO的折射率在可见波长范围内是可变的，因此选择具有530nm波长的绿色激光器可能接近550nm处的日光或黄光的平均值。由于反射取决于界面处的不同折射率之差Δn。表3列出了不同界面的Δn。
Figure BDA0002753097060000152
表3
如表3和激光实验所示，有三个界面具有较大的Δn，那里可以产生强反射，具体而言，它们是玻璃/空气和PET/ITO和ITO/LC-聚合物界面。实验中观察到的其它Δn小的界面不会产生明显的反射，而且人眼也无法感觉到。这就是为什么使用黑板检查反射点的原因。如果使用白纸或白板，则在完全黑暗的环境中也会看到极弱反射点。但是，这些点在明亮的情况下是不可察觉的，因此，这些弱反射点对分析并没有什么帮助。由于ITO层的厚度只有十几纳米，因此PET/ITO和ITO/LC-Polymer的两个界面实际上仅形成一个反射点，因为它们非常接近。由此，我们知道两个侧面反射点是由玻璃/空气界面产生的，而中央反射点是来自PET/ITO和ITO/LC-Polymer的界面。
图3展示了具有强反射的光路方式。如图3所示，理论上Δn大的六个界面在理论上可以产生强反射。用六个平行箭头指示的这些反射在LCMD装置处于透明状态时会降低所观测装置的清晰度，而在LCMD装置处于不透明状态时造成投影模糊。需要对ITO层进行处理，以消除或减少ITO相关界面的反射。
参照图5，为了减少来自夹胶液晶调光玻璃200的强反射，需要减小这些界面处较大的Δn。可以使用两种技术来解决反射问题，即使用抗反射玻璃，即涂有抗反射涂层520的玻璃来减少来自空气-玻璃界面的反射，使用折射率匹配的ITO，即IMITO 510来减少来自PET/ITO界面和ITO/LC-聚合物界面的反射。
抗反射玻璃是可商购的，并且其抗反射的光学机理是众所周知的。由于玻璃/PVB界面或玻璃/热熔胶层界面的Δn已经非常小(Δn＝0.035)，因此抗反射玻璃仅需用在一侧或外侧涂抗反射涂层即可，这样可降低成本。如以上所述，有色玻璃也能减少反射，但有色玻璃同时也改变了所显示的影像的颜色。令人惊讶的是，抗反射涂层对色谱没有影响，从而能产生清晰的图像。本领域技术人员将能理解的，本解决方案消除了长期以来的困惑，即在调光面板装置中，在散射光和LCMD装置的复杂结构中，找出哪里是贡献反射光的主要因素。如上所述，该测试将散射光和反射光完全分离后再进行分析，这是传统手段对混合光无能为力的原因。此外，如上所述，该测试已确定来自ITO的反射点实际上来自两个反射界面。出乎意料的是，在此测试中，LCMD装置的复杂结构并未混淆结果，而是帮助找到了答案。这是因为利用了调光功能，如果没有调光功能反而很难确定正常的ITO反射是由两处反射形成的，也就很难解释为什么LCMD的反射如此强烈。高反射强度是因为它结合了来自两个反射界面的反射光。
折射率匹配的ITO膜或IMITO 510是市场上的新产品。它只是在一些大型溅射公司(例如西道公司)那里可购得。IMITO膜的透射率可以从约78％提高到94％。
通过使用这两个改进的部件，即抗反射玻璃和IMITO膜，可以完全去除了强反射，夹胶调光玻璃的光学品质得到了极大的改善，如图5所示，经过抗反射处理后，在前面提到的类似条件下进行的激光测试，在液晶调光面板上没有亮点，也看不到明显的反射斑点了。
装置500或夹胶液晶调光玻璃可以是任何硅基玻璃，例如退火玻璃，超白玻璃或钢化玻璃，或者是基于聚合物的玻璃，例如丙烯酸酯和聚碳酸酯面板。薄膜可以是有机聚合物膜，例如PET膜或聚碳酸酯膜。
悬浮粒子装置(SPD)，电致变色和热致变色材料具有与调光窗或节能天窗相似的结构和应用，并且具有同样的不想要的反射光问题。正如此处所讨论的，这种方法也将解决这些装置上的反射光问题。
类似地，这些技术方法可以用于改善图6中所示的传统调光投影面板600的光学质量，该图以截面图展示。存在10个大Δn的界面可能会产生强反射。这些强反射用10个平行箭头表示。通过在任何或所有固体-空气界面上做抗反射涂层处理，并用IM ITO 510代替常规的ITO 120，可以大大提高装置光学品质。装置600包括处于两层玻璃230之间的LCMD膜100。密封件620分布于玻璃230和LCMD膜100的周边。密封件620将空气层610保留在LCMD膜100和玻璃230之间。因此，玻璃230和空气层610之间的界面260以及透明塑料膜130与空气层610之间的界面160是大Δn的强反射固体-空气界面。
图7是改进后的调光投影面板700的截面图，其中所有固体-空气界面都涂有抗反射涂层520，常规的ITO层120被IM ITO 510代替。玻璃260与空气层510的界面和透明塑料膜130和空气层510之间的界面160涂覆有抗反射涂层520。如图7所示，当入射光穿过这样的面板时，在光路上没有遇到具有大Δn的界面，因此，可以消除或减少强反射，这意味着观看者将获得清晰的透视视野。当LCMD膜处于透明模式时，透过率也增加。当LCMD膜处于不透明模式并接收投影图像时，投影图像不再受到明显反射光的干扰。
总之，本公开内容引入了两种方法来消除或减少来自调光装置的反射，即使用IMITO代替常规的ITO，并在玻璃/空气界面或薄膜/空气界面添加抗反射涂层。图7中包含的玻璃层可提供刚性并防止划痕。对于不需要刮擦保护的用途，可以省去其中一层玻璃。
悬浮颗粒器件(SPD)，电致变色或热致变色材料具有类似的应用，其调光窗同样有不希望的反射光干扰问题。如本文所讨论的方法学也将解决这些装置上的反射光问题。利用上述基本层结构，不同的光学活性层决定了调光面板的类型。光学活性层可以选自LCMD材料，SPD材料，电致变色材料或热致变色材料。
调光膜可具有以下层结构：透明膜/ITO透明电极/光学活性层/ITO透明电极/透明膜。在调光膜的结构中，存在两个膜/空气界面即两层透明膜的外表面。有两种方法可以消除或减少调光膜上的反射，即使用IMITO透明电极替换普通ITO透明电极，并用抗反射涂层涂敷膜/空气界面。每种方法都具有减少反射光的效果，两种方法的组合效果更好，但是成本不同。这些方法和方法的组合可以在不同的应用中选择。
调光面板可以具有两个结构，即夹胶调光面板和调光投影面板。在调光投影面板的结构中，有两种类型的固体/空气界面，即薄膜/空气界面和玻璃/空气界面。在夹胶调光面板的结构中，仅存在一种类型的固/气界面，即玻璃/空气界面，因为夹胶后将原来的膜/空气界面替换为固/固界面，即膜/热熔胶层界面。有两种消除或减少反射光的方法，包括用IMITO透明电极代替ITO透明电极和用抗反射涂层涂覆固体/空气界面。每种方法都具有减少反射的效果，两种方法的组合效果更好，但是成本不同。这些方法和方法的组合可以在不同的应用中选择。固体可以是膜或玻璃。固体/空气界面可以是膜/空气界面和玻璃/空气界面。

Claims (13)

1.一种具有减小的反射的调光面板装置，包括：
第一层，包括光学活性层，该光学活性层选自以下组成的组：液晶微滴(LCMD)材料，悬浮粒子装置(SPD)材料，电致变色材料和热致变色材料，所述光学活性层可响应于所施加的电压的变化而改变透射率；
第二层，其中，所述第二层是透明的；
第三层，所述第三层置于所述第一层和所述第二层之间，其中，所述第三层包括折射率匹配的氧化铟锡(IMITO)透明电极；和
第四层，其中，所述第四层是透明的，并且包含至少一个固体/空气界面。
2.根据权利要求1所述的调光面板装置，其中，所述调光面板装置还包括第五层，所述第五层是透明的，并且与所述第二层和所述第四层接触，所述第五层选自以下组成的组：聚乙烯醇缩丁醛(PVB)；乙烯醋酸乙烯酯(EVA)；热塑性聚氨酯(TPU)；以及由液态树脂形成的聚合物。
3.根据权利要求1所述的调光面板装置，其中，所述外表面用抗反射涂层处理。
4.根据权利要求1所述的调光面板装置，其中，所述第四层通过空间间隙与所述第一层间隔开，并与所述第一层相关联。
5.根据权利要求4所述的调光面板装置，其中，所述第二层还包括固体/空气界面，并且所述固体/空气界面做了抗反射涂层处理。
6.一种制造或使用具有减小的反射的调光面板装置的方法，所述方法包括：
安装调光面板装置，所述调光面板装置包括：
第一层，其包括选自以下组成的组的光学活性层：液晶微滴装置(LCMD)；悬浮粒子装置(SPD)；电致变色材料；以及一种热致变色材料，所述光学活性层可响应所施加电压的变化而改变透射率；和
第二层，包括透明膜层；和
第三层，位于所述第一层和所述第二层之间，其中所述第三层包括折射率匹配的氧化铟锡(IMITO)透明电极；和
第四层，其中所述第四层是透明的，并且具有至少一个外表面，所述外表面是固体/空气界面。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述调光面板装置还包括第五层，所述第五层是透明的并且与所述第二层和所述第四层接触，所述第五层选自以下组成的组：聚乙烯基缩丁醛(PVB)；乙烯醋酸乙烯酯(EVA)；热塑性聚氨酯(TPU)，以及由液态树脂形成的聚合物。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述外表面涂覆有抗反射涂层。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第四层通过空间间隙与所述第一层间隔开，并且与所述第一层相关联，所述第二层包括膜/空气界面，所述膜/空气界面涂覆有抗反射涂层。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述调光面板装置被布置为：
第一层包括光学活性层；
第二层包括透明膜；和
第三层包括透明电极，所述透明电极被置于第一层和第二层之间接触，所述第三层的折射率与第二层的折射率匹配或接近；和
第四层包括透明玻璃。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述调光面板还包括至少一个膜层和至少一个玻璃层以及至少一个热熔胶层，其中，所述热熔胶层被放置在具有膜/界面的所述膜层与具有热熔胶层/玻璃界面的所述玻璃之间接触。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述外表面涂覆有抗反射涂层。
13.一种具有减小的反射的调光膜装置，包括：
第一层，其中所述第一层包括选自由以下组成的组的光学活性层：液晶微滴器件(LCMD)材料；和悬浮粒子装置(SPD)材料；电致变色材料；一种热致变色材料，所述光学活性层可响应于施加的电压的变化而改变透射率；和
第二层，其中所述第二层是透明膜并且具有至少一个膜/空气界面，其中所述膜/空气界面涂覆有抗反射涂层；和
第三层，其中所述第三层包括位于所述第一层和所述第二层之间的折射率匹配的氧化铟锡(IMITO)透明电极。
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