CN1200661A - 液晶快门和包括这样一个快门的光屏蔽装置 - Google Patents

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Abstract

一个液晶快门结构,适用于玻璃护屏或自动变黑的黑玻璃滤波器,响应一个电控制信号,该结构在具有光的高透过的第一个状态和具有光的低透过的第二个状态之间是可转换的,并且反过来也一样;该结构具有在透明的板之间布置的一个向列型液晶单元,该板具有电极用于响应控制信号提供一个电场。该板具有相互面对的表面,每个表面被提供对准装置用于在缺少所述电场的情况下对所述对准装置附近的分子定义一个相应的分子对准方向。液晶单元安装在偏振器之间并且包括一个带通滤波器。液晶单元和带通滤波器是匹配的使得在一定波长范围带通滤波器的透过特性的波长依赖性大致上与在缺少电场的情况下液晶单元的透过特性的波长依赖性互补。

Description

液晶快门和包括这样一个快门的光屏蔽装置
本发明涉及液晶快门和具有可变化透过密度的电光眼保护装置，尤其涉及一个液晶快门结构，适用于玻璃护屏或自动变黑的黑玻璃滤波器，响应一个电控制信号，该结构在具有光的高透过的第一个状态和具有光的低透过的第二个状态之间是可转换的，并且反过来也一样；该结构具有在透明的板之间布置的一个向列型液晶单元，该板具有电极用于响应控制信号提供一个电场。
在有关经过一个孔径光的透射比的各种应用中液晶快门是有用的，其中应该可能在一个透明的或亮的低光吸收状态和一个黑的高光吸收状态之间转换快门。通过组合偏振滤波器和借助于电感应可对准的液晶分子的层或单元，响应在电感应中的变化使得液晶快门结构的光透射比是可变化的。
在这里的上下文中目前工艺水平的液晶单元包括夹在两个玻璃板之间的液晶分子，这些板具有相互面对的表面，其中每一个被提供对准装置(means)用于在缺少电场的情况下对所述对准装置附近的分子定义一个相应的分子对准方向。对准装置可以包括一个具有一个物理表面形状的板表面部分，该物理表面形状在缺少电场的情况下与液晶分子的形状相配合。这可以通过在相同方向上处理玻璃板表面完成，使得在这样一个表面附近的液晶分子趋于与处理方向平行地对准。例如表面可以开槽。通过扭绞玻璃板使得处理方向是不平行的，液晶分子的螺旋结构在玻璃板之间形成。例如，标准的90°曲折向列线(TN)单元包括两个相互面对的表面，这两个表面在玻璃板的分子对准方向之间形成一个90°的扭绞角。在共同未决但还没有发表的专利申请SE 9401423-0和相应的PCT/SE95/00455中已经描述了较小的扭绞角。被使用的液晶类型的分子具有一个固有的介质各向异性并且因此当具有比一个单元特定的门限值高的电压的一个电场的作用时能够基本上被对准。在单元中的螺旋结构随后被分解并且根据电场晶体分子被定向取代。当放置在偏振器之间时，这样一个单元组件的透过密度能够通过改变作用的电场来控制。用这样一个液晶单元放置在交叉的偏振器之间，单元结构在缺少任何激励电压的情况下具有一个高透射比并且被认为具有一个正常的白模式。相反，在平行的偏振器之间放置该单元导致了在缺少激励电压的情况下一个具有低透射比的单元结构并且被认为具有一个正常的黑模式。一个具有高透射比的装置意味着光可以通过该装置而仅有很少光强度的降低。一个高透射比也可以被称为一个低光密度或者一个低色调数。相反地，一个具有低透射比的装置可以被描述为具有一个高光密度和一个高色调数。
光密度一般地定义为
                  D＝1+7/3X10log(1/T)
其中T是透过系数。
特别是当上述目前工艺水平的快门的种类作为例如眼保护装置，如一个自动变黑的黑玻璃护屏，其中黑玻璃根据检测的黑光被激活和变黑的一个光滤波器应用时，由于安全的原因重要的是保证获得从亮状态到黑状态可能的最快的响应时间。
基本上，在液晶单元的工作中包括两个转换时间。第一个转换时间包括当驱动电压作用时转换单元从非激活状态到激活状态并且一般地对于晶体反应的时间小于一毫秒。第二个转换时间与相反的过程一起发生，这里当驱动电压去除时晶体松弛发生并且需要大约20倍的较长时间。
因此，对于要求从亮状态到黑状态非常快的转换时间的快门，通常在正常的白模式使用液晶单元。然而，如果驱动电子线路出故障和由于某种原因不能提供激活电压，目前工艺水平的正常的白模式快门具有遗留在潜在危险的亮状态的缺点。根据现有技术，通过在正常的黑模式中使用一个单元能够缓和这个问题，但这是以从亮到黑的保护状态的转换速度为代价的。因此，这不是一个满意的解决方案。如果黑玻璃护屏具有一个从亮状态到黑状态的长的转换时间，使用黑玻璃护屏的人就在黑操作的开始长时间施加高亮度的光。
欧洲标准EN 169：1992“用于黑玻璃和相关的技术的人眼保护滤波器-透射比要求和推荐的使用”规定了在非激活状态和黑的黑状态之间在色调数步距中最大容许差别应该不大于9个色调数。例如，在黑状态达到一个色调数13的黑滤波器，因此在非激活状态不比色调数4更亮。为了在一个黑操作的开始之前提供足够的光强度给用户，有一个公知技术的改进用于自动地变黑黑滤波器，在亮状态中3的范围提供一个色调数。因此取代了这个问题以获得一个满意的色调的黑状态。
本发明的一个目的是解决上述的问题。
本发明也涉及到获得一个液晶快门的问题，该快门在缺少强光的情况下提供一个满意的亮状态，并且在存在强光的状态下还提供满意的黑状态。
由本发明解决的另一个问题并且为本发明的一个目的是在非激活状态获得一个具有一个增加的光密度值(或色调数)的液晶快门。
本发明的另一个目的是提供一个遮光罩装置和一个在非激活状态具有增加的透过密度值(或色调数)的黑玻璃结构用于获得一个改进的安全等级的目的。
另一个目的是提供一个液晶快门，通过它的透射比的等级指示它是否在起作用的状态。
还有一个目的是提供一个液晶快门，它使用在相互交叉的偏振器之间放置的至少一个液晶元件以便从亮状态到黑保护状态保持一个快的转换时间。
另外一个目的是获得提到种类的快门，在它的黑状态具有一个高对称色调的几何形状和在激活的黑状态具有一个大的对比范围。
根据本发明，这些目的可以通过提供给电压可控制液晶单元而获得，该液晶单元放置在角扭绞的偏振器之间并且具有相对于入射光波长变化的透过特性，有一个滤波器在可见的波长范围内具有一种透过特性，该特性在缺少作用在所述单元上的控制电压的情况下与液晶单元的透过特性互补。
这样，根据本发明的一个方面，在非激活状态对于特定的波长范围具有高透射比的一个正常的白模式液晶单元与在所述特定的波长范围减少透射比的带通滤波器组合，使得在所述非激活状态获得一个变黑的状态。另外，带通滤波器被设计为对于一些波长具有高透射比，这些波长由液晶单元在它的激活状态以一个可控制的透射比被发送。因此，提供的本发明的液晶快门结构在非激活状态具有低透射比，在第一激活的亮状态具有高透射比以及在第二激活的黑状态具有低透射比，同时保持从亮到黑状态的快响应时间。换句话说，液晶单元和带通滤波器应该被设计和匹配使得在一定的波长范围依赖带通滤波器的透过特性的波长实质上是与在缺少电场的情况下依赖液晶单元的透过特性的波长互补的。
现在参照它的示范实施例并且也参照附图将更详细地描述本发明，其中：
图1是根据本发明的一个装置的第一个实施例的部件分解示意图。
图2是根据本发明的一个装置的第二个实施例的部件分解示意图。
图3A以实线展示了在缺少控制信号的情况下依赖一个90°曲折向列线液晶单元的透过特性的波长，以及图3A以虚线也展示了依赖带通滤波器的透过特性的波长。
图3B以实线展示了在第一驱动电压的作用下在第一激活状态依赖90°曲折向列线单元的透过特性的波长。
图3C展示了在第二驱动电压的作用下在第二激活状态根据图3A和3B的单元的透过特性。
图4A以实线展示了在缺少控制信号的情况下依赖一个0°曲折向列线单元的透过特性的波长，以及图4A以虚线也展示了依赖带通滤波器的透过特性的波长。
图4B展示了在第一控制电压的作用下依赖根据图4A的单元的波长。
图4C展示了在第二控制电压的作用下依赖单元的透过特性的波长。
图5说明了根据本发明的一个实施例作为施加到一个装置的控制电压的一个函数的对于该装置的光透射比特性。
图6说明了根据本发明包括一个延迟薄膜的装置的第三个实施例。
图7展示了根据本发明包括一个延迟薄膜的一个装置的透过特性和没有任何补偿的延迟薄膜的装置的透过特性。
图8A和8B说明了根据本发明用于不同装置的色调的几何形状。
图9展示了根据本发明的一个实施例用于一个装置的色调的几何形状。
图10说明了作为施加到一个现有技术装置的控制电压的函数的光透射比特性。
图1展示了根据本发明的一个液晶快门结构1的实施例的部件示意图。一个向列型液晶单元2包括具有可连接到电压源并且被提供装置用于定义板表面附近的分子的对准方向的电极的透明板，由此在板之间缺少电场的情况下使得液晶分子方向对准。根据本发明在分子对准方向之间的分子对准中的角度差(也称为扭绞角)可以是例如0°。另一个角度差可以是大致上90°，或者在90°和0°之间的一个值。液晶单元2被布置在具有相互正交的偏振方向的两个偏振器3和4之间。同时提供给结构1一个带通滤波器5，该滤波器位于通过结构1的光束LB的路径上。快门结构可以选择地包括一个具有除去紫外线光和红外线光的功能并且同时限制了波长范围的干扰滤波器6。根据本发明的另一个方面带通滤波器5也截断紫外线光和红外线光。
图2展示了快门结构的另一个实施例，该结构包括一个第一偏振器3，一个第一液晶单元2，其偏振方向是与第一偏振器3的偏振方向成直角的一个第二偏振器4，一个第二液晶单元6，具有如第一偏振器3相同的偏振方向的一个第三偏振器7，以及一个带通滤波器5。
图3A、3B、3C以实线展示了具有各向异性Δn和单元厚度d的乘积Δn*d＝0.80微米的一个90°曲折向列线单元的频谱响应。图3A、3B、3C也以虚线展示了一个带通滤波器的频谱响应。在图3A、3B、3C中的曲线图说明了大致在可见波长范围作为波长的函数绘制的透过速率。在图3A中，实线画出的曲线展示了放置在分别以相对于进入分子方向矢量成45°和135°对准的交叉的偏振器之间的在电非激活时期具有0.78微米的Δn*d值的一个90°曲折向列线单元的频谱响应。在这个非激活时期该单元在400nm的范围中具有一个透过最大值以及在550nm的范围中有一个透过最小值。虚线曲线展示了带通滤波器的频谱响应，该滤波器具有一个可见频谱，即在500到600nm的波长范围中的中心部分的高光透射比。当组合这样一个液晶单元和具有这个特性的一个带通滤波器时，在500到600nm范围上的液晶单元的低透射比与在350到500nm的范围中以及620nm和620nm以上的带通滤波器的低透射比一起导致获得了一个全面的黑状态。
图3B如图3A一样展示了在第一个激活状态当2.5伏范围的一个小驱动电压施加到液晶单元时相同的液晶单元和相同的带通滤波器的频谱响应，。从曲线图中很清楚液晶单元和带通滤波器的透过最大值同时发生在500到600nm的可见波长范围。这样，在这个第一激活状态组合的系统是在一个透明的、高透射比的模式。
图3C再次展示了图3A和图3B的系统部件的频谱响应，现在是施加的电压在5伏的范围的第二电激活状态。由于提供这个较高的电压，液晶单元的透射比在可见波长范围的中心部分再次减少。事实上通过从大约2伏和2伏以上改变电压直到液晶单元达到透射比最小值在可见波长范围可以控制透射比。这样一种组合结构的液晶单元部件以一种类似于正常白模式的方式操作并且因此根据本发明用于装置的转换时间是有益的短。在板之间缺少电场的情况下组合具有一个在单元恢复到黑的静止状态的装置的优点以获得这个好处。结合图5将进一步详细地描述这一点。
图4A展示了一个0°曲折向列线单元和一个带通滤波器的频谱响应。实线画出的曲线展示了放置在分别以相对于进入分子方向矢量成45°和135°定向的交叉偏振器之间的在非激活时期具有0.55微米的Δn*d值的一个0°双折射单元的光学响应。虚线曲线展示了被选择具有在可见频谱，即在500到600nm的范围的中心部分上一个高光透射比的带通滤波器的频谱响应。由图4A能够看出在可见波长区域的中心部分500到600nm中液晶单元的透过最小值与带通滤波器的透过最大值同时发生。这样，当根据本发明组合这个液晶单元和带通滤波器时，获得一个低透过状态。当在单元上的电压是零时，也就是在液晶单元的板之间缺少电场的情况时。
图4B展示了施加的电压在2伏和3伏之间的相同的液晶单元和带通滤波器的频谱响应，并且如上面已经解释的随后获得一个透明的状态。
图4C展示了具有提供5伏电压的第二激活状态。第二激活状态是如上面已经解释的获得的黑状态。
计算表明主要有两种单元类型来表示这种现象。第一种是放置在分别以相对于进入分子对准引向器成45°和135°对准的交叉的偏振器之间的在0.80微米的范围具有一个Δn*d值的一个90°曲折向列线单元。另一种单元类型是还具有分别以相对于进入分子对准方向成45°和135°定向的偏振器在0.55微米的范围具有一个Δn*d值的一个0°(未扭绞)双折射单元。
根据本发明的一个遮光罩装置包括一个传感器用于响应一个检测的光的强度提供一个传感器信号。传感器信号提供到一个包括一个信号发生器的控制器。设立该信号发生器以响应传感器信号产生一个控制信号。
根据本发明的一个液晶结构包括一个液晶单元，该单元具有提供有电极的两个表面用于在这些表面之间提供一个电场。通过施加控制信号到电极产生电场。当控制信号施加到电极时，一定的控制信号电压将在电极之间在液晶单元中产生一个相应的电场。
图5展示了相对于施加的电压所绘制的组合透过密度或色调数的一个液晶单元的电光特性的曲线。图5的曲线展示了一个8微米90°曲折向列线单元的电光特性，用于这个例子的目的，给出一个大约0.78微米的Δn*d值的Merck mlc 6096液晶。一个单元放置在分别以相对于进入分子引向器矢量成45°和135°对准的交叉偏振器之间并且与在500和600nm的范围可见频谱的中心部分上具有一个高光透射比的带通滤波器放在一起。在非激活时期，在缺少控制信号电压的情况下，光密度值恰恰在5.5以上。当施加一个大约2伏的电压时在第一个激活状态光密度值减少到大约3.3，该状态比在非激活状态使它变得更加的透明。由于施加的电压在2伏以上高到10伏的范围光密度值在第一个激活状态获得的最小值和高到大约11的一个值之间的范围中是可变的。
尽管一个在7.81微米的范围有Δn*d的90°曲折向列线单元在平行表面法线的方向上具有良好的电光特性，这种单元组合的光的角度特性在要求一个宽的视野的应用中可能有些不够用。将两个这样的单元布置在一起，使得面对面的分子对准方向大致上是垂直的，根据本发明提供了另一个优点。这种布置产生了一定的单元补偿的角度并且可以获得足够的视野。在图2中描述了本发明的这样一个实施例并且例如应用在一个自动地变黑黑玻璃滤波器中。
由于一个低扭绞角和一个降低的Δn*d参数，可以发现在0.5微米的范围具有Δn*d的0°双折射单元的有益的光角度特性是很有利的并且显然的适用于一个单个的单元和一个双单元液晶快门结构。这种有益的特性提供一个宽的和对称的视野。然而，当驱动甚至在10伏范围的电压时由于在0°单元存在大的剩余光延迟，来自这样一个装置的可得到的单元对比度与一个90°曲折向列线液晶单元的对比度相比是小的。根据本发明的一个实施例，借助于一个附加的补偿延迟薄膜改进了单元的对比度。在0°双折射单元实施例中一个大约20到50nm的小延迟值是合适的。为了使补偿效果达到最大，最好对准延迟薄膜使得固定轴的方向垂直于进入和退出分子方向的矢量。用于0°双折射单元的补偿延迟层可以例如是一个具有25到30nm之间的一个值的单个的、单轴伸展的延迟薄膜的形式。在另一个实施例中，补偿延迟层可以借助于被对准的延迟薄膜实现使得由这两个薄膜产生的净的总延迟由在薄膜片的两个值之间的差给出。由于例如在快门结构中应用的一个27nm补偿延迟薄膜，单元组合的最优Δn*d值从0.55微米增加到0.77微米。
图6大体上根据本发明展示了一个延迟薄膜10的预备的位置。在图6中延迟薄膜10定位在偏振滤波器3和4之间的液晶单元2的一侧。另一种情况延迟薄膜可以被包括在分子对准引向板之间的液晶单元2内。
图7展示了一个包括一个4微米的0°双折射单元的液晶结构的电光特性。在这种情况下包括给出一个大约0.52微米的Δn*d值的Merck ZLI-4246液晶的双折射单元放置在相对于进入分子引向器矢量成45°和135°对准的交叉的偏振器之间。与上面的实施例相一致，该单元与一个带通滤波器放置在一起，这个带通滤波器在可见频谱的中心部分上，也就是在500到600nm的范围具有一个高光透射比。曲线20展示了没有任何补偿延迟薄膜的单元组合的光学响应，而曲线22展示了一个包括一个定向的26nm的补偿延迟薄膜的单元组合使得固定的轴垂直于进入分子引向器。在这个图中可以清楚地看出在具有补偿延迟薄膜的单元对比度中的改进。
图8A、8B和图9大体上展示了用于上述单元组合的在中心观察圆锥中的色调几何形状。更准确地说，图8A展示了一个90°曲折向列线的单个单元的色调几何形状A，并且很清楚色调几何形状在相当大的程度上是不对称的，尽管单元对比度仍然是高的。图8B展示了安装了不对称的偏振器的两个90°曲折向列线单元的组合的色调几何形状A和B。来自每个单元的色调几何形状仍然是不对称的，但在组合中获得具有高对比度的一个合成的对称的色调几何形状。相反，借助于一个0°低扭绞单个单元获得一个很大程度上对称的色调几何形状，如图9所示，并且与一个延迟薄膜组合获得具有一个高对比度的一个基本上对称的色调几何形状。

Claims (11)

1.一个液晶快门结构，适用于玻璃护屏或自动变黑的黑玻璃滤波器，响应一个电控制信号，该结构在具有光的高透过的第一个状态和具有光的低透过的第二个状态之间是可转换的，并且反过来也一样；该结构具有在透明的板之间布置的一个向列型液晶单元，该板具有电极用于响应控制信号提供一个电场；所述板具有相互面对的表面，每个表面被提供对准装置用于在缺少所述电场的情况下对所述对准装置附近的分子定义一个相应的分子对准方向；并且所述液晶单元安装在偏振器之间，其特征在于所述液晶快门结构包括一个带通滤波器，所述液晶单元和所述带通滤波器被设计使得在一定的波长范围带通滤波器的透过特性的波长依赖性实际上与在缺少电场的情况下液晶单元的透过特性的波长依赖性互补。
2.如权利要求1所述的一个快门结构，其特征在于，所述带通滤波器在第一个波长范围具有一个透过的最大值；并且选择液晶单元的厚度使得它在缺少一个电场的情况下在第二波长范围具有一个透过的最小值，所述第二波长范围大致上相应于所述第一个波长范围。
3.如权利要求1或2所述的一个快门结构，其特征在于，两个相互面对的表面在分子对准方向之间提供一个角度差，所述角度差是90°；并且在光各向异性和单元的厚度之间的乘积大致上是0.8微米。
4.如权利要求1或2所述的一个快门结构，其特征在于两个相互面对的表面提供平行的分子对准方向，并且在光各向异性和单元的厚度之间的乘积大致上是0.55微米。
5.如权利要求4所述的一个快门结构，其特征在于一个延迟薄膜布置在偏振器之间。
6.如权利要求5所述的一个快门结构，其特征在于延迟薄膜布置在液晶单元的透明板之间。
7.如前面任何权利要求所述的一个快门结构，其特征在于所述偏振器具有大致上正交的偏振方向。
8.如前面任何权利要求所述的一个快门结构，其特征在于该结构包括另一个被布置在所述偏振器中的一个和另外一个偏振器之间的向列型液晶单元，所述一个偏振器和所述另外一个偏振器具有大致上正交的偏振方向。
9.如前面任何权利要求所述的一个快门结构，其特征在于所述一定的波长范围是可见波长范围，即基本上在500nm和600nm之间的中心部分。
10.一个光屏蔽装置，包括如前面权利要求中任何一个所述的一个快门结构。
11.如权利要求10所述的一个光屏蔽装置，其特征在于，它包括传感器装置，用于响应光的强度提供一个传感器信号；以及一个信号发生器用于响应所述传感器信号产生所述电控制信号。
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