DE112021003590T5

DE112021003590T5 - Abgestufte elektro-optische vorrichtung und verfahren

Info

Publication number: DE112021003590T5
Application number: DE112021003590.8T
Authority: DE
Inventors: Bahman Taheri; Pedro Coutino Soto
Original assignee: Alphamicron Inc
Current assignee: Alphamicron Inc
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2023-04-20
Also published as: WO2022047371A1; US20230314883A1; CN116547593A; GB202300728D0; GB2613267A; KR20230056673A; JP2023539186A

Abstract

Es wird eine optische Vorrichtung mit einer oder mehreren räumlich variablen optischen Ansprechcharakteristiken offenbart. Die optische Vorrichtung enthält eine Zelle, die ein Flüssigkristallmaterial enthält, das zwischen einem Paar von Substraten enthalten ist, wobei jedes Substrat eine darauf vorgesehene transparente leitfähige Schicht aufweist. Eine Elektrodenverbindung kontaktiert jede transparente leitende Schicht. Eine Ansteuersignalquelle steht in elektrischer Verbindung mit jeder Elektrodenverbindung zum Anlegen eines Ansteuersignals an die Zelle. Ein von der Ansteuersignalquelle an die Elektrodenverbindungen angelegtes Ansteuersignal erzeugt einen Spannungsgradienten in einer Gradientenrichtung entlang dem Paar transparenter leitfähiger Schichten, die von den Elektrodenverbindungen wegführen. Der Spannungsgradient wird von dem Flüssigkristallmaterial empfangen, um einen Gradienten in mindestens einer optischen Antwortcharakteristik über mindestens einen Teil der Vorrichtung zu erzeugen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 63/072,361 mit dem Titel GRADUATED ELECTRO-OPTIC DEVICE AND METHOD, eingereicht am 31. August 2020, und alle anderen Vorteile davon, deren gesamte Offenbarung hierin durch Bezugnahme vollständig aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Vorrichtungen.
STAND DER TECHNIK
Herkömmliche optische Vorrichtungen wie Brillen, Linsen, Kamerafilter und Verglasungen haben typischerweise feste optische Eigenschaften wie Tönung, Reflexion oder Brennweite. Dies führt zu einer beeinträchtigten Benutzererfahrung durch eine suboptimale Leistung in bestimmten Anwendungen. In einigen alltäglichen Beispielen ist die Qualität und Vielseitigkeit der optischen Vorrichtung nicht so anspruchsvoll. In anderen Umgebungen, zum Beispiel bei Filmaufnahmen, wo eine professionelle und optimale Beleuchtung erforderlich ist, sind die optischen Eigenschaften einer Kamera entscheidend. Daher besteht bei diesen Anwendungen ein übliches Verfahren darin, die optische Vorrichtung in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen zu wechseln. Dies schränkt die Vielseitigkeit einer optischen Vorrichtung stark ein. Außerdem gibt es viele Fälle, in denen es nicht möglich ist, die optische Vorrichtung physikalisch zu wechseln. Um dies zu überwinden, werden abgestufte Vorrichtungen verwendet. Dies sind optische Vorrichtungen, bei denen die optische Leistung je nach verwendeter Position variiert. Gängige Beispiele hierfür sind abgestufte Tönung in Sonnenbrillen, multifokale Korrektionsgläser, Sonneneinstufung in der Autowindschutzscheibe und abgestufte Kamerafilter. Beispielsweise wird während einer Filmaufnahme, bei der das natürliche Sonnenlicht die Helligkeit des Bildes sättigt, ein Filter mit abgestufter Tönung verwendet, wobei die Tönung oben am dunkelsten ist, wo das meiste Sonnenlicht in die Kameralinse eintritt (1A). Da diese Filter nicht bedarfsgerecht einstellbar sind, müssen sie bei wechselnden Sonnenverhältnissen gewechselt werden. Somit besteht auch für diese Systeme ein Bedarf an mehreren Filtern mit „breiterem“ oder „schmalerem“ (räumlich variablem) Tönungsbereich für unterschiedliche Lichtverhältnisse.
Um die Herausforderungen mit herkömmlichen optischen Vorrichtungenn zu überwinden, sind anpassungsfähige optische Vorrichtungen erwünscht, die ihre optischen Reaktionen entsprechend den Bedingungen der Umgebung und/oder den Bedürfnissen des Benutzers anpassen können. Dabei kann beispielsweise die Tönung einer optischen Vorrichtung in Abhängigkeit von den Lichtverhältnissen der Umgebung verändert werden. Alternativ kann die Brennweite (einstellbarer Brechungsindex) einer Linse einstellbar sein. Dies wurde unter Verwendung von elektrooptischen Materialien wie Flüssigkristallen (LCs) demonstriert. Beispielsweise wird einem transparenten Leiter wie ITO ein elektrisches Signal zugeführt. Dies verändert die optischen Eigenschaften des elektrooptischen Materials und damit der Vorrichtung. Um eine „Gradienten“-Pixelbildung oder eine andere Elektrodenstrukturierung zu erreichen, war erforderlich. In diesem Fall wird das elektrische Signal an bestimmte Pixel angelegt, ähnlich wie bei herkömmlichen LCDs. Um eine Vorrichtung mit einer räumlich „abgestuften“ Änderung der optischen Eigenschaften herzustellen, sind daher mehrere Bereiche mit jeweils unterschiedlichen optischen Eigenschaften erforderlich. Dies wiederum bedeutet eine komplexe Pixelierung des transparenten Leiters, mehrere Elektrodenkontakte und ausgeklügelte Ansteuerung. Auch unter diesen Bedingungen wird nur eine „stufenweise“ Veränderung erreicht. Dieser Ansatz ist für bestimmte Anwendungen, z.B. zum Fotografieren oder Filmen, nicht geeignet. Der „stufenweise“ Filter erzeugt eine optische Grenzfläche zwischen zwei benachbarten Bereichen, was zu parasitären Änderungen in der Brechung oder Intensität des einfallenden Lichts führt. Diese Änderung wird oft vom Kamerasensor aufgezeichnet und wird typischerweise als unerwünscht angesehen. Um dies zu veranschaulichen, zeigt 1A ein Beispiel des Standes der Technik eines Kamerafilters mit sanfter allmählicher fester Tönung, wobei der Tönungsübergang allmählich, aber fest ist. 1B zeigt eine LC-Vorrichtung mit variabler Tönung nach dem Stand der Technik mit verschiedenen Pixeln oder Segmenten mit unterschiedlicher Tönung. Diese Vorrichtung kann unterschiedliche Tönungsstufen erreichen, aber der Tönungsübergang ist schrittweise und abrupt. 1C zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der „stufenweisen“ Lichtdurchlässigkeit T% und dem Abstand D entlang der Seite des Filters (Y-Achse) veranschaulicht.
Eine andere Art einer abgestuften Tönungsvorrichtung ist eine künstliche Iris. Ein Beispiel ist eine Intraokularlinse, die eine Reihe einzeln adressierbarer konzentrischer LCD-Ringe enthält, siehe 2 (aus Smet, Herbert De et al. „Curved Guest-Host LCD used as a dynamic artificial iris.“ (2014) Society for Information Display, Mid-Europe Chapter, Spring Meeting 2014; Abstract Book. S. 22). -22). Diese Ringe können ein- oder ausgeschaltet werden und die Dunkelheit jedes Rings oder jeder Zone kann elektrisch gesteuert werden. In der Figur sind nur die Extremzustände dargestellt (maximale Durchlässigkeit und maximale Absorption). Der Ein-/Aus-Schalter dieser LCD-Ringe erzeugt eine Irisähnliche Funktion, die verwendet werden kann, um Menschen mit Iris-Mangel wie Aniridie oder Leiomyom zu helfen. Ein Nachteil dieser Art von Iris mit mehreren Ringen besteht darin, dass man den getönten Bereich nur schrittweise anpassen kann, aber keinen getönten Bereich mit kontinuierlichem Gradient erzeugen kann, der eine natürliche Iris simuliert.
Durchlässigkeit/Absorption von Licht ist eine Art optischer Reaktion, die angepasst werden kann. Es gibt andere optische Reaktionen, die durch Steuerung des Brechungsindex der Vorrichtung erreicht werden können. Ein gängiges Beispiel hierfür ist eine Linse. Die Brennweite einer optischen Vorrichtung wird typischerweise durch drei verschiedene Faktoren bestimmt: die Krümmung der optischen Vorrichtung (entweder konkav oder konvex), die Dicke der Linse und der Brechungsindex des Materials. Da alle drei physikalische Eigenschaften der Linse selbst sind, ist die Brennweite einer einzelnen Linse nicht einstellbar, sobald die Linse hergestellt ist. Um eine einstellbare Fokussiertiefe zu haben, wird oft ein Satz Linsen mit unterschiedlicher Brennweite benötigt. Oder alternativ wird eine komplexe Bewegung von Linsen mit fester Brennweite verwendet, um den Bildort oder die Schärfentiefe einzustellen. Diese voluminösen Lösungsansätze sind zum Beispiel bei einer bi- oder trifokalen Brille oder bei einer Kameralinse, die eine variable Brennweite erfordert, nicht realisierbar. Um das Erfordernis mehrerer Linsen zu eliminieren und ein Einzellinsensystem mit einstellbarer Brennweite zu schaffen, wurden Vorrichtungen versucht und vorgeschlagen, die einen einstellbaren Brechungsindex erzeugen können. Flüssigkristalle sind aufgrund ihrer hohen Doppelbrechung und ihres geringen Stromverbrauchs ein geeignetes elektrooptisches Material für diese Art von Anwendung. (z.B. US-Veröffentlichung Nr. 2004/0179148A1 , US-Patent Nr. 7,009,757 ; und US-Patent Nr. 10,330,970 ). Vorhandene Beispiele, die LC-Material verwenden, um variable Brechungsindizes zu erzeugen, umfassen typischerweise komplex gemusterte Elektroden und/oder komplexe Ausrichtungsschichten, um unterschiedliche Bereiche der LC-Schicht mit unterschiedlichen angelegten Spannungen zu haben. Siehe z.B. 3 (übernommen aus der US-Veröffentlichung Nr. 2006/164593A1 Adaptive Electro-Active Lens With Variable Focal Length). Zusätzlich dazu, dass kein allmählicher Übergang erreicht wird, erfordern diese gemusterten Verfahren viele komplizierte Herstellungsschritte.
Zusammenfassend schränken die statischen, nicht abstimmbaren oder schrittweisen optischen Eigenschaften (wie Tönung und optische Länge) herkömmlicher optischer Vorrichtungen ihre Verwendung in verschiedenen Situationen ein, und es besteht ein Bedarf an einer besseren optischen Vorrichtung mit abstimmbaren, räumlich einstellbaren optischen Eigenschaften, die den schrittweisen Übergang eliminiert und die Herstellung vereinfacht. Die hierin beschriebenen Erfindungen sind darauf ausgelegt, einige der oben diskutierten Probleme anzugehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Hierin beschrieben ist eine optische Vorrichtung mit räumlich variablen optischen Ansprechcharakteristiken.
Die optische Vorrichtung enthält eine Zelle, die ein Flüssigkristallmaterial enthält, das zwischen einem Paar von Substraten enthalten ist, wobei jedes Substrat eine darauf vorgesehene transparente leitfähige Schicht aufweist. Eine Elektrodenverbindung kontaktiert jede transparente leitende Schicht. Eine Ansteuersignalquelle steht in elektrischer Verbindung mit jeder Elektrodenverbindung zum Anlegen eines Ansteuersignals an die Zelle. Ein von der Ansteuersignalquelle an die Elektrodenverbindungen angelegtes Ansteuersignal erzeugt einen Spannungsgradienten in einer Gradientenrichtung entlang dem Paar transparenter leitfähiger Schichten, die von den Elektrodenverbindungen wegführen. Der Spannungsgradient wird von dem Flüssigkristallmaterial empfangen, um einen Gradienten in mindestens einer optischen Antwortcharakteristik über mindestens einen Teil der Vorrichtung zu erzeugen.
Figurenliste
Für ein vollständiges Verständnis der Aufgaben, Techniken und Strukturen der Erfindung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen werden, wobei:

1(A) ein Beispiel des Standes der Technik einer statischen optischen Vorrichtung mit permanenter, kontinuierlicher Tönung zeigt, die allmählich entlang der Richtung D verblassen; (B) eine variable optische Vorrichtung mit segmentierter variabler Zinke zeigt, (C) ein Diagramm der Beziehung zwischen der Durchlässigkeitsrate T% und dem Abstand D zeigt.
2 ein Beispiel nach dem Stand der Technik einer abstimmbaren Iris (Kontaktlinse) mit schrittweiser Tönungseinstellbarkeit zeigt.
3 ein Beispiel des Standes der Technik einer Vorrichtung mit einstellbaren Brechungsindizes mit gemusterten Elektroden zeigt.
4 ein Beispiel des Standes der Technik einer einstellbaren Tönung oder Iris-Kontaktlinse zeigt, die sich durch Pixelierung (A) oder Segmentierung (B) in einer schrittweisen Tönungsänderung ändert.
5 eine schematische Querschnittsansicht einer Flüssigkristallzelle gemäß einigen Ausführungsformen ist.
6(A1) eine Flüssigkristallzelle (LC-Zelle) gemäß einigen Ausführungsformen ohne ein angelegtes Ansteuersignal; (B1) mit angelegtem Ansteuersignal; (C1) die molekulare Rotation der Flüssigkristallmoleküle zeigt; (A2), (B2) die entsprechende Auftragung der Durchlässigkeit T% gegen den Abstand D zeigen; (C2) die Beziehung zwischen der Ausrichtung des Direktors θ und der angelegten Spannung zeigt.
7 den Einfluss auf die Tönung der Zelle zeigt, wenn das Ansteuersignal seine Frequenz und Spannung gemäß einigen Ausführungsformen variiert.
8 einige mögliche Kombinationen mehrerer LC-Zellen zeigt, die gemäß einigen Ausführungsformen zusammengesetzt sind.
9 eine gestufte Schnittansicht einer kreisförmigen LC-Zelle und ihrer Schichten innerhalb der Zelle gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
10(A) einen radialen Farbgradienten, der zentrisch gemäß einigen Ausführungsformen abklingt; (B) das Diagramm von T% gegen Radius r; (C) Spannung V gegen r zeigt.
11 den Einfluss auf die Tönung der kreisförmigen Zelle zeigt, wenn das Ansteuersignal seine Frequenz und Spannung gemäß einigen Ausführungsformen variiert.
12 eine schematische Zeichnung von (A) einer herkömmlichen doppelt konvexen Linse und (B) einer herkömmlichen doppelt konkaven Linse ist.
13 ein Beispiel einer adaptiven Linse nach dem Stand der Technik zeigt, die gemusterte Elektroden verwendet, um ihre Brechungsindizes einzustellen, was durch die Mehrelektrodenkonfiguration dazu führt, dass jedes Segment eine bestimmte LC-Molekülorientierung hat.
14 die (A) allmähliche Änderung der LC-Molekülorientierung ohne Verwendung mehrerer Elektroden und (B) die Beziehung zwischen dem Brechungsindex n und dem Abstand r zwischen einer Position auf der Linse und der Position der Elektrodenverbindung gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
15 eine Draufsicht auf ein nicht einschränkendes Beispiel einer transparenten leitfähigen Schicht und einer schmalen leitfähigen Leitung ist, die gemäß einigen Ausführungsformen über einem Substrat strukturiert wurden.
16 eine Draufsicht auf ein Beispiel einer LC-Zelle mit verschiedenen Farbgradienten in Reaktion auf variierende Ansteuersignale ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Hierin beschrieben sind optische Flüssigkristall-(LC)-Vorrichtungen mit variablen optischen Ansprechcharakteristiken, die entlang eines Gradienten geändert werden können, ohne mehrere Elektrodenverbindungen zu mehreren Abschnitten oder eine Pixelierung zu verwenden. In der Vorrichtung der Erfindung wird ein variabler Spannungsgradient entlang einer Richtung unter Verwendung der kapazitiven und/oder resistiven Eigenschaften der transparenten leitenden Schicht der LC-Zelle erzielt.
Im Allgemeinen hängt in einer LC-Zelle die Orientierung der LC-Moleküle von der angelegten Spannung ab. Um Bereiche mit räumlich variablen optischen Eigenschaften in einer Vorrichtung unter Verwendung der LC-Molekülorientierung zu erreichen, war es notwendig, die Zelle in jedem Bereich in verschiedene Segmente (oder Pixel) zu pixelieren oder zu segmentieren, und an jedes Segment/Pixel eine andere Spannung anzulegen, um in dem entsprechenden Bereich eine andere LC-Molekülorientierung und damit einen anderen optischen Effekt zu erzielen. (Siehe z.B. 4A und 4B, entnommen aus dem US-Patent Nr. 9,829,720 von De Smet, die mehrere Segmente zeigen, jedes mit seiner eigenen Spannung, um variable optische Eigenschaften zu erzeugen). Alternativ ist es notwendig, den physikalischen Aufbau einer Vorrichtung zu kontrollieren, wie z.B. die räumliche Änderung des Zellabstands/der physikalischen Eigenschaften des Flüssigkristalls, wie z.B. d/p oder Polymergehalt, oder durch räumliches Variieren der Leitfähigkeit/des spezifischen Widerstands der transparenten Leiterschicht. Diese Art von Ansatz ist komplex herzustellen und zu steuern. Außerdem führt die Variation zwischen benachbarten Segmenten oder Pixeln zu einer „stufenweisen“ Variation, die kein glatter Übergang ist, und kann unerwünschte optische Aberrationen wie Beugung, Brechung und sichtbare Linien zwischen den Segmenten erzeugen.
Die Erfinder haben entdeckt, dass die verlustbehaftete Kondensatornatur einer Flüssigkristallzelle, die geringe Leitfähigkeit eines transparenten Leiters wie ITO (größer als oder gleich 1 Ohm/Quadrat) und eine ausreichend hohe Frequenz des angelegten Ansteuersignals verwendet werden können, um einen Spannungsgradienten innerhalb einer Zelle zu erzeugen und die Notwendigkeit einer Pixelierung/Segmentierung oder anderer oben genannter Ansätze zu reduzieren oder zu eliminieren. Durch die richtige Wahl des Materials, der Vorrichtungskonfiguration und der an eine LC-Zelle angelegten Antriebswellenform kann ein räumlicher Gradient in der von dem LC erfahrenen Spannung eingerichtet werden, der wiederum die optische Eigenschaft entlang einer Dimension einer LC-Zelle ändern kann. Das Ansteuersignal wird über eine Elektrodenverbindung an einer Stelle oder einem Bereich angelegt, um einen Spannungsgradienten weg von dem Bereich zu erhalten, was wiederum einen Gradienteneffekt in den optischen Eigenschaften der Zelle erzielt, der von dem Verbindungsbereich herrührt. Die Tiefe des Gradienten wird durch geeignete Steuerung des angelegten Ansteuersignals, der Leitfähigkeit der transparenten Leiter und der Konfiguration des verwendeten LC bestimmt und gesteuert. Dieser Ansatz reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit mehrerer Segmente, von denen jedes seine eigene Elektrodenverbindung und Spannung benötigt, um einen Gradienteneffekt in einer Zelle zu erzielen, verbessert die optische Leistung der Vorrichtung und vereinfacht ihre Herstellung.
Definitionen
„Ansteuersignal“ bezieht sich auf ein elektrisches Signal, das an eine LC-Zelle angelegt wird und verschiedene Eigenschaften aufweist, darunter Spannung (Amplitude, Polarität), Frequenz, Dauer und Wellenform.
„Elektrodenverbindung“ bezieht sich auf den Punkt oder Bereich, wo das Ansteuersignal an eine leitende Schicht der Zelle angelegt wird. In einigen Beispielen ist die Elektrodenverbindung ein Bus, aber sie kann jede Gestalt oder Form annehmen, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
„Richtung des optischen Antwortgradienten“ bezieht sich auf eine Richtung, die mit einem ersten Ende beginnt (typischerweise in der Nähe der Elektrodenverbindungen) und mit einem zweiten Ende endet (typischerweise weg von den Elektrodenverbindungen). Das erste Ende hat typischerweise die signifikanteste optische Reaktion des gesamten Gradienten, und das zweite Ende hat typischerweise die am wenigsten signifikante optische Reaktion des gesamten Gradienten.
„Optische Reaktionscharakteristik“ bezieht sich auf Lichtreflexion, -brechung, - absorption, -streuung oder eine beliebige Kombination davon. Das reflektierte, gebrochene, absorbierte oder gestreute Licht kann sichtbares Licht, UV-Licht oder IR-Licht umfassen.
„Spannungsgradient“ bedeutet eine kontinuierliche, räumliche Zunahme oder Abnahme einer angelegten Spannung entlang einer bestimmten Richtung, beispielsweise entlang der Richtung des optischen Antwortgradienten. In einigen Beispielen bedeutet „kontinuierlich“ nicht verpixelt.
„Absorptionsband“ kann die Spektralwellenlänge definieren, bei der Absorption auftritt.
„Klarer Zustand“ oder „Durchlässigkeit im klaren Zustand“, wie hierin verwendet, kann sich auf den Zustand beziehen, in dem eine Gast-Wirt-Mischung maximale Lichtdurchlässigkeit aufweist.
„Dunkelzustand“ oder „Dunkelzustandsdurchlässigkeit“ kann sich auf den Zustand beziehen, in dem eine Gast-Wirt-Mischung eine minimale Lichtdurchlässigkeit aufweist.
„Dichroitischer (DC) Farbstoff“ ist ein organisches Molekül, das eine stäbchenförmige Form hat und eine einzigartige Anisotropie aufweist, bei der seine Lichtabsorptionseigenschaften parallel (α_ll) und senkrecht (α_⊥) zum Molekül auftreten, was durch das dichroitische Verhältnis DR = α_ll/ α_⊥ gekennzeichnet wird. Jedes Molekül, das ein dichroitisches Verhältnis (DR) aufweist, ist eines, das „Dichroismus“ aufweist.
„Dichroitisches Verhältnis“, „durchschnittliches dichroitisches Verhältnis“ oder D_mix der Mischung (DR = α_⊥/α_ll) bezieht sich auf das dichroitische Verhältnis der Gast-Wirt-Mischung, die einen oder mehrere DC-Farbstoffe enthalten kann. Das dichroitische Mischungsverhältnis kann unter Verwendung der Formel für das effektive dichroitische Verhältnis (D_eff) oder das effektive dichroitische Gesamtverhältnis (D_eff-agg) gemessen werden. Somit werden, wie hierin verwendet, D_mix, D_eff oder D_eff-agg austauschbar verwendet (abhängig davon, welches Verfahren verwendet wird, um das dichroitische Verhältnis zu messen) und beschreiben denselben Parameter.
„Schmalbandabsorption“, wie hierin verwendet, ist definiert als eine spektrale Absorptionsbandbreite mit einer vollen Breite bei halber Max (FWHM), die kleiner oder gleich 175 nm oder alternativ kleiner oder gleich 165 nm, 155 nm, 120 nm oder 80 nm ist, wobei die gesamte spektrale Absorptionsbande im sichtbaren Bereich von 400 - 700 nm gemessen wird.
„Sichtbares Licht“ bezieht sich auf einen Wellenlängenbereich von etwa 400 bis etwa 700 nm.
„Breitbandabsorption“, wie hierin verwendet, kann sich auf eine spektrale Absorptionsbande beziehen, die größer als 175 nm und vorzugsweise größer als 180 nm, 185 nm, 190 nm, 195 nm oder 200 nm ist, wobei das gesamte spektrale Absorptionsband im Bereich der sichtbaren Wellenlängen enthalten ist, von denen typischerweise angenommen wird, dass sie 400 nm bis 700 nm betragen.
„Breitbandvorrichtung“ bezieht sich auf eine Vorrichtung, die in der Lage ist, ein breites Absorptionsband und einen breiten (d.h. > 30 %) Durchlässigkeitshub mit einer Polarisationsempfindlichkeit von weniger als 50 % oder in einigen Beispielen weniger als 40 %, 30 %, 20 %, 15 % oder in einigen Beispielen weniger als 10 % zu erzeugen.
Beschreibung:
In hierin beschriebenen Ausführungsformen von Vorrichtungen wird die optische Gradientenantwort der optischen Vorrichtung erreicht, indem ein Ansteuersignal an die LC-Zelle angelegt wird und die Impedanzeigenschaften der Vorrichtung verwendet werden. Beim Anlegen des Ansteuersignals und abhängig von den Eigenschaften der LC-Zelle kann man eine oder eine Kombination von optischen Gradientenantworten erzielen. Ein Ansteuersignal ist ein elektrisches Signal, das an die Elektroden der LC-Zellen angelegt wird und verschiedene Eigenschaften aufweist, darunter Spannung (Amplitude, Polarität), Frequenz, Dauer und Wellenform (Sinuswelle, Rechteckwelle, Dreieckwelle, Sägezahnwelle, wechselnde Polarität, nicht wechselnde Polarität oder dergleichen). Jede dieser Eigenschaften kann die molekulare Bewegung und Ausrichtung des LC beeinflussen, was wiederum zu einer Änderung der optischen Reaktion der LC-Zelle führt.
Das LC-Material spricht auf die angelegte externe Spannung/das elektrische Feld an. Wenn eine Spannung an die LC-Zelle angelegt wird, orientieren sich die nematischen LC-Moleküle neu und richten sich entweder mit oder senkrecht zu dem elektrischen Feld aus. Die statistisch gemittelte Orientierung der länglichen Moleküle zeigt in eine bestimmte Richtung und ein Einheitsvektor entlang dieser Richtung wird als „Direktor“ bezeichnet. Die LC-Moleküle sind homöotrop ausgerichtet, wenn der Direktor senkrecht zu den Substraten steht; und die LC-Moleküle befinden sich in der planaren Orientierung, wenn der Direktor parallel zu den Substraten ist. Wenn die gesamte Zelle eine einheitliche Spannung hat, zeigt die Zelle eine einheitliche optische Reaktion. Wenn unterschiedliche Bereiche der Zelle unterschiedliche Spannungen aufweisen, zeigt die Zelle eine unterschiedliche optische Reaktion. Wenn die LC-Zelle entlang einer bestimmten Richtung eine Gradienten-variable Spannung aufweist, erzeugt sie entlang dieser Richtung eine Gradienten-variable optische Ansprechcharakteristik, d.h. eine räumlich variable optische Ansprechcharakteristik.
Die oben beschriebenen optischen Reaktionen der LC-Moleküle in Bezug auf die Änderung der angelegten Spannungen werden verwendet, um einstellbare optische Vorrichtungen mit einer optischen Gradienteneigenschaft herzustellen. Einige nicht einschränkende beispielhafte Ausführungsformen werden hier im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, aber es sollte angemerkt werden, dass andere Beispiele und Ausführungsformen innerhalb des Geistes und wie durch die Ansprüche definiert möglich sind.
Die Erfinder betrachten zuerst die Lichtdurchlässigkeit/-absorption als die optische Antwort für die optische Vorrichtung. Das heißt, wo die optische Antworteigenschaft Lichtabsorption ist. Lichtabsorption führt zu einer Tönung in der LC-Zelle. Um die Tönung graduell, kontinuierlich (nicht pixeliert) und abstimmbar zu machen, nimmt die erste Ausführungsform eine LC-Zelle an, für die die Tönung geändert werden kann, indem das Ansteuersignal verändert wird, das die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle innerhalb der LC-Zelle vorschreibt. 5 ist eine Querschnittsdarstellung einer Flüssigkristallvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen, die eine lichtvariierende Flüssigkristallzelle 100 enthält, die mit einer Ansteuersignalquelle 108 verbunden ist, z.B. einer Spannungsansteuerung.
Die Zelle 100 beinhaltet ein Flüssigkristallmaterial oder eine Mischung 107, die zwischen einem Paar gegenüberliegender Substrate 101, 102 angeordnet ist. Wie später ausführlicher diskutiert wird, können die Substrate unabhängig ausgewählt werden und beispielsweise ein Polymermaterial, ein Glas oder eine Keramik umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die LC-Mischung polymerfrei sein oder in bestimmten Ausführungsformen ist es möglich, polymere LC zu verwenden. Transparente leitende Schichten 103, 104 sind jeweils auf einer inneren Oberfläche jedes Substrats 101, 102 angeordnet. Die Ausrichtungsschichten 105, 106 können jeweils auf einer inneren Oberfläche der leitfähigen Schichten 103, 104 bereitgestellt werden (d.h. neben dem LC-Material 107). Ausrichtungsschichten 105 und 106 können bereitgestellt werden, um die Steuerung der Ausrichtung von Flüssigkristallmaterialien zu unterstützen, die zwischen den Substraten angeordnet sind. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Ausrichtungsschicht Polyimid enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Ausrichtungsschicht gerieben werden, wie es in der Technik bekannt ist, um die Orientierung des LC-Materials oder der Mischung nahe der Oberfläche zu unterstützen. In einigen Ausführungsformen werden beide Ausrichtungsschichten einer Zelle gerieben. In einigen Ausführungsformen kann eine Zelle nur eine Ausrichtungsschicht oder nur eine geriebene Ausrichtungsschicht umfassen. In einigen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann optional eine Passivierungsschicht über einer transparenten leitenden Schicht bereitgestellt werden. Die Passivierungsschicht kann beispielsweise ein nichtleitendes Oxid, Sol-Gel, Polymer oder einen Verbundstoff umfassen. In einigen Fällen kann die Passivierungsschicht zwischen der transparenten leitenden Schicht und der Ausrichtungsschicht bereitgestellt werden. In einigen Fällen kann eine Ausrichtungsschicht als eine Passivierungsschicht wirken. Die Spannungsansteuerung 108 ist mit jeder leitenden Schicht 103 und 104 über eine Elektrodenverbindung 110 und 111 verbunden und so konfiguriert, dass er ein Ansteuersignal über die Zelle anlegt. Das Ansteuersignal kann ausgewählt werden, um einen Spannungsgradienten entlang der transparenten leitfähigen Schichten in einer Gradientenrichtung D aufzubauen, die sich von den Elektrodenverbindungen weg erstreckt. Die Elektrodenverbindungen 110, 111 können gemeinsam als ein Elektrodenverbindungssatz bezeichnet werden. Die Zelle 100 enthält ferner eine Randabdichtung 112 und 113, die das Flüssigkristallmaterial innerhalb der Zelle enthält. Die Dicke des zwischen den Substraten angeordneten LC-Materials kann als Zellenspalt bezeichnet werden. Um einen bestimmten Spalt aufrechtzuerhalten, können optionale Abstandshalter (nicht gezeigt) wie Glas- oder Kunststoffperlen oder -stäbe zwischen die Substrate eingefügt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Zelle eine Gast-Wirt-LC-Farbstoffmischung verwenden (d.h. eine Mischung aus einem cholesterischen Flüssigkristallwirt und einem Farbstoffmaterial), um als Reaktion auf die Orientierung der LC-Wirts- und Farbstoffmoleküle eine räumlich variable Absorption/Tönung zu verleihen. Es versteht sich jedoch, dass viele andere LC-Zusammensetzungen/Konfigurationen verwendet werden können, um die gewünschte optische Eigenschaft oder Wirkung zu erzielen, von denen einige möglicherweise kein Farbstoffmaterial verwenden. Einige nicht einschränkende Beispiele nützlicher Materialien und Komponenten werden unten beschrieben.
LC-Material oder Wirt
In einigen Ausführungsformen kann das LC-Material oder der Wirt eine positive oder negative dielektrische Anisotropie aufweisen und kann ein nematisches, smektisches, cholesterisches, verdrilltes, STN- oder anderes LC-Material umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst das LC-Material ein chirales nematisches oder cholesterisches Flüssigkristallmaterial (zusammen „CLC“), das eine negative dielektrische Anisotropie („negative CLC“) oder eine positive dielektrische Anisotropie („positive CLC“) aufweisen kann. In einigen Ausführungsformen des CLC ist das Flüssigkristallmaterial cholesterisch oder enthält einen nematischen Flüssigkristall in Kombination mit einem chiralen Dotierstoff. Ein CLC-Material hat eine verdrillte oder spiralförmige Struktur. Die Periodizität der Verdrillung wird als „Tonhöhe“ bezeichnet. Die Orientierung oder Ordnung eines LC-Materials kann beim Anlegen eines elektrischen Felds geändert werden und kann in Kombination mit einem Farbstoffmaterial verwendet werden, um die optischen Eigenschaften der Zelle zu steuern oder teilweise zu steuern. In einigen Ausführungsformen kann ein LC-Material weiter durch seine Chiralität gekennzeichnet sein, d.h. rechtshändige Chiralität oder linkshändige Chiralität.
Eine breite Vielfalt von LC-Materialien ist verfügbar und hat potentiellen Nutzen in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Farbstoff
In einigen Ausführungsformen, in denen der optische Gradient eine Lichtabsorption beinhaltet, kann die LC-Mischung ein Farbstoffmaterial enthalten. Das Farbstoffmaterial umfasst im Allgemeinen mindestens einen dichroitischen (DC) Farbstoff oder eine Mischung aus DC-Farbstoffen. In einigen Fällen kann das Farbstoffmaterial gegebenenfalls ferner einen photochrom-dichroitischen (PCDC) Farbstoff enthalten, dessen Lichtabsorption durch Einwirkung von UV-Licht, wie Sonnenlicht, aktiviert werden kann. In einigen Ausführungsformen kann das Farbstoffmaterial ferner eine kleine Menge eines herkömmlichen absorbierenden Farbstoffs enthalten, z.B. um der Vorrichtung einen gewünschten Gesamtfarbton in einem klaren Zustand zu verleihen. In einigen Ausführungsformen enthält das Farbstoffmaterial im Wesentlichen nur DC-Farbstoffe. Das Farbstoffmaterial kann eine schmalbandige Absorption oder eine breitbandige Absorption bereitstellen. Die der LC-Zelle verliehene Tönung kann eine Farbe haben oder kann ein neutraler Farbton sein.
DC-Farbstoffe
Dichroitische Farbstoffe haben typischerweise eine längliche Molekülform und zeigen eine anisotrope Absorption. Üblicherweise ist die Absorption entlang der Längsachse des Moleküls höher und solche Farbstoffe können als „positive Farbstoffe“ oder Farbstoffe bezeichnet werden, die einen positiven Dichroismus aufweisen. Hierin werden allgemein positive DC-Farbstoffe verwendet. In einigen Fällen können jedoch stattdessen negative DC-Farbstoffe verwendet werden, die einen negativen Dichroismus zeigen. In einigen Ausführungsformen kann ein DC-Farbstoff (wie in einem CLC-Wirt gemessen) ein dichroitisches Verhältnis von mindestens 5,0 alternativ mindestens 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 oder 20 aufweisen.
Der Grad der Absorption von sichtbarem Licht durch den DC-Farbstoff kann eine Funktion des Farbstofftyps und des LC-Wirts sein. Die Orientierung oder Fernordnung des LC kann eine Funktion des elektrischen Felds oder der Spannung über die Zelldicke sein. Ein DC-Farbstoff zeigt eine gewisse Ausrichtung mit dem LC-Wirt (z.B. einem CLC-Wirt), so dass das Anlegen einer Spannung verwendet werden kann, um die scheinbare Dunkelheit der Zelle zu verändern.
In einigen Ausführungsformen kann ein DC-Farbstoff ein Material vom Typ eines kleinen Moleküls umfassen. In einigen Ausführungsformen kann ein DC-Farbstoff ein oligomeres oder polymeres Material umfassen. Die für die Lichtabsorption verantwortliche chemische Einheit kann beispielsweise eine Seitengruppe an einer Hauptkette sein. Wahlweise können mehrere DC-Farbstoffe verwendet werden, um beispielsweise die Lichtabsorptionshüllkurve abzustimmen oder die Gesamtleistung der Zelle in Bezug auf die Lebensdauer oder eine andere Eigenschaft zu verbessern. DC-Farbstoffe können funktionelle Gruppen enthalten, die die Löslichkeit oder Mischbarkeit mit dem LC-Wirt verbessern können. Einige nicht einschränkende Beispiele für DC-Farbstoffe können Azofarbstoffe umfassen, beispielsweise Azofarbstoffe mit 2 bis 10 Azogruppen oder alternativ 2 bis 6 Azogruppen. Andere DC-Farbstoffe sind in der Technik bekannt, wie Anthrachinon- und Perylen-Farbstoffe. Im Allgemeinen kann jedes Molekül mit dichroitischen Eigenschaften verwendet werden.
Andere Zellfunktionen
Substrat
Das Substrat kann unabhängig ausgewählt werden und kann einen Kunststoff, ein Glas, eine Keramik oder irgendein anderes Material umfassen. Die Wahl des Materials und seiner besonderen Eigenschaften hängt zum Teil von der beabsichtigten Anwendung ab. Für viele Anwendungen sollte der Träger zumindest teilweise für sichtbares Licht durchlässig sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Träger eine Durchlässigkeit von mehr als 45 % für sichtbare Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 700 nm alternativ mehr als 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 95 % Durchlässigkeit aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der Träger eine hohe optische Klarheit aufweisen, so dass eine Person oder ein Sensor deutlich durch die LC-Zelle sehen kann. In einigen Ausführungsformen kann der Träger optional etwas Farbe oder Tönung aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der Träger eine optische Beschichtung auf der Außenseite der Zelle aufweisen. Ein Träger kann flexibel oder starr sein.
Als einige nicht einschränkende Beispiele kann ein Kunststoffträger ein Polycarbonat (PC), eine Mischung aus Polycarbonat und Copolymer, ein Polyethersulfon (PES), ein Polyethylenterephthalat (PET), Cellulosetriacetat (TAC), ein Polyamid, p-Nitrophenylbutyrat (PNB), ein Polyetheretherketon (PEEK), ein Polyethylennaphthalat (PEN), ein Polyetherimid (PEI), Polyarylat (PAR), ein Polyvinylacetat, ein zyklisches Olefinpolymer (COP) oder andere ähnliche Kunststoffe enthalten, die im Stand der Technik bekannt sind. Flexibles Glas umfasst Materialien wie Corning ® Willow ® Glass und dergleichen. Ein Träger kann mehrere Materialien umfassen oder eine mehrschichtige Struktur haben.
In einigen Ausführungsformen kann die Dicke eines Trägers in einem Bereich von 10-20 µm, 20 - 30 µm, 30 - 40 µm, 40 - 50 µm, 50 - 75 µm, 75 - 100 µm, 100 - 150 µm, 150 - 200 µm, 200 - 250 µm, 250 - 300 µm, 300 - 350 µm, 350 - 400 µm, 400 - 450 µm, 450 - 500 µm, 500 - 600 µm, 600 - 800 µm, 800 - 1000 µm oder größer als 1 mm oder jede Kombination von Bereichen davon liegen.
Transparente leitende Schicht
Mit „transparenter“ leitender Schicht ist gemeint, dass die leitende Schicht mindestens 45 % des einfallenden sichtbaren Lichts durchlässt. Eine transparente leitende Schicht kann einen Teil des sichtbaren Lichts absorbieren oder reflektieren und dennoch nützlich sein. In einigen Ausführungsformen kann die transparente leitende Schicht ein transparentes leitendes Oxid (TCO) enthalten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, ITO oder AZO. In einigen Ausführungsformen kann die transparente leitende Schicht ein leitfähiges Polymer enthalten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf PEDOT:PSS, ein Poly(pyrrol), ein Polyanilin, ein Polyphenylen oder ein Poly(acetylen). In einigen Ausführungsformen kann die transparente leitende Schicht eine teilweise transparente dünne Schicht aus Metall oder Metall-Nanodrähten enthalten, z.B. gebildet aus Silber, Kupfer, Aluminium oder Gold. In einigen Ausführungsformen kann die transparente leitende Schicht Graphen enthalten.
In einigen Ausführungsformen können die Elektrodenverbindungen 110, 111 und/oder die Verdrahtung zwischen der Spannungsansteuerung und den transparenten leitenden Schichten aus elektrisch leitenden Materialien mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als die transparenten leitenden Schichten gebildet sein. Elektrodenverbindungen können ein Metall, eine Legierung, leitfähigen Kohlenstoff, Graphen oder leitfähiges Metalloxid umfassen. In einigen Fällen müssen Elektrodenverbindungen nicht optisch transparent sein.
In einigen Ausführungsformen können sich die Elektrodenverbindungen 110 und 111 nahe beieinander befinden, d.h. sich an etwa der gleichen Position innerhalb der Vorrichtung befinden. Im Querschnitt kann beispielsweise eine Elektrodenverbindung (z.B. 111) in ungefährer Ausrichtung über einer anderen Elektrodenverbindung (z.B. 110) erscheinen. Die Elektrodenverbindungen können an oder nahe einer Vorrichtungskante (wie in 5 gezeigt) oder alternativ an oder nahe einer Vorrichtungsecke oder an oder nahe einer Vorrichtungsmitte angeordnet sein. In einigen Fällen kann die transparente Elektrode durch eine maximale lineare Abmessung (Länge, Diagonale, Durchmesser oder dergleichen) gekennzeichnet sein, und der laterale Abstand zwischen den Elektrodenverbindungen mit zwei Polaritäten (falls vorhanden) kann innerhalb von etwa 20 % der maximalen linearen Abmessung, alternativ innerhalb von 15 %, 10 %, 5 % oder 2 % liegen.
In einigen Fällen können die Elektrodenverbindungen 110, 111 als Stromschiene wirken und sich entlang einer Kante der transparenten leitfähigen Schicht erstrecken (z.B. in Richtung orthogonal relativ zu der Seite von 5). In einigen Ausführungsformen können die Elektrodenverbindungen 110, 111 je nach Vorrichtung ein kleiner Punkt (Punktverbindung) sein oder irgendeine andere Form oder Größe haben. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrodenverbindung 110, 111 jeweils eine Reihe von einzelnen Punkt- oder Punktverbindungen darstellen.
6(A1) und 6(B1) sind die Vorderansicht eines nicht einschränkenden Beispiels einer LC-Zelle, wobei es in einem AUS-Zustand (A1) maximale Transparenz und in einem EIN-Zustand (B1) einen Farbgradienten entlang der Y-Achse (D-Richtung in der Figur) aufweist. In diesem Beispiel ist die Elektrodenverbindung 110/111 ein Elektrodenbus und legt Spannung an eine Kante der Zelle an. Wenn keine Spannung angelegt wird, wird kein Ansteuersignal an die leitfähigen Schichten 103 und 104 gesendet (in der Figur nicht dargestellt); das Flüssigkristallmaterial oder -gemisch 107 ist transparent und hat eine maximale Lichtdurchlässigkeit. In diesem Beispiel enthält die Zelle eine negative Anisotropie LC, so dass, wenn V = 1 oder V = max, die LC-Moleküle eine homogene oder planare Orientierung annehmen (dargestellt als Bereich 120 in (C1)). Wenn V = 0, haben die Flüssigkristallmoleküle eine homöotrope Orientierung (dargestellt als Bereich 122 in (C1)); und wenn V zwischen V = 0 und V = max liegt, nehmen die LC-Moleküle verschiedene Orientierungen zwischen der planaren Orientierung und der homöotropen Orientierung an (dargestellt als Bereich 121).
Wenn ein Ansteuersignal von der Elektrodenverbindung 110/111 an die Zelle 100 angelegt wird, orientieren sich die Flüssigkristallmoleküle als Reaktion auf die Spannung neu. Das Ansteuersignal kann so angelegt werden, dass es entlang D einen Spannungsgradienten aufbaut, wobei D der Abstand zwischen einem gegebenen Punkt auf dem Substrat und der Elektrodenverbindung 110/111 ist. Der Bereich, der der Elektrodenverbindung 110/111 am nächsten liegt, hat das stärkste Ansteuersignal (V-Max), was dazu führt, dass die Vorrichtung eine maximale Lichtabsorption zeigt (für diese Spannung). Somit weist dieser Teil der Zelle den dunkelsten Farbton des gesamten Gradienten auf. Siehe 6(B1) zur Veranschaulichung. Die über die LC-Mischung zwischen den beiden transparenten leitfähigen Schichten angelegte Spannung wird gedämpft, wenn sie entlang D eindringt, was wiederum dazu führt, dass die Flüssigkristalle allmählich homöotrop werden und weniger Licht absorbieren, wenn D zunimmt. Dies führt dazu, dass die Tönung der Zelle mit zunehmendem D allmählich heller wird, bis das Substrat seine maximale Lichtdurchlässigkeit erreicht. 6(C1) ist eine schematische Zeichnung, die die Beziehung zwischen der Dunkelheit der Tönung und der molekularen Orientierung der Flüssigkristalle für 6(B1) zeigt. 6(A2) und 6(B2) entsprechen 6(A1) bzw. 6(B1) und zeigen die entsprechende Änderung von T% und des Abstands (D) entlang des Spannungsgradienten. Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung V und dem Orientierungswinkel θ des Direktors ist in 6(C2) dargestellt.
In einigen Ausführungsformen (hier nicht gezeigt) kann das LC-Material eine positive Anisotropie aufweisen. In solchen Fällen kann sich die LC-Zelle bei V = 0 in einem abgedunkelten oder getönten Zustand befinden und beim Anlegen einer geeigneten Spannung in einen klaren Zustand übergehen. Das heißt, in einigen Fällen, wenn ein LC-Material mit positiver Anisotropie verwendet wird, kann die Gradientenschattierung entgegengesetzt zu der in 6(B1) gezeigten sein.
Die Gesamtlänge und der Schwärzungsgrad des Farbtons im Gradienten können durch Variieren des Fahrsignals eingestellt werden. Die Elektrodenverbindungen 110/111 sind in den Figuren nicht gezeigt, aber es versteht sich, dass in diesem nicht einschränkenden Beispiel die Elektrodenverbindungen an der oberen Grenze jeder Zelle angeordnet sind, wenn eine negative Anisotropie LC verwendet wird. In den in 7 gezeigten Beispielen steuert das Ansteuersignal zwei Aspekte der Zelltönung: die Länge der Tönung, dargestellt als Bereiche 123, 124, 125; und die dunkelste Tönung eines Farbgradienten, dargestellt als Bereiche 120 und 126. Die Länge des Farbtons einer Zelle, zum Beispiel 123, 124, 125, kann durch die angelegte Frequenz gesteuert werden. Eine höhere Frequenz führt zu einem kleineren Tönungsbereich, und eine niedrigere Frequenz führt zu einem größeren Tönungsbereich. In 7(B)-(D) ist beispielsweise die angelegte Frequenz f₁ niedriger als f₂ und niedriger als f₃, was zu der längsten Tönungslänge, 123, in (B), einem kürzeren Bereich 124 in (C); und dem kürzesten Bereich 125 in (D) führt. Der Dunkelheitsgrad (Absorption) des dunkelsten Farbtons eines Farbtongradienten, d.h. das Ende, das der Stelle am nächsten liegt, an der das Ansteuersignal an die Zelle angelegt wird, wird durch die angelegte Spannung gesteuert, und eine höhere Spannung führt zu einem dunkleren Farbton, vgl. 120 Zoll (D) und 126 Zoll (E). In 8(D)-(E) zum Beispiel ist die angelegte Frequenz für beide f₃, aber die angelegte Spannung V₁ ist höher als V₂. Als Ergebnis haben sowohl (D) als auch (E) die gleiche Tönungslänge, aber die dunklere Tönung der beiden Gradienten tritt als 120 in (D) auf, das eine höhere angelegte Spannung als (E) hat. Es sei darauf hingewiesen, dass durch Ändern verschiedener Aspekte des Ansteuersignals (z.B. Frequenz, Spannung, Wellenform, Position, an der die Spannung angelegt wird) eine LC-Vorrichtung „abgestimmt“ werden kann, um den gewünschten variablen Gradienteneffekt zu erzielen. Es sollte auch beachtet werden, dass Tönung sich je nach Wunsch auf eine Farbtönung oder eine neutrale graue/braune Tönung beziehen kann.
Da die Länge und die Dunkelheit/Farbton der Flüssigkristallzelle geändert werden können, indem das Ansteuersignal geändert wird, kann man mehrere räumlich variable Zellen miteinander kombinieren, um mehrere räumlich variable Bereiche zu erzielen. Bei dieser Art von Vorrichtung kann jede einzelne räumlich variable Zelle mit ihrem eigenen Ansteuersignal (individuell adressierbar) versorgt werden. Die resultierende Vorrichtung mit verschiedenen kombinierten räumlich variablen Zellen kann eine Vielzahl von Tönungsmusterkombinationen zeigen, abhängig von der Ausrichtung und Position jeder einzelnen räumlich variablen Zelle und der angelegten Spannung und Frequenz innerhalb jedes Ansteuersignals. In 8A gibt es beispielsweise vier horizontal angeordnete Zellen 130-133 nebeneinander, die Ansteuersignale werden von der linken Seite der Zelle durch Elektrodenverbindungssätze 140-143 an die Substrate angelegt.
Es gibt andere mögliche Platzierungen jeder einzelnen Zelle. Beispielsweise sind in 8B vier einzeln adressierbare Zellen 134-137 vertikal angeordnet, wobei jede einzelne eine unterschiedliche Tönungslänge zeigt. In diesem Beispiel kann das Ansteuersignal von verschiedenen Enden der Zelle eintreten. Zum Beispiel hat die Zelle 135 ihren Elektrodenverbindungssatz 145 auf der Unterseite der Zelle, während die zwei Zellen 134 und 136 ihre Elektrodenverbindungssätze 144, 146 auf der Oberseite der Zelle haben. Die Zelle 137 ist in einem klaren Zustand gezeigt und kann ihre Elektrodenverbindung oben oder unten haben. Alternativ werden in 8C mehrere individuell adressierbare Zellen verwendet, um den Tönungsgradienten zu verbessern, um nach Bedarf verschiedene Eigenschaften zu erzielen (z.B. wenn eine räumlich variable Zelle die gewünschte prozentuale Farbtonänderung nicht erreichen kann, kann man zwei oder mehr räumlich variable oder schaltbare Zellen kombinieren, um den gewünschten Effekt zu erzielen). Zusätzlich zeigt 8C, wie vier horizontal angeordnete, räumlich variable Zellen 168 - 171 zusammen einen kontinuierlichen Tönungsgradienten bilden. In diesem Beispiel befinden sich die Elektrodenverbindungssätze 148 - 151 an der längeren Grenze (in dieser Figur als die horizontale Grenze dargestellt) jeder Zelle. Insbesondere ist der Elektrodenverbindungssatz 148 Teil der LC-Zelle 168, der Elektrodenverbindungssatz 149 ist Teil der LC-Zelle 169, der Elektrodenverbindungssatz 150 ist Teil der LC-Zelle 170 und der Elektrodenverbindungssatz 151 ist Teil der LC-Zelle 171. Die Richtung des Gradienten für jede Zelle in 8C verläuft für jede Zelle in vertikaler Richtung nach unten. Das hellere Ende der Zelle 168 (distal von ihrem Elektrodenverbindungssatz) kann ungefähr die gleiche Tönung haben wie das dunklere Ende der Zelle 169 (benachbart zu ihrem Elektrodenverbindungssatz), und ähnlich kann das hellere Ende der Zelle 139 ungefähr die gleiche Tönung wie das dunklere Ende der Zelle 140 haben. Innerhalb jeder Zelle kann es einen Farbtongradienten geben, und die Zellen werden Seite an Seite kombiniert, um eine dramatischere Farbtonänderung (größerer Bereich) zu erreichen.
Die Substrate und jede Schicht der Zellen können andere Formen als die dargestellte rechteckige Form haben. 9 ist ein abgestuftes Schnittschema einer kreisförmigen Zelle. Ähnlich der Zelle 100 enthält diese kreisförmige Zelle 300 ein Flüssigkristallmaterial oder eine Flüssigkristallmischung 307, die zwischen einem Paar gegenüberliegender Substrate 301, 302 angeordnet ist. Transparente leitende oder Elektrodenschichten 303, 304 sind auf einer inneren Oberfläche jedes Substrats 301 bzw. 302 angeordnet. Die Ausrichtungsschichten 305, 306 können jeweils auf einer inneren Oberfläche der leitenden Schichten 303, 304 vorgesehen sein. Die Ansteuersignalquelle 308 ist mit jeder leitenden Schicht 303 und 304 über eine Elektrodenverbindung 310 bzw. 311 verbunden. Die möglichen Materialzusammensetzungen jeder Schicht folgen denen der Zelle 100.
In einigen Ausführungsformen weist die kreisförmige Zelle 300 kreisförmige Elektrodenverbindungen 310 und 311 auf, die die äußere Begrenzung (Umfang) der kreisförmigen leitenden Schichten 303 und 304 umgeben. Bei dieser kreisförmigen Konfiguration ist das Ansteuersignal am Umfang am stärksten und wird auf seinem Weg zum Zentrum der kreisförmigen Zelle schwächer. Bei LC-Gast-Wirt-Mischungen, die ein LC-Material mit negativer Anisotropie verwenden, führt dies zu einem radialen Farbgradienten, wobei der Umfang der kreisförmigen Zelle die dunkelste Tönung (höchste Lichtabsorption) und die Mitte der kreisförmigen Zelle die hellste Tönung (geringste Lichtabsorption) aufweist. Siehe 10(A) zur Veranschaulichung der von der Zelle gezeigten radialen Tönung. 10(B) veranschaulicht die Beziehung zwischen T% und r, wobei r der Radius des Kreises ist. 10(C) veranschaulicht die Beziehung zwischen r und der Spannung V.
In ähnlicher Weise kann die radiale Tönung der kreisförmigen Zelle 300 abgestimmt werden, indem das an die Zelle angelegte Ansteuersignal eingestellt wird. Beispielsweise haben in 11 alle drei Beispiele (A)-(C) die gleiche angelegte Spannung V₁, aber mit unterschiedlichen Frequenzen f₁, f₂ und f₃. Unterschiedliche Spannungen oder angelegte Frequenzen führen zu einem unterschiedlichen Gesamtabdeckungsbereich und/oder einem unterschiedlichen Tönungspegel. In 11 ist beispielsweise f₁ höher als f₂ und höher als f₃. Diese steuerbare radial abgestufte Tönung ähnelt der einer Iris oder eines Kameraverschlusses, und die Lichtmenge, die durch die optische Vorrichtung übertragen wird, wird durch das Ansteuersignal gesteuert.
Es ist auch möglich, diesen Iriseffekt zu erzielen, indem die Elektrodenverbindung in der Mitte oder in der Nähe der Mitte der kreisförmigen Zelle platziert wird und unterschiedliche LC-Farbstoffkonfigurationen verwendet werden. Beispielsweise ist eine Konfiguration dunkel oder getönt, wenn keine Spannung angelegt wird, und wird klar, wenn eine Spannung angelegt wird. In diesem Fall hat die Mitte der Iris mit der höchsten Spannung eine maximale Transparenz, die allmählich getönt wird, wenn der Spannungspegel zum Rand oder zur Peripherie hin abfällt.
Die Richtung des radialen Farbgradienten kann auch umgekehrt werden, z.B. wo die Mitte der kreisförmig geformten LC-Zelle die dunkelste Tönung haben könnte und die Tönung allmählich verblasst, wenn die Richtung von der Mitte der kreisförmigen Form zu der peripheren Grenze wandert. Eine solche „umgekehrte“ Tönungsrichtung kann zum Beispiel durch Verwenden eines anderen Typs von LC-Material (z.B. eines LC-Materials mit positiver Anisotropie) erreicht werden, wobei die LC-Gast-Wirt-Mischung eine maximale Lichtabsorptionsfähigkeit hat, wenn keine Spannung angelegt wird, und transparent wird, wenn Spannung angelegt wird. Eine solche „umgekehrte“ Tönungsrichtung kann auch erreicht werden, indem die Elektrodenverbindung im Mittelteil jeder transparenten Elektrodenschicht statt in der Peripherie der Zelle angeordnet wird. Somit hat unter diesen Umständen der Mittelteil der LC-Zelle die höchste Spannung, dementsprechend zeigt das LC-Material die stärkste optische Antwort und nimmt entlang der Gradientenrichtung allmählich ab. Man sollte auch beachten, dass solche Ansätze mit „umgekehrter“ Gradientenrichtung auch für andere Formen von LC-Zellen gelten. Beispielsweise kann eine rechteckig geformte LC-Zelle in der „umgekehrten“ Gradienteneinstellung die geringste Lichtabsorption in dem Bereich aufweisen, der der Elektrodenverbindung am nächsten liegt, und die Tönung wird allmählich dunkler, wenn sich das Signal entlang der Gradientenrichtung bewegt.
Hierin werden auch verschiedene Formen (z.B. Ellipse, Dreieck, Rechteck usw.) in Betracht gezogen, bei denen die gleichen Prinzipien angewendet werden können.
Die vorgenannten Ausführungsformen konzentrieren sich auf eine der optischen Antworten, d.h. die Änderung der Lichtabsorption der Flüssigkristallzelle, aber andere optische Antworten können ebenfalls auf die gleiche Weise variiert werden. Beispielsweise können einige Ausführungsformen eine abstimmbare Brechungs- (oder adaptive Fokussierungs-)Fähigkeit der optischen Vorrichtung anstelle oder zusätzlich zu einer räumlich variablen Gradiententönung in der vorherigen Ausführungsform erreichen.
Eine Linse mit adaptivem Fokus ist eine Vorrichtung, die seine Brennweite durch Anlegen eines externen Stimulus einstellen kann. Herkömmliche Linsen verlassen sich auf zwei physikalische Parameter, um die auftreffende Wellenfront zu modifizieren: (a) die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Linsenmaterials und der Umgebung und (b) die Krümmung ihrer Grenzflächen. (Algorri, J. F., Zografopoulos, D. C., Urruchi, V. & Sanchez-Pena, J. M. Recent Advances in Adaptive Liquid Crystal Lenses. Crystals 9(5), 272 (2019)).
Die Formel für die Beziehung lautet: $Δ (optische Wegl \ddot{a} nge) = Δ (n l)$
wobei n = Brechungsindex und ℓ die Länge (oder Dicke) ist.
Bei einer typischen Linse ist n konstant und ℓ ändert sich.
12 zeigt die schematische Zeichnung von sowohl (A) einer doppelt konvexen Linse als auch (B) einer doppelt konkaven Linse. Nimmt man zum Beispiel die doppelt konvexe Linse, die Art des Materials, aus dem die Linse besteht, bestimmt das n. In jedem Fall wird eine Linsenbildung beobachtet, weil die optische Weglänge radial variiert. Gemäß der obigen Gleichung besteht eine Möglichkeit, die optische Weglänge zu variieren, wenn n konstant bleibt, darin, die Dicke der Linse radial zu ändern, wie dies bei herkömmlichen Linsen der Fall ist. Alternativ kann die Dicke der Linse konstant bleiben und eine radiale Änderung von n auferlegt werden, um den optischen Weg der Linse zu ändern. Eine solche Änderung von n kann in einer LC-Optikvorrichtung erreicht werden, indem die LC-Molekülorientierung geändert wird.
Linsen mit adaptivem Fokus basieren auf Vorrichtungenn, die entweder den Brechungsindex des Linsenmaterials oder die Krümmung seiner Grenzfläche ändern. Mehrere Techniken für die Entwicklung von Linsen mit adaptivem Fokus wurden vorgeschlagen, einschließlich brechungsindexgesteuerter LC-Linsen.
Linsen mit adaptivem Fokus basieren auf der allmählichen Veränderung des Brechungsindex. Wenn Licht durch ein inhomogenes Medium wandert, nimmt die Geschwindigkeit der Wellenfront in den optisch dichten Bereichen ab und beschleunigt sich in Bereichen mit geringerer Dichte.
Basierend auf diesem Mechanismus werden Linsen ohne Krümmung hergestellt, indem ein Material mit einem räumlichen Gradienten seines Brechungsindex verwendet wird, wie zum Beispiel Vorrichtungen, die als GRIN (GRadex INdex)-Linse bekannt sind. In dieser Hinsicht wurden zahlreiche Ansätze auf Basis von LC-Linsen mit elektrisch steuerbarer Brennweite demonstriert. Viele der für LC-Linsen vorgeschlagenen Topologien basieren auf der Erzeugung einer allmählichen Spannung über der Linse, die in der Lage ist, einen parabolischen Brechungsindexgradienten in der LC-Schicht zu reproduzieren, wodurch das optische Verhalten einer herkömmlichen Linse nachgeahmt wird. Von besonderem Interesse sind Anwendungen, bei denen eine variable Brennweite benötigt wird, was LC-Linsen mit niedrigen Ansteuerspannungen und geringem Stromverbrauch erreichen.
Ein Ansatz zum Erzeugen eines Brechungsindexgradienten besteht darin, Konstruktionen zu verwenden, die gemustertes Indium-Zinn-Oxid (ITO) in der Struktur aufweisen, um eine Mehrelektrodenkonfiguration zu bilden, wobei jede Elektrode individuelle Anschlüsse und Ansteuersignale erfordert. Siehe 13A-C. Dieser Ansatz weist jedoch eine Reihe von Problemen auf, einschließlich der Komplexität der Herstellung und des Betriebs.
Verschiedene hierin beschriebene Ausführungsformen überwinden einige dieser Schwierigkeiten, indem sie die Notwendigkeit einer gemusterten oder Mehrfachelektrodenkonfiguration beseitigen und stattdessen nur einen oder eine reduzierte Anzahl von Elektrodenverbindungssätzen verwenden. 14A ist eine schematische Querschnittsansicht eines nicht einschränkenden Beispiels einer Vorrichtung mit räumlich variablem Brechungsindex gemäß einigen Ausführungsformen. Die LC-Zelle 400 kann optional eine kreisförmige Vorrichtung mit einem Radius R sein. In einigen Fällen kann die LC-Zelle 400 als optische Linse arbeiten. Die LC-Zelle 400 beinhaltet ein Flüssigkristallmaterial oder eine Mischung 407, die zwischen einem Paar gegenüberliegender Substrate 401, 402 angeordnet ist. Transparente leitende Schichten 403, 404 sind jeweils auf einer inneren Oberfläche jedes Substrats 401, 402 angeordnet. Die Ausrichtungsschichten 405, 406 können jeweils auf einer inneren Oberfläche der leitenden Schichten 403, 404 bereitgestellt werden (d.h. neben dem LC-Material 407). Die LC-Zelle 400 kann ferner eine Grenzdichtung 412, 413 beinhalten. Die Ansteuersignalquelle 408 ist mit jeder leitenden Schicht 403 und 404 über eine Elektrodenverbindung 410 bzw. 411 verbunden. In einigen Ausführungsformen können die Elektrodenverbindungen 410, 411 an oder nahe der Mitte der Vorrichtung (wie gezeigt) bereitgestellt werden. In einigen Fällen können die Elektrodenverbindungen 410, 411 elektrisch leitfähige Durchkontaktierungen sein, die sich durch die Substrate erstrecken. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) können die Elektrodenverbindungen abhängig von dem gewünschten Betrieb der Vorrichtung am Umfang der transparenten leitfähigen Schichten oder einer anderen Konfiguration bereitgestellt werden. Die verschiedenen Komponenten und Materialien der LC-Zelle 400 können wie oben in Bezug auf 5 beschrieben sein.
In einigen Ausführungsformen weist das LC-Material, wenn keine Spannung an die LC-Zelle angelegt wird, einen Brechungsindex von nc (c bezeichnet die Mitte einer kreisförmigen Linse) auf, gemessen in einer Richtung senkrecht zu der Vorrichtung (vertikale Richtung in 14A). Beim Anlegen eines Ansteuersignals beginnen die LC-Moleküle zu rotieren und weisen je nach Stärke der Spannung eine Reihe unterschiedlicher Richtungsdrehwinkel und folglich unterschiedliche Brechungsindizes (als n_r bezeichnet) entlang der Richtung R auf. Abhängig von den Eigenschaften des LC-Materials kann es eine Schwellenspannung (Vt_h) geben oder nicht. Wenn eine solche Schwellenspannung vorhanden ist, beginnt der LC-Direktor, obwohl eine angelegte Spannung vorhanden ist, nicht zu rotieren, bis die angelegte Spannung Vt_h überschritten hat. In ähnlicher Weise kann es eine Obergrenze der angelegten Spannung V_u geben, wo der LC-Direktor parallel zum elektrischen Feld ausgerichtet ist. Unter diesen Umständen dreht sich der LC-Direktor nicht länger, selbst wenn die angelegte Spannung höher erhöht wird. Wenn die angelegte Spannung zwischen Vt_h und V_u liegt, zeigen die LC-Direktoren unterschiedliche Drehwinkel. Dieses Merkmal der LC-Moleküle kann verwendet werden, um eine LC-Schicht mit unterschiedlichen Brechungsindizes innerhalb der LC-Zelle zu bilden. Siehe den Graphen in 14B, der den Brechungsindex n als Funktion des Abstands r von der Mitte darstellt.
Wenn beispielsweise das Ansteuersignal eine Gradientenspannung entlang einer Gradientenrichtung R bildet und angenommen wird, dass die höchste Spannung des Gradienten über V_u liegt, wird der Bereich unter dieser Spannung den LC-Direktor parallel zum elektrischen Feld haben. Wenn die Spannung entlang der Gradientenrichtung R allmählich abnimmt, weist der LC-Direktor einen kontinuierlich veränderten Rotationswinkel auf, was zu kontinuierlich veränderten Brechungsindizes entlang des Gradienten führt. Der Endpunkt des Gradienten kann unter Vt_h liegen oder nicht.
Andere Konfigurationen werden hier ebenfalls in Betracht gezogen, einschließlich einer Linse, bei der die Elektrodenverbindung in der Peripherie liegt und die LC-Konfiguration so gewählt wird, dass sie die gewünschte molekulare Orientierung der LC von der Peripherie zur Mitte hin ermöglicht. Zusätzlich können, obwohl die Substrate von 14A als flach gezeigt sind, eines oder beide gekrümmt sein. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung mit räumlich variablem Brechungsindex über eine andere optische Vorrichtung, z.B. eine Linse, laminiert werden, um eine Linse mit variabler Brennweite bereitzustellen.
In einigen Ausführungsformen kann eine Verbindung mit der Mitte einer transparenten leitenden Schicht unter Verwendung einiger begrenzter Strukturierungsschritte der transparenten leitenden Schicht hergestellt werden, anstatt eine Durchgangsverbindung zu verwenden. Beispielsweise ist in 15 eine Draufsicht auf ein Substrat 501 und eine strukturierte transparente leitende Schicht 503 gezeigt. Eine schmale leitfähige Leitung 523 (elektrisch von der transparenten leitfähigen Schicht auf jeder Seite) kann bereitgestellt werden, die sich von einer Substratkante zu der Substratmitte erstreckt, in ungefähr der gleichen Ebene wie die transparente leitfähige Schicht. Der Punkt oder Bereich an oder nahe der Mitte, wo die schmale leitfähige Leitung auf den Hauptabschnitt der transparenten leitfähigen Schicht trifft, kann als die Elektrodenverbindung 511 bezeichnet werden. Die schmale leitfähige Leitung kann aus dem gleichen Material wie die transparente leitfähige Schicht oder aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material bestehen. In einigen Ausführungsformen kann sich die schmale Leiterbahn eines Substrats in einer anderen oder entgegengesetzten Richtung relativ zu der schmalen Leiterbahn des anderen Substrats erstrecken.
In einigen Ausführungsformen kann eine transparente leitfähige Schicht ein Muster aufweisen, um das Bilden eines gewünschten Spannungs-/optischen Antwortgradienten zu unterstützen. In einem nicht einschränkenden Beispiel können die transparenten leitfähigen Schichten in einer Spiralform oder einer gewundenen Form strukturiert sein, wobei jede eine Elektrodenverbindung an einem Ende der Form aufweist.
In einigen Ausführungsformen können die transparenten leitfähigen Schichten jeweils eine individuell adressierbare zweite Elektrodenverbindung aufweisen, z. B. an einem gegenüberliegenden Ende der transparenten leitfähigen Schicht in Bezug auf die erste Elektrodenverbindung, die aktiviert werden können, um den Gradienten zu modifizieren oder ihn sogar zu eliminieren, falls eine gleichmäßige optische Antwortcharakteristik erwünscht ist.
Ansteuersignat
Das spezifische Ansteuersignal, das verwendet wird, um einen bestimmten Gradienten zu erreichen, hängt stark von vielen Faktoren ab, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, den LC-Materialien, dem Zellspalt, dem spezifischen Widerstand der transparenten leitenden Schicht, der Größe der Vorrichtung und der Geometrie der Elektrodenverbindungen, um ein paar zu nennen. Daher gibt es je nach Vorrichtung eine breite Palette von Spannungen, Frequenzen, Dauern und Wellenformen, die nützlich sein können. Typischerweise wird das Laden des Kondensators durch die RC-Konstante des Systems gekennzeichnet. Bei diesem Ansatz wird die volle Aufladung erreicht, wenn die Ansteuersignaldauer einige Male länger als die RC-Konstante ist. Bei diesem Modell wird jedoch davon ausgegangen, dass der Kondensator überall gleich geladen ist, da der Leiter typischerweise aus einem Material mit niedrigem spezifischen Widerstand wie Kupfer, Aluminium, Gold usw. besteht. In einer Flüssigkristallzelle hat der Leiter jedoch einen erkennbaren spezifischen Widerstand. Dies führt zu einem Spannungsabfall über dem ITO in einer Flüssigkristallzelle, der die vom LC gesehene Spannung verringert. Wenn sich die Anschlüsse in der gleichen Umgebung befinden, tritt dieser Spannungsabfall in Abhängigkeit vom Anschlussbereich auf. Wenn zusätzlich die angelegte Wellenform oszillatorischer Natur ist, wird das Profil der Spannung weg von dem Verbindungsbereich frequenzabhängig sein. Daher kann durch Anlegen einer Wellenform mit ausreichend hoher Frequenz das Eindringen der maximalen Spannung der Wellenform weg von der Verbindung gesteuert werden. Wenn die ursprüngliche Amplitude der Wellenform über Vth liegt, kann ein Übergang im LC erreicht werden. Unten präsentieren wir ein nicht einschränkendes Beispiel dafür, wie die obigen Parameter verwendet werden können, um den Gradienteneffekt zu erzielen.
BEISPIEL 1
Eine Vorhangzelle mit variabler Übertragung wurde gemäß dem folgenden Protokoll hergestellt. Eine Testzelle wurde unter Verwendung von Substraten aus 0,7 mm dickem ITO-beschichtetem Glas hergestellt. Auf das ITO wurde eine Beschichtung aus Polyimid, Nissan SE1211 (Nissan Chemical Industries, Ltd., Tokio, Japan), durch Schleuderbeschichtung aufgebracht und dann 2 Stunden lang bei 100°C gebacken. Diese Polyimidbeschichtung diente als Ausrichtungsschicht, die dazu bestimmt war, eine im wesentlichen homöotrope Oberflächenausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zu induzieren. Als nächstes wurden Shinshikyu EW-Kunststoffkügelchen mit einem Durchmesser von 6 Mikron (Hiko Industrial Ltd., Hongkong) auf eines der Substrate gesprüht, um als Abstandshalter zu wirken. Eine dünne Raupe aus UV-härtbarem Klebstoff, Loctite 3106 (Henkel AG & Co. KGaA, Düsseldorf, Deutschland) wurde dann um den Umfang eines der Substrate herum aufgebracht, wobei ein Spalt gelassen wurde, der als Füllöffnung dienen würde. Die beiden Substrate wurden dann zusammengesetzt, gegen die Abstandshalter zusammengepresst, um einen gleichmäßigen Spalt zwischen den Substraten zu erzeugen, und dann UV-Licht ausgesetzt, um den Klebstoff auszuhärten.
Dann wurde eine Gast-Wirt-Mischung hergestellt, die aus Folgenden bestand: (1) 94,8 Gew.-% eines Flüssigkristallwirts mit negativer dielektrischer Anisotropie, MLC-6609, von Merck (EMD Chemicals, Gibbstown, NJ, USA); welches eine negative dielektrische Anisotropie (Δε < 0) hat; (2) 1,125 % chiraler Dotierstoff, ZL1811, ebenfalls von Merck; und (3) eine dichorische Farbstoffmischung auf Azobasis, bestehend aus 0,41 % des Farbstoffs DR-1303; (AlphaMicron, USA), 0,95 % G-241; (Marubeni Chemicals, Japan), und insgesamt 2,71 % Farbstoffe LSY-210; (Mitsubishi Chemical Corporation, Japan), DD-1123, DD1032, DD1089; (AlphaMicron Inc, USA) gemischt in gleichen Verhältnissen. Die Testzelle wurde in eine Vakuumkammer gestellt, um Luft aus dem Spalt zwischen den Substraten zu entfernen, und dann durch Kapillarwirkung mit der Gast-Wirt-Mischung gefüllt. Die Einfüllöffnung wurde unter Verwendung des UVhärtbaren Klebstoffs abgedichtet. Ein leitfähiges Band, bestehend aus einem Kupferträger und leitfähigem Klebstoff, wurde dann auf die leitfähige Polymerbeschichtung am Rand der zusammengebauten Zelle geklebt, um als robuste Verbindungen für elektrische Leitungen zu dienen. Eine Rechteckwellenform mit einer RMS-Spannung von 8 V wurde bei verschiedenen Frequenzen im Bereich von 1 kHz bis 60 Hz angelegt. Als Funktion der angelegten Frequenz wurde eine Gradientenfärbung beobachtet. 16 zeigt die Bilder einer Zelle, die die Leistung aufweist.
Anwendungen
Die hierin beschriebenen LC-Zellen haben eine große Vielfalt potentieller Verwendungen. Beispielsweise können diese Vorrichtungen direkt in „tragbare“ Produkte wie Brillen (wie verschreibungspflichtige und nicht verschreibungspflichtige Brillen und Sonnenbrillen), Visiere, Schutzbrillen, Gesichtsschutz, Near-Eye-Displays und AR/VR Kopfhörer, um nur einige zu nennen, eingearbeitet oder auf diese laminiert werden. Alternativ können sie direkt in andere Produkte eingearbeitet oder darauf laminiert werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Fenster (Fahrzeuge, Gebäude, Flugzeuge usw.), Windschutzscheiben, Schiebedächer, Heads-up-Displays und optische Instrumente. Solche Produkte und Vorrichtungen können ferner mit Netzteilen, Batterien, Sensoren oder dergleichen ausgestattet sein.
Während verschiedene erfinderische Aspekte, Konzepte und Merkmale der Erfindungen hier beschrieben und veranschaulicht werden können, wie sie in Kombination in den beispielhaften Ausführungsformen verkörpert sind, diese verschiedenen Aspekte, Konzepte und Merkmale können in vielen alternativen Ausführungsformen verwendet werden, entweder einzeln oder in verschiedenen Kombinationen und Unterkombinationen davon. Sofern hierin nicht ausdrücklich ausgeschlossen, sollen alle diese Kombinationen und Unterkombinationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindungen liegen. Obwohl verschiedene alternative Ausführungsformen hinsichtlich der verschiedenen Aspekte, Konzepte und Merkmale der Erfindungen - wie alternative Materialien, Strukturen, Konfigurationen, Methoden, Schaltkreise, Vorrichtungen und Komponenten, Alternativen in Bezug auf Form, Passform und Funktion usw. - hierin beschrieben werden können, sollen solche Beschreibungen keine vollständige oder erschöpfende Liste verfügbarer alternativer Ausführungsformen sein, unabhängig davon, ob sie derzeit bekannt sind oder später entwickelt werden. Der Fachmann kann leicht einen oder mehrere der erfinderischen Aspekte, Konzepte oder Merkmale in zusätzliche Ausführungsformen und Verwendungen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung übernehmen, selbst wenn solche Ausführungsformen hierin nicht ausdrücklich offenbart sind. Obwohl verschiedene Aspekte, Merkmale und Konzepte hierin ausdrücklich als erfinderisch oder Teil einer Erfindung bildend identifiziert werden können, soll eine solche Identifizierung nicht ausschließlich sein, sondern es kann vielmehr erfinderische Aspekte, Konzepte und Merkmale geben, die hierin vollständig beschrieben sind, ohne ausdrücklich als solche oder als Teil einer bestimmten Erfindung gekennzeichnet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2004/0179148 A1 [0006]
US 7009757 [0006]
US 10330970 [0006]
US 2006/164593 A1 [0006]
US 9829720 [0012]

Claims

Optische Vorrichtung mit einer oder mehreren räumlich variablen optischen Antworteigenschaften, wobei die optische Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Zelle, die ein Flüssigkristallmaterial umfasst, das zwischen einem Paar von Substraten enthalten ist, wobei jedes Substrat eine darauf bereitgestellte transparente leitende Schicht aufweist; eine Elektrodenverbindung, die jede transparente leitende Schicht kontaktiert; und eine Ansteuersignalquelle in elektrischer Verbindung mit jeder Elektrodenverbindung zum Anlegen eines Ansteuersignals an die Zelle, wobei: i) ein an die Elektrodenverbindungen angelegtes Ansteuersignal von der Ansteuersignalquelle einen Spannungsgradienten in einer Gradientenrichtung entlang dem Paar transparenter leitfähiger Schichten erzeugt, die von den Elektrodenverbindungen wegführen; und ii) der Spannungsgradient von dem Flüssigkristallmaterial empfangen wird, um einen Gradienten in mindestens einer optischen Antwortcharakteristik über mindestens einen Teil der Vorrichtung zu erzeugen.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren optischen Antworteigenschaften Reflexion, Brechung, Absorption oder Streuung oder eine Kombination davon umfassen.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Flüssigkristallmaterial eine Gast-Wirt-Mischung umfasst und mindestens eine optische Antworteigenschaft Absorption ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die transparenten leitfähigen Schichten nicht verpixelt sind.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Elektrodenverbindungen jeweils an ungefähr der gleichen Position innerhalb der Vorrichtung befinden.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Elektrodenverbindungen jeweils an oder nahe einer Vorrichtungskante, an oder nahe einer Vorrichtungsecke oder an oder nahe einer Vorrichtungsmitte angeordnet sind.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ansteuersignal zumindest durch eine Spannung und eine Frequenz gekennzeichnet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Verändern der Frequenz des Ansteuersignals mindestens eine optische Antwortcharakteristik entlang der Gradientenrichtung verändert.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Spannung größer als Vth des LC ist und die Frequenz größer als 30 Hz ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Flüssigkristallmaterial eine negative Anisotropie aufweist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Flüssigkristallmaterial eine positive Anisotropie aufweist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jede Elektrodenverbindung ein Elektrodenbus entlang einer Grenze oder Kante der Zelle ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Grenze kreisförmig ist und die Gradientenrichtung der Radius des Kreises ist, so dass mindestens eine optische Antworteigenschaft der Zelle entlang des Radius des Kreises variabel ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die optische Vorrichtung ein räumlich variabler Lichtfilter ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die transparente leitfähige Schicht eine gleichmäßige Schicht ohne irgendwelche Muster ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, wobei die transparente leitende Schicht einen spezifischen Widerstand von größer als oder gleich 1 Ohm/Quadrat hat.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, wobei mindestens eine optische Antworteigenschaft Brechung ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Vorrichtung eine Linse mit variablem Brechungsindex ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Vorrichtung ein variabler Strahlablenker ist.
Herstellungsgegenstand, umfassend eine optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der Herstellungsgegenstand eine Brille, ein Visier, eine Schutzbrille, einen Gesichtsschutz, ein AR/VR-Headset, ein augennahes Display, ein Fenster, eine Windschutzscheibe, ein Schiebedach, ein Heads-up-Display oder ein optisches Instrument umfasst.
Herstellungsgegenstand nach Anspruch 20, wobei die optische Vorrichtung daran laminiert ist.