專利名稱：液晶快門和包括這樣一個快門的光屏蔽裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及液晶快門和具有可變化透過密度的電光眼保護裝置，尤其涉及一個液晶快門結構，適用于玻璃護屏或自動變黑的黑玻璃濾波器，響應一個電控制信號，該結構在具有光的高透過的第一個狀態和具有光的低透過的第二個狀態之間是可轉換的，并且反過來也一樣；該結構具有在透明的板之間布置的一個向列型液晶單元，該板具有電極用于響應控制信號提供一個電場。
在有關經過一個孔徑光的透射比的各種應用中液晶快門是有用的，其中應該可能在一個透明的或亮的低光吸收狀態和一個黑的高光吸收狀態之間轉換快門。通過組合偏振濾波器和借助于電感應可對準的液晶分子的層或單元，響應在電感應中的變化使得液晶快門結構的光透射比是可變化的。
在這里的上下文中目前工藝水平的液晶單元包括夾在兩個玻璃板之間的液晶分子，這些板具有相互面對的表面，其中每一個被提供對準裝置(means)用于在缺少電場的情況下對所述對準裝置附近的分子定義一個相應的分子對準方向。對準裝置可以包括一個具有一個物理表面形狀的板表面部分，該物理表面形狀在缺少電場的情況下與液晶分子的形狀相配合。這可以通過在相同方向上處理玻璃板表面完成，使得在這樣一個表面附近的液晶分子趨于與處理方向平行地對準。例如表面可以開槽。通過扭絞玻璃板使得處理方向是不平行的，液晶分子的螺旋結構在玻璃板之間形成。例如，標準的90°曲折向列線(TN)單元包括兩個相互面對的表面，這兩個表面在玻璃板的分子對準方向之間形成一個90°的扭絞角。在共同未決但還沒有發表的專利申請SE 9401423-0和相應的PCT/SE95/00455中已經描述了較小的扭絞角。被使用的液晶類型的分子具有一個固有的介質各向異性并且因此當具有比一個單元特定的門限值高的電壓的一個電場的作用時能夠基本上被對準。在單元中的螺旋結構隨后被分解并且根據電場晶體分子被定向取代。當放置在偏振器之間時，這樣一個單元組件的透過密度能夠通過改變作用的電場來控制。用這樣一個液晶單元放置在交叉的偏振器之間，單元結構在缺少任何激勵電壓的情況下具有一個高透射比并且被認為具有一個正常的白模式。相反，在平行的偏振器之間放置該單元導致了在缺少激勵電壓的情況下一個具有低透射比的單元結構并且被認為具有一個正常的黑模式。一個具有高透射比的裝置意味著光可以通過該裝置而僅有很少光強度的降低。一個高透射比也可以被稱為一個低光密度或者一個低色調數。相反地，一個具有低透射比的裝置可以被描述為具有一個高光密度和一個高色調數。
光密度一般地定義為D＝1+7/3X10log(1/T)其中T是透過系數。
特別是當上述目前工藝水平的快門的種類作為例如眼保護裝置，如一個自動變黑的黑玻璃護屏，其中黑玻璃根據檢測的黑光被激活和變黑的一個光濾波器應用時，由于安全的原因重要的是保證獲得從亮狀態到黑狀態可能的最快的響應時間。
基本上，在液晶單元的工作中包括兩個轉換時間。第一個轉換時間包括當驅動電壓作用時轉換單元從非激活狀態到激活狀態并且一般地對于晶體反應的時間小于一毫秒。第二個轉換時間與相反的過程一起發生，這里當驅動電壓去除時晶體松弛發生并且需要大約20倍的較長時間。
因此，對于要求從亮狀態到黑狀態非常快的轉換時間的快門，通常在正常的白模式使用液晶單元。然而，如果驅動電子線路出故障和由于某種原因不能提供激活電壓，目前工藝水平的正常的白模式快門具有遺留在潛在危險的亮狀態的缺點。根據現有技術，通過在正常的黑模式中使用一個單元能夠緩和這個問題，但這是以從亮到黑的保護狀態的轉換速度為代價的。因此，這不是一個滿意的解決方案。如果黑玻璃護屏具有一個從亮狀態到黑狀態的長的轉換時間，使用黑玻璃護屏的人就在黑操作的開始長時間施加高亮度的光。
歐洲標準EN 1691992“用于黑玻璃和相關的技術的人眼保護濾波器-透射比要求和推薦的使用”規定了在非激活狀態和黑的黑狀態之間在色調數步距中最大容許差別應該不大于9個色調數。例如，在黑狀態達到一個色調數13的黑濾波器，因此在非激活狀態不比色調數4更亮。為了在一個黑操作的開始之前提供足夠的光強度給用戶，有一個公知技術的改進用于自動地變黑黑濾波器，在亮狀態中3的范圍提供一個色調數。因此取代了這個問題以獲得一個滿意的色調的黑狀態。
本發明的一個目的是解決上述的問題。
本發明也涉及到獲得一個液晶快門的問題，該快門在缺少強光的情況下提供一個滿意的亮狀態，并且在存在強光的狀態下還提供滿意的黑狀態。
由本發明解決的另一個問題并且為本發明的一個目的是在非激活狀態獲得一個具有一個增加的光密度值(或色調數)的液晶快門。
本發明的另一個目的是提供一個遮光罩裝置和一個在非激活狀態具有增加的透過密度值(或色調數)的黑玻璃結構用于獲得一個改進的安全等級的目的。
另一個目的是提供一個液晶快門，通過它的透射比的等級指示它是否在起作用的狀態。
還有一個目的是提供一個液晶快門，它使用在相互交叉的偏振器之間放置的至少一個液晶元件以便從亮狀態到黑保護狀態保持一個快的轉換時間。
另外一個目的是獲得提到種類的快門，在它的黑狀態具有一個高對稱色調的幾何形狀和在激活的黑狀態具有一個大的對比范圍。
根據本發明，這些目的可以通過提供給電壓可控制液晶單元而獲得，該液晶單元放置在角扭絞的偏振器之間并且具有相對于入射光波長變化的透過特性，有一個濾波器在可見的波長范圍內具有一種透過特性，該特性在缺少作用在所述單元上的控制電壓的情況下與液晶單元的透過特性互補。
這樣，根據本發明的一個方面，在非激活狀態對于特定的波長范圍具有高透射比的一個正常的白模式液晶單元與在所述特定的波長范圍減少透射比的帶通濾波器組合，使得在所述非激活狀態獲得一個變黑的狀態。另外，帶通濾波器被設計為對于一些波長具有高透射比，這些波長由液晶單元在它的激活狀態以一個可控制的透射比被發送。因此，提供的本發明的液晶快門結構在非激活狀態具有低透射比，在第一激活的亮狀態具有高透射比以及在第二激活的黑狀態具有低透射比，同時保持從亮到黑狀態的快響應時間。換句話說，液晶單元和帶通濾波器應該被設計和匹配使得在一定的波長范圍依賴帶通濾波器的透過特性的波長實質上是與在缺少電場的情況下依賴液晶單元的透過特性的波長互補的。
現在參照它的示范實施例并且也參照附圖將更詳細地描述本發明，其中
圖1是根據本發明的一個裝置的第一個實施例的部件分解示意圖。
圖2是根據本發明的一個裝置的第二個實施例的部件分解示意圖。
圖3A以實線展示了在缺少控制信號的情況下依賴一個90°曲折向列線液晶單元的透過特性的波長，以及圖3A以虛線也展示了依賴帶通濾波器的透過特性的波長。
圖3B以實線展示了在第一驅動電壓的作用下在第一激活狀態依賴90°曲折向列線單元的透過特性的波長。
圖3C展示了在第二驅動電壓的作用下在第二激活狀態根據圖3A和3B的單元的透過特性。
圖4A以實線展示了在缺少控制信號的情況下依賴一個0°曲折向列線單元的透過特性的波長，以及圖4A以虛線也展示了依賴帶通濾波器的透過特性的波長。
圖4B展示了在第一控制電壓的作用下依賴根據圖4A的單元的波長。
圖4C展示了在第二控制電壓的作用下依賴單元的透過特性的波長。
圖5說明了根據本發明的一個實施例作為施加到一個裝置的控制電壓的一個函數的對于該裝置的光透射比特性。
圖6說明了根據本發明包括一個延遲薄膜的裝置的第三個實施例。
圖7展示了根據本發明包括一個延遲薄膜的一個裝置的透過特性和沒有任何補償的延遲薄膜的裝置的透過特性。
圖8A和8B說明了根據本發明用于不同裝置的色調的幾何形狀。
圖9展示了根據本發明的一個實施例用于一個裝置的色調的幾何形狀。
圖10說明了作為施加到一個現有技術裝置的控制電壓的函數的光透射比特性。
圖1展示了根據本發明的一個液晶快門結構1的實施例的部件示意圖。一個向列型液晶單元2包括具有可連接到電壓源并且被提供裝置用于定義板表面附近的分子的對準方向的電極的透明板，由此在板之間缺少電場的情況下使得液晶分子方向對準。根據本發明在分子對準方向之間的分子對準中的角度差(也稱為扭絞角)可以是例如0°。另一個角度差可以是大致上90°，或者在90°和0°之間的一個值。液晶單元2被布置在具有相互正交的偏振方向的兩個偏振器3和4之間。同時提供給結構1一個帶通濾波器5，該濾波器位于通過結構1的光束LB的路徑上。快門結構可以選擇地包括一個具有除去紫外線光和紅外線光的功能并且同時限制了波長范圍的干擾濾波器6。根據本發明的另一個方面帶通濾波器5也截斷紫外線光和紅外線光。
圖2展示了快門結構的另一個實施例，該結構包括一個第一偏振器3，一個第一液晶單元2，其偏振方向是與第一偏振器3的偏振方向成直角的一個第二偏振器4，一個第二液晶單元6，具有如第一偏振器3相同的偏振方向的一個第三偏振器7，以及一個帶通濾波器5。
圖3A、3B、3C以實線展示了具有各向異性Δn和單元厚度d的乘積Δn*d＝0.80微米的一個90°曲折向列線單元的頻譜響應。圖3A、3B、3C也以虛線展示了一個帶通濾波器的頻譜響應。在圖3A、3B、3C中的曲線圖說明了大致在可見波長范圍作為波長的函數繪制的透過速率。在圖3A中，實線畫出的曲線展示了放置在分別以相對于進入分子方向矢量成45°和135°對準的交叉的偏振器之間的在電非激活時期具有0.78微米的Δn*d值的一個90°曲折向列線單元的頻譜響應。在這個非激活時期該單元在400nm的范圍中具有一個透過最大值以及在550nm的范圍中有一個透過最小值。虛線曲線展示了帶通濾波器的頻譜響應，該濾波器具有一個可見頻譜，即在500到600nm的波長范圍中的中心部分的高光透射比。當組合這樣一個液晶單元和具有這個特性的一個帶通濾波器時，在500到600nm范圍上的液晶單元的低透射比與在350到500nm的范圍中以及620nm和620nm以上的帶通濾波器的低透射比一起導致獲得了一個全面的黑狀態。
圖3B如圖3A一樣展示了在第一個激活狀態當2.5伏范圍的一個小驅動電壓施加到液晶單元時相同的液晶單元和相同的帶通濾波器的頻譜響應，。從曲線圖中很清楚液晶單元和帶通濾波器的透過最大值同時發生在500到600nm的可見波長范圍。這樣，在這個第一激活狀態組合的系統是在一個透明的、高透射比的模式。
圖3C再次展示了圖3A和圖3B的系統部件的頻譜響應，現在是施加的電壓在5伏的范圍的第二電激活狀態。由于提供這個較高的電壓，液晶單元的透射比在可見波長范圍的中心部分再次減少。事實上通過從大約2伏和2伏以上改變電壓直到液晶單元達到透射比最小值在可見波長范圍可以控制透射比。這樣一種組合結構的液晶單元部件以一種類似于正常白模式的方式操作并且因此根據本發明用于裝置的轉換時間是有益的短。在板之間缺少電場的情況下組合具有一個在單元恢復到黑的靜止狀態的裝置的優點以獲得這個好處。結合圖5將進一步詳細地描述這一點。
圖4A展示了一個0°曲折向列線單元和一個帶通濾波器的頻譜響應。實線畫出的曲線展示了放置在分別以相對于進入分子方向矢量成45°和135°定向的交叉偏振器之間的在非激活時期具有0.55微米的Δn*d值的一個0°雙折射單元的光學響應。虛線曲線展示了被選擇具有在可見頻譜，即在500到600nm的范圍的中心部分上一個高光透射比的帶通濾波器的頻譜響應。由圖4A能夠看出在可見波長區域的中心部分500到600nm中液晶單元的透過最小值與帶通濾波器的透過最大值同時發生。這樣，當根據本發明組合這個液晶單元和帶通濾波器時，獲得一個低透過狀態。當在單元上的電壓是零時，也就是在液晶單元的板之間缺少電場的情況時。
圖4B展示了施加的電壓在2伏和3伏之間的相同的液晶單元和帶通濾波器的頻譜響應，并且如上面已經解釋的隨后獲得一個透明的狀態。
圖4C展示了具有提供5伏電壓的第二激活狀態。第二激活狀態是如上面已經解釋的獲得的黑狀態。
計算表明主要有兩種單元類型來表示這種現象。第一種是放置在分別以相對于進入分子對準引向器成45°和135°對準的交叉的偏振器之間的在0.80微米的范圍具有一個Δn*d值的一個90°曲折向列線單元。另一種單元類型是還具有分別以相對于進入分子對準方向成45°和135°定向的偏振器在0.55微米的范圍具有一個Δn*d值的一個0°(未扭絞)雙折射單元。
根據本發明的一個遮光罩裝置包括一個傳感器用于響應一個檢測的光的強度提供一個傳感器信號。傳感器信號提供到一個包括一個信號發生器的控制器。設立該信號發生器以響應傳感器信號產生一個控制信號。
根據本發明的一個液晶結構包括一個液晶單元，該單元具有提供有電極的兩個表面用于在這些表面之間提供一個電場。通過施加控制信號到電極產生電場。當控制信號施加到電極時，一定的控制信號電壓將在電極之間在液晶單元中產生一個相應的電場。
圖5展示了相對于施加的電壓所繪制的組合透過密度或色調數的一個液晶單元的電光特性的曲線。圖5的曲線展示了一個8微米90°曲折向列線單元的電光特性，用于這個例子的目的，給出一個大約0.78微米的Δn*d值的Merck mlc 6096液晶。一個單元放置在分別以相對于進入分子引向器矢量成45°和135°對準的交叉偏振器之間并且與在500和600nm的范圍可見頻譜的中心部分上具有一個高光透射比的帶通濾波器放在一起。在非激活時期，在缺少控制信號電壓的情況下，光密度值恰恰在5.5以上。當施加一個大約2伏的電壓時在第一個激活狀態光密度值減少到大約3.3，該狀態比在非激活狀態使它變得更加的透明。由于施加的電壓在2伏以上高到10伏的范圍光密度值在第一個激活狀態獲得的最小值和高到大約11的一個值之間的范圍中是可變的。
盡管一個在7.81微米的范圍有Δn*d的90°曲折向列線單元在平行表面法線的方向上具有良好的電光特性，這種單元組合的光的角度特性在要求一個寬的視野的應用中可能有些不夠用。將兩個這樣的單元布置在一起，使得面對面的分子對準方向大致上是垂直的，根據本發明提供了另一個優點。這種布置產生了一定的單元補償的角度并且可以獲得足夠的視野。在圖2中描述了本發明的這樣一個實施例并且例如應用在一個自動地變黑黑玻璃濾波器中。
由于一個低扭絞角和一個降低的Δn*d參數，可以發現在0.5微米的范圍具有Δn*d的0°雙折射單元的有益的光角度特性是很有利的并且顯然的適用于一個單個的單元和一個雙單元液晶快門結構。這種有益的特性提供一個寬的和對稱的視野。然而，當驅動甚至在10伏范圍的電壓時由于在0°單元存在大的剩余光延遲，來自這樣一個裝置的可得到的單元對比度與一個90°曲折向列線液晶單元的對比度相比是小的。根據本發明的一個實施例，借助于一個附加的補償延遲薄膜改進了單元的對比度。在0°雙折射單元實施例中一個大約20到50nm的小延遲值是合適的。為了使補償效果達到最大，最好對準延遲薄膜使得固定軸的方向垂直于進入和退出分子方向的矢量。用于0°雙折射單元的補償延遲層可以例如是一個具有25到30nm之間的一個值的單個的、單軸伸展的延遲薄膜的形式。在另一個實施例中，補償延遲層可以借助于被對準的延遲薄膜實現使得由這兩個薄膜產生的凈的總延遲由在薄膜片的兩個值之間的差給出。由于例如在快門結構中應用的一個27nm補償延遲薄膜，單元組合的最優Δn*d值從0.55微米增加到0.77微米。
圖6大體上根據本發明展示了一個延遲薄膜10的預備的位置。在圖6中延遲薄膜10定位在偏振濾波器3和4之間的液晶單元2的一側。另一種情況延遲薄膜可以被包括在分子對準引向板之間的液晶單元2內。
圖7展示了一個包括一個4微米的0°雙折射單元的液晶結構的電光特性。在這種情況下包括給出一個大約0.52微米的Δn*d值的Merck ZLI-4246液晶的雙折射單元放置在相對于進入分子引向器矢量成45°和135°對準的交叉的偏振器之間。與上面的實施例相一致，該單元與一個帶通濾波器放置在一起，這個帶通濾波器在可見頻譜的中心部分上，也就是在500到600nm的范圍具有一個高光透射比。曲線20展示了沒有任何補償延遲薄膜的單元組合的光學響應，而曲線22展示了一個包括一個定向的26nm的補償延遲薄膜的單元組合使得固定的軸垂直于進入分子引向器。在這個圖中可以清楚地看出在具有補償延遲薄膜的單元對比度中的改進。
圖8A、8B和圖9大體上展示了用于上述單元組合的在中心觀察圓錐中的色調幾何形狀。更準確地說，圖8A展示了一個90°曲折向列線的單個單元的色調幾何形狀A，并且很清楚色調幾何形狀在相當大的程度上是不對稱的，盡管單元對比度仍然是高的。圖8B展示了安裝了不對稱的偏振器的兩個90°曲折向列線單元的組合的色調幾何形狀A和B。來自每個單元的色調幾何形狀仍然是不對稱的，但在組合中獲得具有高對比度的一個合成的對稱的色調幾何形狀。相反，借助于一個0°低扭絞單個單元獲得一個很大程度上對稱的色調幾何形狀，如圖9所示，并且與一個延遲薄膜組合獲得具有一個高對比度的一個基本上對稱的色調幾何形狀。
權利要求
1.一個液晶快門結構，適用于玻璃護屏或自動變黑的黑玻璃濾波器，響應一個電控制信號，該結構在具有光的高透過的第一個狀態和具有光的低透過的第二個狀態之間是可轉換的，并且反過來也一樣；該結構具有在透明的板之間布置的一個向列型液晶單元，該板具有電極用于響應控制信號提供一個電場；所述板具有相互面對的表面，每個表面被提供對準裝置用于在缺少所述電場的情況下對所述對準裝置附近的分子定義一個相應的分子對準方向；并且所述液晶單元安裝在偏振器之間，其特征在于所述液晶快門結構包括一個帶通濾波器，所述液晶單元和所述帶通濾波器被設計使得在一定的波長范圍帶通濾波器的透過特性的波長依賴性實際上與在缺少電場的情況下液晶單元的透過特性的波長依賴性互補。
2.如權利要求1所述的一個快門結構，其特征在于，所述帶通濾波器在第一個波長范圍具有一個透過的最大值；并且選擇液晶單元的厚度使得它在缺少一個電場的情況下在第二波長范圍具有一個透過的最小值，所述第二波長范圍大致上相應于所述第一個波長范圍。
3.如權利要求1或2所述的一個快門結構，其特征在于，兩個相互面對的表面在分子對準方向之間提供一個角度差，所述角度差是90°；并且在光各向異性和單元的厚度之間的乘積大致上是0.8微米。
4.如權利要求1或2所述的一個快門結構，其特征在于兩個相互面對的表面提供平行的分子對準方向，并且在光各向異性和單元的厚度之間的乘積大致上是0.55微米。
5.如權利要求4所述的一個快門結構，其特征在于一個延遲薄膜布置在偏振器之間。
6.如權利要求5所述的一個快門結構，其特征在于延遲薄膜布置在液晶單元的透明板之間。
7.如前面任何權利要求所述的一個快門結構，其特征在于所述偏振器具有大致上正交的偏振方向。
8.如前面任何權利要求所述的一個快門結構，其特征在于該結構包括另一個被布置在所述偏振器中的一個和另外一個偏振器之間的向列型液晶單元，所述一個偏振器和所述另外一個偏振器具有大致上正交的偏振方向。
9.如前面任何權利要求所述的一個快門結構，其特征在于所述一定的波長范圍是可見波長范圍，即基本上在500nm和600nm之間的中心部分。
10.一個光屏蔽裝置，包括如前面權利要求中任何一個所述的一個快門結構。
11.如權利要求10所述的一個光屏蔽裝置，其特征在于，它包括傳感器裝置，用于響應光的強度提供一個傳感器信號；以及一個信號發生器用于響應所述傳感器信號產生所述電控制信號。
全文摘要
一個液晶快門結構,適用于玻璃護屏或自動變黑的黑玻璃濾波器,響應一個電控制信號,該結構在具有光的高透過的第一個狀態和具有光的低透過的第二個狀態之間是可轉換的,并且反過來也一樣;該結構具有在透明的板之間布置的一個向列型液晶單元,該板具有電極用于響應控制信號提供一個電場。該板具有相互面對的表面,每個表面被提供對準裝置用于在缺少所述電場的情況下對所述對準裝置附近的分子定義一個相應的分子對準方向。液晶單元安裝在偏振器之間并且包括一個帶通濾波器。液晶單元和帶通濾波器是匹配的使得在一定波長范圍帶通濾波器的透過特性的波長依賴性大致上與在缺少電場的情況下液晶單元的透過特性的波長依賴性互補。
文檔編號G02F1/1347GK1200661SQ96197859
公開日1998年12月2日 申請日期1996年10月25日 優先權日1995年10月26日
發明者阿克·霍內爾, 斯蒂芬·帕爾墨 申請人:霍內爾國際公司