具有各向異性發光材料的光學器件的制作方法

專利名稱：具有各向異性發光材料的光學器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學器件。
技術背景
在現有技術中公知光學器件。例如，文件DE 33 30 305 Al公開了一種具有液晶 層的窗口，其中可切換層的對準取決于所供給的電壓。在一個實施例中，可切換層由液晶染 料制成。在現有技術中還公知具有熒光層的光學器件。例如，文件DE 31 25 620 Al公開 了一種具有熒光層的窗口。由熒光層發射的光通過全內反射而被導引到光伏電池。在文件 W02006/088369 A2中公開了一種具有光致發光材料分子和膽留醇層的發光材料。所述光致 發光材料分子在單獨的層中靜態對準。
關于現有技術，光學器件以復雜的方式構造，并且需要多個層來進行光吸收和導 引。另一個缺點在于，被發光材料吸收的光的量不可控或者控制費力。發明內容
本發明的總體目的是提供一種用于光吸收和導引的光學器件，其中光吸收被可靠 地可控。
因此，本發明的目的是一種光學器件，其包括
-可切換層；
-至少一個對準層；
-光導引系統
所述可切換層包括用于吸收和發射光的發光材料，從而所述發光材料的對準可 變，并且所述光導引系統導引光，從而所述可切換層與所述至少一個對準層接觸，并且所述 發光材料呈現各向異性特性，所述光學器件包括光能量轉換裝置，其中所述光導引系統與 所述能量轉換裝置物理接觸。
文件JP 06 318766 A公開了一種具有液晶和有機熒光材料的激光振蕩器。在該激 光振蕩器中，光在鏡面之間被導引，從而光在該表面之一上出射。在文件US 2007/0273265 Al中公開了一種發光器件。該器件呈現LED和一種光導引系統。在論文“Anisotropic fluorophors for liquid crystal displays，，(Displays，1986 年 10 月，第 155—160 頁) 中公開了一種用于顯示器的光導引系統，其中該顯示器為液晶顯示器。在這些文件中都沒 有公開通過轉換系統將被導引的光轉換成另一種能量形式。
由于可切換層包括發光材料，因此不需要額外的用于發光材料的層。因此，該光學 器件可以以緊湊的方式構造，并且制造簡單、便宜且省時。此外，發光材料的各向異性特性 導致可控的吸收速度而沒有復雜的機構。
術語“可切換層”是指能夠切換發光材料的對準的層。在一個優選實施例中，使 用電學信號切換發光材料的對準。在可選實施例中，發光材料的對準利用照射到該光學器 件上的特定波長內的光的強度來進行切換。為了清楚起見，術語“可切換層”是指選自液體、凝膠或橡膠和/或其組合的材料。如果使用液體作為可切換層，則優選使用液晶。液 晶可以是熱致變型(thermotropic)或溶致型(lyotropic)的。優選地，液晶是熱致變型液 晶。液晶溶解并對準發光材料，即所謂的客-主系統。液晶優選在所有工作溫度下處于其 向列相。此外，液晶優選具有各向異性液相介電特性，并且可由此使用電場進行對準。優選 地，液晶可以為桿狀和/或盤狀液晶，并且可以呈現各種分子構造，例如單軸平面型、垂直 (homeotropic)單軸型、扭轉向列型、斜交型或膽留醇型。當可切換層是凝膠或橡膠時，凝 膠優選為液晶凝膠，或者橡膠為液晶橡膠。該凝膠或橡膠優選含有具有介電各向異性的介 晶(mesogenic)基團，以便可以使用電場來控制這些基團的對準。對于凝膠和橡膠二者而 言，介晶基團之間的化學交聯足夠低以允許足夠的遷移率而允許使用電場進行切換。在一 個實施例中，凝膠或橡膠允許發光材料溶解在該凝膠或橡膠中，并且作為用于發光材料的 客-主系統。可選地，發光材料被化學交聯到液晶橡膠或凝膠。
對準層優選與可切換層的頂部和/或底部直接接觸。可切換層的頂部和底部的意 思為可切換層的表面平行于可切換層的主延伸面。直接的意思是對準層與可切換層物理接 觸。關于對準層，其優選地指能夠導致發光材料的對準的層。優選地，對準層在電極上包含 聚酰亞胺的雙層或者單一光敏命令表面。聚酰亞胺層可以是被磨面的、磨平的、或者非磨面 的或非磨平的聚酰亞胺層。在對準層是在電極上的聚酰亞胺的雙層的情況下，聚酰亞胺層 是這樣的薄層，其厚度在20nm與400nm之間，更優選在30nm與300nm之間，最優選在50nm 與200nm之間。更優選地，使用作為對準層的在電極上的聚酰亞胺的兩個雙層，從而每個雙 層被層疊為使得雙層結構的聚酰亞胺層最靠近可切換層。在優選實施例中，電極呈現透明 特性。優選地，兩個電極可以被設置在可切換層的頂側和底側的任一側上，或者作為位于可 切換層的一側上的面內構圖的電極，從而可以通過電極來對光學器件施加電壓。
在對準層是光敏命令表面的情況下，通過照射到該光學器件的命令表面上的特定 波長的光的強度來控制發光材料的對準。優選地，通過在200nm與IOOOnm之間、更優選在 300nm與450nm之間的光照射來控制命令表面。光敏命令表面是薄層且可以為自組裝的單 層，該單層最高為50nm的厚度，更優選高至150nm的厚度，最優選高至200nm的厚度。對準 層優選使用光致變的化合物，該化合物可以為偶氮苯、均二苯乙烯、肉桂酸酯(cirmamate)、 α -亞胼基-β -酮酯、螺吡喃、亞芐基苯并吡咯酮或亞芐基苯乙酮。
術語“具有各向異性特性的發光材料”是指這樣的物質，其中光吸收和發射特性取 決于入射光的傳播方向、波長和/或偏振方向。發光材料能夠吸收在光譜(優選對人眼可 見的光譜)的波長的特定范圍內的光。被吸收的光能量大部分被再次發射作為更長波長的 光子。被吸收的光子和被發射的光子的傳播方向不直接耦合到彼此。此外，術語發光材料 包括發光染料或發光量子點。術語量子點的意思是其激子在所有的三個空間方向上都受限 制地半導電顆粒。因此，其能夠吸收超過波長范圍的光并將所吸收的能量發射作為更小波 長范圍的光子。
為了更好地理解，發光材料本身包括可切換層也是可能的即，可以通過施加外部 電場而直接切換發光材料的取向。在另一種情況下，發光材料(客體)受到各向同性的有 機主體(例如各向同性的液體、橡膠或凝膠)支撐。在該優選實施例中，發光材料具有介電 各向異性特性并通過使用所施加的電壓而可直接切換。在該后一種情況下，不需要可切換 的主體，例如在可切換層中的液晶。
光學器件包括能量轉換系統，其中光導引系統與該能量轉換系統物理接觸。能量 轉換系統、介質和光導引系統之間的光學接觸的意思是存在物理接觸。介質優選被夾在光 學導引系統與能量轉換系統之間。因此，是通過物理接觸而使光導引系統與介質物理接 觸以及使能量轉換系統與介質物理接觸。此外，任何可以使光導引系統與能量轉換系統 分離的居間介質至多使得它們分離比光波長小得多的距離，因此沒有形成干涉條紋。優 選地，該介質非常薄，是光學透明粘著層，例如，Norland Optical Adhesive 71 (Norland Products)。能量轉換系統將光轉換成選自熱或電的至少一種能量形式。由于光導引系統 與能量轉換系統之間的接觸，不需要用于將所發射的光聚焦在能量轉換系統上的困難的機 構。因此該光學系統高度可靠且耐用。
優選地，能量轉換系統是至少一個光伏電池和/或光熱轉換器。優選地，能量轉換 系統是光伏電池的陣列。作為光伏電池，可以使用吸收所導引的光的波長的任何類型的光 伏電池。例如，光伏電池可以是使用單晶、多晶或非晶硅的基于硅晶片的電池。可選地，光伏 電池可以是薄膜光伏電池，例如GaAs電池、微晶硅或碲化鎘電池。然而，另一種可能是使用 從使用有機半導體的有機化合物(基于聚合物的光伏電池)或碳納米管構造的光伏電池， 或者是使用包含量子點的光伏電池。
各向異性發光材料優選呈現二向色性的特性。二向色性特性的意思是發光材料沿 著發光材料的第一軸(該軸稱為分子的吸收軸或發光材料的吸收軸)具有強吸收。在發光 材料的任何其他軸中，吸收都較低。在優選實施例中，發光材料對于被偏振為使其電場矢量 平行于發光材料的吸收軸的光呈現高吸收，并且對于被偏振為使其電場矢量垂直于發光材 料的吸收軸的光呈現低吸收。發光材料的吸收軸可以是發光材料的長軸或者發光材料的任 何其他軸。發光材料優選為染料且優選具有熒光和/或磷光特性。此外，由兩種或更多種 不同發光材料構成的復合材料是可能的。
在一個優選實施例中，發光材料是熒光染料。熒光是一種特殊的發光，并且在這種 情況下發生由電磁輻射供給的能量引起原子的電子從較低能態向“受激的”較高能態轉 換；然后，電子以較長波長的光的形式(發光)釋放該額外的能量，此時，其落到較低能態。
優選地，光導引系統通過全內反射而導引所發射的光。當光束相對于表面的法線 以大于臨界角的角度入射到介質邊界時，發生全內反射。如果折射率在邊界的另一側較低， 則沒有光能通過，因此實際上所有的光都被反射。臨界角是這樣的入射角，當大于該角度 時，發生全內反射。優選地，進入的光的100%都被導引在光導引系統內部。
優選地，光導引系統至少包括作為光導引系統的芯部的第一介質和作為光導引系 統的邊緣的第二介質。第一介質的折射率優選等于或高于第二介質的折射率，并且第一介 質包括發光材料。因此，由發光材料發射的光講在兩種介質的邊界表面處被折射，并且，作 為較高折射率的結果，該光被反射回到第一介質中。在優選實施例中，邊界處的折射是全反 射，因此所發射的光通過全內反射而在光導引系統內部被導引。有利地，在光導引過程期間 不損失光強度。太陽能聚光器和/或光纖是光學導引系統的實例。在一個優選實施例中， 光導引系統顯示出以下結構玻璃薄片、對準層、包含各向異性發光材料的可切換層、另一 對準層和另一玻璃薄片。在空氣中，可切換層中的所發射的光在玻璃-空氣界面處基本上 被反射，從而返回到光導引系統中。當然，所發射的光可以通過“法向”反射而在光導引系 統內部被導引。法向反射的意思是入射角不等于用于全反射的臨界角。在本發明中該光導引系統還被稱為波導系統。
可切換層優選至少在被附到支撐裝置的一側上。在優選實施例中，可切換層被夾 在支撐裝置之間。在優選實施例中，光學器件是窗口，其中支撐裝置是玻璃和/或聚合物窗 格(pane)。本發明不限于扁平平面，而是包括已被彎曲、模制或其他形狀的層。合適的窗格 材料對于傳輸通過波導的所發射的輻射而言在很大程度上透明。合適的材料包括透明聚合 物、玻璃、透明陶瓷、以及其組合物。玻璃可以為基于二氧化硅的無機玻璃。合適的聚合物 可以為(半)晶質或非晶的。合適的聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、 環式烯烴共聚物、聚對苯二甲酸乙二酯、聚醚砜、交聯丙烯酸酯、環氧、氨酯、硅橡膠、以及這 些聚合物的組合物和共聚物。在優選實施例中，玻璃為基于二氧化硅的浮法玻璃。可切換 層和發光材料被夾在至少兩個平面(玻璃或聚合物窗格)之間。由于這些平面，保護可切 換層免受機械應力和沾污。因此，發光材料受到支撐，并且發光材料的壽命增加。在本發明 的特定實施例中，薄片玻璃被染色，或者在薄片玻璃與發光材料之間指定額外的染色層。被 染色的薄片玻璃或額外的染色層保護發光材料免受UVA和/或UVB輻射和/或對發光材料 有害的特定波長。
優選支撐裝置為面板狀，并且能量轉換系統被設置在支撐裝置的至少一側上且垂 直于支撐裝置的主延伸面。因此，能量轉換系統的位置是不顯眼的。如果光學器件是窗口， 則能量轉換系統優選被設置在窗口框架中且對于觀察者可見。
優選地，光學器件呈現光吸收和/或光透明特性。此外，所吸收的光和所通過的光 之間的比率優選取決于所施加的電壓。例如，在施加特定的電壓之后，光學器件基本上對光 透明，而在施加不同的電壓之后，光學器件基本上是不透明的。為了改變光學器件的特性， 可以使用不同的電壓或不同種類的電壓分布，鋸齒電壓、方波電壓或梯形電壓。另外，不同 的幅度、波長或頻率也可以改變光學器件的特性。
為了實現不透明和透明特性，可切換層中的發光材料的對準優選相對于可切換層 的主延伸面可變。由于發光材料呈現各向異性特性，發光材料的吸收隨著發光材料相對于 入射光輻射的對準而改變。對于基本上透射的光學器件，例如，發光材料的吸收軸可被設置 為垂直于可切換層的主延伸面。因此，發光材料的吸收軸垂直于入射光的電場矢量的偏振 方向，而較少的光被發光材料吸收。在該情況下，大多數光通過光學器件，即，光學器件的透 明度高而吸收低。在該情況下，發光材料至少以透射狀態對準。相反地，發光材料可以被設 置為使得較少光能夠通過發光材料。對于較高吸收的光學器件而言，發光材料的吸收軸優 選被設置為平行于可切換層的主延伸面，從而平行于入射光的電場矢量的偏振方向。因此， 較多的光被吸收、發射和導引到能量轉換裝置，因此能量轉換率顯著高于透射狀態。在該情 況下，發光材料至少以吸收狀態對準。為了理解起見，所吸收的光優選為日光，從而所有的 偏振方向優選均分。發光材料的吸收帶覆蓋太陽光譜的一部分。為了對光學器件的不透明 和透明特性分級，可以使用光密度。密度是對于給定長度和波長λ的光學元件的透射率的 無單位量度，并且根據下式進行計算
權利要求
1.一種光學器件(1)，包括: 可切換層O) 至少一個對準層(6) 光導引系統(5)其中所述可切換層( 包括用于吸收和發射光的發光材料(3)，從而所述發光材料(3) 的對準可變，并且所述光導引系統(5)導引所發射的光，從而所述可切換層(2)與所述至少 一個對準層(6)接觸，并且所述發光材料C3)呈現各向異性特性，其特征在于，所述光學器 件(1)包括光能量轉換裝置(7)，其中所述光導引系統( 與所述能量轉換裝置(7)物理接 觸。
2.根據權利要求1的光學器件(1)，其特征在于，所述發光材料C3)呈現二向色性特性。
3.根據權利要求1-2的光學器件(1)，其特征在于，所述發光材料C3)是熒光染料。
4.根據權利要求1-3的光學器件(1)，其特征在于，通過全內反射在所述光導引系統 (5)中導引所發射的光。
5.根據權利要求1-4的光學器件(1)，其特征在于，所述能量轉換裝置(7)是光伏電池 和/或光熱轉換器中的至少一種。
6.根據權利要求1-6中任一項的光學器件(1)，其特征在于，所述光學器件(1)包括至 少一個支撐裝置G)，其中所述支撐裝置(4)為面板狀，并且所述能量轉換裝置(7)被設置 在所述支撐裝置的至少一側上并垂直于所述支撐裝置的主延伸面。
7.根據權利要求1-6中任一項的光學器件(1)，其特征在于，所述發光材料(3)被至少 以吸收狀態或以透射狀態對準。
8.根據權利要求1-7中任一項的光學器件(1)，其特征在于，所述發光材料(3)被以散 射狀態中的至少一種狀態對準。
9.根據權利要求7或8中任一項的光學器件(1)，其特征在于，在所述發光材料(3)的 所有狀態下，通過所述發光材料C3)吸收和發射光，并且在所述光導引系統( 中通過全內 反射將該光導引到能量轉換裝置(7)。
10.根據權利要求7-9中任一項的光學器件(1)，其特征在于，在所述透射狀態下，所述 發光材料(3)的吸收軸被設置為垂直于所述可切換層O)的主延伸面(14)。
11.根據權利要求1-10中任一項的光學器件(1)，其特征在于，所述光導引系統(5)包 括至少一個波長選擇鏡。
12.一種使光透射通過根據權利要求7-11中任一項的光學器件(1)的方法，其特征在 于，通過施加具有幅度Al的電勢、電場Vl和/或分別具有特定頻率fl的特定波長λ 1的 光的強度，所述發光材料C3)從吸收狀態轉變為透射狀態，或者相反情況。
13.根據權利要求12的方法，其特征在于，通過施加具有幅度Α2的電勢、電場V2和/ 或分別具有特定頻率f2的特定波長λ 2的光的強度，所述發光材料C3)轉變為散射狀態， 其中幅度Al與Α2不同，電場Vl與V2不同，和/或分別具有特定頻率fl和f2的特定波長 λ 1和λ 2的光的強度不同。
14.將根據權利要求1-11中任一項的光學器件(1)用于窗口、車輛、建筑物、溫室、眼 鏡、安全玻璃、聲障、光學儀器和/或診療器械的用途。
全文摘要
提供一種光學器件(1)。所述光學器件包括可切換層(2)、至少一個對準層(6)、光導引系統(5)，其中所述可切換層(2)包括用于吸收和發射光的發光材料(3)，從而所述發光材料(3)的對準可變，并且所述光導引系統(5)導引所發射的光，從而所述可切換層(2)與所述至少一個對準層(6)接觸，并且所述發光材料(3)呈現各向異性特性，從而所述光學器件(1)包括光能量轉換裝置(7)，其中所述光導引系統(5)與所述能量轉換裝置(7)物理接觸。
文檔編號H01L31/0256GK102037565SQ200980118184
公開日2011年4月27日 申請日期2009年5月18日 優先權日2008年5月21日
發明者C·L·奧斯滕范, C·W·M·巴斯蒂安森, M·G·德比耶 申請人:艾恩德霍芬理工大學