專利名稱：液晶快門的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶快門，它適用于電光護目裝置，遮光罩和自動變暗的黑玻璃濾光片，然后更具體地涉及與下面權(quán)利要求1前序相應(yīng)的各種結(jié)構(gòu)。
液晶快門在涉及光通過一個孔徑的透光度中有各種應(yīng)用，孔徑內(nèi)的液晶快門能在低透射密度值的低吸光狀態(tài)與高透射密度值的高吸光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。將偏振濾光片與液晶單元結(jié)合在一起，液晶能在電場作用下排列，現(xiàn)代技術(shù)的液晶快門透光度可以做到隨電場作用的變化而改變。
這類快門很適用于作為如護目裝置的濾光片，諸如自動變暗的黑玻璃屏。然而，現(xiàn)有技術(shù)的液晶快門存在這樣的問題，即透射密度是非對稱的，且與透射光的入射角有關(guān)。當外加電場為通常中等電壓2V與10V范圍驅(qū)動時，這種角度依賴關(guān)系是由于分子隨外加電場的排列不完全，并且在有寬廣視場要求的應(yīng)用中特別不利。另一個問題是，這種現(xiàn)有技術(shù)的快門消耗功率大，導致很快耗盡移動式設(shè)備中的干電池，并且有眾所周知的經(jīng)濟方面以及安全與環(huán)境方面的問題。
本文中，當代技術(shù)的液晶單元是由兩個定界玻璃板之間伸長分子的液態(tài)混合物組成。面向玻璃板表面層的液態(tài)混合物作了處理，使排列導向器，如溝槽，有相同的方向，靠近這種表面層的液晶分子趨向于與導向器平行方向排列。扭轉(zhuǎn)玻璃板，使導向器不平行，液晶分子的螺旋結(jié)構(gòu)就在這兩個玻璃板之間形成。例如，在兩個玻璃板的分子排列方向之間為90°扭轉(zhuǎn)角時，形成了標準的90°扭轉(zhuǎn)向列(TN)單元。通常在本文中所用液晶分子有內(nèi)在的正介電各向異性，所以在外加電場電壓大于液晶單元特定閾值時，液晶分子大部分能排列整齊。液晶單元中螺旋狀分子結(jié)構(gòu)在電場作用下分解，取而代之的是，晶體分子沿著電場取向。當這種液晶單元組放在兩個偏振片之間時，其透射密度可以通過改變高于閾值電壓的外加電場加以控制，因此透射特性曲線一般是漸近線。然而，上述光學角度的非對稱性是在這一電激活狀態(tài)出現(xiàn)的。
液晶單元中的雜質(zhì)易于干擾液晶結(jié)構(gòu)，尤其是看來不可避免的堿土金屬離子的存在，導致電激活狀態(tài)下漏電流通過液晶單元。若液晶單元的開與關(guān)是由直流(DC)電壓或低頻電壓驅(qū)動，則這種雜質(zhì)離子可以向排列層遷移，并埋置在液晶單元內(nèi)表面。一旦去掉驅(qū)動電壓，該晶體兩端的電場可能由于俘獲離子而仍然存在，且可能影響液晶單元的開與關(guān)。所以，液晶單元通常由交變電壓驅(qū)動，如方波電壓驅(qū)動，其極性快速切換以避免雜質(zhì)離子遷移及隨后的液晶單元性能下降。在這些條件下，液晶單元近似于平板電容器，在極性反轉(zhuǎn)下必然要不斷地充電和放電。液晶單元的漏電流以及持續(xù)的充電和放電導致電激活狀態(tài)下功耗大。
在給Gunz等人的美國專利5,315,099中，建議通過加上0.1赫茲范圍相對低頻電壓，減少液晶單元的功耗，此液晶單元包含一耐腐蝕層以及腐蝕中性液體或抗腐蝕添加劑。為了減小液晶單元靈敏度不致由于溫度漲落和電壓源不穩(wěn)定造成光密度變化，液晶單元工作時的驅(qū)動電壓要遠遠高于閾值電壓，這樣做對兩個電壓極性下的光透射非對稱性還有緩和效果。然而，美國專利5,315,099中描述的液晶單元是在遠遠高于達到透射密度漸近線峰值范圍的電壓下工作，所以，該液晶單元基本上是一兩態(tài)快門。
用低頻電壓乃至直流電壓驅(qū)動液晶單元的其他缺點是，譬如，使用壽命下降，電化學變化以及液晶單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部各層充電。特別是，當驅(qū)動電壓接近閾值電壓時，充電效應(yīng)導致光學非對稱性和不穩(wěn)定的透射率。這些缺點也被液晶單元制造商的技術(shù)說明書確認，其中規(guī)定僅僅能適用于很小的直流分量。
在本文中，典型的液晶單元結(jié)構(gòu)由插入兩個互相正交偏振濾光片之間的扭轉(zhuǎn)向列(TN)型液晶單元組成，其中定界壁是由沿特定方向被劃過或擦過的塑料層形成，此特定方向就是所謂的排列方向，所以，液晶定界面中的結(jié)構(gòu)迫使向列分子都取特定的角度位置，并且使分子在所述定界面之間互相扭轉(zhuǎn)了90°。其他的表面處理方法各有各的效果，這在此專業(yè)中也是熟知的。在電非激活狀態(tài)下，當光通過濾光片后，其偏振面轉(zhuǎn)過90°，液晶單元變成透明的。通過外加電場，這種向列分子的轉(zhuǎn)動多多少少能被止住，于是也能獲得可控制的濾光片效果。然而，這一類液晶單元在其暗的、電激活狀態(tài)下，其透射率隨角度而變化相對地較強，光以外直角入射時，光的吸收率隨之變化，由于最靠近表面并受表面效應(yīng)約束的向列分子仍然產(chǎn)生殘余旋光性，這種非對稱性會進一步擴大。因此，當入射光相對于法線(即垂線)的角度增大時，濾光片在排列方向之間兩個平分角線方向上變得更加透明，在正交偏振片的兩個方向上沿一個平分角線方向相對不變，而沿另一個平分角線方向則變暗。
眾所周知，將兩個轉(zhuǎn)過90°的TN液晶單元組合起來補償透射率變化效應(yīng)，使一個TN液晶單元的“弱”平分角線與另一個“強”平分角線重合，反之亦然。然而，盡管有了這一補償，視場仍然不均勻，給用戶帶來麻煩。
有關(guān)透射率依賴于角度的非對稱性，在專利申請SE 9401423-0及相應(yīng)的PCT/SE95/00455中描述的技術(shù)對此做了改進，此專利申請仍在審理中，還未發(fā)表。這些文件展示了一種液晶單元結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)包括兩個向列型液晶單元和一個電驅(qū)動分子排列裝置，每個液晶單元備有確定分子排列方向的分子取向板，兩個排列方向在非激活狀態(tài)下互有角位移，電驅(qū)動分子排列裝置用于激活狀態(tài)下分子的受控排列。液晶單元中每一個都放置在兩個互相消光的偏振濾光片之間，液晶單元的分子排列方向轉(zhuǎn)動到這個位置，使得加上電壓時，在液晶單元相應(yīng)的非對稱光吸收率之間獲得一種補償效果。按照這些專利申請，兩個液晶單元中至少有一個，其表面分子排列導向器之間的角度小于上面提到的90°扭轉(zhuǎn)角，通過這個方法緩解了透射率依賴于角度的問題。為了能在兩個不同的液晶單元上加相同的電壓，從而簡化所需電路，在SE 9401423-0和PCT/SE95/00455技術(shù)中使用兩個完全相同的液晶單元是方便的。
上述技術(shù)對于快門結(jié)構(gòu)透明狀態(tài)下低吸收率還做了改進。此外，這種快門結(jié)構(gòu)如用在護目的黑玻璃中，它在黑暗狀態(tài)下有可變的暗度，以便同一個擴目玻璃可用于非常強的焊接光以及十分弱的焊接光下，所以各種類型的焊工工作可以使用同一個護目玻璃屏進行，達到最大陰度的使用范圍。專業(yè)人員已經(jīng)知道，加上不同電壓可以改變旋光性，在早期已知的技術(shù)中，當液晶單元兩端的電壓增加時，透射密度依賴于角度的不均勻性更令人頭痛。
使用小于90°扭轉(zhuǎn)角的液晶單元時，這種液晶單元通常稱為“低捻液晶單元”，所遇到的問題之一是，在透明狀態(tài)下獲得高的透光度，同時，在暗狀態(tài)下得到足夠低的透光度。因此，按照SE 9401423-0和PCT/SE95/00455技術(shù)的一個方面，選用一種“對稱的”偏振濾光片布置。當兩個偏振濾光片放置成90°的交叉角時，宜于安裝一個低捻液晶單元，使它的兩個表面處理方向之間的平分角線基本上與兩個濾光片偏振方向之間的平分角線重合。于是，在器件的電非激活狀態(tài)下，即它的透明狀態(tài)下，得到最大的透光度。
按照SE 9401423-0和PCT/SE95/00455技術(shù)中一個實施例，減小液晶單元的厚度也是方便的。尤其是，減小厚度使開關(guān)時間縮短，因為開關(guān)時間反比于液晶單元厚度的平方。因此，在其他相同的條件下，將液晶單元厚度從4mm減小到3mm，開關(guān)時間能夠減少50％數(shù)量級。使用低捻(low twist)液晶單元，可以減小液晶單元厚度，這是由于發(fā)現(xiàn)了厚度乘上光學各向異性的值，扭轉(zhuǎn)角與明亮狀態(tài)即透明狀態(tài)下透光率之間存在一種依賴關(guān)系。可以利用這種依賴關(guān)系制造一種護目黑玻璃，它具有良好的光學角度性質(zhì)，透明狀態(tài)下高的透光率，以及快速的狀態(tài)切換性質(zhì)。這一情況只有使用低捻液晶單元以及偏振濾光片放置成上述的對稱方式下才是可能的。
這個厚度問題的基本原因是，沒有顯著厚度的液晶單元對入射的偏振光的旋轉(zhuǎn)不會完全，而是發(fā)出橢圓偏振光。當這一液晶單元放置在兩個互相正交的偏振濾光片之間時，透射率會隨液晶厚度作周期性變化。
按照SE 9401423-0和PCT/SE95/00455技術(shù)中另一個實施例，可以反對稱地放置一個低捻液晶單元，其意思是，液晶單元中兩個處理過的分子排列方向(擦劃方向)之間銳角的平分角線方向與兩個互相正交偏振片中之一的偏振方向重合放置。在非激活狀態(tài)下，這種結(jié)構(gòu)顯示出相對低的透光率，但是在加上適當?shù)碾妷簳r，得到更加透明的狀態(tài)，當電壓再增加時，這一更加透明的狀態(tài)回到一了般較暗的狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點是，電壓下降不會導致光吸收率下降，且保留已知的保護效果。這能使護目黑玻璃的現(xiàn)有標準更容易保持，即使在高暗度情況下也如此。該標準要求調(diào)整狀態(tài)與失去電流源狀態(tài)之間的差最大為9黑暗度。這種要求可以利用兩個非對稱低捻液晶單元且使偏振片反對稱放置，或者，一個有對稱放置偏振片的液晶單元和一個有反對稱偏振片的低捻液晶單元。
SE 9401423-0和PCT/SE95/00455中所述低捻技術(shù)解決了液晶單元結(jié)構(gòu)與角度有關(guān)的問題，還提供了一種與電壓有關(guān)，可變的透射密度結(jié)構(gòu)，但是用于當代技術(shù)的電路驅(qū)動方法，功耗仍然相對地高。
本發(fā)明要解決的問題是，因此也是本發(fā)明的目的是，獲得一種可變的透射密度和改善角度性質(zhì)的液晶快門，即，減小透射密度對角度依賴關(guān)系的液晶快門，且功耗小。
本發(fā)明的另一些目的是，提供一種遮光罩裝置以及有可變的管射密度和改善角度性質(zhì)的黑玻璃結(jié)構(gòu)，且功耗小。
按照本發(fā)明，藉助低頻電壓或直流電壓驅(qū)動一種低捻液晶單元結(jié)構(gòu)，解決了上述問題，達到了本發(fā)明的目的。解決上述問題的一般原理是改變液晶單元結(jié)構(gòu)的電光特性，使獲取特定透射(光)密度所需驅(qū)動電壓值與閾值電壓值之差大于以前已知值。換句話說，依賴于外加電壓的透射率特性曲線漸近線延伸到更寬的電壓范圍。結(jié)果，實用中控制透射率所加的電壓比當前技術(shù)中所加的電壓在更高的電壓值下更寬的范圍內(nèi)變化，從而把低頻驅(qū)動電壓的限制減至最小。
因此，按照本發(fā)明的一個方面，為了達到改變液晶單元結(jié)構(gòu)透射率特性的目的，改變了“扭轉(zhuǎn)向列理論”中以前熟知的通常為90°扭轉(zhuǎn)角概念，取而代之的是，采用小于85°的較小角度，此角度最好在20°至85°之間，某些實施例中甚至在從高于0°至20°的范圍。雖然單個液晶單元光學透射視場的非對稱性變得更加嚴重，但將兩個這種晶體單元組合在一起時，仍然獲得改進的視場均勻性。
本發(fā)明的其他方面涉及可變透射密度和功耗。迄今為止，按照熟知的液晶技術(shù)說明，這種液晶單元的組合一直是在高頻驅(qū)動電壓下運行，以避免上述低頻驅(qū)動電壓帶來的缺點。將低捻結(jié)構(gòu)中的透射特性曲線延伸，上部暗區(qū)范圍內(nèi)的透射密度值可以藉助較高的驅(qū)動電壓加以改變，且按照本發(fā)明，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，上述事實允許較低頻的驅(qū)動電壓。在黑玻璃濾光片應(yīng)用中，透射密度值或灰階數(shù)通常定義為D＝1+7/3×10log(1/T)，其中T是透射系數(shù)，實際使用時的臨界值在9至14范圍。因此，本發(fā)明幾個優(yōu)選實施例的快門結(jié)構(gòu)是用頻率小于1hertz的電壓，甚至用直流電壓驅(qū)動， 電壓極性是以一預置的速率切換。
本發(fā)明現(xiàn)參照示范性的幾個實施例以及參照附圖加以詳細描述，其中

圖1是包含90°扭轉(zhuǎn)向列單元的已知液晶快門的分解圖；圖2畫出按照本發(fā)明中液晶單元的兩塊液晶定界板；圖3表示不同液晶單元組合的透射率特性曲線；圖4a，4b和4c表示現(xiàn)有技術(shù)快門結(jié)構(gòu)的透射率非對稱效應(yīng)例子；圖4d表示與現(xiàn)有技術(shù)比較，在不同透射密度值和不同制造性的液晶單元組合中運行在低頻下得出的透射率非對性程度；圖5a和5b是按照本發(fā)明運行液晶快門幾個說明性實施例的電路方塊圖；圖6畫出最佳扭轉(zhuǎn)角隨光學各向異性與液晶單元厚度乘積變化的曲線；圖7表示按照本發(fā)明包含延遲膜的器件的透射率特性曲線以及沒有任何補償延遲膜的器件的透射率特性曲線，圖8表示本發(fā)明一個實施例中帶延遲膜的原理圖。
圖1的原理分解圖畫出護目黑玻璃的各種元件。最外邊的元件是干涉濾光片1，它也起到了消除紫外(UV)光和紅外(IR)光以及限制波長范圍的作用。接下來的是第一偏振濾光片2，即偏振片，第一旋光液晶單元3，第二偏振濾光片4，其偏振方向與第一偏振濾光片2的偏振方向成直角，第二旋光液晶單元5，以及第三偏振濾光片6，它與第一偏振濾光片2有相同的偏振方向。這一安排還可以任選地包括一個所謂的賓主單元7。這后一單元不是一個旋光單元，而是包含一向列型液晶，藉助于制備的玻璃表面，往往使其分子沿著與第三偏振濾光片的偏振方向平行的方向排列。混雜在內(nèi)部具有有序各向異性吸收率的二向色性染料分子在排列狀態(tài)下有高吸收性。當加上電壓時，向列型晶體的分子就會與所述玻璃表面成直角，于是使二向色性染料分子取向，在這些取向上光吸收量最少。這種單元對于專業(yè)人員是熟悉的。這種單元比其他單元帶來的一個優(yōu)點是，在無外加電壓下，這種單元也有濾光效應(yīng)，而其他單元在無外加電壓下是透光的。當使用有這種快門結(jié)構(gòu)的焊工濾光片時，其控制電路被激勵，電壓加在賓主單元7上，濾光片變得更加透光。傳感器(未畫出)能夠檢測焊接火光是否進入濾光片，控制電路(未畫出)由此使控制電壓加到單元3和單元5上，同時去掉加在單元7上的電壓。就本發(fā)明涉及液晶性質(zhì)這點而言，這一安排對于本發(fā)明以及早期已知技術(shù)是共同的。
液晶單元的內(nèi)向玻璃板備有導電的電極層(例如，銦一錫氧化層)，在此電極層上涂了如聚酰亞胺層，這一層已用機械方法做了處理，通常在特定方法上刻劃/摩擦，按照已知的技術(shù)，這些方向在互相相對的表面是互相垂直的。按照此已知的技術(shù)，例如，單元3與單元5是互為相反排列，所以單元3中接收光的第一表面處理成其方向與單元5中接收光的第一表面反平行。用此方法獲得了引言中所述的補償。
通過所加電壓在約3V到約5V之間變化，這種現(xiàn)有技術(shù)黑玻璃濾光片裝置能夠產(chǎn)生從密度約為3的透明狀態(tài)改變到密度值為9至14的范圍。通常，加在兩個單元上的電壓是相同的。
密度值變化是因為，促使向列型分子沿著平行于電場取向的電壓受到了玻璃內(nèi)壁上塑料層相反的作用，這些塑料層使分子沿著平行于玻璃內(nèi)表面排列，因此，電場力的取向作用在單元中心效果最大，隨著趨向所述表面而下降。然而，實際上，由于表面 效應(yīng)總是保留相當程度的旋光性。
按照焊接標準，透射密度或灰階值表示為，D＝1+7/3×10log(1/T)其中T是透射率值。
盡管獲得了對傾斜入射角的補償，在實際使用此已知技術(shù)時，視場中仍然存在著不小的差別。
在以往已知的技術(shù)中，液晶護目黑玻璃結(jié)構(gòu)的概念一直是基于期望的自然幾何學，這是在強制條件下邊界面處晶體的取向扭轉(zhuǎn)角為90°時得到的。通過減小晶體扭轉(zhuǎn)角可以獲得改進。這在圖2中說明，圖2畫出一對液晶單元板?；ハ嗝鎸γ娴膬蓧K板10和11中每一塊都有導電層和薄塑料涂層。這些導電層和塑料涂層都按照箭頭12和13刻劃過或摩擦過，互相之間成一角度q。按照早期已知技術(shù)，此角為90°，但按照本發(fā)明，此角小于90°。如圖所示，板的安裝是使一個單元能按反時針方向自然轉(zhuǎn)動，雖然沿順時針方向轉(zhuǎn)動的單元也是熟知的，兩個板在14與15處備有可加電壓的裝置。參照數(shù)字16和17確認板邊緣上做的識別標記。
按照本發(fā)明的液晶快門是作為焊工頭盔上護目黑玻璃的濾光片，帶此頭盔者看到的液晶快門是一個暗窗口。此濾光片被激活，沿濾光片前方有某一光密度，然而，此光密度隨角度變化。如在SE 9401423-0和PCT/SE95/00455中所示，當角度q不為90°時，在不同視場角上所得濾光片效應(yīng)比當前技術(shù)90°扭轉(zhuǎn)向列型單元均勻得多。
使用兩個相同的液晶單元帶來的好處是，兩個單元可以用一相同的電壓驅(qū)動，此電壓可以改變而產(chǎn)生不同的光密度。這樣做就簡化了所需的電路。然而，當采用更昂貴的電路時，這個強加的條件不再適用，這種昂貴的電路對獲得所述補償提供了更大的自由度。
如上面已提到過，不僅要減小扭轉(zhuǎn)角而且還要減小液晶單元厚度到相應(yīng)范圍；這是有充分理由的，已發(fā)現(xiàn)，對于每一扭轉(zhuǎn)角存在一個最佳厚度(更準確地說，光學各向異性與厚度的最佳乘積)，此關(guān)系表示在圖6中。最好的可透明狀態(tài)是在這個最佳厚度下獲得的。
按照本發(fā)明，提供的驅(qū)動電壓是低頻電壓，電壓值遠遠高于該液晶單元材料的閾值電壓。為了液晶單元結(jié)構(gòu)在暗狀態(tài)下可變，要求透射率特性曲線延伸到很寬的電壓范圍。圖3畫出透射密度或灰階數(shù)與不同液晶單元組合所加電壓之間關(guān)系曲線。曲線100描述90°扭轉(zhuǎn)角雙液晶單元組合的特性，曲線102a描述70°扭轉(zhuǎn)角雙液晶單元組合的特性，而曲線104和106分別描述90°和70°扭轉(zhuǎn)角單個液晶單元的特性。從圖中可以清楚地看到，對于每種液晶單元，扭轉(zhuǎn)角越小，從透射率最小處約1.5V到透射率漸近線最大處的電壓范圍越寬。
圖4a，4b和4c表示在低頻下運行當代技術(shù)液晶快門時，依賴于極性的透射率非對稱性的典型效應(yīng)，這些曲線的臺階出現(xiàn)在每一次極性反轉(zhuǎn)時，圖4a表示持久充電作用引起的透射率非對稱效應(yīng)；圖4b表示在極性切換間歇電荷累積引起的光學非對稱效應(yīng)，這些電荷逐漸減小加在液晶層上的有效電壓；圖4c表示以上兩種效應(yīng)的典型組合。非對稱效應(yīng)的具體透射率值強烈地依賴于液晶單元中所用的材料和運行條件。
圖4d表示用低頻極性反轉(zhuǎn)的直流電壓驅(qū)動時，與現(xiàn)有技術(shù)90°扭轉(zhuǎn)向列型單元比較，在各種透射密度值下和各種富創(chuàng)意的低捻單元組合下透射率非對稱性程度的測試結(jié)果圖。透射密度值，或灰階數(shù)，表示在圖的橫軸上，非對稱性率表示在縱軸上。此處，非對稱性率以兩種不同的外加電壓極性下得出的灰階數(shù)之差表示。
從圖4d可以清楚地看出，對于某個密度值，例如，在60°或70°扭轉(zhuǎn)角的非對稱性率遠遠小于90°扭轉(zhuǎn)角的非對稱性率。例如，在密度值為10時，70°扭轉(zhuǎn)角的非對稱性率為90°扭轉(zhuǎn)角的1/2至1/3。在密度值為12時的類似比較表明，70°扭轉(zhuǎn)角的非對稱性率為1/5至1/10。對于較小的60°扭轉(zhuǎn)角，非對稱性度的改進更好，扭轉(zhuǎn)角減小至60°以下，可以進一步減小非對稱性度，而所需驅(qū)動電壓則增大。
圖5a和5b是方框圖，說明按照本發(fā)明運行液晶快門18電路20的幾個實施例。圖5畫出這種運行電路的通用元件，它包括一個可的電壓極性開關(guān)，此開關(guān)經(jīng)過電壓輸入端24連接到電壓源22。電壓極性開關(guān)26連接到液晶單元驅(qū)動電壓控制裝置28，此裝置有一控制信號輸入端30，且連接到液晶快門18。電路20設(shè)計成能產(chǎn)生足夠高的液晶單元驅(qū)動電壓，例如，此驅(qū)動電壓在最暗狀態(tài)下比快門中液晶單元材料的閾值電壓高1.5倍至10倍。
圖5b表示圖5a運行電路20的另一個實施例。圖5a中的直流電壓源22連接到穩(wěn)壓器34，此穩(wěn)壓器連接到驅(qū)動電路36。驅(qū)動電路36連接到振蕩器或雙穩(wěn)態(tài)電路形式的極性開關(guān)上，此開關(guān)控制驅(qū)動頻率或控制驅(qū)動電路28加到液晶單元18上電壓的極性。此實施例有兩個控制信號輸入端，第一個是光檢測器輸入端24，第二個是透射密度控制輸入端，通過這個輸入端可以選擇快門最終的明暗。包含光敏傳感器21的環(huán)境光檢測器22可以方便地連接到環(huán)境光檢測器輸入端24。
驅(qū)動電壓的極性可以是，例如，以預置的速率切換，或者按照每檢測到環(huán)境光突然增強而改變，后者適合應(yīng)用在黑玻璃濾光片中。
由于低捻角和減小的Δn*d參數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)，Δn*d在0.25μm范圍的0°雙折射單元，其光學角度性質(zhì)非常有用，很清楚，它既適合于一單元液晶快門結(jié)構(gòu)又適合于雙單元液晶快門結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)要求有寬廣和對稱的視場。當用小于10V的電壓驅(qū)動時，由于在0°單元中存在大的殘余延遲，與90°扭轉(zhuǎn)向列型液晶單元比較，在這種裝置中可利用的單元對比度是很小的。按照本發(fā)明的一個實施例，通過增加補償延遲膜可以提高單元對比度。在0°雙折射單元的實施例中，約25nm至30nm的小延遲值是適當?shù)?。為了使補償效應(yīng)最大，延遲膜最好是這樣對準其快軸方向垂直于單元的入射和出射分子導向器矢量。0°雙折射單元的補償延遲層可以是，例如，由單片的單軸延遲膜形式，其延遲值在10nm至50nm之間。在另一個實施例中，補償延遲層可以用幾個延遲膜排列而成，使這幾個膜產(chǎn)生的凈延遲值在所述的范圍內(nèi)。例如，用一個27nm補償延遲膜放入快門結(jié)構(gòu)中，單元組合的最佳Δn*d值從約0.27μm增加到0.277μm。
圖6畫出最佳扭轉(zhuǎn)角隨光學各向異性與單元厚度乘積的變化關(guān)系。
圖7表示包含一4μm 0°雙折射單元的液晶結(jié)構(gòu)的電光性質(zhì)。本例中的雙折射單元包含Merck ZLI-4246液晶，其Δn*d值約為0.52μm，把這個雙折射單元放在兩個互相正交的偏振片之間，這兩個偏振片相對于入射分子導向器矢量分別調(diào)準為45°和135°，與本發(fā)明的一個實施例相一致，這個液晶單元與一帶通濾光片放在一起，此濾光片在可見光譜的中心部分，即在500nm至600nm范圍部分高度透光。曲線20表示無任何補償延遲膜的液晶單元組合的光學響應(yīng)，而曲線22表示含有26nm補償延遲膜的液晶單元組合的光學響應(yīng)，此補償延遲膜的取向是，其快軸垂直于入射分子導向器。從此圖中可以清楚地看出，帶有補償延遲膜的液晶單元對比度提高了。
圖8大體上畫出了本發(fā)明一個實施例中帶延遲膜的情況，此延遲膜放在兩個偏振濾光片3與4之間，液晶單元2的一側(cè)。將延遲膜放在兩個分子排列導向板之間的液晶單元2內(nèi)也是可以的。
權(quán)利要求
1.一種液晶快門結(jié)構(gòu)(18)，它適用于遮光罩或黑玻璃濾光片，這種快門結(jié)構(gòu)對于電信號的響應(yīng)是能夠從一個高吸光的黑暗狀態(tài)轉(zhuǎn)換到一個低吸光的透明狀態(tài)，反之亦然，這一結(jié)構(gòu)包括放置在兩個透明電極負載板之間的兩個向列型液晶單元，此電極負載板可以連接到電壓源(22)，兩個液晶單元有處理過的涂層以限定其互相相對表面處分子排列的方向，因此在負載極上兩個電極涂層之間無電壓時，所述兩個板之間的相互角位移使液晶形成扭轉(zhuǎn)螺旋結(jié)構(gòu)，其中兩個液晶單元中每一個安放在兩個互相消光的偏振濾光片之間，且其中分子排列方向轉(zhuǎn)成這樣，當加上電壓時，在兩個液晶單元各自的非對稱光吸收率之間獲得補償效應(yīng)，兩個單元中至少有一個所述分子排列方向之間扭轉(zhuǎn)角位移不為90°，其特征是一個產(chǎn)生液晶單元可變驅(qū)動電壓的裝置(20)，此驅(qū)動電壓可用于所述電極負載板，所述裝置(20)設(shè)計成產(chǎn)生較高的液晶單元驅(qū)動電壓，此驅(qū)動電壓大于兩個液晶單元中至少一個的閾值電壓兩倍，且其極性切換頻率小于1Hz。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，兩個排列方向之間的夾角是這樣的，在液晶單元驅(qū)動電壓高于兩個液晶單元中至少一個的閾值電壓兩倍時，快門的透射密度值或灰階數(shù)在9至15范圍內(nèi)可變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，液晶單元中至少一個，其排列方向之間的角位移在0°與85°之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，所述排列方向之間的扭轉(zhuǎn)角不為90°的液晶單元，其厚度是這樣修正的，使厚度與兩個不同偏振方向上液晶材料的最大折射率與最小折射率差之乘積不超過0.4mm，且使每個液晶單元的所述限定分子方向的涂層之間角度差不超過70°。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，所述厚度不超過0.3mm。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一條的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，兩個液晶單元基本上相同的，且電壓源適合于在兩個液晶單元上加相同的電壓。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一條的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，兩個偏振濾光片之間安裝相應(yīng)的液晶單元，此兩個偏振濾光片的偏振方向互成90°角。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一條的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，兩個液晶單元中至少有一個限定液晶單元分子排列方向的兩涂層之間角位移小于90°，它安裝在兩個偏振濾光片之間，兩個偏振濾光片的偏振方向與相應(yīng)的最鄰近涂層的方向重合。
9.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一條的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，夾角不為90°的兩個排列方向之間銳角的平分角線大體上與周圍兩個偏振濾光片偏振方向的平分角線重合。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一條的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，液晶單元中至少一個在以下兩個方面之間有關(guān)系，一個方面是厚度與液晶單元在不同偏振方向上最大折射率與最小折射率之差的乘積，另一個方面是所述兩個排列方向之間的夾角，此夾角對應(yīng)于圖6中所示曲線上一個點。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一條的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，液晶單元中至少有一個，兩個排列方向之間的角位移為0°至50°角，以及延遲膜與液晶單元連在一起。
12.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一條的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，產(chǎn)生液晶單元可變的驅(qū)動電壓裝置包括電路板(20)，此電路板上有連接到電壓源(22)的電壓輸入端(24)，控制液晶單元輸出驅(qū)動電壓的電壓極性切換裝置(26)，所述電壓極性切換裝置(26)連接到驅(qū)動電壓控制裝置(28)，此控制裝置(28)有控制信號輸入端(30)，且連接到液晶單元驅(qū)動電壓輸入端(32)。
13.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一條的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，產(chǎn)生液晶單元可變的驅(qū)動電壓裝置(20)有一檢測器輸入端(24)，此輸入端(24)連接到環(huán)境光檢測器(22)，且該驅(qū)動電壓裝置(20)包括連接到明暗選擇裝置(30)的穩(wěn)壓器(34)。
14.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一條的晶體快門結(jié)構(gòu)，其特征是，電壓極性切換裝置是一振蕩器或雙穩(wěn)態(tài)電路。
15.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一條的快門結(jié)構(gòu)，其特征是，此快門結(jié)構(gòu)是應(yīng)用在黑玻璃屏中的黑玻璃濾光片，或者是應(yīng)用在光學儀器中，如光學放大器望遠鏡或雙筒望遠鏡。
全文摘要
一種液晶快門結(jié)構(gòu)(18)，它適用于玻璃屏或黑玻璃濾光片，這種快門結(jié)構(gòu)能夠從一個高吸光的黑暗狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低吸光的透明狀態(tài)，反之亦然，此快門結(jié)構(gòu)包括低扭轉(zhuǎn)向列型液晶單元，其扭轉(zhuǎn)角在0°與略小于90°之間，還包括一電路板輸出端，它產(chǎn)生液晶單元可變的驅(qū)動電壓，此驅(qū)動電壓高于兩個液晶單元中至少一個的閾值電壓兩倍左右，且電壓極性切換頻率小于1Hz。
文檔編號A61F9/04GK1169106SQ96191580
公開日1997年12月31日 申請日期1996年10月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月26日
發(fā)明者斯蒂芬·帕爾默, 阿克·霍內(nèi)爾 申請人:霍內(nèi)爾國際公司