光调制装置及车载玻璃的制作方法

本发明涉及光学器件技术领域，尤其是涉及一种光调制装置及车载玻璃。

背景技术：

目前，现有汽车的车载玻璃仅是作为观测窗口，对于光线不具备调节作用，导致驾驶员或乘客在对于自然光线与环境容易造成视觉疲劳问题，尤其是对于强光、眩光，视觉问题更加突出。

针对上述问题，目前尚未有有效的解决方案。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种光调制装置及车载玻璃，能够对光线进行调控。

第一方面，本发明实施例提供了一种光调制装置，包括光调制层以及设置在所述光调制层上的第一探针和第二探针，所述第一探针用于连接电源的正极端，所述第二探针用于连接电源的负极端；其中所述光调制层包括层叠设置的石墨烯层和透光介质层，所述第一探针以及所述第二探针设置在所述石墨烯层的表面的预设位置处；

当所述石墨烯层通过所述第一探针和所述第二探针连接电源时，所述石墨烯层在所述电源施加的电压的作用下，使得所述光调制层的折射率变为与所述电压相对应的介质折射率，以允许与所述介质折射率相匹配的空间光透射，而与所述介质折射率不匹配的空间光则散射或反射；其中所述空间光是由外界光源入射到所述石墨烯层表面的光束。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述石墨烯层通过石墨烯转移工艺耦合在所述透光介质层上。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述石墨烯层是通过机械剥离高定向热解石墨的方式制备得到的。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述石墨烯层与所述透光介质层的表面积相同。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述石墨烯层包括单层石墨烯薄膜或多层石墨烯薄膜。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述透光介质层的材质为低折射率的透光介质。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述透光介质层的厚度为200nm。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述第一探针和所述第二探针的材质为金属。

第二方面，本发明实施例还提供一种车载玻璃，包括太阳能电池板和如第一方面及其可能的实施方式中任一项所述的光调制装置，所述太阳能电池板与所述光调制装置中的透光介质层相连接。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述车载玻璃还包括与所述太阳能电池板相连接的蓄电池，从所述透光介质层透射的透射光入射至所述太阳能电池板上，被所述太阳能电池板吸收，所述太阳能电池板进行光电转换后产生的电能储存至所述蓄电池。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述车载玻璃还包括电源，所述电源与所述光调制装置中的石墨烯层相连接。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的光调制装置及车载玻璃，其中，该光调制装置包括光调制层以及设置在光调制层上的第一探针和第二探针，第一探针用于连接电源的正极端，第二探针用于连接电源的负极端；其中光调制层包括层叠设置的石墨烯层和透光介质层，第一探针以及第二探针设置在石墨烯层的表面的预设位置处；当石墨烯层通过第一探针和第二探针连接电源时，石墨烯层在电源施加的电压的作用下，使得光调制层的折射率变为与电压相对应的介质折射率，以允许与该介质折射率相匹配的空间光透射，而与该介质折射率不匹配的空间光则散射或反射；这里的空间光是由外界光源入射到石墨烯层表面的光束。本发明实施例提供的技术方案，通过调节电源施加的电压或者采用不同的电源来控制光调制层的介质折射率，从而对空间光进行调控。该光调制装置具有对空间光的强度、亮度、色度的调整功能。可应用于车载玻璃，以缓解现有车载玻璃存在功能单一的问题，通过改善视觉色彩、透明度效果，缓解司、乘人员的视觉疲劳问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的石墨烯的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光调制装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光调制装置的光调制过程图；

图4为本发明实施例提供的光调制装置的光耦合模式激励图；

图5为本发明实施例提供的光调制装置的光调制场景图；

图6为本发明实施例提供的车载玻璃的结构框图；

图7为本发明实施例提供的车载玻璃的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的车载玻璃的光电转换过程图；

图9为本发明实施例提供的车载玻璃的光吸收场景图。

图标：

100-第一探针；200-第二探针；300-石墨烯层；400-透光介质层；500-电源；600-空间光；700-光调制装置；800-太阳能电池板；900-蓄电池。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

石墨烯在结构尺度上属于原子量级(10^-12，如图1所示)，石墨烯是由六个碳原子围成的正六边形晶格组成，最薄厚度只有一个碳原子层。组成晶格的每个碳原子都有一个未成键的电子，这些电子可以在晶格中保持高速的自由移动，这赋予了石墨烯特别的物理特性。例如透光率非常好，几乎完全透明。

石墨烯具有特殊的能带性质、超宽带的光学响应谱、极强的非线性光学特性，使其成为一种极佳的半导体材料，且其紧凑的结构可适应任意多种形状，成为目前新能源、显示屏、传输等广泛且创新的重点研究对象，在新型光学和光电器件领域具有显著的优势。

目前现有汽车的车载玻璃仅是作为观测窗口，对于光线不具备调节作用，导致驾驶员或乘客在对于自然光线与环境容易造成视觉疲劳或障碍问题，尤其是对于强光、眩光，视觉问题更加突出，基于此，本发明实施例提供了一种光调制装置及车载玻璃，可以对光线进行调控，例如调控入射的光线的强度、亮度以及视觉色彩，从而缓解现有的车载玻璃存在的功能单一、灵活性较差的问题，应用于车载玻璃时，有利于改善用户视觉疲劳问题，提升客户体验。

该光调制装置基于石墨烯薄膜在不同的能量反应中，可改变介质的折射率对应关系，从而实现在不同能带中获取电导系数及对应的电磁波关系的原理制成。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种光调制装置进行详细介绍。

实施例一：

本发明实施例提供了一种光调制装置，应用于车辆领域，具体应用于汽车(例如新能源汽车或燃油汽车)的车载玻璃或车身表层结构，应用于车载玻璃时，将光调制装置粘接在现有的车载玻璃的内表面或外表面上，当然也可以直接作为车载玻璃制作。

如图2、图3和图4所示，该光调制装置包括光调制层以及设置在光调制层上的第一探针100和第二探针200，所述第一探针用于连接外加电源500的正极端，所述第二探针用于连接电源500的负极端；

其中，光调制层包括层叠设置的石墨烯层300和透光介质层400，第一探针100以及所述第二探针200设置在所述石墨烯层的表面的预设位置处；具体的，第一探针以及所述第二探针设置在所述石墨烯层的表面的边缘。

当石墨烯层300通过第一探针100和第二探针200连接电源500时，石墨烯层在电源施加的电压的作用下，使得光调制层的折射率变为与所述电压相对应的介质折射率，以允许与介质折射率相匹配的空间光600透射，而与介质折射率不匹配的空间光600则散射或反射；其中空间光600是由外界光源入射到石墨烯层表面的光束。

下面结合图3对该光调制装置的光调制过程进行详细说明：

石墨烯层300通过第一探针100和第二探针200连接电源500，换言之，电源通过第一探针和第二探针向光调制层(又称为混合介质层)施加电压，石墨烯层在电源500施加的电压的作用下，使得包括石墨烯层300和透光介质层400的光调制层的折射率改变为与施加电压相对应的介质折射率，此时，该介质折射率的光调制层仅允许与介质折射率相匹配的空间光600从透光介质层透射出去，即波长和角度与光调制层的介质折射率相匹配的空间光才能从透光介质层透射；而与介质折射率不匹配的空间光则从石墨烯层的表面散射或反射出去，即波长和角度与光调制层的介质折射率不匹配的空间光在石墨烯层发生散射或反射或全反射，不能从透光介质层透射。因此，通过改变电源的电压值(采用不同的电源或调节电源的电压)即可得到所需要的光调制层介质折射率，也就是说，通过改变电源的电压来改变光调制层的折射率，使得与折射率匹配的空间光透射，即在光调制层具有一定的折射率下，仅有特定波长和入射角度的光可以透射，其他波长和入射角度的光被散射或反射回空间中。

需要说明的是，这里的空间光是由外界光源入射到所述石墨烯层表面的光束。例如空间光可以是可见光(包括太阳光)或者红外光，对应的光源可以是可见光源(如led灯或白炽灯或太阳等)或者红外光源。

具体的，作为基础光源的空间光600入射至附有石墨烯层300的光调制层，光调制层由石墨烯层300与透光介质层400(二氧化硅等)组成。当石墨烯层受到外部电源施加电压的电场作用下，使石墨烯层激励出非线性的导电特性，对石墨烯施加不同的电压，可以改变石墨烯的电导系数，从而使光调制层改变介质折射率。依据光耦合原理，不同折射率变化能够对应不同入射角度和波长的空间光，因而能够有效抑制或限制空间光透射，与光调制层的介质折射率对应匹配的空间光透射，而无法与光调制层的介质折射率对应匹配的空间光则会经由散射形式回到空间中。即当入射光符合对应的折射率时，会产生透射现象。而对于不同的透射光效果，产生视觉光线的变色、亮度的调整。

其中，光耦合原理如下：通过光耦表达式可以计算介质折射率，基于获得的折射率提供对应的电能。光耦表达式为：kinsinθ+kg＝±k0re(neff)。其中kin为入射波矢量，θ为入射角度，kg＝2π为倒格矢量，k0表征电能与传播模式的对应系数，re(neff)＝neff为传播模式下的介质折射率。具体的，kin＝k0nsub＝2πnsub/λ，式中λ为入射光的波长，nsub为介质折射率。

参照图4，图4中左侧y轴表示入射角度(仅示出了正向角度)，右侧y轴表示定量介质折射率下的透过能力比色度，标度1-6表示透过能力逐渐变强，当定量介质折射率，在不同的空间光入射角度与对应波长，形成不同的场效应。例如，当透光介质层由二氧化硅制成，光调制层的介质折射率为1.46时，波长为1.4μm，角度为约只有正负0-10度的空间光可以透射；当波长为1.6μm，角度为约只有正负10-15度的空间光可以透射。因此，光调制层结构对空间光起到角度与波长的限制能力。

基于上述光耦合原理，为混合介质层的石墨烯层提供电压，使得混合介质层的介质折射率发生改变。因此，该装置可改变针对特定波长进行变角度的入射限制，也可使实现特定波长产生透射现象。其中，符合入射条件(即该装置处于介质折射率与入射的空间光相匹配的耦合模式下)的波长与角度关系的空间光会产生透射，而不符合的则会受到限制，呈现射散或全反射等。对于无法满足入射条件的空间光则以散射形式回到空间中。如图5所示，当电压是ev01时，波长λ01的光线可以透射；当电压是ev02时，波长λ02的光线射散或全反射。

本发明实施例提供的光调制装置包括光调制层以及设置在光调制层上的第一探针和第二探针，第一探针用于连接电源的正极端，第二探针用于连接电源的负极端；其中光调制层包括层叠设置的石墨烯层和透光介质层，第一探针以及第二探针设置在石墨烯层的表面的预设位置处。该光调制装置是一种复合材料可实现波长选取与透射增强的结构，通过将石墨烯与低折射率固体材料做结合，可以制成汽车(如电动汽车)的表层结构或透光玻璃(应用不限与此)，来实现透射光的强度调控、射散、波长选取等。具体的，对该结构中的石墨烯层提供不同的电能，使得光调制层的透光性能发生变化，可控制光线入射强度与入射角度偏转，并能强化特定波长范围及射散系数，实现全反射等。通过采用不同的电源或者调节电源施加的电压，控制光调制层的介质折射率，从而对空间光进行调控。此外，该光调制装置还具有以下优点：(1)激励或响应于特定波长范围，使石墨烯介质在视觉色彩上发生改变；(2)改变入射光传播路径，使光调制层的视觉透明度发生改变；(3)产生射散及反射，呈现镜像、黑幕等效果。

进一步的，石墨烯层是通过机械剥离高定向热解石墨的方式制备得到的。

具体的，将石墨片粘在光刻胶表面，然后用胶带粘住石墨片，撕开胶带，将石墨片减薄，反复重复这一过程，即可得到许多极薄的石墨片；当石墨片仅有一层碳原子组成时，就得到了石墨烯，即石墨烯是只有一个碳原子厚度的单层石墨片，石墨烯层可以是单层石墨烯组成的，也可以是多层石墨烯组成的。

相比于传统的采用cvd制备工艺制备石墨烯的方式，该石墨烯的制备过程简单，成本低廉，有利于实现大规模应用或商业化应用。

进一步的，石墨烯层通过石墨烯转移工艺耦合在透光介质层上。

具体的，石墨烯层通过石墨烯转移工艺附着在透光介质层表面，与透光介质层耦合。

需要说明的是，由于采用上述胶带反复进行机械剥离的方式得到石墨烯层，使得石墨烯层具有一定的粘性，因此，这里无须使用粘结剂来将两者石墨烯层和透光介质层粘合。

虽然石墨烯透光率非常好，几乎完全透明，但仍会产生光吸收的问题，石墨烯通常吸收2.3％左右的光。因此本实施例中，石墨烯层包括单层石墨烯薄膜。

进一步的，所述透光介质层的材质为低折射率的透光介质。

具体的，所述透光介质为二氧化硅，即透光介质层的材质为二氧化硅。

进一步的，所述透光介质层的厚度为200nm。

需要指出的是，透光介质层的厚度可以根据实际需求选用，例如作成车载玻璃或者车身涂层，两者的要求是不同的。

考虑到石墨烯、二氧化硅等透光介质可以作成任意的形状，因此本实施例对透光介质层的长度和宽度范围不作限制，具体根据制备的产品需求确定。

进一步的，所述第一探针和所述第二探针的材质为金属。

具体的，所述第一探针和所述第二探针为金探针。

实施例二：

如图6所示，本发明实施例提供了一种车载玻璃，包括太阳能电池板800和上述实施例提及的光调制装置700，所述太阳能电池板与所述光调制装置中的透光介质层相连接。

具体的，参照图7，太阳能电池板800设置在包括石墨烯层300和透光介质层400的光调制层下方。本实施例中，太阳能电池板800的上表面(接收光能的一面)与透光介质层400的下表面(远离石墨烯层300的一面)连接，换言之，透光介质层400附着在太阳能电池板800上，与太阳能电池板耦合。

进一步的，如图8和图9所示，所述车载玻璃还包括与所述太阳能电池板相连接的蓄电池900。太阳能电池板产生的电能可以储存在蓄电池中。

进一步的，所述蓄电池为锂电池，绿色环保。

进一步的，该车载玻璃还包括电源500，所述电源与所述光调制装置中的石墨烯层相连接。

具体的，所述电源通过第一探针和第二探针与所述石墨烯层电连接。

进一步的，所述电源为电压可调电源。

具体的，所述电源为电压可调直流稳压电源。可调直流稳压电源为现有技术，这里不再赘述。

下面结合图8对该车载玻璃的充电过程进行详细说明：

该车载玻璃包括光调制装置、设置在透光介质层的下方的太阳能电池板800以及与所述太阳能电池板相连接的蓄电池900，其中光调制装置包括光调制层以及设置在光调制层上的第一探针100和第二探针200，光调制层包括石墨烯层300和透光介质层400，石墨烯层300和透光介质层400耦合，太阳能电池板800与透光介质层400的远离石墨烯层300的一侧粘接，即太阳能电池板通过粘结剂与透光介质层连接，从所述透光介质层透射的透射光入射至所述太阳能电池板上，被所述太阳能电池板吸收，所述太阳能电池板进行光电转换后产生的电能储存至所述蓄电池。需要指出的是，上述的粘结剂可以是eva。

作为基础光源的空间光600入射至附有石墨烯层300的光调制层，光调制层由石墨烯层300与透光介质层400(二氧化硅等)组成。当石墨烯层受到外部电源施加电压的电场作用下，使石墨烯层激励出非线性的导电特性，对石墨烯施加不同的电压，可以改变石墨烯的电导系数，从而使光调制层改变介质折射率。依据光耦合原理，不同折射率变化能够对应不同入射角度和波长的空间光，因而能够有效抑制或限制空间光透射，与光调制层的介质折射率对应匹配的空间光透射，而无法与光调制层的介质折射率对应匹配的空间光则会经由散射形式回到空间中。

基于上述原理，通过空间光耦合表达式得出及混合介质层的最佳折射率，最佳折射率与石墨烯最佳的电导系数相关，即最佳折射率与电源施加的电压相关。因此，对于入射的太阳光(即空间光)，根据最佳折射率，在石墨烯层加上对应的电压，使原来小角度接收的光线可以大角度接收；使原来由于折射率不匹配(即未加电压时)而散射回空间的空间光可以更多的被接收，实现使得尽可能多的光线透射至太阳能电池板，透射光通过混合介质层到达太阳能板被吸收，最终太阳能板完成光电转换存入蓄电池内，提升了太阳光的利用率。

如图9所示，石墨烯层不加电压时，只有波长为λ0的光线可以透射。当加上电极ev1时，波长为λ0的光线可以透射，波长为λ1的光线也实现了透射，使原来小角度接收的光线可以大角度接收，原来由于折射率不匹配而散射回空间的光线可以获得更多的接收。仍有部分光因为折射率不匹配例如λ2而无法透射。通过该车载玻璃使更多的光线得到接收和利用。

本发明实施例提供的车载玻璃的结构包括三层，最上层是石墨烯层300，中间层是折射率低的透光介质层400(二氧化硅等)，底层是太阳能电池板600。当上层的石墨烯层接入电源500时，使石墨烯层由于电场的激发有非线性的导电特性，从而可以使混合介质层有不同的折射率。根据光耦合原理，不同的折射率对应不同光角度。当介质的折射率满足透射条件时，入射光线会发生透射；而无法透射的入射光会全部色散到空间中，对于太阳光，通过空间光耦合表达式得出石墨烯最佳的电导系数及光调制层的最佳折射率，根据最佳折射率，加对应电压，使尽可能多的光线透射，提升太阳光的利用率。因此，该车载玻璃缓解了现有的车载太阳能发电板由于空间光的接收角度受限，存在光电转换率低的问题，使得车载太阳能电力得到很大发展。而且该车载玻璃集成了太阳能电池板，不需要额外布置和安装太阳能电池板，节省空间和成本。该车载玻璃具有以下优点：1、控制介质折射率，使入射光得到强度的调控；2、使光线得到大角度的接收，提升了太阳能利用率；3、充分利用光源转化成电能，提升汽车能源性能；4、通过波长选取可改变车体外观颜色。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本发明实施例提供的车载玻璃，与上述实施例提供的光调制装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。