专利名称：一种光照设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学可擦写领域，尤其涉及一种便携的光照设备，该光照设备将电子元件和光学元件集成到一个轻巧、紧凑的笔状结构内，能够产生具有适当波长和偏振的光 线，移动该光照设备就能在ORW纸上书写和擦除信息。
背景技术：
近来，光可擦写(ORW)纸已得到很大的发展。ORW纸不包含任何电子设备，只要 利用外部驱动装置发出的照明光线就可以在ORW纸上书写和擦除信息。而且，ORW纸可以 给予阅读者通过纸张阅读的体验，且其上的信息能够动态更新。和通常由电力驱动和控制 的电子纸不同的是，ORW纸在更高灵活度和降低成本等方面有更大的商业潜力，原因如下 首先，电子纸所需的集成驱动电子设备复杂度高，且由于软导线和触点焊接的耐久性不足 而无法灵活显示；其次，电子材料的价格偏高，例如主要用于制造透明导电层铟锡氧化物 (ITO)的铟就会增加E纸的整体成本。相应地，需要通过提供适当光线就能在ORW纸上生成信息的光照设备。到目前为 止，为给ORW纸设计合宜的光照设备，研究人员已经尝试过很多方法。其中一种如图1(a)所示，包括LED光源101、偏振旋转片102、偶氮染料103、底 部偏振片104、遮光板105。可以看出，使用遮光板105阻挡LED光源101发出的部分光线， 和遮光板105对应的完整图像就被印在ORW纸上，并可使用图1(b)所示的方法将该图像擦 除。但是，由于遮光板每次都需要改变，该设备在具体应用上不够灵活。具体地，X. Li和P. T. Au等人在2006年提出在ORW纸上创建信息的光学书写系 统。该系统包括紫外线光源、两个偏振方向互相垂直的偏振片和幅度遮光板，其工作原理如 下(1)使用特定的幅度遮光板，可以将新图像打印到ORW纸上。具体地，先使用偏振 片将激活的紫外线光的偏振方向变为90°，并通过振幅遮光板照射ORW纸，将偶氮染料层 的暴露区域的对准方向重定向为平行于底部基板的对准方向，而未暴露区域的对准方向保 持不变。这样，处于暴露区域之下的液晶变为非扭转模式，而未暴露区域仍为扭转模式。最 后，由幅度遮光板形成的信息符号将变暗，而其他未暴露区域是明亮的。当然，也可以在打 印之前，先将ORW纸上的原有信息擦除。(2)为将已写入的信息擦除，比如将所有ORW纸切换到初始的“白纸”状态，可以让 紫外线光照射到一个偏振片上，该紫外线光就会出现线性偏振，其偏振方向平行于底部基 板的对准方向。那么，偶氮染料的对准方向将转变为垂直于光的偏振方向，同时也垂直于固 定的对准方向。这样，液晶将处于扭转模式，而ORW纸则统一处于明亮状态。上述简单的光学书写系统貌似廉价易用，其实在实际应用上存在严重问题。由于 其成像过程与振幅遮光板直接相关，每当有新图像需要显示在ORW纸上时，就要提供一种 新的幅度遮光板。因此，该系统既昂贵又不方便，不适于实际应用。另一种方法是在光源设备的每个像素上都设置一个偏振旋转片，然后通过独立控制这些偏振旋转片，可以在ORW纸上生成所需的图像。但是，该方法需要昂贵的零部件和复 杂的控制。具体 地，A. Muravsky和A. Murauski等人在2008年为ORW纸设计了一种基于偏振 旋转片或二维偏振旋转片阵列的光打印机。如图2所示，在光打印机的每个像素单元，有三 个基本的光学元件输入偏振片201、液晶单元202和单轴延迟膜203。液晶单元202和单轴 延迟膜203的光轴分别与输入偏振片201的偏振方向成45°和0°。下面以非偏振光EiO 在该像素单元的传播过程为例，说明光打印机的工作原理。经过输入偏振片201后，光变成 沿y轴线性偏振的光波Eil。此后，和单轴延迟膜203的作用相同的，液晶单元202为偏振 光Ei2的两个正交分量引入相移。最后，输出光Eo的偏振旋转角是液晶单元202的相位延 迟的函数。因此，液晶单元202的相位延迟从0到Π，就表明输出偏振平面在0° -90°之 间旋转。这样，通过调整液晶的相位延迟，可以对光打印机的每个像素单元独立进行控制， 从而在ORW纸的表面得到可控的扭转角分布。进一步地，通过有源矩阵寻址，可以有效地将 一幅完整图像光打印在ORW纸上，且具有改进的分辨率和灰度连续能力。需要说明的是，光打印机在不同的应用上具有不同的灵活度。然而，由于单个像素 就要采用复杂的多层结构，且要为所有像素设置复杂的电子控制，因此光打印机仍然存在 可扩展性低和成本高等问题。此外，这种方法和前面提到的利用振幅遮光板的方法都对尺 寸有要求，即现有技术的光照设备需要和ORW纸的大小匹配。在ORW纸过大的情况下，需要 使用更为大型、昂贵且麻烦的光打印机，以覆盖该ORW纸的整个区域。这就限制了大面积 ORff纸，例如办公室通知和大纲草图等，的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光照设备。为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的一种光照设备，包括光源，用于提供照明光线；供电单元，用于为电控偏振旋转片和所述光源供电；具有固定偏振方向的线性偏振片，放置在所述光源和所述电控偏振旋转片之间， 所述光源发出的照明光线通过线性偏振片到达所述电控偏振旋转片；所述电控偏振旋转片，用于改变通过线性偏振片后的照明光线的偏振方向；以及用于放置上述部件的外壳。该设备进一步包括第一开关，用于控制所述供电单元向所述光源供电；当所述第一开关闭合时，所述电源被通电；当所述第一开关断开时，所述电源被断电。该设备进一步包括第二开关，用于控制所述供电单元向所述电控偏振旋转片供 电；当所述第二开关闭合时，所述电控偏振旋转片被通电，通过所述电控偏振旋转片 后的照明光线保持所述线性偏振片的偏振方向，通过移动所述光照设备擦除ORW纸上的信 息；当所述第二开关断开时，所述电控偏振旋转片被断电，通过所述电控偏振旋转片后的照明光线和所述线性偏振片的偏振方向相比旋转90°，通过移动所述光照设备向ORW 纸写入信息。 该设备进一步包括第一开关和第二开关；所述供电单元、第一开关和电源之间电气连接，构成第一回路；所述供电单元、第一开关、第二开关、电控偏振旋转片和电源之间电气连接，构成 第二回路；当所述第一开关断开时，所述电源被断电；当所述第一开关闭合、且所述第二开关闭合时，所述电源和所述电控偏振旋转片 被通电，通过移动所述光照设备擦除ORW纸上的信息；当所述第一开关闭合、且所述第二开关断开时，所述电源被通电，所述电控偏振旋 转片被断电，通过移动所述光照设备向ORW纸写入信息。该设备进一步包括通过连接部件和所述第二开关连接的凸透镜和凹透镜；所述第二开关进一步用于控制所述凸透镜和所述凹透镜的放置位置；当所述第二开关断开时，所述凸透镜垂直于照明光线的方向，所述凹透镜平行于 照明光线的方向；当所述第二开关闭合时，所述凹透镜垂直于照明光线的方向，所述凸透镜平行于 照明光线的方向。所述连接部件包括用于连接第二开关和凸透镜的第一铰链，以及用于连接凸透 镜和凹透镜的第二铰链。该设备进一步包括平面镜，用于将照明光线透传到ORW纸。所述供电单元为电池或者交流电插头。所述外壳为笔式的。由上述技术方案可见，本发明的光照设备使用一个液晶偏振旋转片改变照明光线 的偏振方向，并采用动态成像原理，通过在所需位置移动光照设备就能在ORW纸上创建信 息，最终完成写入和擦除操作。可以看出，该设备不受制于ORW纸的大小，并且能够降低成 本、易于使用。
下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员 更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中图1(a)和(b)分别为现有技术中使用振幅遮光板写入和擦除图像的方法示意 图；图2为现有技术的光打印机中一个像素单元的工作原理示意图；图3 (a)和(b)分别为在光照设备照射下ORW纸的明亮和黑暗两种显示状态；图4为一种典型的ORW纸的横截面的示意图；图5为ORW纸的工作原理示意图；图6 (a)为本发明第一实施例中用于在ORW纸上书写和擦除的光照设备的内部结 构图；图6(b)为将图6(a)变形后的光照设备的内部结构图7为本发明第二实施例中用于在ORW纸上书写的光照设备的结构示意图；图8为本发明第二实施例中用于从ORW纸上擦除的光照设备的结构示意图；图9为使用本发明实施例中的光照设备在ORW纸上书写的操作示意图；图10为使用本发明实施例中的光照设备从ORW纸上擦除的操作示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。为了消除ORW纸的大小给光照设备带来的制约，并降低现有技术中光打印机的成 本，本发明的实施例披露了一种易于在大面积ORW纸上书写和擦除的便携式设备，该设备 将低成本的电子和光学元件集成到一个轻巧的笔状结构内，包括电池、LED光源、线性偏振 片、电控偏振旋转片和两个可切换的透镜。上述组成元件的功能如下电池用于为LED光源和电控偏振旋转片提供必要的电源；LED光源发出具有适当波长的照明光线到ORW纸；线性偏振片为该照明光线提供初始线性偏振；电控偏振旋转片用于在必要时改变该初始线性偏振；凸透镜用于将光收敛到一个小点上，以便更好地在ORW纸上书写；凹透镜将光线 发散到相对较大的区域，以便快速擦除ORW纸上之前存在的信息。根据写入或擦除操作的 需要，交替选择凸凹透镜进行工作。和现有技术中为ORW纸提供的光照设备相比，本发明的光照设备在结构上有以下 特点1、本发明的光照设备使用一种新的动态成像原理，以取代以前的静态投影成像， 从而消除对ORW纸大小的依赖，使成本降低、更为便携。在静态投影成像中，使用遮光板(振幅或偏振遮光板)实现光分布，以便进行信息 显示，因此要求现有光照设备的尺寸和ORW纸的显示区域相当。在本发明的方案中，光分布是通过将光照设备移动到所需位置实现的。因此，该光 照设备的尺寸不受ORW纸大小的约束，可以做得非常小巧轻便。2、本发明使用一个液晶偏振旋转片改变照明光线的偏振方向，从而完成写入和擦 除操作。当液晶偏振旋转片与电源断开时，照明光线的偏振方向将旋转90度；当液晶偏振 旋转片通电时，偏振方向将保持不变。也就是说，本发明使用一个设备控制光的偏振，从而 在ORW纸上进行信息(包括文字、图像等)的写入或擦除。3、本发明采用两个可切换的透镜会聚或发散光线，以便于实现书写或擦除。在书 写过程中，使用一个凸透镜将照明光线会聚成一个很细的点，以便在ORW纸上更好地成像。 在擦除过程中，使用一个凹透镜发散照明光线，使得该照明光线能够覆盖一个较大的面积， 从而快速擦除先前显示在ORW纸上的图像。可以看出，本发明提出的光照设备能产生适当波长和偏振，以便在ORW纸上书写 和擦除。同时，这种新设备还能够克服现有设备存在的对尺寸的依赖、费用高等问题，是针 对ORW纸更为方便和经济的光照设备，特别适于和面积较大的ORW纸配套使用。利用本发明提供的光照设备，明亮(Bright)和黑暗(Dark)这两个相反的显示状态可以通过调制照明光线在ORW纸上呈现。一个ORW纸上初始配置有两个正交的偏振片 301和302，以及根据上偏振片301调整其对准方向的偶氮染料303。使用上述配置，光线可 以在扭转的液晶304作用下通过两片正交的偏振片301和302，使得ORW纸上呈现完全的明 亮状态，如图3(a)所示。之后，通过使某些区域呈现黑 暗状态，信息被写在ORW纸上，如图3(b)所示。该操 作是通过使本发明的光照设备照射出适当波长和偏振的光实现的。偶氮染料303可以将 其对准方向改变90°，以便平行于下偏振片302。相应地，液晶304也将遵循这种变化，从 扭转模式改变为非扭转模式，使得光被禁止通过两个正交的偏振片301和302。此时，本发 明中的设备发出的光照亮的区域将进入黑暗状态，而其它未暴露区域将继续保持在明亮状 态。这样，与在黑板上用粉笔书写类似地，将本发明提供的便携式设备在ORW纸的表面自由 移动，就可以在该ORW纸上写下信息。同样地，将黑暗区域改变到明亮状态，ORW纸上的信息就可以被擦除。在这种情况 下，本发明设备所发出光的偏振方向相对于写入而言被垂直调整，偶氮染料303将其对准 方向按照上偏振片301调整，液晶304再次回到扭转模式。此时，光可通过两个正交的偏振 片301和302，黑暗区域改变回明亮状态。因此，人们可以很容易地通过在ORW纸的黑暗区 域移动本发明提供的光照设备来擦除先前写入的信息，而不需要借助如橡皮擦或者黑板刷 等任何其他设备。图4示出一种典型的ORW纸的横截面的示例性结构。该ORW纸的最外层是两个偏 振片，即上偏振片401和下反射偏振片402。这两个偏振片内分别贴有一个塑料基板403和 404，其中上部基板404涂有特殊的图像对准偶氮染料材料405，底部基板403涂有图像被动 对准材料406。当偶氮染料405通过上部基板404暴露在具有某些波长的偏振光下时，由于 其光学活性特点，该偶氮染料405将改变其对准方向。相反地，底部对准材料406在底部基 板403上的对准方向保持不变。在上部和底部对准材料之间，有液晶409、垫片407和408。图5示出ORW纸的工作原理。如图5所示，作为对入射光501的偏振方向改变的 响应，偶氮染料502旋转其对准方向所在的平面，并且始终保持垂直于入射光501的偏振方 向。相应地，由于偶氮染料对液晶分子503产生较大的锚定能，液晶503将遵从偶氮染料的 对准方向，在扭转模式和非扭转模式之间切换。与传统的液晶显示器类似，当液晶处于扭转 模式时，光将通过两个正交的偏振片；当液晶处于非扭转模式时，光会被阻挡。因此，可以通 过入射光照明控制偶氮染料的对准方向，从而在ORW纸上显示信息。图6 (a)为本发明第一实施例中用于在ORW纸上书写和擦除的光照设备的内部结 构图。该光照设备包括供电单元601、光源602、线性偏振片603、电控偏振旋转片604。具 体实现时，所述供电单元601可以为电池或者可连接外部交流电的插头；所述光源602为 LED光源或者可发出所需波长的任何其他类型的光源。供电单元601和光源602连接成第一回路；供电单元601、光源602、电控偏振旋转 片604连接成第二回路。进一步地，设置第一开关605同时控制第一回路和第二回路，设置第二开关606控 制第二回路。当第一开关605断开时，两个回路都断开，光照设备未启动工作；将第一开关 605闭合，第二开关606断开，光照设备进入“书写”状态；将第一开关605闭合，第二开关 606也闭合，电控偏振旋转片604上电，进入“擦除”状态。
进一步地，在光照设备最靠近ORW纸的位置，即光路的最末端，设置平面镜609 ( 一般为透明玻璃)，一方面可以将经过线性偏振片603和电控偏振旋转片604作用的光线照射 到ORW纸上，另一方面使得光照设备成为一个封闭的结构。具体实现时，还可以对图6(a)所示的光照设备作出变形。如图6(b)所示，将第二 回路修改为包括供电单元601和电控偏振旋转片604，而不包括光源602 ；第一开关605设 置在第一回路上且仅用于控制第一回路，第二开关606用于独立控制第二回路。当第一开 关605断开时，第一回路断开；此时，虽然第二回路的状态仅由第二开关606控制，但是不论 第二开关606断开还是闭合，由于没有照明光线，光照设备无法启动工作。将第一开关605 闭合，第二开关606断开，光照设备进入“书写”状态；将第一开关605闭合，第二开关606也 闭合，电控偏振旋转片604上电，进入“擦除”状态。可以看出，图6(b)能够实现和图6(a) 类似的功能。图7和图8为本发明第二实施例中用于在ORW纸上书写或擦除的光照设备的结构 示意图。该光照设备有类似于笔的外壳一样的托架，其内放置光电元件。托架的后壳610 可以打开，从此处插入电池601。导电弹簧607安装在后壳610上，用于连接电池601和导 线608。延长后的导线608将电池601、LED光源602、电控偏振旋转片604、以及第一开关 605和第二开关606连接成回路。其中，处于第一回路上的元件包括电池601、导电弹簧 607、导线608、第一开关605、LED光源602 ；处于第二回路上的元件包括电池601、导电弹 簧607、导线608、第一开关605、电控偏振旋转片604、第二开关606、LED光源602。具体实现时，LED光源602可以放置在和电池601接近的位置，用于提供照明光线。 该LED光源602的一个管脚连接到电池601，另一个管脚和导线608连接。线性偏振片603用于提供一个初始的线性偏振，其偏振方向是固定的。该线性偏 振片603放置在LED光源602之下，LED光源602发出的照明光线直接照射到线性偏振片 603 上。电控偏振旋转片604安装在线性偏振片603之下，其两端与导线608连接，以便从 电池601获得电力供应。第一开关605是主电源开关。将第一开关605断开，则LED光源602、电控偏振旋 转片604与电池601之间的电气连接完全断开。第二开关606是辅助功能开关，具有“书写”和“擦除”两个状态。当第二开关606 切换到“书写”状态时，如图7所示，电控偏振旋转片604和电池601的连接断开，其偏振方 向和线性偏振片603相比旋转90度。但是，当第二开关606切换到“擦除”状态时，如图8 所示，电控偏振旋转片604的偏振方向将和线性偏振片603保持一致。进一步地，在光路的末端位置安装两个可切换的透镜611和612，将透镜611通过 铰链613连接到第二开关606，并且透镜611和612之间通过铰链614相互连接。其中，透 镜611是凸透镜，透镜612是凹透镜。当切换到“书写”状态时，如图7所示，铰链613被伸长，从而将凸透镜611展开， 即凸透镜611被放置在垂直于照明光线的位置。相应地，铰链614带动凹透镜612，将其收 起附着在外壳内壁，此时凹透镜612平行于照明光线。当切换到“擦除”状态时，如图8所示，第二开关606将铰链613拉紧，从而将凸透镜611收起，使得凸透镜611平行于照明光线附着在外壳内壁。然后，依靠铰链614发出的 牵引力将凹透镜612展开，使其垂直于照明光线放置。最后，经过透镜调制后的光从平面镜 609发出。可以看出 ，LED光源602发出的照明光线顺次通过线性偏振片603、液晶偏振旋转 片604、凸透镜611 (或凹透镜612)、平面镜609，最终照射在ORW纸上。图9和图10为使用本发明实施例中的光照设备在ORW纸上书写和擦除的操作示 意图。如图9所示，从本发明提供的光照设备901发出的是会聚的光点，这使得在ORW纸 902上书写时笔迹更为纤细。而对于图10所示的擦除操作，从光照设备901发出的是覆盖 面积相对较大的发散的光，以便更快速地将不需要的信息从ORW纸上擦除。总而言之，本发明提出一种针对ORW纸的光电写/擦除设备，其优点如下1、本发明不受制于ORW纸的大小。该设备采用的是动态成像原理，通过在所需位 置移动光照设备就能在ORW纸上创建信息，即光照区域不必做到和ORW纸的大小等同或者 相当。在ORW纸的面积较大时，本发明的光照设备的尺寸可以远小于ORW纸的大小，因此和 现有技术相比优势更为明显。2、本发明成本低，设备中只需一个而非多个偏振旋转片，所有其他部分(包括电 池、LED光源、偏振膜和透镜)都是常见且廉价的电子或光学元件。3、易于使用。本发明的设备是一个紧凑的笔式设备，该便携式设备可以在ORW纸 表面自由移动，从而很容易地写入和擦除信息，就如使用粉笔或笔一样方便。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范 围之内。
权利要求
1.一种光照设备，其特征在于，包括 光源，用于提供照明光线；供电单元，用于为电控偏振旋转片和所述光源供电；具有固定偏振方向的线性偏振片，放置在所述光源和所述电控偏振旋转片之间，所述 光源发出的照明光线通过线性偏振片到达所述电控偏振旋转片；所述电控偏振旋转片，用于改变通过线性偏振片后的照明光线的偏振方向；以及 用于放置上述部件的外壳。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括第一开关，用于控制所述供 电单元向所述光源供电；当所述第一开关闭合时，所述电源被通电； 当所述第一开关断开时，所述电源被断电。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括第二开关，用于控制所述供 电单元向所述电控偏振旋转片供电；当所述第二开关闭合时，所述电控偏振旋转片被通电，通过所述电控偏振旋转片后的 照明光线保持所述线性偏振片的偏振方向，通过移动所述光照设备擦除ORW纸上的信息；当所述第二开关断开时，所述电控偏振旋转片被断电，通过所述电控偏振旋转片后的 照明光线和所述线性偏振片的偏振方向相比旋转90°，通过移动所述光照设备向ORW纸写 入信息。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括第一开关和第二开关； 所述供电单元、第一开关和电源之间电气连接，构成第一回路；所述供电单元、第一开关、第二开关、电控偏振旋转片和电源之间电气连接，构成第二 回路；当所述第一开关断开时，所述电源被断电；当所述第一开关闭合、且所述第二开关闭合时，所述电源和所述电控偏振旋转片被通 电，通过移动所述光照设备擦除ORW纸上的信息；当所述第一开关闭合、且所述第二开关断开时，所述电源被通电，所述电控偏振旋转片 被断电，通过移动所述光照设备向ORW纸写入信息。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于，进一步包括通过连接部件和所述第 二开关连接的凸透镜和凹透镜；所述第二开关进一步用于控制所述凸透镜和所述凹透镜的放置位置； 当所述第二开关断开时，所述凸透镜垂直于照明光线的方向，所述凹透镜平行于照明 光线的方向；当所述第二开关闭合时，所述凹透镜垂直于照明光线的方向，所述凸透镜平行于照明 光线的方向。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述连接部件包括用于连接第二开关和 凸透镜的第一铰链，以及用于连接凸透镜和凹透镜的第二铰链。
7.根据权利要求1-4任一项所述的设备，其特征在于，进一步包括平面镜，用于将照 明光线透传到ORW纸。
8.根据权利要求1-4任一项所述的设备，其特征在于，所述供电单元为电池或者交流电插头。
9.根据权利要求1-4任一项所述的设备，其特征在于，所述外壳为笔式的。
全文摘要
本发明公开了一种光照设备，包括光源，用于提供照明光线；供电单元，用于为电控偏振旋转片和所述光源供电；具有固定偏振方向的线性偏振片，放置在所述光源和所述电控偏振旋转片之间，所述光源发出的照明光线通过线性偏振片到达所述电控偏振旋转片；所述电控偏振旋转片，用于改变通过线性偏振片后的照明光线的偏振方向；以及用于放置上述部件的外壳。应用本发明能够不受制于ORW纸的大小，并且降低设备成本、易于使用。
文档编号H05B37/02GK102072414SQ20091020960
公开日2011年5月25日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者李明, 赖胜 申请人:西门子公司