基于液晶的光控元件的制作方法

专利名称：基于液晶的光控元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光控元件，这种光控元件包括含有液晶材料的腔室。
本发明更进一步地涉及一种包括这种光控元件的电子设备。
背景技术：
诸如光阑(diaphragm)和光学快门(shutter)之类的一些光控 元件实例都是已知的。这些元件吸引人之处在于它们具有相当高的切 换速度并且没有机械活动部件，从而使得它们不易磨损。
举例来说，欧洲专利EP1186941号公开了一种基于宾-主系统( guest-host system)的快门，这种系统包括液晶和双色染料( dichromatic dye)。通过快门之前的偏振器选择具有适当偏振方向的 光，这种光可以从透明模式转换到吸收模式，在透明模式中染料的吸 收主轴与光的偏振方向不重叠，在吸收模式中染料的吸收轴与光的偏 振方向重叠。这种解决方案的缺点在于，由于使用了偏振器，所以导 致即使处于快门的透明模式下仍会损失至少50%的光强。
日本专利申请JP57066418号公开了一种无需偏振器的基于LC的快 门。这种快门由两个LC板组成，每个LC板都包含可以在光散射模式和 透明模式之间转换的液晶材料。第一LC板设置成通过在LC板主要表面 上的一对透明电极取向有选择地阻挡具有纵向偏振方向的光的透射， 并且第二LC板设置成利用这个LC板一侧上的电极对有选择地阻挡具有 水平偏振方向的光的透射。令人遗憾的是，这两个腔室之上的电极取 向不同，使得制造这种快门的工艺更加复杂，成本更高。
在日本专利申请JP04349423中公开了另一种无需偏振器的基于LC 的快门。这种快门由至少两个密封了向列LC材料的腔室组成。向列LC
无需定向(alignment)材料。然而，向列LC材料无法获得100W的光散 射率，并且必须通过级联许多向列LC单元来提高快门的光阻效率，从 而得到相当有效的快门。然而，如果这些多个单元非常小，例如
JP04349423中的两单元，那么这种快门仍然不能完全阻止光的透射。

发明内容
本发明设法提供一种改进的基于液晶的光控元件。 本发明更进一步地设法提供一种具有这种改进的基于液晶的光控
元件的电子设备。
根据本发明的第一方面，在此提供一种光控元件，包括第一腔
室，它密封了可以从第 一取向转换到第二取向的基于笫 一液晶的吸光
材料，其中在第一取向中所述材料主要吸收具有第一偏振方向的光， 在第二取向中所述材料基本上透明；第二腔室，它密封了可以从第一 取向转换到第二取向的基于第二液晶的吸光材料，其中在第一取向中
所述材料主要吸收偏振方向与第一偏振方向基本垂直的光，在第二取 向中所述材料基本上透明；以及多个电极，用于转换第一和笫二吸光 材料的取向，优选地所述这些电极取向为相互平行。
较之于现有技术中诸如JP57066418和JP04349423所公开的偏振 无关光控元件，对于光阻模式那些光控元件利用了LC材料的非组织化 、无序状态进行光散射的原理，而本发明中将基于液晶的吸光材料( 诸如液晶材料的宾-主系统)和优选为双色染料的吸光染料在不同组织 状态之间进行转换的能力可以用于形成一种偏振无关的光控设备，诸 如快门或光阑，本发明的实现正是基于上述这种能力。
导致本发明这种实现来源于认识到吸光材料不仅吸收偏振方向与 吸光材料中发色团(chromophore)的吸收主轴平行的光，而且吸收( 尽管效率较低)偏振方向低于与该吸收轴的夹角的光，其吸收效率与 该角度大小成反比并且角度接近于90度时吸收效率接近于0。因此，通 过包括两种基于吸光LC的材料，这些材料对垂直光偏振方向具有其最 大吸收效率，从而可以获得无需偏振器的非常有效的吸光光控元件。
这种元件优于JP57066418在于全部电极的取向可以相互平行，这 使得光控元件更易于制造，而这种元件优于JP04349423在于获得了较 好的光阻效率。另外，较之于上述日本专利申请所公开的设备，因为 入射光被吸收而不是在光控元件的黑暗状态下被散射，所以没有光从 光控元件被反射，这样在应当避免光反射的情况下(例如设置多个诸 如传感器阵列之类的光探测元件)可能很重要。
优选地，第一吸光材料夹在第一对定向层之间，该第一对定向层
用于迫使第一吸光材料处于第一取向和第二取向中的一个取向，而第 二吸光材料夹在笫二对定向层之间，该笫二对定向层用于迫使第二吸 光材料处于第一其它取向和第二其它取向中的一个取向。这样的好处 在于，在没有电场时，可以实现这两种吸光材料非常精准的垂直定向
。可选地，可以通过研磨(rubbing)处于垂直方向的两个腔室的多个 内表面来实现所想要的定向效果。
在一个实施例中，第一腔室包括笫一梯状表面，该第一梯状表面 由第一对定向层的一个定向层所覆盖，并且第二腔室包括第二梯状表 面，该第二梯状表面由第二对定向层的一个定向层所覆盖。因而，通
过吸光材料的光路的深度随着光控元件的宽度而变化，这导致当吸光 材料处于第一位置时产生吸收强度差异。因此，在这个实施例中光控 元件起到了光阑的作用。
在另一个实施例中，第一梯状表面和第二梯状表面是第一腔室和 第二腔室之间的间壁(partition wall)的主要表面。这样的好处在于 可以由单个容器制造光控元件，在所述单个容器中设置一个间壁以形 成两个腔室，从而更易于制造光控元件。
在一个可选实施例中，通过可透过电场的金属薄片将第一腔室和 第二腔室分离。这样做好处还在于，可以由单个容器制造光控元件， 从而更易于制造光控元件。
有利地，所述多个电极包括电极对，该电极对具有第一腔室中的 第一电极和第二腔室中的第二电极。在本发明的光控元件的一些实施 例中，可通过利用单个电极对来控制光在两个主要偏振方向上的吸收 ，从而生产出比先前公开的光控元件更为简单和紧凑的光控元件。这 在包括光控元件的移动通信设备领域中特别有利，其中最小化集成的 光控元件的形状系数便于将通信装置缩减所需的尺寸。
在另一个实施例中，多个电极包括多个第一环状电极和与该多个 第一环状电极相对的多个第二环状电极。这样，可以施加垂直于通过 光控元件的光路的电场梯度，其使得光控元件能够像光阑一样工作。
根据本发明的另一方面，在此提供一种电子设备，它包括连接到 处理器的光传感器，并且本发明的光控元件的上述实施例设置在光传 感器之前，该电子设备还包括连接到电极对的驱动电路。


参考附图，通过非限制性实例对本发明进行更详细的描述，其中
图l表示一个示意图，说明本发明的光控元件的工作原理； 图2表示本发明的光控元件的实施例； 图3表示本发明的光控元件的另一个实施例； 图4表示本发明的光控元件的又一个实施例 图5表示本发明的光控元件的又一个实施例；以及 图6表示包括本发明的光控元件的电子设备。
具体实施例方式
应当理解，附图仅仅为示意图并且未按照比例进行绘制。还应当 理解的是，贯穿各个附图的相同附图标记表示相同或类似的部件。
如图1所示，根据本发明的光控元件100包括第一腔室110和第二腔 室120。笫一腔室密封第一液晶材料112和第一发色团114，它们可以成 为液晶112的一部分，或者可以共价键地(covalently)或离子键地( ionically)结合到第一液晶材料112，或者可以形成具有第一液晶材 料112的宾-主系统。类似地，第二腔室120密封第二液晶材料122和第 二发色团124，它们可以共价键地或离子键地结合第二液晶材料122， 或者可以形成带有第二液晶材料122的宾-主系统。
笫一发色团114和第二发色团124可以是染料并且优选为双色( dichromatic)染料。第一液晶材料112可与第二液晶材料1"相同， 并且第一发色团114可与笫二发色团124相同，但这不是必要的。基于 液晶的吸光材料可以是已知的基于液晶的吸光材料，诸如欧洲专利申 请EP1186941和EP1197786所公开的基于液晶材料的宾-主系统，并且
对于本领域技术人员而言，可以轻易得到其他实例。例如，诸如公开 在US6469683号专利中的双频液晶材料也可适用于本发明。
在第一取向(I)中，第一腔室110中的第一液晶112的分子和第一 发色团114的分子按照图1左上角中所示坐标系的X轴方向取向，而第二 腔室120中的第二液晶122的分子和第二发色团124的分子按照该坐标 系Y轴方向取向。入射光的主要偏振方向按照X轴方向和Y轴方向取向， 如虚线曲线130和实线曲线140所示。光按照Z轴方向进行传播，如箭头 150所示。
优选地，第一发色团114和第二发色团124对于入射光的吸收具有
各向异性。在正各向异性的情况下，发色团更有效地吸收偏振方向平
行于发色团长轴116的光，而在负各向异性的情况下，发色团更有效地 吸收偏振方向平行于发色团短轴118的光。在图1中，尽管使用具有正 各向异性的发色团对光控元件的工作进行说明，但是这仅仅是一种示 例；同样可接受的是利用具有负各向异性的发色团来进行说明。
在第一取向(I)中，第一腔室110中的第一发色团114有效地吸收 具有X轴方向偏振分量的光，而第二腔室120中的第二发色团124有效地 吸收具有Y轴方向偏振分量的光，因而防止了入射光穿过光控元件IOO 。在笫二取向(II)中，第一发色团114的长轴和第二发色团124的长 轴按照Z轴方向取向。在这个取向方向中，发色团不明显地吸收任何入 射光，因此允许入射光穿过光控元件IOO。
在一个优选解决方案中，通过将各个基于液晶的吸光材料夹在一 对定向层之间，或者通过研磨(rubbing)腔室内壁，从而实现第一腔 室110和第二腔室120中各自的基于液晶的吸光材料。通过将第一腔室 110和第二腔室120中的吸光材料放置于Z轴方向的电场中来实现第二 取向(II)。可以通过相互平行取向的一对电极(未示出)来产生这 种电场。
然而，可以提供产生所需第一和第二取向的可选的方法；例如， 可以通过在x轴方向施加电场来实现第一腔室iio中基于第一液晶的吸
光材料的第一取向(I)，并且可以通过在Y轴方向施加电场来实现第
二腔室120中基于笫二液晶的吸光材料的第一取向(I)，利用定向层 或者研磨(rubbing)来产生这些材料的第二取向(II)。
在后续附图中，假设光按照其中所示的坐标系的Z轴方向进行传播
在根据本发明的光控设备100的第一个实施例中，如图2所示，第 一腔室110和第二腔室120是离散的、相互分离的腔室，第一腔室IIO 携栽有第一透明电极212和第二透明电极214，其中第一透明电极212 被笫一腔室110的光入口表面平面中的定向层216覆盖，而第二透明电 极214被第一腔室110的光出口表面平面中的定向层218覆盖。第一腔室 IIO中基于LC的第一吸光材料按X轴方向取向。类似地，第二腔室120 携载有第一透明电极222和第二透明电极224，其中第一透明电极222 被第二腔室120的光入口表面平面中的定向层2卩6覆盖，笫二透明电极224被第二腔室120的光出口表面平面中的定向层228覆盖。第二腔室 IIO中基于LC的第二吸光材料按Y轴方向取向。仅仅为了清楚起见才将 第一腔室110和第二腔室120显示为相互分离的；第一腔室110的光出口 表面与第二腔室120的光入口表面相接触也同样可行。
图2以及后续附图中所示的电极可由任何已知的透明传导材料制 成，比如氧化铟锡(ITO)。图2及后续附图中所示的定向层可由任何 已知的适合的定向材料形成。
在图3中，显示根据本发明的光控元件100的另一个实施例。第一 腔室110和第二腔室120被透明的金属薄片300分离，透明的金属薄片 300在其表面上带有定向层218和226。透明的金属薄片300可以是对其 表面上所使用的定向材料不起化学作用的任何金属薄片。金属薄片300 非常薄，使得电场穿过金属薄片300而基本不会损失场强。这便于在光 控元件100中使用单个电极对或者单独一对电极结构； 一个电极或电极 结构在第一腔室110的单个表面上而另一个电极或电极结构在第二腔 室120的单个表面上。
举例来说，笫一腔室110更进一步地包括含有一组同心环状电极 312、 314和316的第一电极结构，并且第二腔室120更进一步地包括含 有一组同心环状电极322、 324和326的第二电极结构，同心环状电极322 、324和326与同心环状电极312、 314和316相对放置。因此，形成3个 电极对；电极312和322形成第一电极对，电极314和324形成第二电极 对，电极316和326形成第三电极对。可以独立地控制这些电极对，从 而允许在XY平面内产生电场梯度，比如，从第一对电极312和322向第 三对电极316和326增强的电场。还可以通过在一个表面上导电性地相 互连接穿过电阻耦合的同心环状电极(例如电极312、 314和316)来实 现这种电场梯度，在这种情况下，可以通过施加单个电压来控制电极 对。
施加这种径向电场导致吸收光的分子在光控元件100中心按Z轴方 向定向更为有效，而对光控元件100外部区域的定向效果较差。这将造 成在外部区域吸收残留光。因此，光控元件100作为光阑进行工作。通 过改变施加于电极对上的电压，可以调谐光阑强度。
在此，强调了利用同心环状电极实施光阑功能对于图2中所示的光 控元件100同样可行。另外，第一腔室110表面上的同心环状电极312
、314和316以及笫二腔室120表面上的同心环状电极322、 324和326可 以被在所述表面上的两个单电极所取代，从而获得快门而不是获得光 阑。另外，环状电极也可具有除同心形状之外的其他形状。
图4表示本发明光控元件100的另一个实施例，光控元件100作为光 阑而无需图3中所示的同心环状电极。第一腔室110包括被定向层216 覆盖的第一透明梯状表面410，并且第二腔室120包括被定向层228覆盖 的第二透明梯状结构。梯状结构410和420中的梯级使得第一腔室110 和第二腔室120中的吸光材料的层厚发生径向变化。因此，在光控元件 IOO光路中心光吸收最少，在那里吸光材料的层厚最小。
此外，通过将第一梯状结构410的介电常数选择成不同于第一腔室 IIO中第一吸光材料的介电常数，并将第二梯状结构420的介电常数选 择成不同于第二腔室120中笫二吸光材料的介电常数，获得吸光材料响 应于Z轴方向施加的电场的径向梯度。例如，如果梯状结构具有比吸光 材料更小的介电常数，那么光控元件100的有效介电常数从其中心向外 部区域增大。因此，吸光材料在光控设备100的中心区域比在外部区域 转换更容易。因此，通过改变向光控设备100的电极所施加的电压，可 被有效转换的XY平面中的吸光材料区域可以发生变化，并且获得可转 换的光阑。
在图5中，公开了一种具有间壁500的可转换的光阑，间壁500带有 第一腔室110中的第一梯状表面和第二腔室120中的第二梯状表面。工 作原理与图4中所示的可转换的光阑的工作原理相同，但是因为仅由间 壁500分离第一腔室110和第二腔室120，所以如果间壁500足够薄，则 可采用单个电极对514和518来控制可转换的光阑。
此时，强调必须注意到图4中的梯状结构410和420以及梯状结构 500上的梯级是非常平坦的，从而避免这些梯状结构呈现不统一的光强 度并用作为Fresnel型镜头，除非这些结构的镜头类型的行为( behaviour )符合要求。使用众所周知的光复制技术可以获得具有足够 平坦梯级的梯状结构。
此时，还要强调的是，作为一种选择，图4中的梯状结构410和420 以及图5中的梯状结构可以被电极层(未示出)覆盖。在所述梯状结构 的梯级上沉积(例如，溅射)诸如ITO之类的导电材料，可以很容易地 形成这种电极层。这样的好处在于由于电极对中的两个电极之间的
距离也发生变化，所以由LC层厚度变化所引起的穿过光阑的光吸收梯 度被电极间电场强度的变化放大。
图6表示移动通信设备，其作为根据本发明的电子设备600的示例 。电子设备600具有放置于图像传感器620之前的本发明的光控元件100 。镜头610，可以是固定镜头、变焦镜头或可变焦距镜头，它可以放置 在光控元件100和光传感器620之间。处理器630连接在光传感器620和 驱动电路640之间。处理器630设置成处理光传感器620的输出信号并且 向驱动电路640提供控制信号。驱动电路640设置成响应于控制信号向 光控元件100的第一腔室110和第二腔室120中的电极提供驱动电压。连 接在信息处理器630和镜头120之间并且响应于处理器630所产生的其 它控制信号的其它驱动电路(未示出)也可以存在于镜头610具有可变 光功率的情况下。
应当注意，以上实施例对本发明进行说明而不对本发明进行限定 ，并且本领域技术人员将会在不脱离所附权利要求的范围内设计出多 种可选实施例。在权利要求书中，不应当将任何括号内的附图标记理 解为对权利要求的限制。词语"包括"不排除存在未列入权利要求中 的元件或步骤。在元件前的词语"一"或"一个"不排除存在多个这 种元件。本发明可以利用包括若干不同的元件的硬件来实现。在装置 权利要求中列举了若干单元，这些单元中的一部分可以包含在同一个 硬件中。事实在于，在互不相同的从属权利要求中引用了某些方法， 并不表示不能组合这些方法以获得益处。
权利要求
1.一种光控元件(100)，包括第一腔室(110)，它密封了能从第一取向转换到第二取向的基于第一液晶的吸光材料(112；114)，其中在第一取向中所述材料(112；114)主要吸收具有第一偏振方向的光，在第二取向中所述材料(112；114)基本上透明；第二腔室(120)，它密封了能从第一其它取向转换到第二其它取向的基于第二液晶的吸光材料(122；124)，其中在第一其它方向中所述材料(122；124)主要吸收偏振方向与第一偏振方向基本垂直的光，在第二其它方向中所述材料(122；124)基本上透明；以及多个电极(212、214、216、218、312、314、316、322、324、326)，用于转换所述第一和第二吸光材料的取向。
2. 如权利要求1的光控元件(100),其中所述电极取向相互平行
3. 如权利要求1或2的光控元件(100),其中所述基于第一液晶的 吸光材料(112; 114 )包括液晶材料(112 )和染料(114 )，所述基 于第二液晶的吸光材料(122; 124 )包括其它液晶材料(122 )和其它 染料(124)。
4. 如权利要求3的光控元件(100)，其中所述染料(114)和其它 染料(124)是双色染料。
5. 如权利要求1的光控元件(100)，其中所述第一吸光材料(112 ;114)夹在迫使第一吸光材料(112; 114 )按照第一取向和第二取向 之一进行取向的第一定向层对(216; 218)之间，所述第二吸光材料(122; 124)夹在迫使第二吸光材料(122; l")按照第一其它取向 和笫二其它取向之一进行取向的第二定向层对(216; 218)之间。
6. 如权利要求5的光控元件(100)，其中所述第一腔室(110)包 括被所述第一定向层对(216; 218 )的一个定向层(216 )覆盖的第一 梯状表面(410)，所述第二腔室(120)包括被所述第二定向层对( 226; 228 )的一个定向层(228 )覆盖的第二梯状表面(420 )。
7. 如权利要求6的光控元件(100)，其中所述第一梯状表面和所 述第二梯状表面是所述第一腔室(110)和所述第二腔室(H0)之间 的间壁(500 )的主要表面。
8. 如权利要求1或6的光控元件(100)，其中通过电场可透过的金 属薄片(300 )将所述第一腔室(110)和所述第二腔室(120)分隔开
9. 如权利要求1或8的光控元件(100)，其中所述多个电极包括具 有所述第一腔室(110)中的第一电极(212)和所述第二腔室(UO )中的第二电极("4)的电极对。
10. 如权利要求1或8的光控元件(100)，其中所述多个电极包括 多个第一环状电极(312、 314、 316)和与所述多个第一环状电极(312 、314、 316)相对的多个第二环状电极(322、 324、 326 )。
11. 一种电子设备(600 )，包括连接到处理器(630 )的光传感器 (620 )，以及放置在所述光传感器(620 )之前的如权利要求1-10中任何一个的光控元件(100)，所述电子设备还包括连接到所述多个电 极的驱动电路(640 )。
全文摘要
本发明公开了一种光控元件(100)，包括第一腔室(110)，它密封了可从第一取向转换到第二取向的基于第一液晶的吸光材料(112；114)，其中在第一取向中所述材料(112；114)主要吸收具有第一偏振方向的光，在第二取向中所述材料(112；114)基本上透明；并且还包括第二腔室(120)，它密封了可从第一其它取向转换到第二其它取向的基于第二液晶的吸光材料(122；124)，其中在第一其它取向中所述材料(122；124)主要吸收偏振方向与第一偏振方向基本垂直的光，在第二其它取向中所述材料(122；124)基本上透明。提供了多个电极，用于转换第一和第二吸光材料的取向。因此，获得一种偏振无关的光控元件(100)。
文档编号G03B9/02GK101099109SQ200580046127
公开日2008年1月2日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年1月6日
发明者B·H·W·亨德里克斯, E·J·K·弗斯特根, S·凯帕 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司