CN102037565A - 具有各向异性发光材料的光学器件 - Google Patents

Abstract

提供一种光学器件(1)。所述光学器件包括可切换层(2)、至少一个对准层(6)、光导引***(5)，其中所述可切换层(2)包括用于吸收和发射光的发光材料(3)，从而所述发光材料(3)的对准可变，并且所述光导引***(5)导引所发射的光，从而所述可切换层(2)与所述至少一个对准层(6)接触，并且所述发光材料(3)呈现各向异性特性，从而所述光学器件(1)包括光能量转换装置(7)，其中所述光导引***(5)与所述能量转换装置(7)物理接触。

Description

具有各向异性发光材料的光学器件

技术领域

本发明涉及光学器件。

背景技术

在现有技术中公知光学器件。例如，文件DE 33 30 305 A1公开了一种具有液晶层的窗口，其中可切换层的对准取决于所供给的电压。在一个实施例中，可切换层由液晶染料制成。在现有技术中还公知具有荧光层的光学器件。例如，文件DE 31 25 620 A1公开了一种具有荧光层的窗口。由荧光层发射的光通过全内反射而被导引到光伏电池。在文件WO2006/088369 A2中公开了一种具有光致发光材料分子和胆甾醇层的发光材料。所述光致发光材料分子在单独的层中静态对准。

关于现有技术，光学器件以复杂的方式构造，并且需要多个层来进行光吸收和导引。另一个缺点在于，被发光材料吸收的光的量不可控或者控制费力。

发明内容

本发明的总体目的是提供一种用于光吸收和导引的光学器件，其中光吸收被可靠地可控。

因此，本发明的目的是一种光学器件，其包括：

-可切换层；

-至少一个对准层；

-光导引***

所述可切换层包括用于吸收和发射光的发光材料，从而所述发光材料的对准可变，并且所述光导引***导引光，从而所述可切换层与所述至少一个对准层接触，并且所述发光材料呈现各向异性特性，所述光学器件包括光能量转换装置，其中所述光导引***与所述能量转换装置物理接触。

文件JP 06 318766 A公开了一种具有液晶和有机荧光材料的激光振荡器。在该激光振荡器中，光在镜面之间被导引，从而光在该表面之一上出射。在文件US 2007/0273265 A1中公开了一种发光器件。该器件呈现LED和一种光导引***。在论文“Anisotropic fluorophors for liquid crystal displays”(Displays，1986年10月，第155-160页)中公开了一种用于显示器的光导引***，其中该显示器为液晶显示器。在这些文件中都没有公开通过转换***将被导引的光转换成另一种能量形式。

由于可切换层包括发光材料，因此不需要额外的用于发光材料的层。因此，该光学器件可以以紧凑的方式构造，并且制造简单、便宜且省时。此外，发光材料的各向异性特性导致可控的吸收速度而没有复杂的机构。

术语“可切换层”是指能够切换发光材料的对准的层。在一个优选实施例中，使用电学信号切换发光材料的对准。在可选实施例中，发光材料的对准利用照射到该光学器件上的特定波长内的光的强度来进行切换。为了清楚起见，术语“可切换层”是指选自液体、凝胶或橡胶和/或其组合的材料。如果使用液体作为可切换层，则优选使用液晶。液晶可以是热致变型(thermotropic)或溶致型(lyotropic)的。优选地，液晶是热致变型液晶。液晶溶解并对准发光材料，即所谓的客-主***。液晶优选在所有工作温度下处于其向列相。此外，液晶优选具有各向异性液相介电特性，并且可由此使用电场进行对准。优选地，液晶可以为杆状和/或盘状液晶，并且可以呈现各种分子构造，例如单轴平面型、垂直(homeotropic)单轴型、扭转向列型、斜交型或胆甾醇型。当可切换层是凝胶或橡胶时，凝胶优选为液晶凝胶，或者橡胶为液晶橡胶。该凝胶或橡胶优选含有具有介电各向异性的介晶(mesogenic)基团，以便可以使用电场来控制这些基团的对准。对于凝胶和橡胶二者而言，介晶基团之间的化学交联足够低以允许足够的迁移率而允许使用电场进行切换。在一个实施例中，凝胶或橡胶允许发光材料溶解在该凝胶或橡胶中，并且作为用于发光材料的客-主***。可选地，发光材料被化学交联到液晶橡胶或凝胶。

对准层优选与可切换层的顶部和/或底部直接接触。可切换层的顶部和底部的意思为可切换层的表面平行于可切换层的主延伸面。直接的意思是对准层与可切换层物理接触。关于对准层，其优选地指能够导致发光材料的对准的层。优选地，对准层在电极上包含聚酰亚胺的双层或者单一光敏命令表面。聚酰亚胺层可以是被磨面的、磨平的、或者非磨面的或非磨平的聚酰亚胺层。在对准层是在电极上的聚酰亚胺的双层的情况下，聚酰亚胺层是这样的薄层，其厚度在20nm与400nm之间，更优选在30nm与300nm之间，最优选在50nm与200nm之间。更优选地，使用作为对准层的在电极上的聚酰亚胺的两个双层，从而每个双层被层叠为使得双层结构的聚酰亚胺层最靠近可切换层。在优选实施例中，电极呈现透明特性。优选地，两个电极可以被设置在可切换层的顶侧和底侧的任一侧上，或者作为位于可切换层的一侧上的面内构图的电极，从而可以通过电极来对光学器件施加电压。

在对准层是光敏命令表面的情况下，通过照射到该光学器件的命令表面上的特定波长的光的强度来控制发光材料的对准。优选地，通过在200nm与1000nm之间、更优选在300nm与450nm之间的光照射来控制命令表面。光敏命令表面是薄层且可以为自组装的单层，该单层最高为50nm的厚度，更优选高至150nm的厚度，最优选高至200nm的厚度。对准层优选使用光致变的化合物，该化合物可以为偶氮苯、均二苯乙烯、肉桂酸酯(cinnamate)、α-亚肼基-β-酮酯、螺吡喃、亚苄基苯并吡咯酮或亚苄基苯乙酮。

术语“具有各向异性特性的发光材料”是指这样的物质，其中光吸收和发射特性取决于入射光的传播方向、波长和/或偏振方向。发光材料能够吸收在光谱(优选对人眼可见的光谱)的波长的特定范围内的光。被吸收的光能量大部分被再次发射作为更长波长的光子。被吸收的光子和被发射的光子的传播方向不直接耦合到彼此。此外，术语发光材料包括发光染料或发光量子点。术语量子点的意思是其激子在所有的三个空间方向上都受限制地半导电颗粒。因此，其能够吸收超过波长范围的光并将所吸收的能量发射作为更小波长范围的光子。

为了更好地理解，发光材料本身包括可切换层也是可能的：即，可以通过施加外部电场而直接切换发光材料的取向。在另一种情况下，发光材料(客体)受到各向同性的有机主体(例如各向同性的液体、橡胶或凝胶)支撑。在该优选实施例中，发光材料具有介电各向异性特性并通过使用所施加的电压而可直接切换。在该后一种情况下，不需要可切换的主体，例如在可切换层中的液晶。

光学器件包括能量转换***，其中光导引***与该能量转换***物理接触。能量转换***、介质和光导引***之间的光学接触的意思是存在物理接触。介质优选被夹在光学导引***与能量转换***之间。因此，是通过物理接触而使光导引***与介质物理接触以及使能量转换***与介质物理接触。此外，任何可以使光导引***与能量转换***分离的居间介质至多使得它们分离比光波长小得多的距离，因此没有形成干涉条纹。优选地，该介质非常薄，是光学透明粘着层，例如，Norland Optical Adhesive 71(Norland Products)。能量转换***将光转换成选自热或电的至少一种能量形式。由于光导引***与能量转换***之间的接触，不需要用于将所发射的光聚焦在能量转换***上的困难的机构。因此该光学***高度可靠且耐用。

优选地，能量转换***是至少一个光伏电池和/或光热转换器。优选地，能量转换***是光伏电池的阵列。作为光伏电池，可以使用吸收所导引的光的波长的任何类型的光伏电池。例如，光伏电池可以是使用单晶、多晶或非晶硅的基于硅晶片的电池。可选地，光伏电池可以是薄膜光伏电池，例如GaAs电池、微晶硅或碲化镉电池。然而，另一种可能是使用从使用有机半导体的有机化合物(基于聚合物的光伏电池)或碳纳米管构造的光伏电池，或者是使用包含量子点的光伏电池。

各向异性发光材料优选呈现二向色性的特性。二向色性特性的意思是发光材料沿着发光材料的第一轴(该轴称为分子的吸收轴或发光材料的吸收轴)具有强吸收。在发光材料的任何其他轴中，吸收都较低。在优选实施例中，发光材料对于被偏振为使其电场矢量平行于发光材料的吸收轴的光呈现高吸收，并且对于被偏振为使其电场矢量垂直于发光材料的吸收轴的光呈现低吸收。发光材料的吸收轴可以是发光材料的长轴或者发光材料的任何其他轴。发光材料优选为染料且优选具有荧光和/或磷光特性。此外，由两种或更多种不同发光材料构成的复合材料是可能的。

在一个优选实施例中，发光材料是荧光染料。荧光是一种特殊的发光，并且在这种情况下发生：由电磁辐射供给的能量引起原子的电子从较低能态向“受激的”较高能态转换；然后，电子以较长波长的光的形式(发光)释放该额外的能量，此时，其落到较低能态。

优选地，光导引***通过全内反射而导引所发射的光。当光束相对于表面的法线以大于临界角的角度入射到介质边界时，发生全内反射。如果折射率在边界的另一侧较低，则没有光能通过，因此实际上所有的光都被反射。临界角是这样的入射角，当大于该角度时，发生全内反射。优选地，进入的光的100％都被导引在光导引***内部。

优选地，光导引***至少包括作为光导引***的芯部的第一介质和作为光导引***的边缘的第二介质。第一介质的折射率优选等于或高于第二介质的折射率，并且第一介质包括发光材料。因此，由发光材料发射的光讲在两种介质的边界表面处被折射，并且，作为较高折射率的结果，该光被反射回到第一介质中。在优选实施例中，边界处的折射是全反射，因此所发射的光通过全内反射而在光导引***内部被导引。有利地，在光导引过程期间不损失光强度。太阳能聚光器和/或光纤是光学导引***的实例。在一个优选实施例中，光导引***显示出以下结构：玻璃薄片、对准层、包含各向异性发光材料的可切换层、另一对准层和另一玻璃薄片。在空气中，可切换层中的所发射的光在玻璃-空气界面处基本上被反射，从而返回到光导引***中。当然，所发射的光可以通过“法向”反射而在光导引***内部被导引。法向反射的意思是入射角不等于用于全反射的临界角。在本发明中该光导引***还被称为波导***。

可切换层优选至少在被附到支撑装置的一侧上。在优选实施例中，可切换层被夹在支撑装置之间。在优选实施例中，光学器件是窗口，其中支撑装置是玻璃和/或聚合物窗格(pane)。本发明不限于扁平平面，而是包括已被弯曲、模制或其他形状的层。合适的窗格材料对于传输通过波导的所发射的辐射而言在很大程度上透明。合适的材料包括透明聚合物、玻璃、透明陶瓷、以及其组合物。玻璃可以为基于二氧化硅的无机玻璃。合适的聚合物可以为(半)晶质或非晶的。合适的聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、环式烯烃共聚物、聚对苯二甲酸乙二酯、聚醚砜、交联丙烯酸酯、环氧、氨酯、硅橡胶、以及这些聚合物的组合物和共聚物。在优选实施例中，玻璃为基于二氧化硅的浮法玻璃。可切换层和发光材料被夹在至少两个平面(玻璃或聚合物窗格)之间。由于这些平面，保护可切换层免受机械应力和沾污。因此，发光材料受到支撑，并且发光材料的寿命增加。在本发明的特定实施例中，薄片玻璃被染色，或者在薄片玻璃与发光材料之间指定额外的染色层。被染色的薄片玻璃或额外的染色层保护发光材料免受UVA和/或UVB辐射和/或对发光材料有害的特定波长。

优选支撑装置为面板状，并且能量转换***被设置在支撑装置的至少一侧上且垂直于支撑装置的主延伸面。因此，能量转换***的位置是不显眼的。如果光学器件是窗口，则能量转换***优选被设置在窗口框架中且对于观察者可见。

优选地，光学器件呈现光吸收和/或光透明特性。此外，所吸收的光和所通过的光之间的比率优选取决于所施加的电压。例如，在施加特定的电压之后，光学器件基本上对光透明，而在施加不同的电压之后，光学器件基本上是不透明的。为了改变光学器件的特性，可以使用不同的电压或不同种类的电压分布，锯齿电压、方波电压或梯形电压。另外，不同的幅度、波长或频率也可以改变光学器件的特性。

为了实现不透明和透明特性，可切换层中的发光材料的对准优选相对于可切换层的主延伸面可变。由于发光材料呈现各向异性特性，发光材料的吸收随着发光材料相对于入射光辐射的对准而改变。对于基本上透射的光学器件，例如，发光材料的吸收轴可被设置为垂直于可切换层的主延伸面。因此，发光材料的吸收轴垂直于入射光的电场矢量的偏振方向，而较少的光被发光材料吸收。在该情况下，大多数光通过光学器件，即，光学器件的透明度高而吸收低。在该情况下，发光材料至少以透射状态对准。相反地，发光材料可以被设置为使得较少光能够通过发光材料。对于较高吸收的光学器件而言，发光材料的吸收轴优选被设置为平行于可切换层的主延伸面，从而平行于入射光的电场矢量的偏振方向。因此，较多的光被吸收、发射和导引到能量转换装置，因此能量转换率显著高于透射状态。在该情况下，发光材料至少以吸收状态对准。为了理解起见，所吸收的光优选为日光，从而所有的偏振方向优选均分。发光材料的吸收带覆盖太阳光谱的一部分。为了对光学器件的不透明和透明特性分级，可以使用光密度。密度是对于给定长度和波长λ的光学元件的透射率的无单位量度，并且根据下式进行计算：

${\mathrm{OD}}_{\mathrm{\λ}}={\log }_{10}O=-{\log }_{10}T=-{\log }_{10}\left(\frac{I}{I_0}\right)$

其中

O为不透明度

T为透射率

I₀为入射光束的强度

I为透射光束的强度

因此，光密度越高，以及由此不透明度越高，则透射率越低。

在优选实施例中，发光材料以散射状态的至少一种状态对准。优选地，当发光材料在吸收状态与透射状态之间双向切换时，发光材料采用散射状态。因此，优选存在多个散射状态，这是因为在透射状态与吸收状态之间存在多个位置。

如果使用液晶作为可切换的主体，则发光材料将被嵌入该液晶中：作为液晶移动的结果，发光材料也移动。在液晶凝胶或液晶橡胶中，仍然允许介晶基团的有限的运动量。发光材料被嵌入在介晶基团中，并且作为晶体移动的结果，发光材料也移动。

在透射位置中，优选多数入射光通过光学器件，即，光密度低。在吸收状态下，多数入射光被发光材料吸收，因此光密度高。

在散射状态下，入射在光学器件上的外部光沿随机方向离开光学器件。在一个优选实施例中，在可切换层包含液晶主体的情况下，液体被组织为面内胆甾醇有序或处于多畴样式。液晶的这种组织引起可切换层内的短距离内的折射率变化，从而使得光被散射。

优选在发光材料的所有位置中，由发光材料吸收和发射入射光。所吸收的光的量取决于发光材料的对准。优选地，所吸收的光以光导引***的光导引模式被发射，并且光导引***通过全内反射将光导引到能量转换***。通过使用光导引***，可以几乎完全地传输光而没有损耗。因此，能量转换***的位置与发光材料的位置无关。因此，发光材料与能量转换***之间的距离不重要。

优选地，发光材料的吸收轴被设置为垂直于或近似垂直于处于透射状态的可切换层的主延伸面。这意味着以与窗格成法线角而透射通过窗口的任何光都被发光材料很差地吸收。此外，优选发光材料的吸收轴被设置为平行于或近似平行于处于吸收状态的可切换层的主延伸面。为了更好地理解，可以存在具有不同的不透明度和/或透明度的多个位置，这是因为可以实现在相对于可切换层的主延伸面精确平行和精确垂直之间的发光材料的吸收轴的所有位置。应注意，几乎不可获得发光材料相对于可切换层的主延伸面的完全90°(垂直)或完全0°(平行)取向。在大多数情况下，多数发光材料在透射状态下以相对于可切换层的主延伸面成90°的范围内对准，并且在吸收状态下以相对于可切换层的主延伸面成0°的范围内对准。

在散射状态下，发光材料的吸收轴优选以交替或随机样式被设置在平行与垂直对准之间。在优选实施例中，当发光材料从透射状态转变到吸收状态以及相反情况下，发光材料和/或主体获得处于稳定的居间状态的散射状态。

在优选实施例中，光学器件包括至少一个波长选择镜。优选地，光导引***包括该波长选择镜。在该优选实施例中，通过在光导引***的主延伸面的一侧或两侧应用波长选择镜，在光导引***内部俘获更多的发射光。波长选择镜优选为无机或有机波长选择镜，和/或该波长选择镜优选对于被发光材料吸收的光是至少50％透明的，并且对于由发光材料发射的非偏振辐射是至少50％反射的。在某些情况下，将波长选择镜添加到光学器件的一侧或两侧上和/或相对于可切换层的主延伸面而添加到可切换层的顶部(顶侧)和底部(底侧)上是有益的。除了别的之外，光学器件能够将所发射的光传输到能量转换***的效率取决于光学***在光导引模式内捕捉所发射的光的能力。选择性地允许光进入器件以及防止另一光波长从器件出射的能力可以增加被导引到能量转换***的光的量。在该情况下，波长选择镜的反射波长被选择为使其处于比发光材料的吸收带更长的波长，但所发射的光处于比所吸收的光更长的波长，其多数被波长选择镜反射。在一个优选实施例中，可以使用胆甾醇液晶膜来产生波长选择镜。胆甾醇液晶膜反射最大量为50％的处于特定波长的光，这是因为折射率的周期性调制引起布拉格反射。反射带的宽度取决于液晶的胆甾醇间距和双折射。右手型胆甾醇层和左手型胆甾醇层的组合可以得到用于特定波长范围的完全反射镜。可选地，可以使用其间具有半波延迟层的相同手型性的两个胆甾醇层来获得用于特定波长范围的完全反射镜。

在优选实施例中，聚合波长选择镜包括一个或多个反射右手型圆偏振光的胆甾醇层或者一个或多个反射左手型圆偏振光的胆甾醇层，或者既包括一个或多个反射右手型圆偏振光的胆甾醇层也包括一个或多个反射左手型圆偏振光的胆甾醇层，或者与半波板组合地包括一个或多个反射相同手型性的光的胆甾醇层。

本发明的另一个目的是一种使光透射通过光学器件的方法，从而通过施加具有幅度A1的电势、电场V1和/或分别具有特定频率f1的特定波长λ1的光强度，发光材料优选从吸收状态转变为透射状态，或者相反情况。

优选地，通过施加具有幅度A2的电势、电场V2和/或分别具有特定频率f2的特定波长λ2的光强度，发光材料转变为散射状态，其中幅度A1和A2、电场V1和V2和/或分别具有特定频率f1和f2的特定波长λ1和λ2的光强度彼此不同。

在其中使用具有电极的聚酰亚胺层作为对准层的一个优选实施例中，电学信号S1的施加使得可切换层处于位置1(例如透射状态)，而电学信号S2的施加使得可切换层处于位置2(例如吸收状态)。为了高效地使用，可以理解，信号S1和S2的幅度和/或频率值不同。

在一个优选实施例中，施加第三电学信号S3以获得可切换层的散射状态，其中信号S3的幅度和/或频率值不同于信号S1和S2。

在一个优选实施例中，光学器件具有至少两个稳定状态。稳定状态是指在不施加刺激的条件下可以在长时间周期期间保持的发光材料的对准配置，其中该刺激可以为电学信号或光学信号。在希望第三位置的情况下，三稳态***也是可能的。在一个优选实施例中，使用液晶主体作为可切换层而产生稳定状态。在该优选实施例中，通过在自由的***能量中产生局域最小值而获得液晶的稳定状态。为了切换到另一配置，液晶自身必须重新组织，这引起仅仅通过施加外部刺激才能克服的能量势垒。该外部刺激可以为电场或作为对准层的命令表面。

优选地，可以将该光学器件用于窗口、车辆、建筑物、温室、眼镜、安全玻璃、光学仪器、声障和/或诊疗器械。在上述这些应用中，至少可切换层、支撑装置、光导引***和对准层优选构成薄片玻璃。关于本发明的安全玻璃是特种玻璃，其可以具有可切换的暗影。这样的玻璃例如可被用于具有爆发性高光能的工艺期间保护眼睛。这样的工艺例如为焊接工艺，并且该光学器件可以被用于焊接护目镜中或激光护目镜中以构成护目镜的玻璃。

附图说明

本发明可通过参考以下附图和实例而得到最好的理解。以下附图和实例旨在描述本发明的特定实施例，并且不应以任何方式被解释为限制在所附权利要求中阐述的本发明的范围。

图1A是光学器件的截面图；

图1B是可切换层的示意图；

图2A和B是发光材料的可能的对准的示意图；

图3是在光密度与所施加的电压之间的关系的图；

图4和5示出实验设置；

图6是吸收和荧光光谱分布的图；

图7示出暗(不透明)、散射和亮(透射)模式的显微镜图像；

图8示出电压分布的不同实例；

图9是光密度的图；

图10是光学器件的光谱强度的图；

图11是在光学器件的侧面输出的会聚光的图；

图12示出发光材料的一般结构；

图13A到C示出在窗口框架中的光学器件的不同实施例；以及

图14A到C示意性示出处于不同状态的光学器件的功能。

具体实施方式

在图1中示出了光学器件1的截面图。该光学器件包括具有发光材料3(在图1中未示出)的可切换层2、支撑装置4、光导引***5和能量转换***7。图1中的可切换层2是液晶基元，其中对准层6与基元的内表面接触。由于控制***8，液晶层可切换。光导引***5可以是太阳光能聚光器(luminescent solar concentrator)。该太阳光能聚光器(LSC)包括三个主要部件，即，染料层(可切换层2和发光材料3)、波导(光导引***5)和光伏电池(能量转换***7)。使用荧光染料层来吸收和重发射(日)光。该层由吸收入射光的有机荧光染料分子(发光材料3)构成。通过荧光再次重发射所吸收的光。该重发射过程的效率称为量子效率，在某些情况下超过90％。沿着在与表面的临界角之外的方向通过荧光发射的光将以波导模式被俘获。波导光仅仅可在波导的窄边缘处从波导出射。出于几何形状的原因，到达波导的端部的光将自动处于临界角内，因而出射。由于太阳能聚光器可以具有与小侧(在该处光射出)相比大的顶面(在该处光进入)，因此其被称为“聚光器”：出射光具有比入射光高的强度(能量/单位面积)。对于波导层，使用高折射率的透明层来朝向光伏电池(能量转换***7)导引光。当在波导的窄侧安装光伏电池时，仅仅需要小的光伏电池。否则，该光伏电池将被暴露到高强度光，由此将产生相当大的电流。

在图1B中示意性示出了可切换层2。可切换层2优选具有顶侧T和底侧B，从而顶侧T与底侧B彼此平行。顶侧T和底侧B的表面比可切换层2的垂直于顶侧T和底侧B的厚度大得多。因此将平行于顶侧T和底侧B的平面14描述为可切换层2的主延伸面14。为了更好地理解，对准层6被设置为沿着顶侧T和底侧B并近似平行于顶侧T和底侧B。能量转换***7优选被设置为近似垂直于顶侧T和底侧B。在可切换层2内，发光材料3可以被对准为与顶侧T和底侧B(分别相对于主延伸面14)近似平行(吸收状态)或近似垂直(透射状态)。

图2A示例出发光材料3的可能的位置。在图2B中，示出了发光材料3的吸收轴、光的传播方向以及入射光的电场(E场)矢量的偏振方向之间的关系。光可被描述为电磁波，其中电磁波的振荡垂直于光的传播方向。在线偏振光中，仅仅存在E场的单一振荡平面。于是将该偏振方向限定为光的E场的振荡平面。标准日光(各向同性光)包含所有可能的偏振方向的分量，从而所有可能的偏振方向被均等地表示。因此，各向同性光可被数学地描述为具有两个偏振方向的光，从而偏振方向彼此垂直。发光材料3是二向色性染料分子；这意味着分子沿一个方向(沿分子的吸收轴方向)比沿另一个方向显示出更强的吸收。当分子的吸收轴垂直于光传播方向时，光的偏振状态平行于分子的吸收轴，染料分子将显示出高吸收。另一种可能性是分子的吸收轴垂直于光传播方向，光的偏振状态垂直于分子的吸收轴。在该情况下，将仅仅吸收光的一小部分。当现在使分子旋转以使光传播方向平行于分子的吸收轴时，光的偏振状态将总是垂直于分子的吸收轴。该情况示于图2A中，此时发光材料3被对准为平行于Y轴且光传播方向平行于Y轴。如果发光材料3被对准为平行于X轴或Z轴且使用各向同性(或非偏振)光时，发光材料3将对于光的一个偏振分量(即，平行于分子的主吸收轴的偏振分量)具有高吸收。如果希望透明(低吸收)的光学器1，则将发光材料3的吸收轴对准为平行于Y轴，因此垂直于X轴和Z轴且垂直于各向同性光的两个在数学上确定的偏振状态。为了更好地理解，用虚线指示出可切换层2的主延伸面14。对于透明(低吸收)的光学器件1，发光材料3的吸收轴垂直于可切换层2的主延伸面14。在光学器件1的不透明状态下，发光材料3的吸收轴平行于X轴或Y轴。

在图3中示出了所施加的电压与光学器件的光密度之间的关系。A轴表示所施加的电压，单位为V/m，B轴表示每微米的光密度。曲线C描述了具有与发光材料的吸收轴平行的偏振方向的光。曲线D描述了非偏振光，并且曲线E描述了具有与发光材料的吸收轴垂直的偏振方向的光。当将基元(光学器件1)的电压切换为接通时，可以通过增大电压而减小基元的光密度。

图14A到C示出了光学器件的功能，并且图13A到C示出了具有光学器件的窗口框架。

例如，还可以使用聚合物分散的液晶(PDLC)作为用于根据本发明的光学器件的液晶。PDLC是公知的，在文献中公开了很多实例；参见例如J W Doane，“Liquid Crystals，Applications and Uses”中的“Polymer Dispersed Liquid Crystal Displays”，Editor B Bahadur，World Scientific (1991)P S Drzaic，“Liquid Crystal Dispersions”，World Scientific(1995)，D Coates，J.Mat.Chem.，5(12)，2063-2072，(1995)。

在PDLC中，可切换层由具有液晶小滴19的聚合物基质构成。可以使用电场垂直地(homeotropically)对准小滴中的液晶19，正如在常规LC显示器中一样。在多数PDLC器件中，聚合物基质18的折射率(n_p)被选择为使其匹配液晶19的非常轴的折射率(n_‖)且由此不匹配常轴的折射率(n_⊥)。当在“接通”状态(示于图14B中)下通过电极(其构成对准层6)施加电场时，LC分子19将被垂直地对准。因此沿与可切换层2的平面垂直的方向行进的光将不会遭遇折射率改变，由此将不被折射。在“关断”状态(示于图14C中)下，LC分子19将具有随机的取向，光将遭遇到与常轴对应的折射率(n_⊥)和聚合物18。结果，光将被散射。

在优选实施例中，在可切换层2(聚合物基质18和/或LC小滴19)中包含低浓度(0.5wt-5wt％)的发光材料3。发光材料3可以是能够与液晶小滴19对准的各向异性荧光染料，例如BASF Lumogen F Yellow 083。发光材料3使得部分光被吸收和以波导模式重发射。通过改变在移动相(LC 19)中的发光材料3的对准，可改变可切换层2中的发光材料对光的吸收。在垂直“接通”状态(图14B)下吸收是低的，而在“关断”状态(示于图14C中)下，发光材料的吸收是高的。被发射或散射的光可以在光学器件1中以波导模式被俘获。然后可通过安装到波导“三明治”的侧面的能量转换***7(例如光伏元件(PV))将波导光转换成电能。处于“关断”状态的可切换层2中的光的散射会增加在短距离内行进通过波导的光的量，但将减少在长距离内传输通过波导的光的量。

存在多种已知的用于制造PDLC的方法，包括聚合诱导的相分离(PIPS)、温度诱导的相分离(TIPS)和溶剂诱导的相分离(SIPS)。这里将描述PIPS，但其他方法也可制造相同的器件。

该制造开始于使用反应性单体(例如丙烯酸酯或硫醇-烯***)和液晶的均匀混合物。合适的商业可得的材料是50∶50的重量比的作为预聚合物的Norland Optical Adhesive NOA 65与液晶混合物BL03(Merck)。可选地，可以以20∶80的重量比使用预聚合物Merck Licrilite PN 393与Merck TL203液晶混合物。发光材料3被均匀地溶解或分散在该混合物中。

进一步的制备步骤遵循PDLC混合物的常规制备，其在本领域中公知且包括以下步骤：

-提供涂覆有透明导体的两个衬底(聚合物或玻璃窗格)

-在衬底上施加混合物

-通过棒涂(bar coating)或刮片涂覆(doctor blade coating)或使用采用间隔物的玻璃基元来确保在衬底上的混合物的正确厚度

-将混合物暴露到计量可控且在受控温度条件下的UV光，以便发生相分离

-可选地包括后固化步骤

当液滴尺寸为1-2μm时发生最优散射。处于“接通”状态的光学器件1(例如窗口)的透明度取决于从预聚合物混合物分离出的液晶材料相的量。膜厚度可变化，但典型地为10-40μm。可以通过对膜施加电压(AC)而切换该***。

本领域技术人员公知PDLC***的许多变化；最重要的是从处于其“关断”状态的透明切换到处于其“接通”状态的不透明的反转模式PDLC。

在一个实施例中，光学器件1被集成到窗口和框架配置中(示于图13A到C)，其中光学器件1是双或三玻璃窗的一部分(参见图13A和13B)。不可切换的玻璃窗格优选被设置到大部分光从其入射的一侧(外侧)。可以将光学功能(例如UV滤光器或NIR滤光器)构造到该第一玻璃层15a中。以该方式，可以保护光学器件1免受有害辐射并实现对入射辐射的附加控制。在第一玻璃层15a与光学器件1之间的是采用了低热导率的材料，例如气体(空气、氩)或液体或固体，其目的是作为隔离层16。该隔离层16增大了窗口对在内部与外部之间的热传导的抵抗力。在图13A和13B中，能量转换***7(光伏元件)被设置在玻璃15的一侧上，但其可以在玻璃15的任何侧上。

在第二实施例(图13C)中，第二静态(即，不可切换)层15b是太阳光能聚光器。太阳光能聚光器在本领域中公知；参见例如Van Sark等人于2008年12月在OPTICS EXPRESS，Vol.16，No.26，2177322中的论文。在该实施例中，将能量转换***7(光伏元件)光学连接到玻璃15和第二静态层15b是有益的。

实例

实例1

1.例如从Linkam Scientific Instruments或从Instec Inc.获得商业玻璃液晶基元。该液晶基元在内表面上具有透明电极，例如ITO(铟锡氧化物)的薄(100nm)层。玻璃基元的顶部与底盖之间的基元间隙为20μm。

2.用光学透明对准层处理玻璃基元的内表面。该对准层可以为磨平的聚酰亚胺，例如Nissan Chemical Industries polyimide，grade130。然后用布磨平该聚酰亚胺层，以获得单轴平面对准。

3.通过使低浓度(0.1wt％)的荧光二萘嵌苯染料BASF Lumogen F Yellow 170与液晶混合物E7(Merck)混合，制备荧光液晶混合物。该荧光染料在该实施例中表示发光材料。二萘嵌苯染料的一般结构示于图12中。

4.然后通过将少量荧光液晶混合物供给到玻璃基元的开口侧而填充该基元。在毛细管作用下填充基元。

5.将光伏电池用作能量转换***并使用匹配玻璃折射率的光学粘合剂(例如Norland UVS 91)将光伏电池光学附接到玻璃的侧面。光伏电池面向玻璃波导。

6.将调节电压源附接到电极。该受控电压源可供给具有正弦或方波分布的交流电流(AC)，其频率在10与10000Hz之间，优选为1kHz。

取向的Lumogen F 170显示出强的吸收二向色性；平行于分子长轴的偏振方向的光的光密度高于具有垂直于分子长轴的偏振方向的光的光密度。填充有在E7主体中溶解的0.1wt％的Lumogen F 170的平面反平行基元的测得的二向色性显示出5.1的二向色比。在图9中示出了Lumogen F 170的二向色性特性(光密度取决于波长)。曲线H示出了平行偏振光，曲线I示出了垂直偏振光。

在图4中示出了对被吸收、发射和导引的光的测量方法。作为电压的函数来测量在玻璃基元的侧面的相对光输出。通过光电探测器(13)观察光，由此通过光源(12)发射光，并在进入光学器件(1)之后，将光耦合出光波导。这里，通过光电探测器(13)以与基元平面呈30度的角度观察光波导。会聚的光的光谱输出精确匹配染料分子的荧光光谱。太阳能聚光器的正确操作的进一步的证据来自升高/降低电压；当电压升高时基元的光密度降低，基元边缘处的输出增大。这证明了聚光器的输出与基元的光密度直接相关。

会聚的光的光谱输出精确匹配染料的荧光光谱。图6示出染料的吸收光谱，即荧光光谱(F)和从基元的侧面出射的光的光谱(G)的分布图。会聚的光与荧光光谱之间的差异也被指示出，并归因于染料的光再吸收。这证明了窗口(作为光学器件的实例)实际上用作荧光聚光器。太阳能聚光器的正确操作的进一步的证据来自升高/降低电压；当电压升高时基元的光密度降低，基元边缘处的输出增大。这证明了聚光器的输出与基元的光密度直接相关。这在图11中得到证明，其中示出了强度与电场(V/μm)的相关性。

实例2

遵循与方法1相同的方法。在步骤3中，添加少量的手征性诱导剂(手征掺杂剂)。

3.利用如实例1中所述的液晶和荧光染料，以2-10wt％的量将Merck CB15添加到混合物中。可选地，使用手征掺杂剂S-811或IS-4651，以便在基元的厚度范围内实现希望数目的捻度(twist)。优先地，导向器(director)在基元厚度内旋转至少270°。

4.填充基元。

5.使用光学粘合剂(例如Norland UVS 91)将光伏电池光学附接到玻璃的侧面。

将调整电压源附接到电极。该受控电压源可供给具有正弦或方波分布的AC，其频率在10与10000Hz之间，优选为1kHz。在处于低电压的高吸收状态与处于高电压的低吸收状态之间，窗口现在呈现出由液晶的“指纹”对准引起的处于中间电压的散射状态。在所有状态下，窗口能够作为太阳光能聚光器并收集光。图7示出暗模式(9)、散射模式(10)和亮窗口模式(11)的显微镜图像，其中电压从左向右增大。插图示意性示出所述状态的分子对准。在暗模式下，所有的液晶分子具有在可切换层的平面中的分子轴。并且，液晶分子具有手征向列有序。这意味着通过可切换层的厚度，分子轴的方向，即，导向器，在该平面中旋转。对于杆状液晶，该旋转由此描述这样的螺旋，其螺旋轴垂直于可切换层的平面。发光材料的对准遵循主体液晶的对准，由此也将描述通过可切换层的厚度的旋转。

在散射模式下，螺旋轴倾斜90°，从而导向器旋转现在在可切换层的平面中。这导致用分子导向器的一半旋转的周期来调制平面中的折射率。该调制导致透射通过可切换层的光的散射。在该情况下，发光的二萘嵌苯染料Lumogen F被以螺旋样式组织在可切换层的平面中。由此既存在平行于平面的分子的吸收轴取向，也存在垂直于平面的分子的吸收轴取向。

在透明模式下，所有分子通过可切换层的平面垂直地取向，不允许液晶的手征性组织。

实例3

遵循与实例1相同的方法。在步骤2中，现在不同地选择分子对准层。

2.用光学透明对准层处理玻璃基元的内表面。两个衬底中的至少一个提供垂直对准(分子导向器与衬底所成的角度近似为90°)。该对准层的实例为来自Nissan Chemical的Polyimide Grade 5300，Polyimide Grade 1211或来自JSR的JALS-204聚酰亚胺。在所有情况下，该聚酰亚胺层被轻微磨平以提供偏离法线几度(典型地2°)的对准偏差。

3.使用具有负介电各向异性的液晶，例如，具有-3.1的介电各向异性的LC混合物MLC 6610(Merck)或具有-3.7的介电各向异性的AMLC-0010(AlphaMicron)。将低浓度(典型地0.1wt％)的荧光染料添加到该混合物中。

4.然后通过将少量荧光液晶混合物供给到玻璃基元的开口侧而填充该基元。在毛细管作用下填充基元。

5.使用光学粘合剂(例如Norland UVS 91)将光伏电池光学附接到玻璃的侧面。

6.将调整电压源附接到电极。该受控电压源可供给具有正弦或方波分布的AC电流，其频率在10与10000Hz之间，优选为1kHz。

在零或低电压下，该窗口处于高透射状态。当增大对透明电极的电压时，呈现散射状态。在高电压下，呈现暗状态。在所有状态下，光伏电池收集被转换成电能的日光。

在图8中示出了控制信号1到3的实例。这里示出的信号为方波信号；这些信号还可以是正弦信号、锯齿信号或梯形信号。在施加信号V1时，光导引***，即，光学器件具有高透射或低透射特性。通过施加信号V2，光学器件具有散射特性。通过施加信号V1’，光学器件也具有散射特性。在不施加电压时，光学器件具有低透射率或高透射率。

比较例

为了比较在此描述的方法与在文件DE 33 30 305 A1中描述的方法(“Fenster”)，进行比较测量，以证明器件作为太阳能集光器的作用。遵循在文件DE 33 30 305 A1中的方法，用包含少量(0.2wt％)荧光染料(BASF Lumogen Blau 650)的LC混合物制备液晶基元。进行三项实验，以比较器件作为太阳能集光器的性能。在所有实验中，在暗(吸收)状态下测量基元的会聚光输出，该暗(吸收)状态对应于具有从基元边缘输出的最大光量的状态。使用Melchers Autronic测量输出，其中探测器被聚焦在基元的边缘上。图5示例性示出了在测量中使用的设置。

对实验的说明(比较例)

1.遵循专利DE 33 30 305 A1，放置这样的偏振器，其偏振方向垂直于液晶的对准。

2.作为对专利DE 33 30 305 A1的小变化，放置这样的偏振器，其偏振方向平行于液晶的对准。

3.遵循实例1中描述的方法，移走偏振器。

在图10中示出了结果，从而示出了与波长有关的光谱辐射率：在文件DE 33 30 305 A1中描述的器件布局具有在基元侧的最低输出(曲线L)。当使偏振器旋转90°，输出稍微增大(曲线K)。当不存在偏振器时(曲线J)，遵循来自该文件的工作实例1，从窗口输出的会聚光提高了5倍。

参考标号

1光学器件

2可切换层

3发光材料

4支撑装置

5光导引***

6对准层

7能量转换***

8控制***

9暗模式

10散射模式

11亮窗模式

12(光)源

13探测器

14主延伸面(可切换层2)

15玻璃

15a第一玻璃层

15b第二静态层

16隔离层

18聚合物基质

19液晶/液晶小滴

T顶侧

B底侧

A轴

B轴

C曲线

D曲线

E曲线

G曲线

H曲线

I曲线

J曲线

K曲线

L曲线

Claims (14)

1.一种光学器件(1)，包括：

●可切换层(2)

●至少一个对准层(6)

●光导引***(5)

其中所述可切换层(2)包括用于吸收和发射光的发光材料(3)，从而所述发光材料(3)的对准可变，并且所述光导引***(5)导引所发射的光，从而所述可切换层(2)与所述至少一个对准层(6)接触，并且所述发光材料(3)呈现各向异性特性，其特征在于，所述光学器件(1)包括光能量转换装置(7)，其中所述光导引***(5)与所述能量转换装置(7)物理接触。

2.根据权利要求1的光学器件(1)，其特征在于，所述发光材料(3)呈现二向色性特性。

3.根据权利要求1-2的光学器件(1)，其特征在于，所述发光材料(3)是荧光染料。

4.根据权利要求1-3的光学器件(1)，其特征在于，通过全内反射在所述光导引***(5)中导引所发射的光。

5.根据权利要求1-4的光学器件(1)，其特征在于，所述能量转换装置(7)是光伏电池和/或光热转换器中的至少一种。

6.根据权利要求1-6中任一项的光学器件(1)，其特征在于，所述光学器件(1)包括至少一个支撑装置(4)，其中所述支撑装置(4)为面板状，并且所述能量转换装置(7)被设置在所述支撑装置(4)的至少一侧上并垂直于所述支撑装置(4)的主延伸面。

7.根据权利要求1-6中任一项的光学器件(1)，其特征在于，所述发光材料(3)被至少以吸收状态或以透射状态对准。

8.根据权利要求1-7中任一项的光学器件(1)，其特征在于，所述发光材料(3)被以散射状态中的至少一种状态对准。

9.根据权利要求7或8中任一项的光学器件(1)，其特征在于，在所述发光材料(3)的所有状态下，通过所述发光材料(3)吸收和发射光，并且在所述光导引***(5)中通过全内反射将该光导引到能量转换装置(7)。

10.根据权利要求7-9中任一项的光学器件(1)，其特征在于，在所述透射状态下，所述发光材料(3)的吸收轴被设置为垂直于所述可切换层(2)的主延伸面(14)。

11.根据权利要求1-10中任一项的光学器件(1)，其特征在于，所述光导引***(5)包括至少一个波长选择镜。

12.一种使光透射通过根据权利要求7-11中任一项的光学器件(1)的方法，其特征在于，通过施加具有幅度A1的电势、电场V1和/或分别具有特定频率f1的特定波长λ1的光的强度，所述发光材料(3)从吸收状态转变为透射状态，或者相反情况。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于，通过施加具有幅度A2的电势、电场V2和/或分别具有特定频率f2的特定波长λ2的光的强度，所述发光材料(3)转变为散射状态，其中幅度A1与A2不同，电场V1与V2不同，和/或分别具有特定频率f1和f2的特定波长λ1和λ2的光的强度不同。

14.将根据权利要求1-11中任一项的光学器件(1)用于窗口、车辆、建筑物、温室、眼镜、安全玻璃、声障、光学仪器和/或诊疗器械的用途。

Images