CN108474889A - 双模式电光滤光器 - Google Patents

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CN108474889A
CN108474889A CN201680072334.7A CN201680072334A CN108474889A CN 108474889 A CN108474889 A CN 108474889A CN 201680072334 A CN201680072334 A CN 201680072334A CN 108474889 A CN108474889 A CN 108474889A
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A·佩泰林
I·姆塞维克
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Kimberly Clark Worldwide Inc
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Abstract

本发明公开了用于以两种模式即同构模式和异构模式操作的电光滤光器的方法和***。所述同构模式跨竖直和水平这两个方向上的指定视角保持相对均匀的遮蔽/衰减范围。所述异构模式跨所述水平方向上的指定视角提供相对均匀的遮蔽/衰减范围，但允许跨所述竖直方向上的指定视角存在渐进的和范围更加不同(例如，更宽)的遮蔽/衰减变化，例如，与所述水平方向上相比。

Description

双模式电光滤光器
本申请要求2015年12月31日提交的美国临时申请号62/273547的优先权权益。
背景技术
本公开涉及电光滤光器。
基于电光滤光器的装置可以用来衰减入射光。例如，电光滤光器在诸如焊接面罩之类的应用中的自动变暗滤光器(ADF)中使用。在此类应用中，电光滤光器可以包括偏光器与液晶盒的组合。响应于由来自焊接电弧的入射光触发的光传感器输出，基于ADF的电光滤光器例如在光学透明状态(例如，在没有进行焊接时，因而焊工可以在不取下头盔的情况下观察周围环境)与光学较暗(例如保护眼睛)状态之间切换。
许多这样的滤光器提供的遮蔽效应受角度制约。因此，用户视场中的变暗/遮蔽的量是不均匀的。然而，通常希望这些滤光器允许宽视角，来让用户全方位观察周围环境。欧洲标准EN 379提出了某些要求，包括对视角特性的要求(连同其他要求，诸如对光漫射、发光透射率的变化以及光学质量的要求)。因此，必须解决许多滤光器由角度依赖效应引起的不均匀变暗问题，才能满足某些标准的要求。
另外，典型的滤光器是平坦的。因此，为了延长用户的水平视线(例如，为了增大水平视场以扩展用户的周边视界)，滤光器需要被制得更宽。这进而导致面罩更宽更庞大，从而可能减损例如焊接面罩的舒适度和/或可用性。
发明内容
一般来讲，本说明书的主题涉及具有两种操作模式并且/或者适合在滤光器表面弯曲的应用中使用的电光滤光器。一般来讲，本说明书中所描述的主题的一个方面可以在包括双模式滤光器装置的***中实现，该双模式滤光器装置包括：第一扭转向列型液晶(LC)盒，该第一扭转向列型液晶盒包括界定液晶材料的第一顶板和第一底板，具有大于90度的扭转角，并且被配置为在阈值电压下逆转其透射特性，其中第一顶板和第一底板被界定在第一顶部偏光器与第一底部偏光器之间；第二扭转向列型液晶盒，该第二扭转向列型液晶盒包括界定液晶材料的第二顶板和第二底板，并且具有小于90度的扭转角，其中第二顶板和第二底板被界定在第二顶部偏光器与第二底部偏光器之间；第一驱动器，该第一驱动器被配置为在第一扭转向列型液晶盒的两端施加第一电压；第二驱动器，该第二驱动器被配置为在第二扭转向列型液晶盒的两端施加第二电压；以及控制器，该控制器被配置为使得：第一驱动器施加大于阈值电压的第一电压，并且第二驱动器施加小于、等于或大于阈值电压的第二电压，以便以同构模式操作；第一驱动器施加等于或小于阈值电压的第一电压，并且第二驱动器施加小于、等于或大于阈值电压的第二电压，以便以异构模式操作。这个方面的其他实施方案包括对应的方法。
本说明书中所描述的主题的另一个方面可以在包括下列步骤的方法中实现：向第一扭转向列型液晶盒施加大于阈值电压的第一电压，并且向第二扭转向列型液晶盒施加小于、等于或大于阈值电压的第二电压，以便以同构模式操作；以及向第一扭转向列型液晶盒施加等于或小于阈值电压的第一电压，并且向第二扭转向列型液晶盒施加小于、等于或大于阈值电压的第二电压，以便以异构模式操作；并且其中第一扭转向列型液晶盒包括界定液晶材料的第一顶板和第一底板，具有大于90度的扭转角，并且被配置为在阈值电压下逆转其透射特性，其中第一顶板和第一底板被界定在第一顶部偏光器与第一底部偏光器之间；并且第二扭转向列型液晶盒包括界定液晶材料的第二顶板和第二底板，并且具有小于90度的扭转角，其中第二顶板和第二底板被界定在第二顶部偏光器与第二底部偏光器之间。这个方面的其他实施方案包括对应的***。
在一些具体实施中，本文所描述的方法和***具有以下特征，包括双模式滤光器装置包括多个弯曲或平坦的滤光器单元的情况，所述多个弯曲或平坦的滤光器单元即由第一扭转向列型液晶盒与第二扭转向列型液晶盒堆叠而形成的一个主要的弯曲或平坦的滤光器单元，以及多个辅助的弯曲或平坦的滤光器单元，其中这些辅助的滤光器单元被布置为与主要的滤光器单元相邻(并排)以限定该双模式滤光器装置的一维或二维弯曲的(例如，球形或柱形弯曲的)滤光器表面。
第一顶板和第一底板以及第二顶板和第二底板是具有标称的负双折射率、且光轴垂直于这些板定向的负双折射c-板。第一顶板和第一底板以及第二顶板和第二底板包括塑料。第一顶板和第一底板以及第二顶板和第二底板包括玻璃，并且其中一个或多个附加的双折射层位于第一顶部偏光器与第一顶板之间以及第一底板与第一底部偏光器之间，所述附加的双折射层为光轴沿这些板的法向对准并且具有负双折射率的负双折射c-板。由这些双折射层和偏光器引入的面外延迟的总绝对值，对于第一扭转向列型液晶盒介于200nm与400nm之间，对于第二扭转向列型液晶盒小于300nm。
第一扭转向列型液晶盒的扭转角在100度至140度的范围内，并且第二扭转向列型液晶盒的扭转角在60度至80度的范围内。透射特性是在沿竖直对称轴的竖直面中的透射梯度。
同构模式在水平面和竖直面中限定均匀衰减，并且在竖直面中的均匀衰减指定，针对与竖直方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于7.20；并且在水平面中的均匀衰减指定，针对与水平方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于2.68。
异构模式限定水平面中的均匀衰减和竖直面中的不均匀衰减，在竖直面中的不均匀衰减指定，针对与竖直方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于19.31。
第一扭转向列型液晶盒的第一顶部偏光器和第一底部偏光器的偏光器透射轴与相应的第一顶板和第一底板的液晶对准方向基本上平行，并且第二扭转向列型液晶盒的第二顶部偏光器和第二底部偏光器的偏光器透射轴与相应的第二顶板和第二底板的液晶对准方向基本上平行。
第一扭转向列型液晶盒的第一顶部偏光器和第一底部偏光器的偏光器透射轴与相应的第一顶板和第一底板的液晶对准方向基本上平行，并且第二扭转向列型液晶盒的第二顶部偏光器和第二底部偏光器的偏光器透射轴与相应的第二顶板和第二底板的液晶对准方向基本上垂直。
可以实现本说明书所描述主题的特定实施方案，以便实现以下优点中的一个或多个。基于液晶盒的构造和/或分组，可以制出具有宽视角(例如，满足EN379标准)的弯曲的(例如，柱形弯曲的)滤光器表面，以扩展例如焊接面罩用户的视线，这与平坦的滤光器形成对比，后者需要增大滤光器的宽度，因而需要增大面罩的宽度和体积，才能尝试着延长用户的视线。
这种滤光器可以在同构模式下工作，该同构模式被描述为具有在其整个竖直范围和整个水平范围内均匀(例如，针对与竖直方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于7.20，并且针对与水平方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于2.68)的宽视角，使得光衰减水平(以及用户对此的感知)在用户的整个视场中是恒定的或只轻微变化。这提供了对角度的依赖性下降的滤光器，该滤光器满足例如对焊接面罩的2类要求。
同一滤光器还可以在渐进模式(例如异构模式)下工作，该渐进模式被描述为具有在其整个水平范围内均匀(例如，如上所述)的宽视角，以及在其整个竖直方向上逐渐变化的视角衰减依赖性(例如，针对与竖直方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于19.31)。在整个竖直方向上的这种逐渐变化使用户能够通过在竖直面中倾斜其头部(并因此倾斜滤光器)来调节滤光器的亮度。这使用户看到的焊接光的强度能够随着头部的位置/倾斜度变化而变化，这一点与需要用户通过例如用手调节调谐/亮度控制器(例如旋钮)来不断地调节滤光器的亮度水平大不相同。
附图和下文的描述中阐述了本说明书所描述主题的一种或多种具体实施的细节。主题的其他特征、方面和优点将从描述、附图以及权利要求中显而易见。
附图说明
图1是基于示例扭转向列型液晶盒的滤光器的框图。
图2A是具有低扭转液晶盒和高扭转液晶盒的示例双模式滤光器的框图。
图2B表示图2A的低扭转液晶盒的取向关系。
图2C表示图2A的高扭转液晶盒的取向关系。
图3A是具有低扭转液晶盒和高扭转液晶盒的另一个示例双模式滤光器的框图。
图3B表示图3A的低扭转液晶盒的取向关系。
图3C表示图3A的高扭转液晶盒的取向关系。
图4表示高扭转盒、低扭转盒以及具有高扭转盒和低扭转盒的双盒滤光器这三者的衰减/遮蔽-电压曲线。
图5表示双模式滤光器的高扭转液晶盒的衰减/遮蔽-视角曲线。
图6表示双模式滤光器的视角属性，其中低扭转盒和高扭转盒用负C延迟器对称地补偿。
图7是用于控制双模式滤光器的示例过程的流程图。
图8A是具有第一高扭转液晶盒和第二高扭转液晶盒的示例双模式滤光器的框图。
图8B表示图8A的第一高扭转液晶盒的取向关系。
图8C表示图8A的第二高扭转液晶盒的取向关系。
图9A是表示具有第一高扭转盒和第二高扭转盒的双模式滤光器的框图，这两个高扭转盒用拉伸的负C延迟器对称地补偿。
图9B表示图9A的第一高扭转液晶盒的取向关系。
图9C表示图9A的第二高扭转液晶盒的取向关系。
图9D表示具有图9A的两个高扭转盒的双盒滤光器的衰减/遮蔽-电压曲线。
图10表示双模式滤光器的视角属性，其中两个高扭转盒用单个拉伸的负C延迟器对称地补偿。
图11A和图11B表示柱形弯曲的滤光器表面。
各附图中的类似附图符号指示类似的元件。
具体实施方式
本公开总体上涉及电光滤光器，例如，如在用于焊接面罩的ADF中所使用的电光滤光器。本公开的电光滤光器可以在两种模式下操作，这两种模式即同构模式和异构模式(也称为渐进模式)。如上所述，同构模式跨竖直和水平这两个方向上的指定视角保持相对均匀的遮蔽/衰减范围。异构模式跨水平方向上的指定视角提供相对均匀的遮蔽/衰减范围，但允许跨竖直方向上的指定视角存在渐进的和范围更加不同(例如，更宽)的遮蔽/衰减变化，例如，与水平方向上相比。这种渐进的竖直遮蔽变化允许例如使用具有该双模式滤光器的焊接头盔的焊工选择异构模式，然后仅通过倾斜(例如，在竖直方向上向上或向下)焊接面罩就能够控制竖直遮蔽的水平。
本公开的电光滤光器也可以被制成弯曲的(例如，单个滤光器可以弯曲、也可以不弯曲)并且/或者以错开并排的配置布置，以形成一维或二维弯曲的(例如，柱形或球形弯曲的)表面，从而在例如焊接面罩中的弯曲的ADF中使用(例如，通过单个或多个滤光器)，这提供了上述的观察有益效果。
电光滤光器可以由具体的扭转向列型液晶(LC)盒(LC)的特定组合构造而成。在一些具体实施中，电光滤光器由低扭转盒(例如，具有小于90度的扭转角)与高扭转盒(例如，具有大于90度的扭转角)堆叠而形成。为了以同构模式操作，控制器控制第一液晶驱动器电路在高扭转液晶盒的两端施加大于该高扭转液晶盒的阈值电压的电压，并且控制第二液晶驱动器电路在低扭转液晶盒的两端施加该低扭转液晶盒的可操作范围内的第二电压(例如，小于、等于或大于阈值电压的电压)。在低扭转盒的两端施加的电压可以用于控制滤光器衰减。
高扭转液晶盒的阈值电压限定了该高扭转液晶盒在那里逆转其透射特性(例如，在沿竖直对称轴的竖直面中的透射梯度)的电压。例如，阈值电压在引起高扭转液晶盒随竖直面中的视角变化而增大或减小其衰减(或遮蔽)效应的电压区域之间描绘轮廓。例如，这允许使用结合了该技术的ADF的焊工看到的焊接光的强度随头部在竖直方向上的倾斜度变化而变化。
为了以异构模式操作，控制器控制第一液晶驱动器电路在高扭转液晶盒的两端施加等于或小于阈值电压的第一电压，并且控制第二液晶驱动器电路在低扭转液晶盒的两端施加该低扭转液晶盒的可操作范围内的第二电压(例如，小于、等于或大于阈值电压的电压)。因此，通过改变在液晶盒两端施加的电压，可以使这些双模式滤光器以同构模式或异构模式操作。
在一些具体实施中，双模式滤光器由两个竖直堆叠的高扭转液晶盒(例如，每个盒的扭转角都介于120度与180度之间)形成。调整面内延迟量(例如R0)，以补偿高扭转液晶盒的剩余双折射率。这两个高扭转液晶盒都具有上述的梯度翻转属性(例如，透射特性逆转)。在这些具体实施中，高扭转液晶盒以高于其阈值电压的电压驱动，从而以同构模式操作。在异构模式下，这些高扭转液晶盒中的一个以低电压(例如，低于阈值电压)驱动，另一个则以高电压(例如，高于阈值电压)驱动。梯度的方向(无论是在较高还是较低的竖直视角中较暗)在该模式下可以翻转，具体取决于这两个液晶盒中的哪一个以低电压驱动。
一般来讲，如果液晶被约束在涂有透明电极(例如ITO、PEDOT：PSS、石墨烯、银纳米线等)和对准层的两块玻璃(或塑料)板之间，则它沿每个对准表面的取向方向对准。对准表面和透明电极可以是相同的材料(例如导电聚合物)。在扭转向列型(TN)模式下，液晶与手性掺杂剂混合，该掺杂剂有助于增大液晶分子的旋向性和液晶分子经历的螺旋扭转量。对准层可以是摩擦聚酰亚胺(或导电聚合物)层，其中摩擦方向决定了液晶分子的取向和表面附近的倾斜角。对准层可以是通过光学对准技术取向的聚合物，其中对准和倾斜是由光的偏振而不是摩擦所引起的。当两个基板上的基板液晶对准方向相对于彼此旋转一定量时，液晶分子倾向于形成扭转结构。在90度的扭转盒中，向***引入扭转所添加的手性掺杂剂的量通常很少。如果液晶材料的某些光学属性(例如折射率)被选择为处于特定范围内，则此类扭转盒作为偏振旋转器作用于具有给定波长的光。TN盒在被置于两个正交偏光器之间时透射光。在向电极施加电压时，液晶分子倾向于沿表面法向定向，并且穿过液晶盒的透射率大大降低或变为零。在移除电压后，液晶分子即重新定向，以允许光通过。
图1是基于示例扭转向列型液晶盒的滤光器100的框图。滤光器100包括例如偏光器102、基板或板104、电极106、液晶分子(例如液晶层)108、可变电压驱动器110和控制器112，及其他部件。在一些具体实施中，板104包括电极106。偏光器102彼此正交(或大体上正交，诸如与正交相差±10度以内)。例如，对于一些扭转盒，偏光器相隔90度定向。在一些具体实施中，第一顶部偏光器和第一底部偏光器(例如，来自滤光器200的高扭转液晶盒，如下所述)的偏振取向的平分线与第二顶部偏光器和第二底部偏光器(例如，来自滤光器200的低扭转液晶盒，如下所述)的偏振取向的平分线沿竖直对称轴(例如，图2B和图2C中的209)对准，并且液晶对准层相对于该竖直对称轴对称地定向。在一些具体实施中，塑料或玻璃可以用作板104。在一些具体实施中，板104是具有标称的负双折射率、且光轴垂直于这些板定向的负双折射c-板。
如上所述，液晶(LC)分子108可以掺杂手性掺杂剂，以有助于增大液晶分子108的旋向性和这些液晶分子经历的螺旋扭转量。可变电压驱动器110耦合到电极106，以在电极106两端施加电压，例如，以使液晶分子108重新定向，从而允许光穿过滤光器100。可变电压驱动器110包括电气电路，该电气电路可以跨指定的范围产生电压，并且在电极106两端施加来自该范围的电压。
控制器112控制驱动器110，并且指示驱动器110激活电压和施加电压的时刻与持续时间，以及施加何种电压(例如，来自该范围的特定电压)。控制器112可以用指令(例如，由用户)预先编程，这些指令响应于某些输入(例如，用户能够调节的设置)来指定如何控制驱动器110选择同构模式或异构模式，或者每种模式内的遮蔽水平。滤光器的衰减值可以用遮蔽度来衡量，其中遮蔽度被限定为1+7/3 log10(衰减)。
同构模式在水平面和竖直面中限定均匀衰减，在竖直面中的均匀衰减指定，针对与竖直方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于7.20(2个遮蔽度)；并且在水平面中的均匀衰减指定，针对与水平方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于2.68(1个遮蔽度)。异构模式限定水平面中的均匀衰减和竖直面中的不均匀衰减，在竖直面中的不均匀衰减指定，针对与竖直方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于19.31(3个遮蔽度)。另外，针对介于±15度与±30度之间的任何角测量的该比率不得大于138.95(5个遮蔽度)，并且在与竖直方向成介于-15度与+15度之间的角处测量的最大透射值与最小透射值之间的比率在一些具体实施中大于19.31(3个遮蔽度)，或在一些具体实施中大于或类似于138.95(5个遮蔽度)。这样，异构模式符合标准(例如EN379)，尽管其发光透射值变化很大。图1在括号内包括特定类型的多个层的实例(例如，针对保护层的TAC)；但这些层并不限于此。
图2A是具有低扭转液晶盒210(例如第二液晶盒)和高扭转液晶盒230(例如第一液晶盒)的示例双模式滤光器200的框图。图2B表示图2A的低扭转液晶盒210的取向关系，而图2C表示图2A的高扭转液晶盒230的取向关系。滤光器200(例如，基于滤光器100中的两个，一个是低扭转，另一个则是高扭转)能够以同构模式或异构模式操作，并且能够例如基于用户输入或预先编程的指令在这些模式之间切换。
在一些具体实施中，高扭转盒230(例如，基于滤光器100)具有约120度的扭转角，并且例如且任选地处于非常模式下(参见第60段)。在一些具体实施中，高扭转角介于100度与140度之间。低扭转盒210可以具有约70度的扭转角，并且例如处于正常模式或非常模式下(参见第60段)。在一些具体实施中，低扭转角介于50度与80度之间。
低扭转盒210(例如，基于滤光器100)上的液晶对准方向(或聚酰亚胺摩擦方向)针对顶部表面和底部表面分别用r1a和r1b表示。高扭转盒230的液晶对准方向(或聚酰亚胺摩擦方向)用r2a和r2b表示。液晶对准取向和偏光器取向被布置为相对于竖直对称轴对称，该竖直对称轴是由低扭转盒210的两个正交偏光器P1与A1之间的平分线形成的并且沿高扭转盒230的两个正交偏光器P2与A2之间的平分线对准。在一些具体实施中，盒210、230中的每一个都具有两个相互垂直的偏光器。盒的液晶对准方向应当相对于两个偏光器(例如Px和Ay)的平分线对称地对准。在这两个偏光器之间，存在两个相同的负C延迟器(例如，R1a、R1b、R2a、R2b)，诸如塑料液晶盒基板104、偏光器保护层，以及具有组合的负c延迟属性的任何附加层。对于第一盒210和第二盒230，两个正交偏光器对之间的角分别用b1和b2表示。这两个角都为90度。在一些具体实施中，这些角可以从90度最多变化为±10度。
如上所述，在一些具体实施中，滤光器200中放置了四个负C延迟器即R1a、R1b、R2a、R2b，这些延迟器中的每一个的面外延迟都介于50nm与150nm之间(例如，取决于偏光器中存在的TAC层的固有延迟)。在一些具体实施中，塑料基板(例如104)可以发挥(相位)延迟器R1a、R1b、R2a和R2b的作用(例如，用作没有A板延迟的简单的负C延迟器)。然而，在一些具体实施中，如果使用的是玻璃基板(例如104)，则可以仅在盒210、230中的每一个上使用单个延迟器(例如，但具有双重延迟值)。在一些具体实施中，如果使用的是玻璃基板(例如104)，则在盒210中的偏光器与玻璃之间没有放置附加的延迟器。
在一些具体实施中，扭转角a1和a2被设定为使得两个盒210、230的平均扭转保持在约90度(例如，60度和120度扭转)，因此，液晶对准方向r1a与偏光器P1之间以及液晶对准方向r2a与偏光器P2之间的错开角保持大致上相等(例如，±10％)，但方向相反。低扭转配置和高扭转配置引起面内的剩余正双折射，这降低了滤光器200的对比率并改变了视角属性。在一些具体实施中，竖直方向上的视角随高扭转角与低扭转角之间的差值增加而增大，但驱动电压也这样变化。例如，如果高扭转角与低扭转角之间的差值过小，则在低遮蔽度值(例如，遮蔽度9)下可能很难以同构模式操作滤光器200。
在一些具体实施中，在同构模式下，可以在透射率-电压曲线的低斜率区域中以高电压(例如，通过单独的驱动器110或同一个驱动器110)驱动两个盒210、230。这种低斜率区域在高扭转盒中更为明显，其特征在于透射率-电压曲线具有较低的斜率。在一些具体实施中，高扭转盒230的梯度翻转过渡电压/阈值电压(Vth)足够低，使得在滤光器200的阈值电压以上的衰减达到遮蔽度9。在一些具体实施中，为了在遮蔽度9和最多达遮蔽度13时处于同构模式，高扭转盒230的扭转角大于110度。在一些具体实施中，为了在遮蔽度9时处于同构模式，高扭转盒230的偏光器最多错开±10度。
在一些具体实施中，在低扭转盒210中，具有正A-板效应的两个剩余液晶层(例如，图1中的层115)不相互抵消，而是充当平均光轴沿竖直对称轴对准的正双折射率A-板。高扭转盒230具有正双折射率A-板垂直于竖直对称轴对准的净效应。这两个盒210、230中的A-板效应的所得对称性在相应驱动器(例如驱动器110)的驱动范围中的任何所施加的电压下，引起水平面内的宽视角增大特性。水平宽视角对延迟器的延迟值也非常不敏感，即便没有延迟器R也可以相当好地起效。在一些具体实施中，延迟器有助于在高遮蔽度值下具有宽视角，而对于低遮蔽度值，负双折射C-板(例如，仅仅或主要)有助于在水平面中具有宽视角，但竖直面中的视角比(或可能比)使用延迟器时窄。
为了增大竖直面中的视角，在一些具体实施中，偏光器需要错开(例如，从±45度的正交取向)几度。然而，为了达到1类要求，需要施加非常高的电压(或者必须使用液晶分子的非常高的介电各向异性)。如下所述，为了降低驱动电压并且增大竖直面中的视角，可以使用双轴膜/层来补偿。
在一些具体实施中，例如，可以设定液晶属性(例如介电各向异性)，使得这两个盒210、230一前一后地工作并且互相补充。在该模式下，这两个盒210、230可以被相同的可变电压装置(例如，被耦合到这两个盒210、230的多个驱动器110或一个驱动器110)驱动至高于阈值电压的电压，从而以同构模式操作。在一些具体实施中，盒230被驱动至高于阈值电压，并且盒210被驱动至任何电压(例如，在驱动器110的范围内的任何电压，该电压可以低于、等于或高于阈值电压)，从而以同构模式操作。在该模式下，可以使用施加到第二盒(例如低扭转盒210)的电压来调节滤光器200的衰减。当梯度逆转盒(例如盒230)以低于阈值的电压驱动时，滤光器200以异构模式操作。
在关于滤光器200的一些具体实施中，第一液晶盒(例如230)的第一顶部偏光器和第一底部偏光器(例如102)的偏光器透射轴与相应的第一顶板和第一底板(例如104)的液晶对准方向基本上平行(例如，在非常模式下)，并且第二液晶盒(例如210)的第二顶部偏光器和第二底部偏光器(例如102)的偏光器透射轴与相应的第二顶板和第二底板(例如104)的液晶对准方向基本上垂直(例如，在正常模式下)。
图3A是具有低扭转液晶盒(顶部)310(例如第二液晶盒)和高扭转液晶盒(底部)330(例如第一液晶盒)的另一个示例双模式滤光器300的框图。图3B表示图3A的低扭转液晶盒310的取向关系，而图3C表示图3A的高扭转液晶盒330的取向关系。在关于滤光器300的一些具体实施中，第一液晶盒(330)的第一顶部偏光器和第一底部偏光器(例如102)的偏光器透射轴与相应的第一顶板和第一底板(例如104)的液晶对准方向基本上平行，并且第二液晶盒(例如310)的第二顶部偏光器和第二底部偏光器(例如102)的偏光器透射轴与相应的第二顶板和第二底板(例如104)的液晶对准方向基本上平行。
图4表示高扭转盒230、低扭转盒210以及具有高扭转盒和低扭转盒的双盒滤光器200(例如，不具有UV/IR滤光器)这三者的衰减/遮蔽-电压曲线。高扭转盒230在其曲线中具有拐折422，该拐折对应于可以是电压范围或单个电压的梯度逆转过渡(例如阈值)电压。在一些具体实施中，当以同构模式操作时，这两个盒230和210都以高于阈值电压的相同电压驱动。如上所述，当滤光器200以异构模式操作时，高扭转盒230被设定为或被设定低于阈值电压，并且低扭转盒210可以用于设定和调节滤光器200的衰减(例如遮蔽)。
图5表示双模式滤光器200的高扭转液晶盒230的衰减/遮蔽-视角曲线。例如，这种高扭转液晶盒具有120度的扭转。如在竖直视角曲线图中的2.1V处所展示，高扭转液晶盒不断地增大其遮蔽，最多至约5度(至约5.5的遮蔽度)，将遮蔽保持为约10度，然后将其遮蔽降低到10度的竖直视角以上。因此，2.1V表示高扭转盒的阈值/梯度翻转电压。例如，这允许使用具有ADF的焊接面罩的焊工通过竖直地上下倾斜该面罩来改变竖直遮蔽，其中ADF是由以异构模式操作的该双模式滤光器构成的。水平视角曲线图显示，该高扭转盒在所施加的任何电压下都保持相对平坦和均匀的遮蔽，并且改变电压则改变遮蔽/衰减的水平。
图6表示双模式滤光器200的视角属性，其中低扭转盒和高扭转盒用负C延迟器对称地补偿。由于低扭转盒和高扭转盒在高电压状态下具有互补的视角透射属性，所以可以在竖直方向上获得毫无变化的宽视角。
图7是用于控制双模式滤光器的示例过程的流程图。
向第一扭转向列型液晶盒施加大于阈值电压的第一电压，并且向第二扭转向列型液晶盒施加小于、等于或大于该阈值电压的第二电压，以便以同构模式操作(702)。例如，第一驱动器(例如第一驱动器110)向第一液晶盒(例如盒230)施加大于阈值电压的电压，并且第二驱动器(例如第二驱动器110)向第二液晶盒(例如盒210)施加小于、等于或大于阈值电压的电压，以便以同构模式操作。
向第一扭转向列型液晶盒施加等于或小于阈值电压的第一电压，并且向第二扭转向列型液晶盒施加小于、等于或大于阈值电压的第二电压，以便以异构模式操作(704)。例如，第一驱动器向第一扭转向列型液晶盒(例如盒230)施加等于或小于阈值电压的电压，并且第二驱动器向第二扭转向列型液晶盒(例如盒210)施加小于、等于或大于阈值电压的电压，以便以异构模式操作。
在一些具体实施中，第一扭转向列型液晶盒(例如230)包括界定液晶材料的第一顶板和第一底板(例如104)，具有大于90度的扭转角，并且被配置为在第一顶板和第一底板两端的阈值电压下逆转其透射特性。在一些具体实施中，第一顶板和第一底板被界定在第一顶部偏光器与第一底部偏光器(例如102)之间。在一些具体实施中，第二扭转向列型液晶盒(例如210)包括界定液晶材料的第二顶板和第二底板(例如104)，并且具有小于90度的扭转角。在一些具体实施中，第二顶板和第二底板被界定在第二顶部偏光器与第二底部偏光器(例如102)之间。
如上所述，适合在平坦或弯曲的ADF(或其他应用)中使用的双模式滤光器的其他配置也是可能的。一般来讲，如果C板被拉伸，则其沿拉伸方向获得正A-板效应，并且变为双轴层(例如膜)。在所施加的最大电压或高电压下，可以使用面内延迟量R0来抵消高扭转盒与低扭转盒这两者的剩余双折射率。但是，在较低的电压下，A-板延迟未被完全抵消，因而仍然(在光学上)表现得像标准的高扭转盒或低扭转盒，尽管扭转角有效地变高或变低一这可能部分地归因于液晶盒的剩余A-板双折射率受电压制约。电压增加时，盒的液晶垂直排列的中心部分变得较厚，而靠近盒表面的剩余层则变得较薄。如果在例如图2A或图3A中，用拉伸膜替代延迟器R，且拉伸方向沿着高扭转盒的对称轴并垂直于低扭转盒的对称轴，则该膜的A-板延迟可以抵消液晶盒在预定义的最大电压下的剩余延迟。在较低的电压下，液晶盒的剩余A-板延迟增大，由A-板补偿的低扭转盒或高扭转盒表现得类似于标准的低扭转盒或高扭转盒，但扭转角有效地变高(或变低)。因此，可以利用低扭转盒中甚至更低的扭转角与高扭转盒中甚至更高的扭转角来以低衰减值增大在例如9至11的遮蔽度下的宽视角，并且降低针对高衰减(例如，遮蔽度13)的驱动电压。
在一些具体实施中，可以使用两个高扭转盒(例如，扭转角介于120度与180度之间)来形成双模式滤光器。高扭转盒具有更大的对称性，这产生更为均匀的视角属性。然而，梯度翻转属性随扭转角增大而削弱。光学配置在图8中示出。图8A是具有第一高扭转液晶盒(顶部)810和第二高扭转液晶盒(底部)830(例如，用拉伸的负C延迟器对称地补偿)的示例双模式滤光器800的框图。图8B表示图8A的第一高扭转液晶盒810的取向关系，而图8C表示图8A的第二高扭转液晶盒830的取向关系。
在一些具体实施中，这些延迟器是拉伸的单轴负C板，其中拉伸方向(例如，A-板光轴的方向)沿竖直对称轴对准。在一些具体实施中，可以在每个盒上使用单个延迟器，并且延迟器可以相对于彼此对称地放置。在一些具体实施中，在例如遮蔽度11下的中间电压下，负C延迟与液晶盒的面内延迟匹配。在一些具体实施中，在同构模式下，通过在低斜率状态(例如，衰减-电压曲线的状态)下施加Vth以上的电压来设定9至13的遮蔽度，而例如5至8的遮蔽度则可以通过在陡斜率状态下施加低于Vth的电压来设定。在采用两个高扭转盒的一些具体实施中，如果使用单个延迟器，则液晶对准方向的平分线与延迟器拉伸方向从两个偏光器的平分线错开。该错开角在一些具体实施中最高达15度。
图9A是表示具有高扭转盒910和高扭转盒920(例如，用单个拉伸的负C延迟器补偿)的双模式滤光器900的框图。图9B表示图9A的第一高扭转液晶盒910的取向关系，而图9C表示图9A的第二高扭转液晶盒930的取向关系。s1和s2是延迟器拉伸方向的取向(A-板取向)。c1和c2是延迟器拉伸方向的取向(A-板取向)和液晶对准对称轴s1和s2相对于竖直对称轴的错开角。图9D表示具有图9A的两个高扭转盒(例如910和920)的双盒滤光器900的衰减/遮蔽-电压曲线。该曲线具有拐折915，该拐折对应于梯度逆转/过渡电压。当以同构模式操作时，这两个高扭转盒都以高于阈值电压的电压驱动。在滤光器900被配置用于异构模式时，一个盒被设定为或被设定低于阈值电压，并且使用向另一个盒施加的电压来设定衰减。
图10表示具有两个高扭转盒(例如910和920)(例如，用单个拉伸的负C延迟器加以补偿)的双模式滤光器900的视角属性。由于这两个盒在高电压状态下具有互补的视角透射属性，所以可以在竖直方向上获得宽视角。
其他双模式滤光器配置都是可预见的，诸如，在低扭转-高扭转滤光器(例如滤光器200)中，使用90度扭转盒来代替高扭转盒，这个扭转盒用双轴膜来补偿。应当调整面内延迟量R0，以将90度盒的行为修改为梯度翻转。如果用双轴膜来补偿低扭转盒，则应当调整面内延迟量R0来补偿该低扭转盒的剩余双折射率，这使该低扭转盒的扭转甚至能够更小(例如，0度至30度)。
在低扭转-高扭转滤光器中，使用90度扭转盒来代替高扭转盒，这个扭转盒用双轴膜来补偿；并且使用180度扭转盒来代替低扭转盒，这个扭转盒用双轴延迟器来补偿。应当调整面内延迟量R0，以将90度盒的行为修改为梯度翻转，并且补偿180度扭转盒的剩余双折射率。
在一些具体实施中，将两个一模一样的高扭转盒(例如，扭转角为约130度至1.40度)与双轴延迟器结合，以形成双模式滤光器。在这里调整面内延迟量R0，以补偿该高扭转盒的剩余双折射率。这两个盒都以梯度翻转的形式工作，并且两者都可以使用高于阈值电压且完全相同的高电压来驱动，从而以同构模式操作。在异构模式下，这些盒中一个以低电压(低于阈值)驱动，另一个则以高电压驱动。梯度的方向(无论是在较高还是较低的竖直视角中较暗)在此时可以翻转，具体取决于这两个盒中的哪一个以低电压驱动。
图11A和图11B是表示柱形弯曲的滤光器表面1102的框图。图11A示出了可以用于形成弯曲的(例如，球形或柱形弯曲的)滤光器表面1102的相邻滤光器1104(例如200或400，以及/或者如[007]中所述)的顶视图。图11B是示出竖直错开的滤光器1104的表面1102的侧视图。
虽然本说明书包含许多特定的实施细节，但是这些细节不应当被解释为对任何发明内容或可能要求保护的内容的范围的限制，而是作为对于特定发明内容的特定实施方案具有特异性的特征的描述。在本说明书中在单独的实施方案的上下文中所描述的某些特征也可以在单个实施方案中组合地实施。相反，在单个实施方案的上下文中所描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施方案中实施。此外，尽管特征在上文可以被描述为以某些组合起作用，甚至最初要求如此，但来自要求保护的组合的一个或多个特征可以在一些情况下从组合中删除，并且要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。
类似地，虽然操作在附图中是按特定顺序描绘的，但是这不应该被理解为要求此类操作以所示出的特定顺序或按先后顺序执行，或所有所示出的操作都被执行，以实现所需结果。在某些情况下，多任务和并行处理可以是有利的。此外，在上文所描述的实施方案中各种***部件的分离不应该被理解为在所有实施方案中都要求这样的分离，应该理解，所描述的程序组件和***可以一般性地集成在单个软件产品中或封装到多个软件产品中。
该书面说明并不将本发明限于阐述的精确术语。因此，虽然已经参照上述实例详细描述了本发明，但是本领域的普通技术人员可以在不脱离本发明范围的情况下实现对这些实例的变更、修改和变化。

Claims (19)

1.一种双模式滤光器装置，包括：
第一扭转向列型液晶(LC)盒，所述第一扭转向列型液晶盒包括界定液晶材料的第一顶板和第一底板，具有大于90度的扭转角，并且被配置为在阈值电压下逆转其透射特性，其中所述第一顶板和所述第一底板被界定在第一顶部偏光器与第一底部偏光器之间；以及
第二扭转向列型液晶盒，所述第二扭转向列型液晶盒包括界定液晶材料的第二顶板和第二底板，并且具有小于90度的扭转角，其中所述第二顶板和所述第二底板被界定在第二顶部偏光器与第二底部偏光器之间；
第一驱动器，所述第一驱动器被配置为在所述第一扭转向列型液晶盒的两端施加第一电压；
第二驱动器，所述第二驱动器被配置为在所述第二扭转向列型液晶盒的两端施加第二电压；
控制器，所述控制器被配置为使得：
所述第一驱动器施加大于所述阈值电压的所述第一电压，并且所述第二驱动器施加小于、等于或大于所述阈值电压的所述第二电压，以便以同构模式操作；
所述第一驱动器施加等于或小于所述阈值电压的所述第一电压，并且所述第二驱动器施加小于、等于或大于所述阈值电压的所述第二电压，以便以异构模式操作。
2.根据权利要求1所述的双模式滤光器装置，包括多个盒单元，其中至少一个盒单元包括与所述第二扭转向列型液晶盒竖直堆叠的所述第一扭转向列型液晶盒，并且进一步，其中所述至少一个盒单元被布置为与一个盒单元相邻，以限定所述双模式滤光器装置的弯曲的滤光器表面。
3.根据权利要求1所述的双模式滤光器，其中所述第一顶板和所述第一底板以及所述第二顶板和所述第二底板是具有标称的负双折射率、且光轴垂直于所述这些板定向的负双折射c-板。
4.根据权利要求1所述的双模式滤光器装置，其中所述第一顶板和所述第一底板以及所述第二顶板和所述第二底板包括塑料。
5.根据权利要求1所述的双模式滤光器装置，其中所述第一顶板和所述第一底板以及所述第二顶板和所述第二底板包括玻璃，并且其中两个附加的双折射层位于所述第一顶部偏光器与所述第一顶板之间以及所述第一底板与所述第一底部偏光器之间，所述两个附加的双折射层为光轴沿所述这些板的法向对准并且具有负双折射率的负双折射c-板。
6.根据权利要求3、4和5所述的双模式滤光器，其中由所述双折射层和所述偏光器引入的面外延迟的总绝对值，对于所述第一扭转向列型液晶盒介于200nm与400nm之间，对于所述第二扭转向列型液晶盒小于300nm。
7.根据权利要求1所述的双模式滤光器，其中所述第一扭转向列型液晶盒的所述扭转角在100度至140度的范围内，并且所述第二扭转向列型液晶盒的所述扭转角在60度至80度的范围内。
8.根据权利要求1所述的双模式滤光器，其中所述透射特性是在沿所述竖直对称轴的竖直面中的透射梯度。
9.根据权利要求1所述的双模式滤光器，其中所述同构模式在水平面和竖直面中限定均匀衰减，并且其中在所述竖直面中的均匀衰减指定，针对与竖直方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于7.20；并且在所述水平面中的均匀衰减指定，针对与水平方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于2.68。
10.根据权利要求9所述的双模式滤光器，其中所述异构模式限定所述水平面中的均匀衰减和所述竖直面中的不均匀衰减，其中在所述竖直面中的不均匀衰减指定，针对与竖直方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于19.31。
11.根据权利要求1所述的双模式滤光器，其中所述第一顶部偏光器和所述第一底部偏光器的偏振取向的平分线与所述第二顶部偏光器和所述第二底部偏光器的偏振取向的平分线沿竖直对称轴对准，并且液晶对准层相对于所述竖直对称轴对称地定向。
12.一种方法，包括：
向第一扭转向列型液晶盒施加大于阈值电压的第一电压，并且向第二扭转向列型液晶盒施加小于、等于或大于所述阈值电压的第二电压，以便以同构模式操作；以及
向所述第一扭转向列型液晶盒施加等于或小于所述阈值电压的所述第一电压，并且向所述第二扭转向列型液晶盒施加小于、等于或大于所述阈值电压的所述第二电压，以便以异构模式操作；并且
其中：
所述第一扭转向列型液晶盒包括界定液晶材料的第一顶板和第一底板，具有大于90度的扭转角，并且被配置为在所述第一板和所述第二板的两端的所述阈值电压下逆转其透射特性，其中所述第一顶板和所述第一底板被界定在第一顶部偏光器与第一底部偏光器之间；并且
所述第二扭转向列型液晶盒包括界定液晶材料的第二顶板和第二底板，并且具有小于90度的扭转角，其中所述第二顶板和所述第二底板被界定在第二顶部偏光器与第二底部偏光器之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一顶板和所述第一底板以及所述第二顶板和所述第二底板是具有标称的负双折射率、且光轴垂直于所述这些板定向的负双折射c-板。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一扭转向列型液晶盒的所述扭转角在100度至140度的范围内，并且所述第二扭转向列型液晶盒的所述扭转角在60度至80度的范围内。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述同构模式在水平面和竖直面中限定均匀衰减，并且其中在所述竖直面中的均匀衰减指定，针对与竖直方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于7.20；并且在所述水平面中的均匀衰减指定，针对与水平方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于2.68。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述异构模式限定所述水平面中的均匀衰减和所述竖直面中的不均匀衰减，其中在所述竖直面中的不均匀衰减指定，针对与竖直方向最多成±15度的任何入射角测量的发光透射值与法向入射的透射值的比率(或其倒数，以较大者为准)小于19.31。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述透射特性是在沿所述竖直对称轴的竖直面中的透射梯度。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一扭转向列型液晶的所述第一顶部偏光器和所述第一底部偏光器的偏光器吸收轴与相应的第一顶板和第一底板的液晶对准方向基本上垂直，并且所述第二扭转向列型液晶盒的所述第二顶部偏光器和所述第二底部偏光器的偏光器吸收轴与相应的第二顶板和第二底板的液晶对准方向基本上平行。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一扭转向列型液晶的所述第一顶部偏光器和所述第一底部偏光器的偏光器吸收轴与相应的第一顶板和第一底板的液晶对准方向基本上垂直，并且所述第二扭转向列型液晶盒的所述第二顶部偏光器和所述第二底部偏光器的偏光器吸收轴与相应的第二顶板和第二底板的液晶对准方向基本上垂直。
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