CN1200660A - 液晶快门及包含此种快门的遮光装置 - Google Patents

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Abstract

一种适用于玻璃护屏和自动变暗的黑玻璃滤光片的液晶快门结构,此快门结构可按照电控制信号在高透过率的第一状态和低透过率的第二状态之间切换,反之亦然;此快门结构具有一向列型液晶盒,该液晶盒置于透明平板之间,平板上设有按照电控制信号提供电场的电极,所述平板具有相互相对的表面,在每一个表面上都设置有用于在没有所述电场时为靠近所述取向装置的分子确定分子取向方向的取向装置,所述液晶盒安设在偏振片之间,其中在偏振片之间设置有用来在电激活状态时补偿液晶盒中的剩余滞后的滞后膜,所述滞后装置设置成为使滞后装置的高速轴与所述液晶盒的固有滞后的高速轴不同。

Description

液晶快门及包含此种快门的遮光装置
本发明涉及液晶快门及具有可变透光密度的电光护屏，并且特别涉及根据下面权利要求1的前序的结构。
液晶快门在涉及光通过孔径透射的各种应用中很有用，在这些应用中应当可以在透明或明亮的低吸光状态和黑暗的高吸光状态之间切换。通过将偏振滤光片和可利用电作用使其排列的液晶分子层或液晶分子盒组合可以做到能响应电作用的变化而使液晶快门结构的透过率可变。
在这方面的现代技术的液晶盒的构成为两片平板玻璃中间夹一层柱状分子的液态混合物。在平板玻璃朝向液态混合物的一面上是利用某种方法，比如通过摩擦，做出沟槽，沟槽的方向是一致的，并且靠近此表面的液晶分子将沿平行于沟槽或摩擦的方向取向。通过将平板玻璃扭曲使沟槽的方向不平行，在平板玻璃之间会形成螺旋形液晶分子结构。例如，标准的90°扭曲向列(TN)液晶盒中平板玻璃的分子取向方向的扭曲角为90°。液晶分子具有固有介电异性，因而采用电压高于各液晶盒所特有的阈值的电场可以使大部分液晶分子取向。因而液晶盒中的螺旋结构消失并且液晶分子按照电场作用而取向。当将这种液晶盒组合置于偏振片之间时，其光密度可以通过改变所加的电场成为高于阈值电压而进行控制。当将这种液晶盒置于正交偏振片之间时，则在没有任何刺激电压作用时液晶盒结构具有高透过率，即低透光密度，称为常白模式。反之，当将这种液晶盒置于平行偏振片之间，则在没有任何刺激电压作用时液晶盒结构具有低透过率，即高光学密度，称为处于常黑模式。
典型的液晶盒结构是一个扭曲向列(TN)型液晶盒插在两个相互正交的偏振滤光片之间，其中的限定盒壁经过塑料层处理，而此塑料层则经过在所谓的取向方向的特定方向上的处理，从而使液晶限定表面的结构强迫每个向列态分子都具有各自特定的取向角，并因而在上述限定表面之间的这些分子相互扭曲达90°。在本技术领域中还有其他的表面处理方法也具有相应的效果。在电非激活态中，光通过滤光片时偏振面旋转达90°，结果就抵消了垂直偏振片的作用而液晶盒变成透明。向列态分子的这种旋转可以通过施加电场而在或大或小的程度上使其停止，并从而取得也是可控的滤光片效果。然而，这种液晶盒在处于其黑暗电激活态时具有相对强的不对称性，入射角不是直角的光线的吸收是有变化的，并且这一不对称性由于那些受表面效应的作用靠近表面的分子仍然会产生剩余旋光而进一步扩大。这样，当入射光线相对快门表面的垂直轴的入射角增大时，在取向方向之间的两个二等分线方向上的滤光片在沿着一个二等分线方向相对相互正交的偏振片的方向将更为透明和相对恒定，而沿另一二等分线的方向则变暗。
特别是，当上述这种快门用作，例如，护屏中的滤光片时，可用作能够自动变暗的焊接护目玻璃快门，此种玻璃能够对检测到的焊接光线产生响应而激活变暗。由于安全原因，能够保证从透光状态转换到不透光状态的响应时间尽可能地短是很重要的。从原则上讲，液晶盒的动作牵涉到两个切换时间。第一个涉及在施加驱动电压时液晶盒从非激活状态到激活状态的切换，一般这一反应时间小于1毫秒。第二个切换时间与其逆过程相关，即在去掉驱动电压时发生晶体弛豫，这一反应时间大约要是前者的20倍长。因此，对于要求从透光状态到不透光状态的切换时间非常快速的快门通常采用常白模式的液晶结构。然而，工作在常白模式的现代技术的液晶快门的光学角度性质是透过率高度依赖于入射光的角度。这方面的一种改进方案在同时待审而尚未公布的专利申请SE-9401423-0和PCT/SE95/00455中提出，其中描述了平板玻璃的分子取向方向之间的扭曲角小于90°并且一直到0°为止。更具体而言，根据这些应用，减小透明度随角度的改变可以通过减小液晶盒的光学各向异性Δn和其厚度d的乘积，即Δn*d参数，及减小液晶分子扭曲角使之小于90°而达到。
由于光学各向异性，通过材料或材料组合传播的光在不同的方向具有不同的速度。在这方面，高速轴是指光以最高速度沿该轴方向在该材料中传播的轴，而低速轴是指光以最低速度沿该轴方向在该材料中传播的轴。在一种具体材料中的光速的滞后值的定义是高速轴的折射率Δn(f.a.)及低速轴的折射率Δn(s.a.)的差值。
Δn*d参数的极小值产生在非激活相时偏振光的滞后值，并且在此滞后值足够大时，最明亮的状态的透过率可以保持于高水平。这一点在像自动变暗的黑玻璃护屏这一类玻璃护屏应用中尤其重要，因为这种玻璃护屏的使用者要求在操作开始之前有一个清晰的视场。这就确定了实际可以得到的Δn*d参数值的下限。
具有低扭曲角的液晶盒快门结构的缺点是在驱动电压低于10伏时液晶盒中残留的剩余滞后会造成液晶盒对比度的关联损失。这一缺点在扭曲角的减小达到0°时更为严重，因此这一由于令人无法接受的过低的对比度就对液晶盒中的扭曲角值规定了实际的下限。在SE-9401423-0和相应的PCT/SE95/00455文献中表明了在液晶盒的Δn*d参数和扭曲角之间存在耦合，并且有一幅曲线图示出对于给定的扭曲角的最佳Δn*d参数值。扭曲角减小的自然后果就是Δn*d参数也必须减小以便在非激活相时造成所要求的偏振光旋转。
在发表在SID 95 Digest的p.49上的“A High-Contrast Wide-Viewing-Angle Low-Twisted-Nematic LCD Mode(高对比度宽视角低扭曲向列态液晶显示模式)，作者为Hirakata等人的论文中提出了采用低滞后膜值可以补偿在激活相时液晶盒中存在的剩余滞后。利用滞后膜值为20-25nm，可由低扭曲的液晶盒得到加深的对比度能达到标准的90°扭曲的自动液晶盒的水平。这一文献针对的是采用低电压而获得高对比度的液晶显示设备，所以70°扭曲、滞后值为23nm的液晶盒是最合适的了。
本发明所要解决的问题，也即本发明的目的，是要获得在电激活状态下具有增强对比度和减小角透射依赖性的电可控液晶快门。
另一个目的是获得上述这种在其暗态具有高对称的明暗几何参数并且在激活的暗态具有宽对比度范围的快门。
本发明的另外的一些目的是提供一种具有增强对比度和降低角透射依赖性的玻璃护屏和黑玻璃结构。
根据本发明，上述问题的解决和上述目的的达到是通过提供一种置于互相垂直的偏振片之间、其液晶盒的界定板的分子取向方向之间的角位移在0°到85°之间并且采用补偿滞后膜的电压可控液晶盒而做到的。
这样，根据本发明的一种实施方案，可提供具有最佳对称明暗几何参数、分子取向方向平行，即扭曲角为0°，的常白液晶盒，并且具有滞后膜，用来减小在电激活状态时液晶盒中的剩余滞后。
对于像自动变暗的焊接滤光片的这样的应用，最好是具有灰度梯级能力，并且在电压接近10伏时达到最大暗度。在本发明的这些实施例中，要求70°的液晶盒的滞后值接近10nm，并且与此类似，23nm膜与40°扭曲的液晶盒的膜更匹配。为了得到对激活相中液晶盒内存在的残余滞后最大补偿，滞后膜的取向应当是使高速轴垂直于液晶盒平板玻璃表面上的两个分子取向方向之间的角度的二等分线。采取这种安排时，不仅补偿效果最大，而且处于激活态的液晶盒的光学角度性质与现代技术的液晶盒相比绕垂直于所发明的液晶盒的表面的轴的对称性更好。
数值在5nm-50nm的滞后膜表现为最适合用于补偿上述的剩余滞后。虽然液晶盒的光学角度性性质可以通过减小液晶盒内的分子扭曲角而改进，但是由于液晶盒对比度的损失，实际的扭曲角的范围限制在50°至85°。然而，采用根据本发明的滞后膜，可以使用的扭曲角的范围为0°至85°，而且没有任何液晶盒对比度的限制。最小的可能扭曲角，即0°或平行取向，代表液晶盒在激活相具有最佳的光学角度性质。为了将透过率保持于高水平必须将偏振片设置成为它们的角度的二等分线与液晶盒两边的表面上的两个分子取向方向的二等分线平行。
根据本发明的另一种实施方案，在液晶盒快门的结构中使用补偿滞后膜不仅可增加液晶盒的对比度，而且可以减小为使液晶盒达到一定的光学密度或暗度所需的电压。其结果为可以减小净电能消耗，因为液晶盒的功耗与驱动电压的平方成正比。
补偿层的形式既可是单层的、单轴延伸的、数值在5nm-50nm的滞后膜，也可是两层或多层的滞后膜，其取向产生的的总净滞后处于上述滞后范围之中。
下面参考实施例和附图对本发明进行详细说明。附图中
图1示出的是位于正交偏振片之间的液晶盒的剖视图。
图2示出的是由两个液晶盒组成的液晶盒的结构。
图3示出的是根据本发明的液晶盒组合的实施例。
图4示出的是具有液晶盒组合的光学密度或明暗值D的低扭曲角液晶盒的电光特性在不同扭曲角时与所施加的电压之间的关系曲线图。
图5示出的是不同扭曲角的液晶盒中存在的滞后量与所施加的电压的函数关系曲线图。
图6示出的也是不同扭曲角的液晶盒中存在的滞后量与所施加的电压的函数关系曲线图。
图7示出的是在一个双液晶盒的组合中偏振片和补偿滞后膜的相对分子取向矢的优选取向。
图8示出的是具有或不具有补偿滞后膜的低扭曲角的双液晶盒组合的透光特性中的明暗值与所施加的电压之间的关系曲线图。
实施例介绍
图1示出本发明的快门结构的实施例的各个部件，其中一个光学旋转液晶盒2置于第一偏振滤光片3和第二偏振滤光片4之间，其设置方式可使之互相消光。干涉滤光片6和带通滤光片5可任选置于两偏振片的外面，并且这些滤光片也可集成为一整体。当用于如焊接滤光片中的此种快门结构在使用时，控制电路启动并且光学密度可以以本来已知方式通过改变所施加的液晶盒驱动电压而得到控制。一传感器(未示出)可检测焊接光是否进入快门。如检测到焊接光，则控制电路(未示出)使控制电压加到液晶盒上而使液晶盒中的光学密度增加。
图2示出的是类似的液晶盒结构，不过第一液晶盒2置于相互消光的第一偏振片3和第二偏振片4之间，并且一个第二液晶盒6置于第一和第二偏振片3、4中间的一个和第三偏振片7之间。第三偏振片7和最靠近的第一和第二偏振片3、4的设置也是正好使之互相消光。与图1实施例的情况相同，也设置有可包括于本发明实施例中的干涉滤光片和/或带通滤光片5。图1及图2中液晶盒2、6的分子取向矢之间的扭曲角θ以交叉矢表示。
如上所述，在激活态时在液晶盒中存在剩余滞后，这会造成对比度减小，尽管角度关系已经是最佳。剩余滞后效应可以利用放置在液晶快门结构中的偏振滤光片之间的低值滞后膜而得到补偿。
图3原则上示出的一种液晶盒结构是一个液晶盒2置于相互消光的第一偏振片3和第二偏振片4之间，并且在上述偏振片3和4之间放置一个滞后膜10。在这样一种双液晶盒组合中，正交的偏振片应设置成使其角二等分线平行于液晶盒平板玻璃表面上的两个分子取向方向之间的角度的二等分线，以使明暗对称最佳。在此实施例中，最小扭曲角为0°，这也可以在激活相时产生最佳光学角度特性，即明暗对称。
另外，也可将滞后膜在液晶盒中与液晶盒的平板玻璃相接设置或置于其中间。具有滞后膜的液晶盒可以包括在任何液晶盒组合之内，如图1的单液晶盒组合或图2的双液晶盒组合。
根据本发明的眩光防护装置包括一个传感器，用来根据检测到的光强提供一个传感器信号。传感器信号供给包含一个信号发生器的控制器。信号发生器根据传感器信号生成控制信号。
根据本发明的液晶结构所包括的液晶盒具有两个其上设置有电极的表面，电极用于将电场施加于此二表面之间。电场是通过将控制信号施加于电极上而产生。当控制信号施加于电极之上时，一个一定的控制信号电压将在液晶盒的两个电极之间产生相应的电场。
图4示出的是具有液晶盒组合的光学密度或明暗值D的4mm低扭曲角液晶盒的电光特性在不同扭曲角时与所施加的电压之间的关系曲线图。从图4可以看得很清楚，给定电压之下的对比度随扭曲角减小而降低。
为了增加如在SE-9401423-0和相应的PCT/SE95/00455文献中所详细描述的低扭曲双液晶盒组合(其最佳Δn*d值被认为是0.275)中的对比度，对其提供一个滞后值在25-30nm范围之内的补偿滞后膜。此补偿滞后膜的定向最好是选择使高速轴垂直于滞后膜置于其中的液晶盒偏振片组合的两个分子取向矢的角二等分线。
图5示出的是液晶盒中存在的滞后量(RR/nm)与所施加的电压V的函数关系曲线图，图中的滞后曲线是对40°至130°范围内的不同扭曲角画出的。对于标准的90°扭曲角的向列型液晶盒，由于靠近取向表面的两层分子的滞后效应相互抵消，因此液晶盒中几乎没有滞后残留。其结果是在此种液晶盒中在激活相时得到的液晶盒对比度很高。然而，因为液晶盒中的扭曲角在扭曲角不是90°的范围中是变化的，所以抵消效应减小，而残留的滞后量增加，从而使液晶盒的对比度降低。图6示出的也是液晶盒中存在的滞后量(RR/nm)的曲线图，不过此图中示出的是扭曲角TA与多个不同驱动电压之间的函数关系图。
图7示出的是在一个具有入口分子取向矢EMA和出口取向矢XMA的双液晶盒的组合中偏振片P1、P2和补偿滞后膜取向相对分子取向矢的优选取向。为了在非激活相中得到最大透明度，正交的偏振片最好是设置成为角二等分线平行于液晶盒的各面上的两个取向矢量的角二等分线。另外，为了在激活相时得到最大的补偿效果，滞后膜的高速轴RFFA应当垂直于取向矢量的角二等分线。
图8示出的是具有(曲线A)或不具有(曲线B)44nm的补偿滞后膜的低扭曲角的双液晶盒组合的透光特性中的光学密度或明暗值SN与所施加的电压之间的关系曲线图，从中可以清楚地看到明暗对比度的差别。
于是，根据本发明构思可以为液晶快门结构提供不同种类的液晶盒组合，其中的补偿滞后膜的选择可最佳地补偿液晶盒的固有剩余滞后。

Claims (13)

1.一种适用于玻璃护屏和自动变暗的黑玻璃滤光片的液晶快门结构，此快门结构可按照电控制信号在高透过率的第一状态和低透过率的第二状态之间切换，反之亦然；此快门结构具有一向列型液晶盒，该液晶盒置于透明平板之间，平板上设有按照电控制信号提供电场的电极，所述平板具有相互相对的表面，在每一个表面上都设置有用于在没有所述电场时为靠近所述取向装置的分子确定分子取向方向的取向装置，所述液晶盒安设在偏振片之间，其特征在于在偏振片之间设置有设计用来在电激活状态时补偿液晶盒中的剩余滞后的滞后膜。
2.如权利要求1中的快门结构，其特征在于滞后装置设置成为使滞后装置的高速轴与液晶盒的固有滞后的高速轴不同。
3.如权利要求1或2中的快门结构，其特征在于滞后装置的高速轴与液晶盒的固有滞后的高速轴之间的角度处于45°和90°之间的范围。
4.如权利要求2或3中的快门结构，其特征在于滞后装置的高速轴基本上垂直于液晶盒的固有滞后的高速轴。
5.如上述权利要求2-4中任何一项中的快门结构，其特征在于滞后装置的高速轴与分子取向方向之间的角度的二等分线的方向不同。
6.如上述权利要求2-5中任何一项中的快门结构，其特征在于滞后装置的高速轴与分子取向方向之间的角度的二等分线垂直。
7.如上述权利要求中任何一项中的快门结构，其特征在于分子取向方向之间的角位移处于0°和85°之间的范围。
8.如上述权利要求中任何一项中的快门结构，其特征在于取向方向互相平行，即取向方向之间的角位移为0°。
9.如上述权利要求中任何一项中的快门结构，其特征在于其过程还包括一第二液晶盒和第二偏振滤光片。
10.如上述权利要求中任何一项中的快门结构，其特征在于带通滤光片的透光特性在可见光波长范围，大致在500和600nm之间的中央部分，具有最大透射值，以及液晶盒的选择是使得液晶盒的透过率大致与带通滤光片的透光特性互补。
11.如上述权利要求中任何一项中的快门结构，其特征在于滞后装置是由补偿层构成的滞后膜。
12.一种遮光装置，包含上述权利要求中任何一项中的快门结构。
13.如权利要求12中的遮光装置，其特征在于包含一个可根据光强提供传感器信号的传感器装置；并且包含一个根据所述传感器信号生成所述控制信号的信号发生器。
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