Экран с управляемой прозрачностью
SCREEN WITH CONTROLLED TRANSPARENCY

Изобретение относится к оптике, в частности к экранам (покрытиям) с управляемыми рассевающими свойствами, и может быть использовано для изготовления стекол, пленок и покрытий с управляемой прозрачностью, применяемых в производстве окон, демонстрационных экранов, очков и т.п.
Широко известны электрохромные (электрооптические) покрытия, экраны и пленки, общим недостатком которых является необходимость поддержания разности потенциалов на встроенных электродах для обеспечения прозрачности.
Известны два типа электрооптических материалов: PDLC-материалы и GDLC-материалы.
PDLC-материалы - это композитные пленки, в которых микроскопические капли нематических жидких кристаллов распределены в матриксе случайным образом и их диаметр близок к длине волны видимого света, что приводит к сильному рассеянию света в видимой области спектра.
GDLC-материалы - это класс гибридных электрооптических пленочных материалов, состоящих из твердого неорганического стекла или органически модифицированного неорганического стеклянного матрикса и диспергированных в них микрокапель жидких кристаллов.
8
Подробная информация о PDLC- и GDLC-материалах приведена, например, в [EA 020820 B1, МПК C09K 19/52, C09K 19/54, G02F 1/133, G02F 1/1333, G02F 1/1334, G02F 1/1343, G02F 1/139, C09D 183/04, B05D 1/02, B05D 1/34, C09D 4/00].
В PDLC- и GDLC-материалах электрооптический эффект индуцируется путем помещения соответствующего материала между двумя электропроводными прозрачными электродами. В качестве таких электродов обычно используются тонкие пленки оксида индия-олова. В обычных условиях коэффициент преломления жидких кристаллов будет очень близок к коэффициенту преломления стеклянного матрикса. В этом случае, когда к пленке приложено электрическое поле, значения коэффициента преломления стеклянного матрикса и эффективного коэффициента преломления жидких кристаллов будут совпадать друг с другом и поэтому свет не будет преломляться и рассеиваться в материале, и материал будет прозрачным. Если электрическое поле на материал не подается, то ориентация молекул жидких кристаллов в различных микрокаплях будет различной под влиянием тепловой энергии и сил, действующих между поверхностью жидких кристаллов и поверхностями микропор. В этом случае ориентация молекул жидких кристаллов по отношению к направлению падения света в разных микрокаплях будет различной, и коэффициент преломления жидких кристаллов для выбранного луча света будет отличаться от коэффициента преломления стеклянного матрикса. В результате этого возникнет преломление, и свет будет рассеиваться.
Соответственно в качестве прототипа выбрано электрооптическое слоистое устройство с изменяемой прозрачностью, раскрытое в вышеупомянутом патенте EA 020820 B1, состоящее из субстрата, первых прозрачных электродов, снабженных электрическими контактами, слоя, частично выполненного из матрикса (матрицы) с диспергированными в нем частицами жидких кристаллов и частично выполненного из не проводящего электричество материала, не содержащего частицы жидких кристаллов, слоя диэлектрического материала, второго прозрачного электрода с электрическим контактом и защитного слоя, образующих серию последовательных слоев. Основой данного устройства является слой из прозрачного материала (изотропного материала) матрицы и диспергированных в нем [анизотропных] частиц. Указанному устройству присущ тот же недостаток, что есть у всех электрооптических материалов - необходимость подачи электрического поля (разности потенциалов) для обеспечения прозрачности. Между тем, как во многих случаях требуется материал, прозрачный большую часть времени. Кроме того, существует спрос на материалы, обладающие избирательной пропускной способностью.
Задачей настоящего изобретения являлось создание светопропускающих слоев (экранов) с управляемой прозрачностью на основе комбинации изотропных и анизотропных оптических материалов.
Созданное новое техническое решение позволит решить задачу получения плоских поверхностей (экранов) с управляемыми в широких пределах рассеивающими свойствами: от полностью прозрачного (не рассеивающего слоя) до эффективно рассеивающего слоя, через который нельзя построить изображение объекта (нельзя видеть объекты).
e
0
b
b
0
Указанная задача решается экраном с управляемой прозрачностью, представляющим собой слой прозрачной матрицы с диспергированными частицами, причем материал матрицы и материал диспергированных частиц характеризуются различными оптическими свойствами, в котором, согласно предложению, в качестве материала матрицы применен оптически анизотропный материал, имеющий два коэффициента преломления n и n, а в качестве материала диспергированных частиц применен прозрачный оптически изотропный материал, имеющий коэффициент преломления n, при этом материалы подобраны таким образом, что n=n, а оптическая ось анизотропного материала матрицы выбрана параллельно плоскости поверхности экрана.
Возможно покрытие (экран) любой формы, но искривление поверхности даст изменение конечной картины проходящего излучения. Сложные формы могут быть нужны лишь в конкретных технических решениях.
Диспергированные частицы должны быть распределены максимально однородно. При наличии значительных неоднородностей будут происходить локальные изменения оптической прозрачности, т.е. конечная картина проходящего излучения будет не однородна.
Оптически анизотропный материал может быть изготовлен из композитных материалов на основе полимеров, описанных, например, в патентах US 6881454 B2, US 8293134 B2.
Экран может быть совмещен с линейным поляризационным фильтром, позволяющим менять прозрачность покрытия путем изменения угла поляризации падающего или прошедшего света.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.
m
e
b
m
0
b
На фиг. 1 показана схема рассеяния света при n=n≠n (поляризация падающего света направлена параллельно оптической оси); на фиг. 2 показано прохождение света при n=n=n (поляризация падающего света направлена перпендикулярно оптической оси); на фиг. 3 показано прохождение света с круговой поляризацией.
m
e
b
Рассеивание света происходит в прозрачном слое, если слой оптически неоднороден. В нашем случае, это будет происходить, если коэффициент преломления материала матрицы 1, в который диспергированы частицы 2, отличается от коэффициента преломления света в частицах 2. n=n≠n (см. Фиг. 1).
b
m
Угловой спектр интенсивности рассеянного излучения I(θ) от плоской световой волны за поверхностью с прозрачными частицами 2 с коэффициентом преломления n, случайно распределенными внутри прозрачного слоя (матрицы) 1, изготовленного из материала с коэффициентом преломления n, имеет следующий вид:
b
m
1
1/3
2
2
I(θ)=(ρ(n-n)hCk)[J(kρsinθ)/(kρsinθ)],
1
b
m
b
m
1/3
-3
где ρ - размер частиц 2, C - концентрация частиц 2, h - толщина прозрачного слоя (матрицы) 1, k=2π/λ - волновое число, λ - длина волны падающего света, θ - угол рассеяния световой волны, J - функция Бесселя первого рода. Таким образом, при размерах частиц 1 ρ~1 мкм и длине волны λ~0.5 мкм эффективное рассеяние будет, при kρ sinθ≤1,22π. Соответственно угол рассеяния будет составлять 75°. При этом эффективное рассеяние возникает, если (ρ(n-n)hCk>2π. Тогда при концентрации C=0,5 мкм и n-n=0.05, толщина покрытия h должна быть более 13 мкм.
m
0
b
Если n=n=n, то угол рассеяния равен нулю и экран будет прозрачным.
e
0
b
0
0
e
В предлагаемом решении используется светопропускающий экран (слой), созданный на основе оптически анизотропного материала 1, имеющего два коэффициента преломления n и n, внутри которого распределены прозрачные частицы 2 из оптически изотропного материала с коэффициентом преломления n=n. Оптически анизотропный материал 1 имеет оптическую ось, направление которой определяет анизотропные свойства двойного лучепреломления. Если поляризация света направлена перпендикулярно оптической оси, то коэффициент преломления анизотропной среды равен n. Если поляризация света направлена параллельно оптической оси, то коэффициент преломления анизотропной среды равен n.
b
0
b
e
Экран (слой) будет прозрачным (фиг. 2), когда поляризация света направлена перпендикулярно оптической оси, так как в этом случае коэффициенты преломления частиц 1 и матрицы 2, в которую они заключены, совпадают n=n. Экран будет максимально рассеивающим и не прозрачным, когда поляризация света направлена параллельно оптической оси (фиг. 1), так как в этом случае n≠n. При плавном повороте угла поляризации прозрачность экрана будет плавно меняться от полностью прозрачного до максимально не прозрачного.
b
0
b
e
e
b
Рассмотрим также случай, когда падающий свет имеет круговую поляризацию (фиг. 3). Жирными сплошными и пунктирными стрелками обозначен падающий свет, на выходе разбивающийся на лучи с разными линейными поляризациями. Вследствие двойного лучепреломления в оптически анизотропной среде 1 образуются обыкновенные (сплошные жирные стрелки) и необыкновенные световые лучи (пунктирные стрелки). Обыкновенные световые лучи пройдут сквозь всю структуру покрытия (частицы 2) и не изменят направления своего распространения, так как коэффициент преломления света в частицах 2 и коэффициент преломления обыкновенного луча в оптически анизотропном материале 1 совпадают - n=n. Необыкновенные световые лучи будут рассеиваться на частицах 2 в силу того, что коэффициент преломления света в частицах 2 n и коэффициент преломления необыкновенного луча в оптически анизотропном материале n различаются n≠n, тонкими сплошными стрелками обозначены типы поляризации света (на входе свет с круговой поляризацией). В результате наблюдатель за поверхностью увидит размытую картинку (непрозрачную матовую поверхность).
Но если установить поляризационный фильтр между наблюдателем и поверхностью, то поверхность окажется прозрачной, когда фильтр будет пропускать только обыкновенные световые лучи (горизонтальна поляризация).
Если фильтра не будет, или он будет выключен, или переключен в состояние, когда проходят только необыкновенные лучи, то поверхность будет не прозрачной.
Таким образом, светопропускающий экран (слой), описанный в настоящем изобретении, позволяет менять его рассевающие свойства в зависимости от поляризации падающего (либо прошедшего) света.