[发明专利]光学开关

说明书

描述

发明领域

本发明涉及光学开关，特别是与纤维光缆一起使用的那些光学开关。此外，光学开关在包括使用灯的手术牵开器的各种领域获得应用，例如在国际专利申请第PCT/GB2009/000097号的公开内容中找到的光学开关。

发明背景

纤维光学在包括航空航天学、电信学、激光和医疗设备的多种行业中使用。普遍的问题涉及使灯接通或断开以及使光在路径和路径的组合之间转换。已经研制了多种解决方案以满足这些要求，包括(i)分束器、(ii)梭(shuttle)、(iii)光学快门(optical shutter)和(iv)快门概念的变化形式：扭转向列液晶快门。

以其最普通的方式，分束器为由两个三角形玻璃棱镜制成的立方体，这两个三角形玻璃棱镜在其基底处使用加拿大香脂胶合在一起。树脂层的厚度被调整为使得对于某一波长来说，由于受抑全内反射，穿过一个“端口”即立方体的面的入射光的一半被反射而另一半被透射。

通常，梭将包括移动以与输出端中的一个对齐的输入管。该开关的关键特征是全部输出端是排他的，所以该开关不能一次选择多于一个输出端。然而，可能建立对于梭而言的中间位置，使得梭将光照耀到两个输出端中，相当多的光将在该结合部处失去，这是由于在输入端和输出端的几何形状上的差异。以现状来说，不存在“切断”位置。如果梭需要与光源自身分开，则其将必须分开或包括虚拟开关位置。

普通的快门机构包括叶片状物，该叶片状物可以被引进到光路径中以阻塞光的透射或旋转离开光路径以允许透射。快门可以是弹簧加载的并附接到传动器，例如旋转螺线管，使得叶片状物在其接收操作电压时移动到激发位置并在电压除去时返回到其静止位置。可选择地，手动操作快门是可能的。

快门机构完全地依靠简单的机械梁阻塞效应。这是效率低的，因为该光“流失”。此外，“流失”的光可能转变为热，这在某些应用中是不受欢迎的。热的过度局部积聚可在医疗设备应用中在该设备接触患者或使用者的位置处引起烧灼。

液晶显示器提供用于另一种类型的快门：扭转向列液晶快门。

扭转向列效应(TN效应)是使液晶显示器在便携式设备中具有实用性并允许液晶显示器替代诸如发光二极管和由大多数电子设备电致发光的技术的突破性进展。

TN电池不需要为了操作而使电流流动，且使用适合于与电池一起使用的低操作电压。扭转向列效应基于在施加的电场的作用下对液晶分子在不同的有序分子构型之间的精确受控重新对齐。这使用小的功率消耗并在低操作电压下实现。

在一个示例中，TN电池在OFF状态下，即在未施加电场时，向列液晶分子的扭转构型在通常由多个间隔器分开并用透明电极涂布的两块玻璃板之间形成。

电极其自身涂布有取向膜(alignment layer)，在不存在外场时取向膜使液晶精确地扭转90°。当光照耀在LCD的前部时，具有合适的偏振的光将穿过第一偏振器并进入到液晶中，在液晶中，光被螺旋形结构旋转。光然后被合适地偏振以穿过以相对于第一偏振器90°设置的第二偏振器。光然后穿过电池的背部且图像看上去是透明的。

在ON状态下，即当场施加在两个电极之间时，晶体用外场重新对齐其自身。这“破坏”了晶体中的仔细扭转并且不能重新定向穿过晶体的偏振光。在这种情况下，光被后部偏振器阻挡且图像看上去是不透明的。

不透明的程度可以通过改变电压来控制；在接近临界值的电压下，只有某些晶体将重新对齐，且显示器将是部分地透明的，但是当电压增加时，更多的晶体将重新对齐，直到其变成完全地“转换”。需要约1V的电压以使晶体自身与场对齐，且没有电流经过晶体其自身。因此，该功能所需的电功率是非常低的。

这样的TN电池快门具有的显著优势是其可以以非常高的转换速度且使用低的操作电压来操作。例如，在室温下使用仅10V的施加电压，小于0.3毫秒的转换速度是典型的。

此外，激活或转换速度可以经由高操作电压的使用而增强。

然而，该技术具有许多局限性。显然地，对于具有500nm波长的非偏振光(可见光谱的近似中点)来说，在ON位置中光的透射不超过35％，意味着相当多的光流失。此外，当该设备在OFF位置中时，仍然有一些光透射。虽然透射的光的量通常少于0.5％，但是其没有像使用纯粹机械的快门机构那样被完全地阻挡。

此外，在电压中的长期DC部件将激发杂质离子迁移和设备的最终失效。因此，这样的设备具有有限的使用寿命。

此外，在处理和清洁中必须小心，因为通过意外的划擦，使用不恰当的清洁材料或甚至是简单的过暴露于阳光，易于意外地损坏偏振表面或其部件。