控制辐射能(例如光和热)的流量的问题，特别是在诸如调节建筑中的太阳辐射热获得的应用中以及其它应用中，之前已利用许多光学方法来处理。光致暗化(photodarkening)材料已经用了几十年(例如，在太阳镜中)，在被紫外线(UV)辐射激发时，选择性地削弱入射光。当混合入窗户时，这种材料通过暗化来削弱明亮的阳光，并通过再次变成透明来允许人造光或漫射日光不受阻碍地通过，从而可以用于调节结构的内部温度。这种系统是被动的、自调节的，不需要除了周围的UV光以外的外部信号而工作。不过，因为它们由UV光控制而不是由温度控制，所以这种系统在温度调节应用方面的效用有限。例如，它们可以在炎热的天气阻挡多余的阳光，也会在寒冷的天气阻挡需要的阳光。
电致暗化(electrodarkening)材料也已用于调节光的透射。最广泛应用的电致暗化材料是夹在两个高效吸收偏光片之间的液晶，其主要通过吸收来削弱略多于50％的透过它们的光。这种材料由诸如铟锡氧化物(ITO)的透明导电材料涂层产生的电场控制。这些液晶面板通常用于视频显示器中，其被设计为在工作条件下不再各向同性，并且在建筑材料中的应用也很有限。这在某种程度上是因为使用上述液晶面板所需的重要的基础结构，包括电线和电源，并且需要复杂的控制系统、传感器和算法，或者大量的用户输入，来设置材料的状态从而调节通过它们的光、热和辐射能。电致暗化材料和光致暗化材料主要通过吸收而不是反射来削弱入射光，这意味着它们在暴露至亮光时将变热。这些材料吸收的热量也可以抵消辐射透射过程中减少的热量，因此在它们调节温度的能力方面具有显著的限制。
反射而不吸收红外光的线栅偏光片(WGP)自20世纪60年代以来得到使用，并在例如Sriram等人的美国专利第4,512,638号中描述。随着20世纪90年代至21世纪初纳米光刻(nanoscalelithography)的出现，使采用Perkin等人的US专利第6,122,103号中所描述的高端光学和激光技术制造反射可见光和紫外线波长的宽频带线栅偏光片成为可能(尽管昂贵)。
最近，引进了低成本反射型偏振膜，其结合了分层聚合物分布式布拉格反射器(DBR)与伸展聚合物偏光片的特性。这样的反射型偏光片用于视频显示器中，以通过将削弱的光反射回装置中而非将削弱的光吸收来增强亮度，例如在Weber等人的美国专利第7,038,745号和Verrall等人的美国专利第6,099,758号中所描述的。这样的反射型偏光片可以像镜面一样对光的一个偏振进行镜面反射，或像白色涂层一样对光的一个偏振进行漫反射，或者这两种情况的组合。这些薄膜专门开发用于视频显示器市场，并且没有应用到视频显示器以外的领域。
另外，反射型偏光片可以由某些类型的液晶制成。鉴于线栅偏光片和伸展聚合物偏光片是线性偏振，这些液晶偏光片(LCP)通常是圆形偏振的。从而透射一种螺旋性(即右旋或左旋)的光并且反射相反螺旋性的光。
热开关在其ON或闭合状态允许热能通过，而在其OFF或断开状态阻止热能通过。这些开关是机械传递的，依赖于两个导电表面(典型地由金属制成)之间的接触，以使热量通过。当两个表面收回时，热能除了穿过空气间隙外不能在两个表面之间传导。如果装置位于真空中，那么热传导会在断开状态下被完全阻止。另一类热开关包括将气体或液体注入容器中或从容器中抽出。当容器满时，传导热。当空时，不发生传导，尽管可能仍然会穿过容器发生辐射传递。
光可以通过滤光片而被阻止，该滤光片吸收或反射特定频率的光而允许其它频率的光穿过，从而起到光学开关的作用。同时，附加的机械开关可以将其它透明材料(包括滤光片)转变为光学开关。当闸门打开时，光很容易地通过。当闸门闭合时，没有光通过。如果机械闸门被诸如液晶的电致暗化材料代替，那么开关是“几乎固态的”，除了光子、电子和液晶分子自身之外，没有移动的部分。其它电致暗化材料(例如在Azens等人的美国专利第7,099,062号中描述的)可以起到类似的作用。这些滤光片/光学开关组合不是被动的，而必须由外部信号(例如电信号)控制。
可开关反射镜基于可逆的金属氢化物金属锂化物(metal lithidechemistry)，例如在Richardson的美国专利第7,042,615号中描述的。这些可开关的反射镜依赖于离子在电场的作用下越过势垒的物理迁移，因此具有有限的开关速度和循环寿命。另外，电控“光阀”将液晶与一个或多个反射型偏光片相结合，例如在Bruzzone等人的美国专利第6,486,997号中描述的。在这些装置中，液晶通常用作屈电消偏光片(electrotropic depolarizer)，即，用作改变或转换透过该液晶的光的偏振的转轴的结构，以在电场作用下开启或关断。由于主要应用于视频显示器和高级光学系统中，这些装置中的一些可能被认为是可开关的反射镜，尽管它们很少被那样描述。
在说明书背景技术部分中所包含的信息(包括本文中引用的任何参考文献及其任何描述或讨论)都仅用于技术参考目的，而不应被认为是限制本发明的范围的主题。

本文中公开的技术涉及对关于辐射能(例如可见光、UV或红外光)的窗户或类似材料或结构的透射率进行基于温度的控制，包括了日光频谱的整个范围，目的是基于外部天气条件、内部温度或二者的任意组合将热流量调节进入一种结构。这项技术可以被用为具有夹在两个偏振滤光片之间以调节光能的通过的温度响应的光学消偏光片(例如，热致液晶)的装置。通过该装置的入射能量将取决于所用偏光片的反射和吸收效率。例如，对于在感兴趣的频带上可以有效反射辐射能的偏光片，例如，在低于阈值温度时，高达一半的入射辐射能穿过该装置，在高于阈值温度时，可从该装置反射掉100％的入射辐射能，由此得到一种热开关反射型光闸(opticalshutter)(在下文中称为“TSROS”或“闸门(shutter)”)。低效率的偏光片或由频率决定效率的偏光片可以用于影响美学(aesthetics)、能量管理或其他原因所需的在阈值温度以上或以下的反射百分比。这种影响也可以颠倒，使得TSROS装置在冷状态下能够反射，这种影响还可以扩展，使得TSROS在透明状态下的透射率变高，或者这种影响还可以被阻止，使得TSROS装置在能够反射的状态下的反射率变低。
在一个实施例中，透射平行于自身的偏振的光并反射(不吸收)垂直于该偏振的光的两个反射型偏振滤光片被连续排列。当反射型偏光片被定向为平行时，可以反射高达50％的入射辐射能。实际上，也有少量光被吸收，使得通常透射过两个平行偏光片的光为30％～40％。当反射型偏光片被定向为彼此垂直时，一个偏光片阻止50％的光，而第二个反射型偏光片阻止由第一个反射型偏光片透射的剩余50％的光。在这种情况下，透射穿过两个反射型偏光片的光很少(通常小于1％)，大部分光(通常接近100％)被反射回入射方向。
在另一种实施例中，改变从中穿过的光的偏振的可开关消偏光片被设置为与两个或更多的偏光片相连。在一个实施例中，可开关偏光片可以是夹在两片透明显微材料(例如涂有聚合物的玻璃)之间的液晶。可开关消偏光片可以专门选择或设计为热致变色的，其偏振状态在预定温度下转换。在“关断”状态下，入射光的偏振状态很大程度上不会受到消偏光片的影响，在“开启”状态，已穿过第一个偏光片的特定偏振的光按照设置的量进行旋转。这通常用于用第二个偏光片对光进行调准，是在平行状态还是在垂直状态取决于需要的光学影响。从而，两个反射型偏振滤光片和液晶的结合形成了反射50％或100％入射光(取决于液晶的状态)的可开关反射镜。
从以下对本发明的各个实施例的更具体描述中，本发明的其他特征、细节、用途和优点将显而易见，本发明在附图中进一步示出，并在附加权利要求中被进一步限定。

请注意，在所有图中，密切相关的元件具有相同或相似的元件标号。
图1是示出了夹在两个偏振滤光片之间并附着在透明基板上的一层热敏消偏光片的TRSOS装置的一个实施例的示意性截面图。描述了闸门在冷的状态时的入射光的动作。
图2是图1实施例的示意性截面图，此图描述了闸门在热的状态时的入射光的动作。
图3是TSROS装置的另一个实施例的示意图，其中，偏光片限定了孔径或透明区域，以使来自外部源的一些非偏振光不经修正地穿过闸门。
图4是TSROS装置的又一个实施例的示意图，其中，出于美学或其它原因包含了可选滤光片。
图5是TSROS装置的又一个实施例的示意图，其中，通过附加两个透明电极和控制系统，热致消偏光片被电致(electrotropic)消偏光片代替(或另外用作电致消偏光片)。
图6是TSROS装置的又一个实施例的示意图，其中，除去了热致消偏光片，而反射型偏光片自身是热致性的。描述了闸门在冷的状态时的入射光的动作。
图7是图6实施例的示意图，此图描述了闸门在热的状态时的入射光的动作。
图8是示例性热致反射型偏光片在热和冷两个状态时的示意图。
图9是TSROS装置的又一个实施例的示意图，其中，第一个偏光片是偏振旋转型偏光片。
图10是示例性偏振旋转型偏光片在冷的状态下的示意图。
图11是示例性光电偏光片的示意图。

热致光学消偏光片可以与两个反射型偏光片一起使用，以制造出一种允许光和辐射能在低温时通过闸门、在高温时反射的热开关反射型光闸(TSROS)。消偏光片被专门选择或设计为热致性的，也就是说，它的偏振状态在预定温度下转换。TSROS装置通过控制建筑物、车辆或其它结构吸收的日光辐射量而专门但不唯一地用于调节它们的温度。
液晶、偏光片和反射型偏光片的结构、组成、制造和功能均已有详细记载，但是为了更好的理解，本文还是提出了以下详尽的细节。许多材料表现出热致特性(包括液晶)，它们在已知为“澄清点(clearing point)”的温度时从规则的或“ON”状态(例如，晶体的、向列的或近晶的)转变为无规则的或“OFF”状态(液态的、各向同性的或无偏振的状态)。例如，4-丁基联苯腈(CB)液晶具有大约16.5摄氏度的澄清点，而6CB液晶具有大约29.0摄氏度的澄清点，因此在接近室温的条件下“熔化”(各向同性的)。4CB和6CB的混合物具有两个值之间的澄清点，与混合物中每种成分的百分数成比例(接近线性)。在“off”状态下，入射光的偏振状态很大程度上不受消偏光片的影响，在“on”状态下，通过第一个偏光片的特定偏振状态的光被旋转了设定的量(例如，45或90度，也可以是180或270度，或不被45整除的其它度数)。
在一些实施中，TSROS装置在冷(例如晶体的、向列的或近晶的)状态下反射高达50％并透射大约40％的向其移动的光或其它辐射能。在热(各向同性的)状态下，TSROS装置反射达100％的入射光。从而，它形成了热开关反射型的光闸。应理解，依靠偏光片和消偏光片层的精确排列，相反的转变(冷时闸门反射、热时透射)也是可能的。
这种技术具有专门但不唯一的效用，例如建筑物或建筑材料基于温度调节通过窗户、天窗或其它透明材料的辐射能(包括可见光、UV和IR光)的流量，从而在高温时限制辐射能(例如日光)的进入。因此，这种技术可以用于通过控制建筑物和其它结构吸收日光的量来调节其内部温度。
为了本文的目的，本文中术语“热致反射”用于描述具有随温度变化或直接受温度控制的可变反射率的装置或材料。术语“辐射能”用来表示可见光、红外线、紫外线、无线电、微波、雷达或遵循光学定律的其它波长的电磁辐射。类似地，每当本文使用术语“光(light)”或“光学(optical)”时，其意在包括辐射能的任意形式。本文使用的术语“光学(optical)”指的是材料或装置在辐射能方面的任意影响，例如，吸收、反射、透射、偏振、消偏振或漫射。
为了本文的目的，术语“热致消偏光片”是指消偏振(例如偏振旋转)随温度变化或直接受温度控制的材料。一种构造热致消偏光片的方法是在两个对准层之间放置热致液晶。热致液晶分子的方向受到对准层(例如，它们的化学性能和结构)和温度或温度变化率的影响。在具有向列状态的热致液晶中，这种结构可以用作波阻，其中不同频率和带宽的光的偏振的旋转依赖于温度，并且其中在高于阈值温度时波阻的晶状结构会瓦解。应注意，热致液晶的讨论是作为一个实例提供的，不应该被认为是对TSROS装置的范围的限定。
对于本文的目的，术语“开关”包括用于选择性阻止或允许能量流动的固态和机械装置，并且包括数字开关(例如，晶体管和继电器)和模拟调节器(例如电子管和可变电阻器)。此外，选择性阻止或调节气体或流体流量的阀可以认为是对开关的模拟，故原则上两个术语可以互换使用。根据这个定义，TSROS装置是固态光闸，它基于TSROS装置的温度从它的“开启”或透射状态向它的“关断”或反射状态转变。
对于本文的目的，术语“被动的”指的是响应于环境条件而不依赖于来自操作员的外部信号或指令工作的物体或装置。从而，装置可以包括多个复杂的组件(甚至是活动的部件)，并且对于本文的目的仍可以认为是“被动的”。类似地，可能存在的用户优先模式实质上不会改变这种装置的被动性质。相反地，主动装置是需要用户输入以执行正常功能的装置。例如，光感太阳镜是被动装置，而由阻隔式开关(wall switch)或调光开关操纵的标准电灯泡是主动装置。
对于本文的目的，术语“消偏光片”指的是以除削弱以外的一些方式旋转或以另外的方式改变穿过它的光的偏振向量的物体、装置或物质。个别地，术语“偏光片”指的是阻止一种偏振的光而透射垂直偏振的光，或者在圆偏振光的情况下透射相反螺旋性的光的物体、装置或物质。最具体地，这种阻止通过吸收发生。对于本文的目的，术语“反射型偏光片”特指通过反射而非吸收来阻止一种偏振的光的偏光片。根据这个定义，接近标准反射或半反射滤光片的标准吸收型偏振滤光片不是反射型偏光片并且不应该与之混淆。
还应该理解，一些吸收发生在反射型偏光片中，正如一些反射发生在吸收型偏光片中一样，但是由于反射型偏光片和吸收型偏光片依赖于不同的工作原理并产生性质上不同的光学作用，因此它们之间的区别是显著的。当讨论反射型偏光片时，为了示例性讨论的目的，我们方便地假设它们反射一种偏振的光和透射另一种偏振的光的效率为100％(或效率接近100％)。然而，实际上，这些偏光片是效率可能小于100％(例如，由于设计选择或设计和制造限制)，这些偏光片是部分吸收性的并且具有依赖于频率、依赖于空间的反射、吸收和透射的特性(例如，由于设计选择或设计和制造限制)，故这不应该被解释为对发明的范围的限定。
图1是示出了夹在两个反射型偏振滤光片101和103之间并附着在可选的透明基板104上的消偏光片层102的TRSOS装置的一个实施例的示意性截面图。在最一般的情况中，外部光源是非偏振白光(也就是，在可见光、近UV和近IR频谱的重要带宽上具有显著强度的光)。在装置的一个示例性应用中，外部光源是太阳。然而，当外部光源不是白色时(例如街灯或蓝天的漫射辐射能)，装置也能工作。
入射光首先穿过外部反射型偏光片101。反射型偏光片101的示例性形式包括由固定于或嵌入透明基板(例如，玻璃或塑料或基于聚合物的反射型偏光膜或液晶偏光片(LCP))的金属导线的微小阵列构成的线栅偏光片。注意，线栅偏光片具有在极宽波长范围(包括无线电、微波和雷达波长)之上的偏振特性，这可能在一些应用中尤其有用。
约50％的入射光的偏振垂直于偏光片101的偏振，并且有可能被反射掉。相反，普通吸收型偏光片将吸收而不是反射具有垂直偏振的光，从而会变热。在具有平行于反射型偏光片101的偏振的剩余的光中，一部分百分比被吸收，剩下的被透射。
一旦入射光(例如日光)穿过外部反射型偏振滤光片101，它就进入热致消偏光片102，它是能呈现两种不同偏振状态的装置或材料。在其热或各向同性或液体状态下，从中穿过的偏振光不受影响。在其冷(例如，向列的或晶体的)状态下，热致消偏光片102将入射光的偏振向量按照固定的量进行旋转。在优选的实施例中，消偏光片102是将光的偏振向量旋转90度的扭曲向列型(twistednematic)液晶。然而，其它种类的装置和材料(包括以45度或其它角度定向的向列液晶)也能用于外反射型偏光片101，。
一旦剩余的偏振光穿过热致消偏光片102，它将照射内反射型偏光片103，也就是已知的“分析器”，其中光是被反射还是被透射，取决于它的偏振状态。定向内反射型偏光片103，以使其偏振垂直于外反射型偏光片的偏振。从而，在装置的热状态中，当光的偏振向量没有被旋转时，光的偏振垂直于内反射型偏光片103的偏振，并且光100％被反射。然而，在冷状态中，当光的偏振向量被旋转了90度并且平行于内反射型偏光片103时，一些光被偏光片材料吸收，剩余的被透射过去。
对于装置的冷状态，描述了入射光的动作：外反射型偏光片101反射50％的入射光。剩余的光穿过热致消偏光片102，其中，其偏振向量被旋转，随后穿过内反射型偏光片或分析器103，其中大部分光没有受到影响。然后光穿过可选的透明基板104，最终离开装置。从而，装置在它的冷状态时充当了“半反射镜”，反射50％照射它外表面的光，吸收了一小部分，并将剩余的光透射到内表面。
图2是图1实施例的示意性截面图，此图描述了闸门在热的状态时的入射光的动作。热致消偏光片102不会影响从中穿过的光的偏振向量。从而，任何照射内反射型偏光片的光对于它来说都是垂直偏振的，并且高达100％被反射回去。因此，TSROS装置充当了“全反射镜”，反射了高达100％的照射其外表面的光。
因而，闸门在其冷的状态时透射了略少于一半的照射其外表面的光能量，而在热的状态时，闸门透射了基本上小于1％的光能。因此，该闸门可以用于基于闸门的温度来调节进入结构的光或辐射热的流量。
从上面的描述中，本领域的普通技术人员应理解，在本实施例中，透明基板104的存在仅仅是为了结构支撑和便利的原因。在对闸门的功能不做重大改变的情况下可以去掉这个组件。可选地，在不对其功能做重大改变的情况下，透明基板104可以位于闸门外表面而非内表面上，或者透明基板104可以同时位于两个表面上，或者甚至插入闸门的一个或多个功能层之间。此外，如果透明基板104位于闸门的内表面上，如图1和图2所示，那么它不需要对所有的波长都是透明的，而实际上可以是长通、短通或带通滤光片，只要透射的波长作为热能、照明或用于某些其它目的而使用。然而，为方便起见并节约成本，通常优选的是使用诸如玻璃或丙烯酸树脂的普通透明材料作为基板。
由于眼睛在对数级别上工作，所以初步证据显示削弱50％的入射光在主观上看起来像原来(未削弱的光)的约84％一样亮，但这是可能改变的。作为美学、人和能量管理等因素的平衡，初步证据显示热状态约10％～20％的入射日光能量的透射和冷状态50％～70％的入射日光能量的透射需要应用于窗户。从而TSROS装置的不同的应用和实施例可能需要不同的透射率水平。
在生产TSROS装置的一个示例性工艺中，第一步是创建液晶(CL)单元或“瓶子(bottle)”。两片SiO2涂层(钝化)玻璃用划线器划为预定尺寸并置于基板架中。如果在玻璃上有铟锡氧化物(ITO)低发射率涂层，那么它应该被蚀刻而在适当的位置离开SiO2。然后将这两个薄片置于48kHz的超声波清洗机(例如，CrestTruesweep功率级设置为8)15分钟，使用每加仑混合1盎司pH中性的肥皂的去离子(DI)水(28Ohm纯度或更好)。如果有聚酰亚胺(PI)浸湿的问题，那么可以用Detrex肥皂再次清洗薄片。较大的薄片可以用商业玻璃清洗机(例如Billco 600系列)代为清洗。由于需要无潮湿储存和升级，薄片可以用异丙醇(IPA)干燥并置于80～85度的烘干炉中120分钟或更长，并随后置于臭氧清洗机中15分钟。然后溶解在溶剂中的PI对准层进行500RPM旋涂沉淀10秒和随后的2000RPM旋涂沉淀45秒。可靠的涂层在薄片每平方英尺上大约需要1ml。对于太大而不能进行旋涂的薄片，可以通过喷墨打印机沉积PI溶液。在涂敷之后，基板加热至85度5分钟，以清除剩余的溶剂，然后在180～190度下烘烤1小时以硬化PI。烤箱门在内部温度达到85度或更低时才能打开。
为了预防PI表面的污染，薄片随后被储存在50度的真空箱中直至需要为止。薄片随后置于真空固定装置中以固定在适当的位置，并且与一块用双面胶带保护的被摩擦布材料包住的聚丙烯或铝进行摩擦。摩擦块在同一方向被推过表面25次，除了它自身重量之外没有向下的力。然后在薄片未涂敷的一侧标记(例如，用Sharpie笔)摩擦方向。然后使用喷气机将多个7.5微米还有隔珠(spacerbead)配置在一个薄片的摩擦表面，并且摩擦方向定向为自第一个基板起90度的第二个薄片位于摩擦侧向下第一个薄片的顶上。首先用不会与液晶相互影响的光学粘合剂(例如，Norlin 68)将边缘密封，然后再用防水密封层(例如，Loctite 349)密封，至少留两个端口不密封，每个约1cm宽。然后用至少4000mJ/cm2的剂量的UV固化Norlin 68，并且在50度下烘烤12小时，或者在室温下固化一个星期。
然后将瓶子置于压力为20毫托或更小并且温度在澄清点以下在液晶凝固点以上的真空装载机中，并下降到含液晶(例如，5份6CB、1.25份E7和0.008份811的混合物，其澄清点为35度)的狭缝中。液晶通过表面张力作用进入瓶子中。当加载完成时，将瓶子从真空容器中移走，用Norlin 68和Loctite 349密封端口，并重复固化步骤，注意避免液晶混合物在UV光下不必要的暴露。现在，制瓶完成。
一旦瓶子制成，就可以进一步将其构造成完成的TSROS装置。示例性的TSROS装置包括独立的、热致反射滤光片(例如，LC瓶子、偏光片和仅UV防护)和中空玻璃单元(IGU)或者热致反射滤光片压成一层的“双层窗户”。为了制造热致反射滤光片，LC瓶子被碾压几次，压上光学透明薄片粘合剂(例如，3M 8141和3M8142光学透明粘合剂)和反射型偏光片膜(例如，3M高级偏光膜(APF)或非多层膜式反射偏光片(DRPF))的层。然后设置UV防护层(例如，GamColor 1510UV膜)。所有层压步骤都在含等级为1,000的下向通风罩(downdraft hood)的等级为10,000的洁净室环境中执行，以防止在任一粘合剂层中微粒产生气泡。
工艺过程开始，通过使用6ft自动/手动滚动层压机开始将粘合剂施加至瓶子。利用整平旋钮(leveling knob)上的预置增量，在层压机上设置高度，以避免损坏瓶子。将一层3M 8141施加至瓶子，紧接着是一层APF或DRPF。然后在瓶子的相反一侧重复这个工艺，其中偏光片膜自前面的层旋转90度。将又一层3M 8141施加至瓶子的两侧中的任一侧，并随后施加UV防护层作为最后一步。至此，瓶子变成热致反射滤光片。
为了便于通过LC瓶子制造中空玻璃单元(IGU)，需要进一步的层压。热致反射滤光片是UV防护上给定的两个相邻(consecutive)3M 8142层。通常比瓶子大1～2英寸的钢化玻璃也给定了两个相邻3M 8142层。钢化玻璃上的层在边界下面压上带子，以防止3M 8141完全覆盖玻璃。然后将粘合剂垫片(backing)从LC瓶子和钢化玻璃板移走。每个粘合剂侧都一起放置并随后最后一次贯穿层压机，再次设置适于层压并防止损坏瓶子的高度。装置现在可以具有建立在它周围的标准中空玻璃单元。含干燥剂的标准铝隔板用于隔开IGU玻璃的两层并且附着在含PIB连结珠(bondingbead)并用热熔密封剂密封在聚异丁烯(PIB)周围的玻璃上。IGU现在已经准备好移动和安装。
图3是TSROS装置的另一个实施例的示意图，其中，在偏光片101和103中一个或两个同时有间隙105，以使来自外部源的一些非偏振光在不修正的情况下穿过闸门。间隙105可以是孔或条的形式，或者可选的偏光片材料自身可以设置在条或点中。然而，本领域普通技术人员应理解，有许多不需要详细阐述的精加工间隙105的备用方法。该实施例可能在例如需要提供相对清晰、未经削弱的风景的窗户中是有用的。这样，反射状态下偏光片101和103的削弱或吸收将类似于通过普通窗户屏来观看。
具有间隙105的偏光片101和103代替均质的偏光片的应用增加了在各种条件下穿过闸门的能量的透射率，从而降低了闸门在其热的状态下反射光和辐射能的能力。然而，这种安排在冷的状态下的透明率比热的状态下的反射率更重要的情况下可能是有优势的。
应注意，通过相对于彼此以大于0度小于90度的角度旋转两个偏光片可以实现类似的效果，尽管这种方法只能增大闸门在热的状态下的透明率，并且实际上可能(取决于闸门精确的几何结构和消偏光片精确的特性)降低在冷的状态下的透明率。假设偏光片有效地工作，冷的状态下的透明率可以从不大于50％(这是当两个理想偏光片平行放置时出现的状态)。然而，如果偏振效率小于100％，那么在冷的状态下可以获得更大的透明率(以热的状态下的反射率为代价)。
同时注意，液晶对准层中的间隙(或其它改变)可以产生类似于在偏光片中具有间隙的效果，并且在一些情况下，这可能更为容易或者在其它方面更为需要。此外，可以安排任意一种间隙105，使得只有间接光能通过闸门。
图4是TSROS装置的又一个实施例的示意图，其中增加了可选滤光片106。滤光片106的示例性形式可以包括带反射器(诸如，分布布拉格反射镜(DBR)或皱褶(rugate)滤光片)，它可以设计为反射很窄的波长范围并透射其余全部，或设计为带通滤光片(例如，一片有色玻璃或塑料)，其被设计为透射一个波长范围并反射或吸收其余全部。
滤光片106被描述为在闸门的外表面上。然而，本领域普通技术人员可以理解，通过将滤光片106放置在闸门的其它层也可以创造不同的美学或光学效果。例如，如果滤光片106放置在闸门的内表面上，那么当闸门处于热状态或100％反射状态时，颜色对于外部观察者来说是透明的。
滤光片的使用将减少冷状态或50％反射状态时透过闸门的光和辐射能的总量。然而，这种设置在认为美学、关键波长的抑制或热状态反射率比冷状态透明率更重要的情况下是有优势的。
备选地，为了不用附加的滤光片层，闸门可以用一个或多个有色偏光片(也就是说，在整个可见光频谱范围不吸收或反射的偏光片)替换一个反射型偏光片。一个示例性的有色偏光片是3M DBEF反射型偏光片膜，它在热或反射状态下产生紫色(红色和蓝色的混合色)。
图5是TSROS的又一个实施例的示意图，其中，通过附加两个透明电极107和控制系统108，热致消偏光片102被电致消偏光片102’替换(或另外用作电致消偏光片)，它们共同执行相同的功能。
透明电极的示例形式是铟锡氧化物(ITO)薄层。控制系统108包括温度传感器、电源和控制器硬件。控制系统108的示例形式是由连接至可编程微控制器并由小电池或光电电池供电的热电偶构成的LCD控制器和恒温器。当感知的温度下降到阈值以下时，控制系统在透明电极107之间施加AC或DC电压(透明电极在电致消偏光片102’上产生AC或DC电场)使得它的偏振特性改变(例如，通过再次定向液晶分子)。这样的控制系统的设计在现有技术中是很普通的，这里不需要详细阐述。该实施例的工作情况和应用在其它方面与图1和图2所示的实施例的工作情况和应用相同。
图6是TSROS装置的又一个实施例的示意图，其中，除去了热致消偏光片102，而反射型偏光片101’和103’是热致性的。热致反射型偏光片101’和103’的设计为它们通常在热状态下偏振，并且在冷状态下最低限度偏振或非偏振。从而，在冷状态下，进入闸门的非偏振光遇到处于非偏振状态下的外偏光片101’，并且不会受到重大影响，然后遇到处于非偏振状态下的内热致反射型偏光片103’，也不会受到重大影响。因而，除了一些轻微的吸收、反射和伴随着穿过透明基板和在非偏振状态下的热致反射型偏光片101’和103’的透射和漫射，几乎100％的入射光透射了闸门。
图7是图6的实施例在热的状态下的示意图。在这种情况下，热致反射型偏光片101’和103’都在全偏振结构下，在它们之间没有偏光片。因而，当非偏振光遇到外热致反射型偏光片101’时，像在其它实施例中一样，50％的非偏振光被反射。透射的光具有相反的偏振，因此100％的透射光被反射。从而，在冷的状态下的闸门是100％透射的，在热的状态下是100％反射的。像在其它实施例中一样，当两个热致反射型偏光片101’和103’相隔90度定向时，发生理想的反射。可以通过不重合(misalign)两个热致反射型偏光片101’和103’来调节热状态下的透射和反射量，并且可以通过在两个热致反射型偏光片101’和103’之间放置消偏光片调节冷状态下的透射和反射的量。
图8是示例性热致反射型偏光片101在热和冷两个状态时的示意图。在该示例性实施例中，偏光片101是由平行金属线109构成的线栅偏光片。然而，不同于标准线栅偏光片，该实施例中的偏光片是含由线段110构成的线109的MEMS(微机电系统)装置，线段110由响应于温度而改变其物理形状的导电、热致材料制成。这种材料的实例包括但不限于诸如铜铝镍合金的形状记忆合金。在该示例性实施例中，形成线段110以使其在高温时平躺，并在低温时从表面竖起。因而，在某一阈值温度之上，各线段110充分平躺，以彼此物理连接并形成连续的线109，共同形成了线栅偏光片101或103。然而，应理解，其它形式的热致反射型偏光片也是可能的，包括由液晶或纳米工程光学和光子学材料或所谓的“超材料”构成的形式，并且在不改变该实施例的基本性质、目的或功能的条件下，可以采用热致反射型偏光片的这些或其它形式代替图8所示的设计。
图9是TSROS装置的又一个实施例的示意图，其中，外反射型偏光片101被“偏振旋转型偏光片”代替。鉴于吸收型偏光片吸收偏振相反的光，而反射型偏光片反射偏振相反的光，偏振旋转型偏光片将偏振相反的光转换为偏振相匹配的光。从而，偏光片101是100％透射的，并且所有离开它的光具有相同的偏振。在图中，偏振相匹配的入射光照射外偏光片101并且透射过去。偏振相反的光照射外偏光片101并且被“旋转”，使得它的偏振与偏光片的偏振相匹配。
图9描述了在冷的状态下的该实施例的工作情况：然后偏振光进入处于冷的有组织的状态下的消偏光片102(例如扭曲向列状态)，从而起到旋转所有从中穿过的光的偏振的作用，以匹配第二偏光片或分析器103的偏振，第二偏光片或分析器是如前面其它实施例中描述的标准反射型偏光片。既然消偏振的光与第二偏光片103的偏振相匹配，那它就可以透射过去。因此，在该实施例中TSROS装置在冷的状态下是100％透射的。在热状态下，消偏光片102变得无组织(也就是，液态或各向同性状态)并且不会影响从中穿过的光的偏振。因此，由于光对于第二偏光片103来说是偏振相反的，于是100％的光被反射回来。因此，TSROS装置在热状态下是100％反射的。
图10是偏振旋转型偏光片装置的示例性形式的示意图，由线栅偏光片111、反射镜112和消偏光片113构成。偏振相匹配的光照射偏光片111时可以透射出去。然而，偏振相反的光照射偏光片111时会被以45度角反射到反射镜112，并且反射镜112以45度角反射该光使其再次沿它原来的方向传播。在这点上，反射光透过以特定量(通常是90度)旋转其偏振的永久消偏光片(也已知为波阻或波片)。因而，反射光的偏振现在与透射光的偏振相匹配。因此，偏振旋转型偏光片透射了100％照射它的光，同时确保所有的光都是相同的偏振。
应理解，光学组件的种种其它设置可以实现相同的效果，并且也可以发现其它类型的偏振旋转型偏光片，包括基于纳米结构的光学或光子学材料的偏光片材料、所谓的“超材料(metamaterial)”和根据不同原理工作的其它材料。然而，本实施例基本的功能、目和性能不会受到所采用的偏振旋转型偏光片的确切特性的影响。
图11是另一类型的反射型偏光片(光电偏光片)的示意图，其中，线栅偏光片111的导线109被光电条(photovoltaic strip)代替。在优选实施例中，这些条109是由半导体(例如硅)薄膜之上的金属(例如铝)薄膜构成的Shotkey型二极管。然而，在不对该TSROS装置实施例的性质或功能做重要改变的情况下，其它光电材料或装置也可以替换。在这种配置下，尽管光电条109反射相当一部分到达其自身的偏振相反的光，就像用普通的线栅偏光片那样，但是同时这个光的相当一部分通过可以获得以产生电流的电势的形式被吸收。光电装置的设计和功能在现有技术中已经描述的很充分，这里不需要更多的阐述了。
然而，应理解，本实施例可以采用一个或多个光电偏光片，使得被一个偏光片或多个偏光片阻止的一部分光可以以电能形式被利用。除了闸门的普通热致反射动作之外又发生这种动作。
TSROS装置是被动的、自调节的(不需要外部信号或用户输入而工作)，从而可以被认为是所谓的“智能材料”。TSROS装置也可以被理解为近固态光学开关。在一些实施例中，除了液晶分子薄膜之外，开关不包含移动部件，除了光子和电子。TSROS装置基于温度调节从中穿过的光和辐射能的量。因此闸门通过控制反射和吸收日光能量或其它入射光能量，可以用于帮助调节建筑物、车辆和其它结构的内部温度。
TSROS装置可以有多种结构。例如，如果TSROS装置配置为透射并反射漫射可见光，那么它可以充当用于诸如玻璃砖、隐形玻璃和缔卷聚合物的半透明建筑材料的美学、能量调节的替换。备选地，如果TSROS装置配置为透射并反射具有很少漫射的准直可见光，那么它充当用于诸如玻璃或聚合物窗户的透明建筑材料的美学、能量调节的替换。此外，如果TSROS装置配置为显示可见光频谱中的反射峰和透射峰，那么它可以充当用于有色玻璃、彩色窗户或窗户贴花和涂层或有色人工光源的能量调节的替换。在不以任何显著方式改变其基本功能的条件下，TSROS装置的实体实例可以是厚或薄、强或弱、刚或柔、整体的或由分离的部件构成的。
尽管这里描述并阐明了几种示例性实施例，但是应理解，本发明不局限于这些特定的结构。可以增加或移动诸如抗反射涂层或薄膜的可选组件以适应特定应用和特定制造方法的需求，并通过去除或代替某些组件可以产生一些实施例的较低等的形式。例如，用一个普通吸收型偏光片代替一个(不是两个)反射型偏光片将产生在冷状态下50％反射、40％透射、10％吸收并且在热状态下50％反射、50％吸收、小于1％透射的TSROS装置。这样的TSROS装置可以在其热状态下吸收，并因而不会有效阻止热量。不过，如果(例如)认为TSROS装置的成本比其性能更重要，那么这样的安排可能是有优势的。
另外，通过增加或减少其热导率和/或热容量而改善其在冷状态下的光透射、反射或吸收，有可能增强TSROS装置的性能。此外，通过调整一个或两个偏振层的结构(例如，通过用透明材料替换偏光片材料的条或点)，会增加TSROS装置在冷和热两个状态下的透明度。通过调整偏光片相对于彼此的方向(也就是说，在热状态下小于90度将产生小于100％的反射率)，有可能增大或减小TSROS装置在热状态下的透明度(尽管不在冷状态下)。通过调整由消偏光片提供的偏振光的旋转，也有可能增大或减小TSROS装置在冷状态下的透明度。通过增加可选的特征(例如抗反射涂层、低辐射率涂层、集中镜头、空气间隙或真空间隙、相变材料或半透明绝热材料包括但不限于泡沫玻璃和硅气凝胶)，TSROS装置还能在特定应用方面被功能性增强。
在根本上不背离发明精神实质的条件下，不同的偏光片类型(包括但不限于线栅偏光片、伸展聚合物偏光片、液晶偏光片、吸收型偏光片、镜面反射型偏光片、漫反射型偏光片、功能随温度变化的热致偏光片以及偏振旋转型偏光片)可以以许多种不同的排列方式组合，以实现类似于这种应用描述的效果。例如，可以选择反射型偏光片使得每个偏光片在不同频率上具有不同的偏振，例如，偏振可以相反，像镜面型和漫散型或者反射型和吸收型那样。
尽管当反射的波长范围尽可能大时，TSROS装置会发生能量传输上的最大控制，但是由于美学或其它原因附加的滤色层会改变透过TSROS装置的光的透射谱(即颜色)。另外，通过增加一个或多个带阻滤光片以反射特定波长的光，有可能会将反射的“颜色”添加到TSROS装置的表面上，在其效率方面产生最小的效果。由此产生的光学特性不会近似于任何其它建筑材料的光学特性，尽管对某些类型的太阳镜来说，它们可能具有短暂(passing)的类似之处。由于美学、热和光管理或其它原因，有可能使用仅在特定范围(或多个范围)波长内工作的频谱选择型偏光片，和在特定范围(或多个范围)波长内具有不同的吸收和反射偏振效率和角度的偏光片。
尽管TSROS装置的材料和结构可以是刚性的，但是对于该装置而言，为了执行此处描述的功能，其对硬度没有要求。此外，尽管示出并描述了TSROS装置的附着或直接物理接触的不同组件，但是若组件仅仅相邻而物理分离，那么TSROS装置也是可以工作的。因此，TSROS装置可以具体化为固态物体(例如，窗户、玻璃砖、拱肩或移动面板)或固态物体组(例如固定在光学工作台上的组件)的同时，它也可以具体化为柔性物体，例如帐篷材料、毯子、窗帘或可以用在玻璃窗户拱肩或玻璃砖建筑材料表面的贴花膜。
另外，多种可选材料可以用于制造本装置，包括金属、陶瓷、半导体、玻璃、聚合物、纳米结构和微结构的光子材料、超材料、液晶、甚至冰、液体和蒸汽。装置可以包括设计为增强其绝热特性的性质，包括但不限于空气间隙、真空间隙、泡沫、珠子(bead)、纤维垫或气凝胶。它还可以包括设计为增强热敏感、响应或转变温度精度能力的性质，例如导电粘合剂、具有大或小热质量的材料和相变材料。它可以是足够厚和硬的，以充当车辆或建筑墙壁的结构组件。它可以被包起来或形成在复杂表面之上。它可以用颜色进行美学上的提高，或它可以伪装成类似于更多传统建筑材料。可以在某些表面上添加暖色颜料，以指示它们是热还是冷。
在热致消偏光片中可以包含添加剂(例如手征性液晶)，以设置偏振光旋转的优选方向。这可以改善两种状态之间转变的速度和光学特性。溶剂(例如Merck液晶溶剂ZLI1132)可以用作基液以产生液晶混合物。另外，消偏光片中可以包含添加剂以改善转变的温度稳定性或降低消偏光片对特定波长或波长范围的光或能量的灵敏度，以减小UV光造成击穿的化学灵敏度，从而防止吸收某些波长的光并转化为热或者减轻由其它组件化学击穿造成的转变温度中的改变。例如，可以引入己烷和三氯甲烷调节凝固温度或更低的粘滞度。可以对再定向组件增加机械增强，或使它们面向或者背向入射光，或改变它们的波长响应或外观厚度。
在不改变TSROS装置的主要结构和功能的条件下，不同层的确切的设置方式可以不同于这里描述的，并且(取决于所选的材料和波长)不同的层可以组合成一个层、物体、装置或材料。尽管上述描述包含许多特征，但是这些不应该解释为限制发明的范围而应该为只提供本发明某些示例性实施例的说明。存在不同的以不同材料和不同结构制造TSROS装置的可能性。例如，结构可以是膨胀的或者可以最优化，用于在水下或在外太空而不是普通空气中使用。
另外，TSROS装置可以加入一个或多个附加的偏光片，不管是对于彼此和对于原来的两个偏光片是平行的还是成一定角度旋转的，以改变TSROS装置中不同位置的光的偏振状态。在加入多个偏光片的实施例中，尽管至少有一个必须是反射型偏光片，但是没有必要所有的偏光片都反射型偏光片。偏光片角度和液晶分子方向的多种组合可以用于产生不同的光学效果(例如，冷时反射而不是热时反射，透射状态下不同的颜色等等)。消偏光片可以采用向列的、螺旋向列的、层列液晶的、固态/晶体的、圆盘状的、手征性的或其它物理/分子状态、以及可选的液晶技术(例如在有或没有电场、粗糙表面、内部导线或其它装置以重新定向组件分子的聚合物稳定胆甾和宾主盒)的多种不同组合。
有可能制造这样的消偏光片：在冷状态下是漫射的、热状态下是镜面的(以及相反的)、并且在一个或两个状态下是乳白色的、随着温度改变而不同地改变透射和反射的光的颜色平衡、并且类似地在热和冷状态下具有不同的颜色平衡。通过使用镜头、棱镜膜、定向敏感的偏光片、或非平行方向的反射型组件，来自TSROS装置的反射可以在任何方向上被发送，或者可以被漫射，以限制有时在大镜面表面发生的眩目的“第二个太阳”的效应。另外，有可能使用对任何不同的偏振光(例如圆的、椭圆的和直线的)都能起作用的偏光片。这样的实施例被明确要求为本发明的一部分。
存在不影响发明核心原理的许多其它变体。例如，消偏光片或一个或多个偏光片本质上可以是机械的，响应于温度的转换地物理地旋转90度(或者一个其它角度)。可选地，热致消偏光片可以设计为它的温度影响它工作的波长范围，而不是(或者除了)影响它消偏振的能力。例如，由热膨胀系数很高的材料制成的波阻会具有这种特性。装置中任意或全部的层可以由掺杂质的、纳米结构的或微结构的材料(包括但不限于定制的光子液晶)组成。一个或多个层可以是非平面形状(例如由反射型偏光片形成的抛物面镜)，或者可以并入其它形状的反射器或类似装置，以帮助集中、漫射或从种种角度影响入射光。
通过认真确定装置的位置可以提高TSROS装置作为热调节建筑材料的使用，例如，通过将它放在屋子南面的屋檐下使得装置在冬天时全光照，夏天太阳在空中较高时能被屋檐遮蔽。备选地，可以使用它代替传统的天窗，或作为固定在普通玻璃窗户或玻璃砖上的面板贴花。在一些情况下，也可能需要在热致反射材料或装置后面放置不透明、吸收能量的材料，以最大化冷(透明)状态下热能的吸收。
虽然此处公开的TSROS装置具有像建筑材料那样的应用，尤其用于结构暴露于日光的外层，它也可以以无数种其它方式被使用。例如，热致反射材料或装置可以加入淋浴门使得热水或蒸汽的存在导致门变成反射型的，确保了使用者的隐私。类似地，咖啡壶可以做成热致反射的，这样对于任何观察者来说，壶中热咖啡的存在都会是明显的。
另外，TSROS装置可以用于显示温度控制反射的图像。产生这样的图像(包括文本、线条画、企业标志或单色照片)可以通过将热反射材料排列成所需图片的形状、或通过在特定区域选择性变化热反射材料的温度响应使得在特定温度或温度范围内显现图像、或通过处理液晶取向层或其它分子取向工艺使得材料的热反射响应在特定区域提高或降低以形成图像、或通过其它不会根本上改变图片性质的方法或其基本技术。这样的图像可以包括反射型光学组件(例如反射镜、半反射镜、光栅、栅格和菲涅尔镜头)，使得热致反射材料或装置高温时表现出与低温时显著不同的光学特性。
虽然上面已经在一定程度上具体性的或参考一个或多个单独实施例而对本发明的各实施方式进行了描述，但是，本领域的技术人员可在不背离本发明的实质或范围的前提下对所公开的实施方式进行各种修改。意思是，上面描述中包含的和附图中示出的所有内容都应该解释为仅用于说明特定实施例而不是限制性的。所有方向参考(例如，近端、远端、上面、下面、里面、外面、向上、向下、左面、右面、横向、前面、后面、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针和逆时针)只用于辨别方向的目的，以帮助读者理解本发明，并不产生限制，尤其是对本发明的位置、定向或使用不产生限制。除非特别说明，否则连接参考(例如，附于、接合、连接和结合)可宽泛地进行解释，其可包括一组元件之间的中间构件并且这些元件之间可有相对运动。同样地，连接参考并非必然暗示两个元件直接连接和彼此相对固定。所述的光透射、吸收和反射的百分比旨在应被解释为仅是示意性的，而不是限制性的。上面描述中包含的和附图中示出的所有内容都应该解释为仅用于说明特定实施例而不是限制性的。在不背离所附权利要求所限定的本发明的基本要素的前提下，可对细节或结构进行修改或改变。
相关申请的交叉参考
本申请要求根据美国专利法第35条119(e)款于2007年7月11日提交的名称为“Thermally switched reflective optical shutter”的美国临时专利申请第60/959096号的的优先权，其全部内容通过引证结合在此。