CN101218525A

CN101218525A - 用于控制光的形状和方向的设备

Info

Publication number: CN101218525A
Application number: CNA2006800249910A
Authority: CN
Inventors: R·A·M·希克梅特; J·P·M·安塞姆斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2008-07-09
Also published as: WO2007007242A3; WO2007007242A2; US20080211978A1; JP2009500671A; KR20080034456A; EP1904879A2; TW200710470A

Abstract

一种用于控制光的形状和方向的设备(201)，包括：第一透明平面衬底(203)和第二透明平面衬底(205)，这些衬底被配置为基本垂直于入射光束(211)而设置；液晶层(209)，设置在第一衬底和第二衬底之间；在第一衬底上设置的第一透明电极图案(207)和在第二衬底上设置的第二透明电极图案(217)；以及控制装置，被配置为调整在第一电极图案和第二电极图案之间的电势差，由此配置为调整液晶层的折射系数。

Description

用于控制光的形状和方向的设备

本发明涉及一种用于控制光的形状和方向的设备、以及包括这种设备的光照系统。

今天，在显示和照明应用中，存在控制光的发射的需要。这种需要就光发射方向以及所发射光的空间分布(例如，光束形状)两者而言均是适用的。

本领域的现有技术包括其中描述了用于相机聚焦板的美国专利5,122,888。

关于US 5,122,888中所述设备的一个缺点在于，其不能控制光的形状和方向。

因此，本发明的一个目的是克服关于现有技术的缺点。

所述目的通过根据所附权利要求的设备和系统来实现。

即，一种用于控制光的形状和方向的设备，包括：

-第一透明平面衬底和第二透明平面衬底，所述衬底被配置为基本垂直于入射光束来设置；

-液晶层，设置在所述第一衬底和第二衬底之间；

-设置在所述第一衬底上的第一透明电极图案和设置在所述第二衬底上的第二透明电极图案；以及

-控制装置，配置为调整在所述第一和第二电极图案之间的电势差，由此配置为调整所述液晶层的折射系数。

优选地，根据AC频率来控制所述电势差。

本发明的一个优点在于，其克服了关于现有技术设备的问题，同时避免了在控制光束形状和方向期间的光损失。

本发明的实施方式包括这样的实现，其中第一电极图案与第二电极图案基本相同。此外，第一电极图案和第二电极图案中的任意一个可以包括多个六边形特征。

在某些实施方式中，电极图案包括多个电极部分，每个部分被配置为相对于电势来独立地调整。

第一电极图案和第二电极图案的任意一个还可以是基本上无特色的。

还可能在图案化的电极顶部设置导体层，所述层具有量级为MΩ/平方的高表面阻抗。

电极图案可以包括基本上处于1-10μm间隔中的空间维度，并且可以在不具有高表面阻抗的区域中包括在10-100μm范围中的特征。第一衬底和第二衬底可以由处于5-50μm间隔的距离所分离。

用于所述电极的一种优选选择材料是氧化铟锡(ITO)。

该实施方式包括控制器，所述控制器配置为以0-20V(rms)间隔调整第一和第二电极图案之间的电势差。

在一个实施方式中，一种用于控制光的形状和方向的设备包括：如上所述的第一设备，其中液晶材料沿第一定向方向对准；以及如此的第二设备，其中液晶材料沿第二定向方向对准。

第一定向方向可以基本上垂直于所述第二定向方向，并且还可以基本上平行于所述第二定向方向。在此情况下，当定向平行时，设备进一步包括在所述第一设备和第二设备之间设置的半波板。

优选地，第一设备和第二设备这样设置以便避免在透射光的强度中出现局部最大值和最小值。

这种实施方式的优点在于，其对包括偏振光的光束提供了有效的控制。在不受控制的情况下，基本上不允许光通过这种设备。

在另一方面，通过包括如上所述的设备以及光源的光照系统来实现所述目的。

现在，将参考附图来描述本发明的实施方式。

图1是示意性示出的根据本发明的系统；

图2a和图2b是根据本发明的设备的示意性横截面视图；

图2c是图2a和图2b中的设备的示意性顶视图；

图2d示意性示出了覆盖有高表面阻抗层的电极图案的横截面；

图3和图4是说明关于根据本发明的设备的实验性结果的图示；

图5是根据本发明的设备的示意性横截面视图、以及折射系数分布的示意性图示；

图6a和图6b是被配置为控制偏振光的、根据本发明的设备的示意性框图；

图7和图8是根据本发明的设备的电极图案的示意性顶视图；

图9a和图9b是根据本发明的系统的示意性横截面视图。

现在转向图1，其中示出了围绕光轴105为中心的光照系统100的横截面。系统100包括：光源107，发射如光线109和111所示的光；以及具有由半径r所限定的空间幅度的、用于控制光的形状和方向的设备101。由用于控制光的形状和方向的设备101以影响方向和视准两者的方式来控制光109、111。在图1中，这由对准到焦点的光线109′和111′来说明，所述焦点由沿光轴105的焦距f来定义。角度θ定义了光线109′、111′的发散度，并且如本领域技术人员将认识到的那样，通过改变焦距f以根据简单关系：tan(θ)＝r/f来改变发散度θ。还示出了偏转角度α，这将在下面结合图5进行讨论。

如在下文将进一步描述的那样，用于控制光的形状和方向的设备101使用具有输入装置141的控制器103来调整用于控制光的形状和方向的设备101的特征。输入装置141可以以按钮或者按键的简单形式实现，所述按钮或者按键可以允许用户例如根据AC频率来调整一个或者几个电压电平。本领域技术人员应该认识到，输入装置141和控制器可以或多或少集成到智能电路之中，并且还可以与控制计算机等协作或者连接到控制计算机等。

现在，转向图2a、图2b和图2c，将对用于控制光的形状和方向的设备201做出更为详细的说明。如由图2c中的xy-平面中的截面AA所示，图2a和图2b是xz-平面中的横截面视图。设备201包括相隔开距离d的透明第一衬底203和透明第二衬底205。衬底203、205可以由适合的玻璃材料制成。第一电极图案207和第二电极图案217分别设置在第一衬底203和第二衬底205上，并且液晶材料层209设置在两个衬底203、205之间。如本领域技术人员将认识到的那样，用于沿优选共同方向定向液晶材料分子的定向层(未示出)也可以设置在衬底203、205之间。为了不会不必要地扰乱描述，已经忽略了这种定向层。

如图2c中所示，电极图案207具有拥有40μm的典型空间尺度2R的六边形结构。第二电极图案217(尽管在图2c中不可见)具有与第一电极207的图案相同的六边形结构，并且在xy-平面中与第一电极图案207对准。

来自光源的光211(未示出)透射通过设备201，并且如光211′所指示那样离开。图2a示出了一种如由在连接到各自电极图案207和217的电极终端231和232之间的零电压所示意性示出的、其中在两个电极图案207、217之间不存在电势差的情况。在缺少电场(即，在电极207、217之间是零电势差)的情况下，如由定向层(未示出)所控制的那样，液晶材料209的分子沿共同方向(在这里是x-方向)对准。

图2b说明了其中在两个电极图案207、217之间存在电势差的情况。因此，在电极图案207、217之间感生出电场梯度，这导致如参考标号213所示、在液晶材料分子的定向中的梯度。接着，在液晶材料的分子定向中的梯度导致在液晶材料的折射系数中的有效梯度。

为了在液晶内精确地调整折射系数分布以便获得对光束的较好控制，还可能期望在图案化的电极(多个)顶部放置具有高表面阻抗的层。以此方式，在获得用于改进波束形状的改进折射系数梯度方面，还可以使用所施加电压的频率。图2d是在衬底(诸如衬底205)的顶部放置、并且由具有高表面阻抗的层220所覆盖的图案化电极(诸如，图2a和2b中的电极207)的横截面。

因此，获得了一种微-透镜阵列，其能够通过改变在电极图案207、217之间施加的电势差U来将进入光211变形成为透射光211′。这种微透镜阵列的焦距f可以表示为：f＝r2(2×Δn×d)，其中Δn是感生的折射系数差。

图3示出了对作为在图2中的电极207和217之间施加的电压差的函数的这种微透镜阵列的焦距f和发散度θ的实验性测量。可见，至少在电压差间隔4-7V中，焦距距离随着电压差的增加而降低，并且发散度随着电压差的增加而增加。

图4示出了对在图2中的电极207和217之间施加的不同电压差处、作为发散角度θ的函数的光束强度分布的实验性测量。可见，在电压差U＝0V处，光束的FWHM大约是9度；在U＝4V处，FWHM大约是16度；而在U＝6V处，FWHM大约是14度。

现在转向图5，示出了用于控制光501的形状和方向的设备的另一实施方式。与图1、图2a和图2b类似，图5是沿xz-平面的横截面视图。设备501包括透明第一衬底503和透明第二衬底505。衬底503、505可以由适合的玻璃材料制成。包括多个电极部分507a、507b、507c等的第一电极图案507和连接到地511的或多或少较普通的第二电极509分别设置在第一衬底503和第二衬底505上。液晶材料层设置在两个衬底503、505之间，并且由参考标号506所指示。

控制器513被配置为控制在第一电极图案507和第二电极509之间的电压差的应用。通过在第一电极507的第一部分507a和第二电极509之间施加第一电压差U₁，在第一电极507的第二部分507b和第二电极509之间施加第二电压差U₂等，如图中的设备501上方的图示中所示，获得了沿x方向的折射系数分布。

当透射通过设备501时，沿z方向入射的光(在图5中未示出)将偏转角度α(对比图1)、并且如上所述相对于焦距和发散度受到影响。

现在转向图6a和图6b，将描述根据本发明的设备601、651，所述设备被配置为控制偏振光的形状和方向。在图6a中，用于控制光的形状和方向的设备601包括第一元件611和第二元件613。这些元件611、613可以是上述设备的任何一种形式，其中液晶材料分别沿如箭头612所指示的第一定向方向、以及如箭头614所指示的第二定向方向定向。如本领域技术人员所认识到的那样，尽管在图6a中未示出，但是每个元件包括如先前所述设备那样的电极以及控制器、或者可以被配置为由一个共同的控制器来控制。

如图6a所示，第一定向方向612和第二定向方向614基本垂直。这意味着，可以对包括光的非显著分量(fraction)沿两个定向方向612、614中的每个方向偏振的入射光621进行控制而没有不必要的损失。即，沿第一定向方向612偏振的光的分量由第一元件611所控制，而沿第二定向方向614偏振的光的分量由第二元件613所控制，这产生了包括大部分入射光621的光束621′。因此，有效地是，没有光通过设备601而不受控制。

在图6b中示出了可选实施方式。在此，用于控制光的形状和方向的设备651包括第一元件611和第二元件615。这些元件611、615可以是上述任何设备的形式，其中液晶材料沿如由箭头612和616所指示的同一个第一定向方向定向。如上所述，元件611、615包括可控电极。在元件611和615之间设置半波板617。

如图6b所示，第一定向方向612和第二定向方向616基本平行。并入半波板617意味着，可以对包括非显著分量的光沿定向方向612偏振以及任何分量的光沿垂直于定向方向612(对比图6a)的方向偏振的入射光621进行控制而没有不必要的损失。即，沿第一定向方向612偏振的光的分量由第一元件611所控制，而在半波板617中旋转45度之后(如箭头618的方向所示)沿垂直定向方向偏振的光的分量由第二元件615控制，这产生了包括大部分入射光621的光束621′。因此有效地是，没有光通过设备601而不受控制。

图7示出了包括四个电极部分701、702、703和707的电极图案700的一个可选实施方式。电极图案700可以并入到诸如上述任意设备之类、用于控制光的形状和方向的设备中。

图8示出了包括四个电极部分801、803、805和807的电极图案800的另一可选实施方式。电极图案800可以并入到诸如上述任意设备之类、用于控制光的形状和方向的设备中。

通过向电极图案700、800的部分施加不同的电压，可以实现对光束进行更为复杂和准确的控制。

其中可以使用如上所述的设备的一个应用为例如，用于在计算机显示环境中使用的光照系统。图9a和图9b示意性地示出了这种光照系统900。系统900包括：光导901，其中的光907由光源905提供；显示屏902，被配置为由来自光导901的外耦合的光907′所照射。来自光导901的光的外耦合借助于用于控制光的形状和方向的设备903来执行，所述设备903具有图案化的电极，其中所述图案优选具有规则栅格(grating)的形式。

图9a说明了其中设备903受控制以便不外耦合来自光导901的光的情况，而在图9b中，设备903受控以外耦合光907′。

尽管在上文已经关于空间维度给出了某些指示，下文概括了有关电极图案和在电极承载衬底之间的距离的某些优选维度。然而应该理解，这些维度并不是原理性的，而是有关成本和产量以及性能的实践限制。

例如，ITO图案优选地以5μm的典型维度刻画。不太可能低于1μm或者高于10μm。这是由于以下事实：当低于1μm时难以制造这些图案，而当高于10μm时则光不受影响，并且在此尺度中还导致高损失。

单元间隙(即，衬底之间的距离)最可能是大约20μm。不太可能低于5μm或者高于50μm。这是由于在高单元间隙处的液晶材料成本和低单元切换速度。

在独立的ITO图案之间的最小距离通常是50μm。不太可能低于10μm或者高于100μm。当低于10μm时，变得难以引起透镜动作，并且当距离大于100μm时，则获得具有小光控制效果的弱透镜。

如本领域技术人员所认识到的那样，构成上述设备的所有组件进一步通过液体或者树脂进行光学接触，以便最小化接口处的反射损失。通过将具有高反射损失的传导层制造得尽可能地薄来最小化它们，以便降低反射损失。

此外，通过使用用于衬底、液晶和电极的适当材料，获得高于80％的、在500nm-800nm波长范围中的总透射。

在双单元配置中，同样重要的是将单元相对于彼此对准以便避免Moirè效应。Moirè效应可在这些单元的两端施加电压时出现，并且可以导致光的强度分布成为具有局部最小值和最大值的不均匀分布。

Claims

1.一种用于控制光的形状和方向的设备(100、201、501、601、651)，包括：

-第一透明平面衬底(203、503)以及第二透明平面衬底(205、505)，所述衬底被配置为基本垂直于入射光束(211)来设置；

-液晶层(209、506)，设置在所述第一衬底和所述第二衬底之间；

-设置在所述第一衬底上的第一透明电极图案(207、507、700、800)以及设置在所述第二衬底上的第二透明电极图案(217、509、700、800)；以及

-控制装置(103、513)，被配置为调整在所述第一和第二电极图案之间的电势差，由此配置为调整所述液晶层的折射系数。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制装置被配置为根据AC频率调整所述电势差。

3.根据权利要求1或者2所述的设备，其中所述第一电极图案与所述第二电极图案基本相同。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的设备，其中所述第一电极图案和所述第二电极图案(207)中的任意一个包括多个六边形特征。

5.根据权利要求1至3的任一项所述的设备，其中所述第一电极图案(700、800)和所述第二电极图案(700、800)中的任意一个包括多个电极部分(701、703、705、707、801、803、805、807)，每个部分被配置为相对于电势独立地进行调整。

6.根据权利要求1至4的任一项所述的设备，其中所述第一电极图案和所述第二电极图案的任意一个基本上无特点。

7.根据权利要求1至6的任一项所述的设备，其中所述第一电极图案和所述第二电极图案的任意一个涂覆有具有高表面阻抗的层(220)。

8.根据权利要求1至7的任一项所述的设备，其中所述电极图案包括基本上处于间隔1-10μm中的空间维度特征。

9.根据权利要求1至8的任一项所述的设备，其中所述电极图案由非传导或者高表面阻抗的层所覆盖，所述层包括基本处于间隔10-100μm中的空间维度的特征。

10.根据权利要求1至9的任一项所述的设备，其中所述第一衬底和所述第二衬底由处于间隔5-50μm中的距离所分隔。

11.根据权利要求1至10的任一项所述的设备，其中所述电极由氧化铟锡所制成。

12.根据权利要求1至11的任一项所述的设备，其中处于波长范围500nm-800nm的总透射率高于80％。

13.根据权利要求1至12的任一项所述的设备，其中所述控制器被配置为以0-20V的间隔调整在所述第一和第二电极图案之间的所述电势差。

14.一种用于控制光的形状和方向的设备(601、651)，包括：根据权利要求1至13中的任一项所述的第一设备(611)，其中液晶材料沿第一定向方向(612)对准；根据权利要求1至12中的任一项所述的第二设备(613)，其中所述液晶材料沿第二定向方向(614)对准。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述第一定向方向基本上垂直于所述第二定向方向。

16.根据权利要求14所述的设备，其中所述第一定向方向基本上平行于所述第二定向方向，并且还包括在所述第一和第二设备之间设置的半波板(617)。

17.根据权利要求14所述的设备，其中所述第一和第二设备如此设置以便避免在透射光的强度中出现局部最大值和最小值。

18.一种光照系统(900)包括根据权利要求1至17的任一项所述的设备以及至少一个光源(107、905)。

19.根据权利要求18所述的光照系统，其中所述至少一个光源包括至少一个发光二极管，发射具有至少一种颜色的光。