CN102640045A - 光束操纵装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于偏转光束的光束操纵装置(300)。所述光束操纵装置包括第一偏转元件(310)、旋转元件(320)和第二偏转元件(330)。对于具有其偏振分别平行(303’)和垂直(302’)于光束操纵装置的光轴(314，334)的分量(303，302)的入射光束而言，当穿过第一偏转元件时，平行分量(303)被偏转第一角度(304)。当穿过旋转元件时，光束的偏振(303’，302’)被旋转90度(303”，302”)。当穿过第二偏转元件时，垂直分量(302)被偏转第二角度(305)。

Description

光束操纵装置
技术领域
本发明涉及用于电操纵光束的装置。
背景技术
光束操纵装置被用在控制光束方向的照明装置中。这例如可以以半静态的方式完成以不时地改变房间的氛围，或者出于娱乐的目的动态地完成。与跟踪机制组合，光束操纵还可以用于照明移动的物体。
先前的光束操纵技术基于例如马达致动镜或透镜的机械装置。还已知有利用基于电可操纵液晶的相位阵列或波导的光束操纵装置。
US 5,151,814公开了一种包括基于液晶阵列的光束偏转元件的光束扫描器。该光束的偏转通过设置相位倾斜和相位偏移来实现。
发明内容
本发明的一个目的在于提供上述技术和现有技术的更加高效的替代方式。
更具体而言，本发明的一个目的在于提供电可控制的改进的光束操纵装置。
本发明的这些和其他目的借助具有独立权利要求1中所限定的特征的光束操纵装置来实现。本发明的各实施例以从属权利要求为特征。
出于描述本发明的目的，双折射材料是光学各向异性材料，即，其中材料对材料中传播的光束所具有的影响依赖于传播方向、材料的光学取向和光的偏振的材料。
单轴材料是双折射材料的特殊情况。单轴材料对光束的影响可以通过光轴来描述。具有垂直于光轴的偏振的光束经历正常折射率。具有平行于光轴的偏振的光束经历异常折射率。具有除了纯粹垂直或平行于光轴的偏振的光束经历正常折射率和异常折射率间的折射率。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于偏转光束的装置。该装置包括第一偏转元件，用于将光束的一部分偏转第一角度。第一偏转元件包括第一棱镜。第一棱镜包括第一光学元件和第二光学元件。第一光学元件产生第一折射率。第二光学元件是双折射的且具有电可控的光轴。所述光轴产生第二折射率。由第一偏转元件偏转的所述部分光束具有线性偏振，使得第一偏转角度与第一折射率和第二折射率之间的差值成比例。
本发明利用了以下理解：包括两个光学元件、其中至少一个是双折射的且具有可变的折射率的棱镜能够用于以受控的方式偏转光束。通过电控制所述光轴，并继而控制折射率，能够偏转穿过棱镜的光束。通过面向棱镜的表面上的对准层(例如经摩擦的聚酰亚胺层)和在棱镜上施加电场的组合，可以控制光轴。取决于电场强度，光轴改变取向。在棱镜的第一和第二光学元件之间的界面处的折射导致偏转。根据本发明的实施例的光束操纵装置的有利之处在于它不需要任何可移动的部件，这使得它牢固、安静和快速。已知的使用可移动部件的光束操纵设备固有的常见问题(例如有限的加速、振动、有限的寿命和相当大的空间要求)可以被避免或至少缓解。
根据本发明的实施例，所述装置还包括第二偏转元件，用于将光束的一部分偏转第二角度；以及旋转元件。旋转元件位于第一偏转元件和第二偏转元件之间。第二偏转元件包括第二棱镜。第二棱镜包括第一光学元件和第二光学元件。第一光学元件产生第一折射率。第二光学元件是双折射的并且具有电可控制的光轴。所述光轴产生第二折射率。由第二偏转元件偏转的所述部分光束具有线性偏振，使得第二偏转角度与第一折射率和第二折射率之间的差值成比例。所述旋转元件至少具有第一状态。所述旋转元件配置成用于当在其第一状态时将光束的偏振旋转90度。这有利之处在于光束的两个偏振分量都能够被偏转。首先，具有平行于第一棱镜的光轴的偏振的光束的部分被偏转，然后，当通过旋转元件时，光束的偏振被旋转90度。该旋转的效果是两个偏振分量被互换，即，原先具有平行于第一棱镜光轴的偏振的偏转的分量现在具有垂直于第一棱镜的光轴的偏振，以及由于第一和第二棱镜实际上具有相同的光学取向，所述偏转的分量的偏振还垂直于第二棱镜的光轴。最后，未被第一偏转元件偏转的具有平行于第二棱镜的光轴的偏振的光束分量，当通过第二偏转元件时被偏转第二角度。由此，光束的两个偏振分量均被偏转。第一角度和第二角度可彼此独立地操纵。如果第一角度和第二角度不同，则不同的偏振分量分开，即，所述光束操纵装置充当分束器。
根据本发明的实施例，第一棱镜和第二棱镜是微棱镜。使用多个微棱镜的有利之处在于可至少在一个维度上减少装置的尺寸。
根据本发明的实施例，第一棱镜的第二光学元件的光轴和第二棱镜的第二光学元件的光轴是联合电可控制的，使得第一角度和第二角度基本上相等。这有利之处在于两个偏振分量被偏转相同角度，并在穿过光束操纵装置后继续作为单一光束传播。
根据本发明的实施例，第一棱镜的第一光学元件和第二棱镜的第一光学元件是基于聚合物的。使用聚合物的有利之处在于其是可以模制的。特别地，如果使用微棱镜的总成，这种棱镜结构可以被模制到聚合物膜中。以此方式可以制成薄的、仅几毫米厚的偏转元件，而横向尺寸可以被制成大得多。
根据本发明的实施例，第一棱镜的第二光学元件和第二棱镜的第二光学元件是基于液晶的。
根据本发明的实施例，所述旋转元件还具有第二状态。所述旋转元件被配置成当其在第二状态时，保留光束的偏振基本不受影响。所述旋转元件在其第一和第二状态之间电可切换。这有利之处在于光束的偏振的旋转(即，两个偏振分量的互换)可以被激活或不被激活。以此方式，根据本发明的实施例的光束操纵装置可以以至少两种不同模式使用。在第一模式中，旋转元件被激活，光束的两个偏振分量均被偏转，即，光束作为整体被偏转。在第二模式中，所述旋转元件不被激活，只有具有平行于第一和第二棱镜的光轴的偏振的分量被偏转。由于在这种情况下两个偏转元件均偏转相同的偏振分量，所以能够获得更大的偏转角度。例如，可以利用此来偏转偏振的光束，比如激光器发射的光。
根据本发明的实施例，旋转元件是基于液晶的，例如向列相液晶。
根据本发明的实施例，一种装置包括多个光束操纵装置。所述多个光束操纵装置布置成矩阵中的像素。所述像素是可单独控制的。这是有利的，因为多个光束可被偏转到不同的方向。特别地，多个光束可从单个光源获得。光束操纵装置可以用于光束整形和用于产生光图案。
根据本发明的实施例，所述装置还包括用于放大光束偏转的望远镜。使用望远镜是有利的，这是因为可以增加给定光束操纵装置的最大偏转角度。所述望远镜还可以包括反射性部件。
根据本发明的另一实施例，所述装置还包括用于放大光束偏转的望远镜的阵列。
根据本发明的实施例，所述望远镜包括第一透镜和第二透镜。所述第一透镜具有焦距f1。所述第二透镜具有焦距f2。焦距使得f1＞f2。第一透镜和第二透镜之间的距离是f1+f2。
根据本发明的另一实施例，所述望远镜包括第一多个透镜和第二多个透镜。所述第一多个透镜具有焦距f1和直径D1，并布置成矩阵。所述第二透镜具有焦距f2和直径D2，并布置成矩阵。焦距使得f1＞f2且第一多个透镜和第二多个透镜之间的距离是f1+f2。使用透镜矩阵(例如微透镜矩阵)是有利的，这是因为较小直径的透镜典型地具有较短的焦距，从而导致望远镜沿光传播方向的较小延伸。
根据本发明的另一实施例，所述望远镜还包括第三多个透镜，所述第三多个透镜具有焦距f3和直径D3，并布置成矩阵，且位于第一多个透镜和第二多个透镜之间。所述第三多个透镜布置在距所述第一多个透镜的f1距离处和距所述第二多个透镜的f2距离处。焦距使得1/f3＝1/f1+1/f2。使用第三透镜阵列的有利之处在于能够增大接受角(即，入射光可以具有的相对于望远镜的光轴的最大角度)。而且，可以通过减小各自透镜的直径来减小第二和第三透镜的焦距。
根据本发明的又一实施例，光束操纵装置还包括光源。优选地，光源发射准直光束。
当研究下文详细的公开内容、附图和所附权利要求时，本发明的其他目的、特征和优点将变得明显。本领域技术人员将意识到可以组合本发明的不同特征以创建除了下文描述的那些实施例外的实施例。
附图说明
通过参照附图的本发明各实施例的以下说明性和非限制性描述，本发明的上述以及附加目的、特征和优点将会被更好地理解。
图1示出了根据本发明的实施例的光束操纵装置；
图2示出了根据本发明的实施例的偏转元件；
图3示出了根据本发明的实施例的的光束操纵装置；
图4示出了根据本发明的实施例的旋转元件；
图5示出了根据本发明的进一步实施例的光束操纵装置；
图6示出了根据本发明的又一个实施例的光束操纵装置；
图7a-图7d示出了根据本发明的实施例的望远镜。
全部附图均是示意性的，不一定按比例，并且通常仅示出为了阐释本发明所需的部分，其中可能省略或仅仅暗示其他部分。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的光束操纵装置100。光束操纵装置100包括偏转元件110。所述偏转元件110构成包括两个光学元件111和112的棱镜，两个光学元件111和112构成棱镜的内部界面113。第一光学元件111是光学各向同性的且可以用各向同性的折射率表征。第二光学元件112是具有单轴各向异性(即，单一各向异性轴114，也称为光轴114)的双折射材料。这种材料可以用影响具有垂直于光轴114的偏振的正常光线的正常折射率和影响具有平行于光轴114的偏振的异常光线的异常折射率来表征。可以通过在棱镜110上施加电场和通过对准层(例如，经摩擦的聚酰亚胺层)来控制光轴114的取向。通过改变光轴114的取向，折射率可以被改变。
尽管图1示出了光轴114具有特定的方向，但可以实现光轴的其他取向(例如，通过使用对准层)。在微透镜的情况中，例如可以容易实现光轴沿着棱镜的边缘的取向。在下文中，本发明的实施例将在假定光轴114的取向如图1所示的的情况下描述。然而，本发明并不限于该特定取向。
穿过第一偏转元件110的例如来自光源101的入射光可以被分解成分别具有垂直于和平行于棱镜的光轴114的偏振的两个偏振分量。为描述本发明的目的，入射光图示成分别具有垂直102’偏振和平行103’偏振的两束分离的光线102和103。
具有垂直于光轴114的偏振102’的光线102穿过偏转元件110而未被偏转。具有平行于棱镜的光轴114的偏振103’的光线103当穿过第一偏转元件110时被偏转第一角度104。由于第一光学元件111的折射率和第二光学元件112的异常折射率之间的不匹配，在内部界面113处由折射引起该偏转。该第一角度104与界面113两侧的两个折射率之间的差值成比例。
参照图1，如果入射光是具有平行于光轴114的偏振103’的线性偏振，即分量102可忽略，则可偏转整束光。另一方面，如果入射光包含两个偏振分量102和103，则第一偏转元件110表现为分束器，其保留分量102不变而同时将分量103偏转角度104。
第一光学元件111可以是基于可模制的聚合物的。第二光学元件112可以是基于液晶的。在这个情况中，可以通过在第二元件上、至少在靠近内部界面113的体积上施加足够大以影响偏转的电场，或在整个棱镜上施加电场，来改变第二元件112的光轴114。
典型地，如果使用聚合物用于第一光学元件111和使用液晶用于第二光学元件112，则第一光学元件111的折射率和第二光学元件112的正常折射率具有大约1.5的值。第二光学元件112的异常折射率是固定的，典型约为1.7，且不依赖于电场。换言之，使用所描述的材料的组合，如果没有施加电场，穿过光束操纵装置100的光束将被偏转，而通过施加电场可以减小偏转的角度。然而，通过适当地选择第一光学元件111和第二光学元件112的材料可以实现不同的行为，即当没有施加电场时不发生偏转，并且偏转与施加的电场成比例。例如第一光学元件111可以由双折射材料制成。
尽管参照图1描述了第一偏转元件110包括一个棱镜，但可以使用多个棱镜，例如微棱镜的总成。参照图2，描述了根据本发明的实施例的偏转元件200包括微棱镜2101-210N。尽管在图2中描绘了固定数量的棱镜，但可以设想适合于所考虑的应用的任意数量的棱镜。
所述微棱镜2101-210N由一维棱镜结构211和液晶层212制成。为限制液晶212并且为了支撑结构，微棱镜2101-210N夹在由间隔物215保持在一定距离的两个玻璃板213和214之间。出于在棱镜2101-210N上施加电场的目的，该玻璃板213和214分别涂覆有导电层216和217，优选地，该导电层216和217对穿透过偏转元件200的光是光学透明的。导电层216和217例如可以由铟锡氧化物(ITO)制成。可以使用电线218将导电层216和217连接至电压源。该一维棱镜结构211例如可以模制成聚合物薄膜。典型地，聚合物薄膜的厚度约为100μm，而液晶层212具有约为50μm的厚度。然而，可以使用对于所考虑的应用足够的任意厚度。通过使用标准复制技术，可以实现厚度约为1mm而横向尺寸大得多的薄偏转元件。
参照图3，描述了根据本发明的另一个实施例的光束操纵装置300。光束操纵装置300包括两个偏转元件310和330以及旋转元件320。该旋转元件320位于第一偏转元件310和第二偏转元件320之间。如果没有施加电场，则第一棱镜310的第二光学元件和第二棱镜330的第二光学元件具有相同的光学取向。
穿透光束操纵装置300(即，第一偏转元件310、旋转元件320和第二偏转元件330)的由光源301发射的入射光，与参照图1描述的类似，可以分解成两个偏振分量302和303。具有平行于光轴314的偏振303’的光线303当穿过第一偏转元件310时被偏转第一角度304。当穿过旋转元件320时，光线303的偏振被旋转90度，使得现在偏振垂直303”于光轴334。因此，当穿过第二偏转元件330时，光线303不被偏转。因此，考虑光束操纵装置300作为一个整体，光束303当穿过装置300时被偏转第一角度304。
入射光的其他偏振分量，即具有垂直302’于光轴314的偏振的光线302当穿过第一偏转元件310时不被偏转。当穿过旋转元件320时，光线302的偏振被旋转90度，使得当进入第二偏转元件330时其平行302”于光轴334。因而，光线302当穿过第二偏转元件330被偏转第二角度305。因此，考虑光束操纵装置300作为一个整体，光束302当穿过装置300时被偏转第二角度305。
考虑不以平行303’或垂直302’于光轴314的偏振而线性偏振、而是具有可被描述成两个分量的组合的偏振的入射光的情况，如果第一角度304和第二角度305被选择成相等，则入射光当穿过光束操纵装置300时可被作为整体偏转。另一方面，如果角度304和305被选择成不相同，则可以使用光束操纵装置300作为分束器，其允许将入射光分成分别具有相对于光轴314的平行303’和垂直302’偏振的两个分量。
参照图3描述的光束操纵装置300的偏转元件310和330可以是与参照图2描述的偏转元件200相同的类型。偏转元件310和330可以是相同的或不同的。如果入射光要作为整体偏转(即如果第一角度304和第二角度305相等)，则具有相同的偏转元件310和330是有利的。这可以通过在两个偏转元件中的棱镜上施加相同的电场(即通过对两个偏转元件的导电层施加相同的电压)实现。
参照图4描述了根据本发明的实施例的旋转元件400。旋转元件400包括由间隔物403分隔的两个玻璃板401和402。玻璃板401和402之间的体积填充扭曲向列液晶404。液晶的对准通过使用覆盖玻璃板401和402的面向液晶404的侧的经摩擦的聚酰亚胺对准层实现。将经摩擦的聚酰亚胺层布置为具有彼此垂直的各自对准，从而液晶404是扭曲的，以产生穿过旋转元件400的光束的偏振的90度的旋转。
参照图4描述的旋转元件400可以进一步布置成具有覆盖面向液晶的玻璃板的透明导电层。以此方式，通过在液晶404上施加电场，可以关断旋转元件400，即穿过旋转元件400的光束的偏振不受影响。这可以通过对导电层施加电压实现。该导电层可以例如由ITO制成。参照图3，如果关断旋转元件，则只有具有平行于光轴314的偏振303’的光束的偏振分量303会被偏转，而其他分量302不受影响。如果要偏转具有平行303’于光轴314的偏振的线性偏振光束，则具有电可切换的旋转元件的光束操纵装置300是有利的，因为增加了偏转的最大角度。可选地，这种装置可以用作分束器。
图5示出了根据本发明的另一实施例的光束操纵装置500。光束操纵装置500包括用于单独偏转多个光束502的多个像素510。入射光501可以源自单个光源(在这种情况下光被分成多束光)或源自多个光源。
参照图6描述了根据本发明的进一步实施例的光束操纵装置600。光束操纵装置600包括偏转元件610和望远镜620。该偏转元件610可以是像参照图1描述的偏转元件110那样的单个偏转元件，或是像参照图3描述那样的两个偏转元件310和330以及旋转元件320的堆叠。参照图6，入射光束601当穿过偏转元件610时被偏转角度602。光束的偏转在穿过望远镜620后被放大，现在偏转角度为603。换言之，当穿透过作为整体的光束操纵装置600(即，偏转元件610和望远镜620两者)时，入射光束被偏转角度603。
图7a-图7d示出了根据本发明实施例的望远镜。图7a示出了包括分别具有焦距f1和f2的两个透镜711和712的望远镜710。透镜711和712布置成相距f1+f2距离。如果选择f1和f2使得f1＞f2，则具有入射角714的入射光束713当穿过望远镜时将增加它的偏转至角度715。
出于减小至焦距f1和f2从而产生更小望远镜的目的，可以使用透镜的矩阵。图7b示出了包括具有各自焦距f1和f2以及直径D的两个矩阵721和722的望远镜720。优选地，为了避免不期望的二级光束，设计这种系统使得进入第一矩阵721的透镜的光将只穿过第二矩阵722的对应透镜。假如对于接受角αmax(即入射光束可以具有的最大角)的下述表达式满足：(其中M＝f1/f2)，则这个条件将被遵从。
图7c示出了根据本发明的进一步实施例的望远镜730。望远镜730包括具有焦距f1和f2以及直径D的两个透镜矩阵731和732，以及具有焦距f3和直径D的其他透镜矩阵733。透镜矩阵733布置在距透镜矩阵731距离f1处和距透镜矩阵732的距离f2处。另外，设计每个透镜使得透镜矩阵731的透镜的点成像在透镜矩阵732的对应透镜上。在这种望远镜中，如果焦距f3由1/f3＝1/f1+1/f2给出，则接受角αmax将得以改善，且其由
Figure BPA00001546674500102
给出。
图7d示出了根据本发明的又一个实施例的望远镜740。类似于参照图7c描述的望远镜730，望远镜740包括三个透镜矩阵。然而，在望远镜740中，透镜矩阵741、742和743分别包括不同直径D1、D2和D3的透镜。通过减小透镜矩阵742和743的直径，使得保持关系D2/f2＞D1/f1，可以实现改进的接受角αmax：
Figure BPA00001546674500103
本领域技术人员意识到本发明绝不限于上面描述的实施例。相反，在所附权利要求的范围内可能做出多种修改和变型。例如，棱镜的第一光学元件也可以是双折射的。而且，可以组合两个偏转元件，或两个偏转元件和旋转元件的两个堆叠以允许将光束偏转到两个方向。而且，可以使用圆柱透镜以放大光束在一个方向上的偏转。
总之，提供了一种用于偏转光束的光束操纵装置。该光束操纵装置包括第一偏转元件、旋转元件和第二偏转元件。对于具有其偏振分别平行和垂直于光束操纵装置的光轴的分量的入射光束而言，平行分量当穿过第一偏转元件时被偏转第一角度。当穿过旋转元件时，光束的偏振被旋转90度。当穿过第二偏转元件时，垂直分量被偏转第二角度。

Claims (15)

1.一种用于偏转光束的装置，所述装置包括：
第一偏转元件，用于将光束的一部分偏转第一角度，所述第一偏转元件包括第一棱镜，所述第一棱镜包括：
第一光学元件，产生第一折射率，以及
第二双折射光学元件，具有电可控制光轴，产生第二折射率，
所述光束的所述部分具有线性偏振，使得所述第一角度与所述第一折射率和所述第二折射率之间的差值成比例。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
第二偏转元件，用于将光束的一部分偏转第二角度，所述第二偏转元件包括第二棱镜，所述第二棱镜包括：
第一光学元件，产生第一折射率，以及
第二双折射光学元件，具有电可控制光轴，产生第二折射率，
所述光束的所述部分具有平行的线性偏振，使得所述第二角度与所述第一折射率和所述第二折射率之间的差值成比例，以及
旋转元件，具有至少第一状态，所述旋转元件配置成当在其第一状态时将光束的偏振旋转90度，所述旋转元件位于所述第一偏转元件和所述第二偏转元件之间。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一棱镜和所述第二棱镜是微棱镜。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一棱镜的所述第二光学元件的光轴和所述第二棱镜的所述第二光学元件的光轴是联合电可控制的，使得所述第一角度和所述第二角度基本上相等。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一光学元件是基于聚合物的。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第二光学元件是基于液晶的。
7.根据权利要求2所述的装置，其中所述旋转元件还具有第二状态，所述旋转元件配置成当在其第二状态时，保持光束的偏振基本不受影响，其中所述旋转元件在其第一状态和第二状态之间是电可切换的。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述旋转元件是基于液晶的。
9.一种装置，包括多个根据权利要求1-8中的任一项所述的装置，所述多个装置被布置成矩阵中的像素，其中所述像素是单独可控的。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的装置，还包括用于放大光束偏转的望远镜。
11.根据权利要求1-9中的任一项所述的装置，还包括用于放大光束偏转的望远镜阵列。
12.根据权利要求10或11所述的装置，所述望远镜包括：
第一透镜，具有焦距f1，以及
第二透镜，具有焦距f2，
其中，f1＞f2且所述第一透镜和所述第二透镜之间的距离是f1+f2。
13.根据权利要求10或11所述的装置，所述望远镜包括：
第一多个透镜，具有焦距f1和直径D1，所述第一多个透镜布置在矩阵中，以及
第二多个透镜，具有焦距f2和直径D2，所述第二多个透镜布置在矩阵中，
其中，f1＞f2且所述第一多个透镜和所述第二多个透镜之间的距离是f1+f2。
14.根据权利要求13所述的装置，所述望远镜还包括：
第三多个透镜，具有焦距f3和直径D3，所述第三多个透镜布置在矩阵中，且位于所述第一多个透镜和所述第二多个透镜之间距所述第一多个透镜距离f1和距所述第二多个透镜距离f2处，
其中1/f3＝1/f1+1/f2。
15.根据权利要求1-14中的任一项所述的装置，还包括光源。
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