CN105700204A

CN105700204A - 光控装置和包含该光控装置的灯具

Info

Publication number: CN105700204A
Application number: CN201410708538.8A
Authority: CN
Inventors: 蔡登科; 陈勤; 李健; 王志勇; 周惠升
Original assignee: GE Lighting Solutions LLC
Current assignee: Current Lighting Solutions LLC
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-06-22

Abstract

本发明涉及光控装置和包含该光控装置的灯具。其中的光控装置，包括一个光学元件，该光学元件至少部分由一种透明或半透明的弛豫铁电聚偏氟乙烯基聚合物制成，该聚偏氟乙烯基聚合物在某种刺激下，如电场的改变，折射率会发生变化。可选地，该光学元件还包括一种折射率不随上述刺激发生变化的第二种材料。根据不同的光控需要，聚偏氟乙烯基聚合物和第二种材料可形成不同的结构，如主客体结构、多层结构。该光控装置可应用在灯具中，用于调节光束的光学输出特性。

Description

光控装置和包含该光控装置的灯具

技术领域

本发明涉及照明领域，具体地，本发明涉及一种用于调节光束的光学输出特性的光控装置，以及包含该光控装置的灯具。

背景技术

在许多光学应用中，需要控制从光源发出的光束的输出特性，如光的偏转、散射和透射光谱(如颜色)。光源包括灯具中的荧光灯或发光二极管(LED)、太阳、激光器等。为了达到可调的光学性能，各种现有技术采用了不同的调节机制。其中一种方法是使用液晶装置，包括液晶光阀(原理类似液晶显示器)和聚合物分散液晶(PDLC)。由场致液晶分子的重新取向使折射率、光学各向异性和光偏振性发生变化，而从达到光控目的。通过液晶装置可以达到显著的调光目的，但其不足在于：第一，与固体材料相比，液体材料在设计光学器件结构时灵活性较差；第二，存在紫外线下稳定性问题；第三，折射率的变化伴随着较强的光学各向异性改变，这在某些应用中并不希望出现。第二种方法是使用电致变色装置，包括一种特殊的电致变色涂层，可以通过施加电压使其在透明和高吸收率状态之间转变，对比度非常高。但此方法用于照明时，由于其仅能改变光吸收度，只有光束的透射可调，而无法调节光束的散射或偏转。另一种方法是使用悬浮颗粒装置，将较小的深色导电颗粒分散在透明液体媒介中，在未施加电场时，颗粒均匀分布，悬浮液均匀不透光；施加电场后，颗粒在电极之间排成长列，光截面显著减少，因此对于沿长列方向传播的光，液体呈几乎透明状态，但该方法也仅对于光吸收强度可调。另外，一些固体电光材料也被应用于光控装置中，如一些单晶体或陶瓷体可以产生很强的电光效应，例如，铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)和铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)单晶体，锆钛酸铅镧(PLZT)透明陶瓷，这些材料已被用于制作光阀，但这些材料硬而易碎，难以制作成薄膜或共形几何，也难以与其它结构集成在一起，并且与液晶相比，这些材料由电场引发的折射率变化非常小。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种可以动态控制光束的光学输出特性的光控装置。

本发明的光控装置包括包括一个光学元件，该光学元件至少部分由一种透明或半透明的弛豫铁电聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物组成，以下简称为PVDF基聚合物。该PVDF基聚合物在施加某种刺激时具有变化的折射率，在未施加所述刺激时具有一个基准折射率。

本发明的光学元件所包含的PVDF基聚合物是一种光学上透明或半透明的弛豫铁电聚合物。任何弛豫铁电PVDF基聚合物均包括在内，例如PVDF的共聚物。特别优选的弛豫铁电PVDF基聚合物包括偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯三聚物，即P(VDF-TrFE-CFE)。该PVDF基聚合物还可以包括PVDF的共聚物与其它聚合物的共混体系，如与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，的共混体系。

该PVDF基聚合物在无刺激施加时具有一个基准折射率，其折射率在施加刺激时可发生动态变化。致使该PVDF基聚合物的折射率发生变化的刺激包括电场、温度和机械压力。优选地，使用电场来驱动PVDF基聚合物的折射率变化。当无电场施加时，PVDF基聚合物具有一个基准折射率；当施加电场时，PVDF基聚合物的折射率发生变化，并与电场强度形成函数关系。这是由于构成PVDF基聚合物的分子的位置、取向或形状在力的作用下发生改变所致。通常，有至少一种光学性能，如折射率，可通过电刺激来动态调节的材料被称为电活性材料或电光材料。在本发明中，该光控装置包含一种光学元件，该光学元件至少一部分由一种特殊的电活性材料构成，即透明或半透明的弛豫铁电PVDF基聚合物。

该光控装置还包括至少一对位于所述光学元件两侧的电极，用于向所述光学元件施加电场刺激，从而改变所述PVDF基聚合物的折射率。

除PVDF基聚合物外，该光学元件还包括第二种材料，所述第二种材料是透明或半透明的，具有一个不随所述刺激，如电场，而改变的恒定折射率。第二种材料可以是有机材料或无机材料。当第二种材料为有机材料时，它的恒定折射率在1.35到1.80范围内，优选地，1.35到1.45范围内，可选择的有机材料包括聚硅氧烷(如聚二甲基硅氧烷，即PDMS)、聚丙烯酸酯类、聚碳酸酯、含氟聚合物(如乙烯-氯三氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯-氯三氟乙烯共聚物)中的一种或多种。当第二种材料为无机材料时，它的恒定折射率在1.31到2.80范围内，可选择的无机材料包括氟化物(如NaF,CaF₂,AlF₃)、氧化物(如Al₂O₃,MgO,CaO)、氮化物(如SiN,AlN)、硫化物中的一种或多种。作为本发明的一种实施方式，该第二种材料的恒定折射率与所述PVDF基聚合物的基准折射率相同。

由PVDF基聚合物和第二种材料组成的光学元件，根据不同的光控需求，其内部结构不同，例如可以包括主客体散射结构或多层反射结构。在结构设计的基础上，PVDF基聚合物在某种刺激下的折射率改变可以达到调节光束的光学输出特性的目的。

作为本发明的第一实施方式，该光控装置的光学元件包括一种主客体散射结构，可用于可调的光散射器。该主客体结构包括呈连续相分布的主体成分和嵌入在主体成分中的客体成分，例如以颗粒状分布。客体成分的粒径一般在10纳米到500纳米范围内。该主体成分包括PVDF基聚合物和第二种材料其中之一，该客体成分包括不同于主体成分的PVDF基聚合物和第二种材料其中之一，优选地，主体成分包括PVDF基聚合物，客体成分包括第二种材料。第二种材料的恒定折射率与PVDF基聚合物的基准折射率相同。当施加一种刺激，如电场，到光学元件上时，由于PVDF基聚合物的折射率发生变化导致PVDF基聚合物的折射率与第二种材料的恒定折射率产生差值而不匹配，从而造成光的散射。光的散射角度可以通过改变电场的强度进行连续调节，并且可以通过优化客体成分的大小、形状、浓度和三维分布等参数，在两种材料折射率差值一定的情况下，达到光的最大散射。具有主客体散射结构的光学元件可以制成薄膜，覆盖在本体表面使用，通常薄膜的厚度在1微米到100微米范围内。本发明的光控装置可以包括两个或多个并列排布的上述薄膜状光学元件，即该光控装置包括一个层状结构。

作为本发明的第二实施方式，该光控装置的光学元件包括一种多层反射结构，可用于可调的光反射器。该多层反射结构包括至少十层交替排列的PVDF基聚合物层和第二种材料层。任一PVDF基聚合物层或第二种材料层的厚度在25纳米到500纳米范围内。该PVDF基聚合物具有一个基准折射率，其折射率在某种刺激下会发生改变，而第二种材料具有一个与PVDF基聚合物的基准折射率相同的恒定折射率。因此，当无外界刺激施加时，该多层结构表现出很高的透明度；当施加某种刺激，如电场，到该光学元件时，该多层结构对某些频率范围内的光产生较强反射，因为电场导致PVDF基聚合物的折射率与第二种材料的折射率发生不匹配。产生反射的光的频率范围取决于多层结构中每一层的厚度。为了在较宽的频率范围内达到较强的反射，可设计多层结构中交替各层有不同的厚度。该多层结构中交替层的总层数、每一层的厚度以及总厚度等参数可以进行优化，从而在两种材料折射率差值一定的情况下，尽可能达到光的最强反射。

本发明还提供了一种灯具，包括至少一个可以产生光束的光源和一个光控装置。该光控装置作为一种光调节器，如散射器、反射器等，集成在灯具中。该光控装置包括一个至少部分由透明或半透明的弛豫铁电PVDF基聚合物构成的光学元件，该PVDF基聚合物在某种刺激下，如电场，具有变化的折射率，特别优选的PVDF基聚合物包括P(VDF-TrFE-CFE)。通过PVDF基聚合物在某种刺激驱动下折射率发生改变，可以精确调节透镜和散射器的光束角度，散射/透射比，反射/透射比，或反射器的表面光亮度。通常，灯具中的光源包括至少一个固态光源，例如，LED。光控装置和光源两者可以连接在一起，或者两者之间留有空气层。

附图说明

关于本发明的上述及其它方面、特征、优点将通过结合附图详细说明。

图1为P(VDF-TrFE-CFE)的折射率随电场强度变化的关系图；

图2a为依据本发明的第一实施方式的光控装置的透明模式示意图，该光控装置包括具有主客体散射结构的光学元件；

图2b为图2a中光控装置的散射模式示意图；

图3a为依据本发明的第二实施方式的光控装置的透明模式示意图，该光控装置包括具有多层反射结构的光学元件；

图3b为图3a中光控装置的反射模式示意图。

具体实施方式

PVDF和它的共聚物偏氟乙烯-三氟乙烯，即P(VDF-TrFE)，是常见的铁电聚合物，这些聚合物是半结晶性聚合物，有许多折射率不同的晶相。铁电聚合物，如P(VDF-TrFE)，可以通过引入第三单体(如氯氟乙烯)或经高能电子束辐射转变成所谓的弛豫铁电聚合物。在这种情况下，铁电聚合物中大的铁电域被转变成弛豫铁电聚合物中的亚稳纳米尺寸域，这使场致晶相转变仅产生很小的磁滞，因此，在施加刺激如电场时，可产生较大的且可逆的折射率变化。

作为本发明的一种实施方式，P(VDF-TrFE-CFE)作为一种优选的弛豫铁电PVDF基聚合物可以被应用在本发明的光学元件中。P(VDF-TrFE-CFE)在很宽的波长范围内具有良好的热学、光学稳定性。另外P(VDF-TrFE-CFE)具有弹性，可以根据光学设计需要制成不同形状(如薄膜、共形涂层、实心件等)。

图1所示为P(VDF-TrFE-CFE)的折射率值随电场强度的变化曲线。实验所用样品为30微米厚度的P(VDF-TrFE-CFE)薄膜，该薄膜置于在一块涂有氧化铟锡(ITO)透明电极层的玻璃板上，薄膜上层涂覆有半反射金属电极，然后将此薄膜密封在环氧树脂中，防止P(VDF-TrFE-CFE)在电场中产生机械形变。P(VDF-TrFE-CFE)薄膜的上下电极间形成法布里-珀罗腔，可利用干涉光谱的位移来计算此样品在电场中的折射率变化。在未施加电场时，该P(VDF-TrFE-CFE)样品的基准折射率是1.42，施加电场后，该样品的折射率降低。由图中可见，该样品的折射率变化值与电场强度大致呈线性关系。当电场强度为150V/μm时，折射率变化值大于0.03。

图2a-2b所示为本发明第一实施方式，一种用于光散射的光控装置10，该光控装置10包括一个具有主客体散射结构的光学元件101。该光控装置10还包括一对透明电极111，112，用于对光学元件101施加电场。光学元件101具有一个主客体散射结构，包括由P(VDF-TrFE-CFE)形成的主体成分103和由PDMS形成的客体成分105。其中，P(VDF-TrFE-CFE)呈连续相，当未施加电场时，其基准折射率为1.42，当施加电场时，其折射率会发生变化。客体成分105，即PDMS以球形颗粒的形式嵌入在主体成分103中。本实施方式中使用的PDMS有一个恒定折射率1.42，与P(VDF-TrFE-CFE)主体成分的基准折射率相同，但不随电场而发生变化。如图2a所示，当两个透明电极111，112之间未施加电场时，主体成分103的折射率与客体成分105的折射率相匹配，形成光学均一、高度透明模式。如图2b所示，通过电压发生器113施加电场，主体成分103的折射率发生变化，而客体成分105的折射率保持恒定不变，主体成分103和客体成分105之间的折射率不匹配，从而形成散射模式，光束50向各个方向发生散射。另外，散射的强度和角度可以通过改变电场而进行连续调节。

图3a-3b所示为本发明第二实施方式，一种用于光反射的光控装置20，该光控装置20包括一个具有多层反射结构的光学元件201。该光控装置20还包括一对透明电极211，212，用于对光学元件201施加电场。光学元件201具有一个多层反射结构，包括至少十层交替排列的P(VDF-TrFE-CFE)层203和PDMS层205。本实施方式中使用的PDMS材料有一个恒定折射率1.42，与未施加电场时P(VDF-TrFE-CFE)的基准折射率相同。各个P(VDF-TrFE-CFE)层203和PDMS层205具有不同的厚度。如图3a所示，当对光学元件201未施加电场时，光控装置20处于高度透明模式。如图3b所示，当通过电压发生器113对光学元件201施加电场时，由于P(VDF-TrFE-CFE)层203和PDMS层205的折射率产生不匹配，光控装置20处于反射模式，光束60发生了较强的反射。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变形。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims

1.一种光控装置，包括一个光学元件，该光学元件包括一种透明或半透明的弛豫铁电聚偏氟乙烯基聚合物，该聚偏氟乙烯基聚合物在施加某种刺激时具有变化的折射率，在未施加所述刺激时具有一个基准折射率。

2.根据权利要求1所述的光控装置，该聚偏氟乙烯基聚合物包括偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯三聚物。

3.根据权利要求1所述的光控装置，还包括至少一对位于所述光学元件两侧的电极，用于向所述光学元件施加电场刺激，从而改变所述聚偏氟乙烯基聚合物的折射率。

4.根据权利要求1所述的光控装置，该光学元件还包括透明或半透明的第二种材料，所述第二种材料具有一个不随所述刺激而改变的恒定折射率。

5.根据权利要求4所述的光控装置，该第二种材料是一种恒定折射率在1.35到1.80范围内的有机材料。

6.根据权利要求5所述的光控装置，该第二种材料是选自聚硅氧烷、聚丙烯酸酯类、聚碳酸酯、含氟聚合物中的一种或多种。

7.根据权利要求4所述的光控装置，该第二种材料是一种恒定折射率在1.31到2.80范围内的无机材料。

8.根据权利要求7所述的光控装置，该第二种材料是选自氟化物、氧化物、氮化物、硫化物中的一种或多种。

9.根据权利要求4所述的光控装置，该第二种材料的恒定折射率与所述聚偏氟乙烯基聚合物的基准折射率相同。

10.根据权利要求4所述的光控装置，该光学元件包括一种主客体结构，所述主客体结构包括呈连续相分布的主体成分和嵌入在主体成分中的客体成分，该主体成分包括聚偏氟乙烯基聚合物和第二种材料其中之一，该客体成分包括不同于主体成分的聚偏氟乙烯基聚合物和第二种材料其中之一。

11.根据权利要求10所述的光控装置，该主体成分包括所述聚偏氟乙烯基聚合物，该客体成分包括所述第二种材料。

12.根据权利要求10所述的光控装置，该客体成分是多个粒径在10纳米到500纳米范围内的颗粒。

13.根据权利要求10所述的光控装置，该光学元件包括一个薄膜，该薄膜包括所述主客体结构，该薄膜厚度在1微米到100微米范围内。

14.根据权利要求13所述的光控装置，包括两个或多个并列排布的光学元件。

15.根据权利要求4所述的光控装置，该光学元件包括一种多层结构，所述多层结构包括至少十层交替排列的聚偏氟乙烯基聚合物层和第二种材料层。

16.根据权利要求15所述的光控装置，聚偏氟乙烯基聚合物层和第二种材料层的任一层厚度在25纳米到500纳米范围内。

17.一种灯具，包括：

至少一个可以产生光束的光源；以及

一个如权利要求1～16任一项所述的光控装置，用于调节所述光束的至少一种光学输出特性。

18.根据权利要求17所述的灯具，该聚偏氟乙烯基聚合物包括偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯三聚物。

19.根据权利要求17所述的灯具，该光源包括至少一个发光二极管(LED)。