CN108139590B - 液晶光束控制装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

液晶光束控制装置及其制造被阐述。采用光束展宽装置的有益效果，以用于控制照明和建筑用途，包括改善光束发散控制，改善光束展宽动态范围控制，光束发散预处理，提高投射光束强度的均匀性和减少投射光束的颜色分离。同时给出了具有平面内和垂直接地状态的两种液晶取向的光束控制装置。

Description

液晶光束控制装置及制造方法

相关申请

本专利申请要求优先权为：美国临时专利申请US62/217,875，申请日为2015年9月12日；美国临时专利申请美国申请US62/242,422，申请日为2015年10月16日，其全部被纳入本文的参考。

技术领域

本专利申请涉及液晶光束控制装置及其制造。

背景技术

液晶光束控制装置在本领域中是公知的。一些这样的装置通常使用液晶单元上的图案化电极来创建用于光束控制的折射率空间变化。为保持低电压，电极可放置在单元基板的内侧或两侧。为提高光学性能，调整元件的(外形尺寸)尺寸和/或光束(控制)的长宽比，主要是由图案化电极的高度和液晶的厚度的比值来限定，应该是比较小的。存在着各种问题，其中包括：有限度的(扩展)角度控制，差(质量)的光束强度分布，过度的颜色分离，制造成本高，不适合的工作电压等。

然而，如今的具体应用正在出现，可能受益于这种元件。有这样的应用的许多例子，其可以被定性为“动态”或“智能”照明。例如，发光二极管(LED)的光源越来越多地使用在建筑照明，汽车产业等，但在大多数情况下这些照明系统的参数(如扩散，发散，炫光，取向等)是固定的。同时，这可能是非常有用的，例如，当有一辆车在相对方向移动时，一个照明系统自动改变LED照明系统的发散角(以避免扰乱对面的驾驶者)。其他实例可用于优化住宅或一般建筑照明也被提及。此外，由于Li-Fi技术的引入(由智能LED信号取代Wi-Fi)，可控地转向或扩展光的能力(同时用于照明和连接)是非常有用的。这是液晶光束控制装置变得越来越重要的原因。

发明内容

申请人已经发现了许多有关光束调整液晶装置的光学性能特性。

这样的装置通常布置图案化电极在一个液晶层的一侧或两侧，以创建折射率的空间变化(通过引导分子再取向的电场)，其有利于控制一个光束(图17A，图17B，17C)。一般光束调整的效率是由通过光穿过液晶层而发生光路差来限定(或相位延迟δφ＝L·δn·2π/λ，其中L是有效厚度，δn为电折射率差，λ是光在真空的波长)。这种差异是由光学双折射Δn(δn<Δn)和该液晶的厚度L的最大值来限制。光束调整效率也反比于元件的清晰光通孔(CA)，其由各个电极段之间的间隔g来限定。因而比率r＝δφ/CA是重要因素之一(它也包含高宽比L/CA或L/g)。这就是为什么相对厚的液晶层和相对较小的间隔g可被用来增加光束调整的效率的原因。多个这样的段可以被组合以“填充”大的光束调整装置的光通孔。这种光束调整装置中的一个应用是用于照明，其中从光源发出的光，例如来自LED光源的光束，可以从一个点光束被调制为一个狭缝或扇形光束和/或宽泛的泛光光束。

为了保持工作电压低，电极通常放置在单元基板的内侧或两侧。然而，该元件的简单的物理参数(长宽比，双折射等)并非唯一的决定性因素。折射率调制深度(效率)也将显着地取决于各个电极段被驱动的方式。因此，图18A示意性地示出了3D和图18B示出了一个圆筒形液晶聚焦元件(透镜)的横截面图，其中该液晶3封闭在顶部的两个线性(独立控制)电极1和2(沿x轴)，和底部的均匀透明的电极4之间。如图19A所示的(它是图1的细节视图)，在电极1，2上施加相同的电压(幅度和相位)，而对面的均匀的电极4被接地，其相对于如图19B(它是图2的细节视图)示出的，对电极1和2分别施加不同的电压或不同的相位，从而产生电场分布可以是相当不同的。在之后的实施例中，在图18A，18B和19A(图1)中所示的均匀电极4甚至可能被省略，以使如图19B(图2)示出的差别更明显。电场分布8是不同的，引入的液晶取向(以及相应的折射率分布)也将是不同的。通过取向层7(其在其它图中被省略了，以更容易的示出概念)提供的液晶分子的基态取向也是一个很重要的因素(见下文)。这些元素会显着影响光束调整效率。

一个发现是，至少一些所提出的装置的光学性能是取决于(光传播)通过装置光的传播方向。例如，从上到下的传播25与从下到上的传播26可产生具有不同的光学性质和/或特征的输出光束，所用的电场在靠近装置中采用的液晶单元的一个基板的情况和靠近另一个基板(通常是相对面的)的情况相比，是不同的。出人意料的是，通过该装置的，由于传播(光运行)方向的不同，对于某些层的几何形状或装置的设计，测得的光学特性和/或特性的差异是非常明显的。鉴于普通均质材料的光学性能根据麦克斯韦方程基本上是可逆的，这种对传播方向的依赖不是一个显而易见的发现。虽然其中一些发现效果是可以理解的，但是令人惊讶的是这样的效果表现为如此大的可测量的变化。一些提出的解决方案的实施例中，应用和利用这样的效果到各种应用的小型装置中。

申请人还发现，液晶基态取向的选择和图案化电极的间隔与单元厚度的高宽比的选择，当在同一基板上使用图案化电极时，可以实现有益的(有效)光束控制。这种电极提供(沿基板)跨越间隔的电极之间的电场，和单元的间隔中的临近元件电极在LC液晶体积内的电场。这种光束控制可在没有“热点”的情况下实现，即向外传播的输出光束“离开”装置可以具有基本上均匀的强度分布，作为输出光束内的角度的函数。申请人已经进一步发现，并提出了一个液晶的基态取向对这种LC单元的性能的影响的特征。

对于通过在一个不太发散的光束中添加或创建发散的控制光束发散的光束控制装置，申请人已经进一步发现在液晶光束控制装置中，其颜色分离对于光谱宽的入射光光束可以更大，其比类似的发散的宽幅的入射光束更准直。这一发现对于一个光束控制应用特别有用，其中从一个光源产生的所期望的最少发散的入射光束不是准直的光束(光源不是一个激光或光源不是无限远，诸如天体)。根据所提出的方案，在这样的应用中光束控制装置产生的输出光束，可从低发散被控制为较高发散。例如，这样的控制动态范围的(光束调整)的变化可为从法线约±5度(半峰全宽)FWHM输入发散至法线约≠30度FWHM的输出发散。相比之下，一个准直源光束入射到类似的光束调整装置的液晶单元，其输出控制为，产生大约相同的±25度发散的FWHM(光束按法线扩展)，这将比入射源光束被发散到±5度的FWHM而输出光束被控制为±30度的FWHM发散的情况展示出更大的颜色分离。

申请人已经进一步发现，液晶光束控制装置的颜色分离是依赖于对应于所述(图案化的)条带电极的平面内取向的平面内的液晶分子的取向方向的分量。液晶分子具有分子(主)轴。LC分子取向手段可以在LC单元被用来引导产生至少一个初始基态分子取向。期望获得优选的均匀基态分子取向，以实现在单元或有效装置光通孔进行LC材料的协调运行。一般基态分子取向方向，也被称为一个导向，可沿x，y和z被分解；“平面内分子取向”如本文所用是指的x，y导向取向，而忽略平行于通过光束控制装置的光束的传播方向的z分量。更具体地，当平面内液晶取向跨过在条状(图案化的)电极之间且基本上垂直于条带电极的分隔间隔，输出光束的颜色分离比平面内液晶取向是在一个角度，如45度和0度之间的角度，即基本上平行于(图案化的)条带电极的情况更大。

申请人还发现，不同取向(例如正交)的图案化电极阵列可以被布置一个公共基板上，以通过薄绝缘层提供分离，以提供使用单层液晶的“双向”光束控制(用于受LC层影响的相同的光束偏振方向)。这样的装置可以在除了两个方向结合外，对每个方向进行独立地光束控制。

申请人还发现，如果(结构化)图案化电极设置在液晶单元的两个基板上，可以使单元的操作变得对称，也可实现除了光束展宽以外，实现光束转向。

申请人已经进一步发现，如果每个表面上的平行电极是独立的(交叉的)，且使用相位调制的控制，液晶元件的高宽比(和展宽性能)可以得到极大改善。

申请人还发现，通过使用相位调制控制模式，可以产生扭转分子重新取向，可旋转输入光的偏振方向。这将允许光在两个平面的展宽获得一个更简单(有效和低成本的)的方式。

申请人还进一步发现，设置在液晶单元的相对的基板上的图案化电极可提供各相应基板附近不同的光束控制区。例如，使用相位偏移的电信号同时驱动的所有的独立电极线(每个表面一对)，可使得在深度方向沿着单元的厚度的扭转液晶取向的产生。此扭转取向有助于输入光的偏振方向的部分旋转(沿着偏振状态的一些局部变化)。

根据所提出的方案的一个方面，提供了一种光束控制装置用于调整输出光束，所述光束控制装置被配置成从一个光源接收入射光束，光束控制装置包括：至少一个液晶单元，用于调制通过其中传播的所述入射光束，每个液晶单元具有：一对由单元厚度隔开的单元基板，其间填充液晶材料，至少一个取向层，以使所述液晶材料在一个基态取向的导向上取向，和一个图案化电极结构，其具有在所述一对基板的至少一个上的成对电极的模式，以提供延伸入所述液晶材料的空间调制电场，所述液晶单元具有预定的所述成对的电极之间的电极间隙间距尺寸和所述单元厚度之间的高宽比；所述光束控制装置的特征在于：当由预定的驱动信号驱动所述图案化电极结构时，空间调制导向的重新定向，其使所述输出光束展宽，同时具有良好的均匀性和低的颜色分离；所述入射光束具有±3度到±15度的FWHM的发散，优选为±4度到±8度的FWHM。

在一些实施方式中，光束控制装置被布置使初始光束进入所述的至少一个液晶元件中的第一个，而所述基板之一具有所述图案的成对电极，而所述取向层实现平面内液晶基态取向。

在一些实施例中，所述取向层提供平面内液晶取向，其具有相对于所述成对电极中的电极的大约45度至0度的取向方向。

在某些实施例中，至少一对取向层，每个所述取向层使所述液晶导向取向为平面外的、在所述相对的基板上的负和正的预倾斜角，所述图案化电极结构具有单元基板和光束控制装置，其形成一个对称的工作方式，而不受基板接受所述入射光束的影响。

在一些实施例中，所述图案化电极结构包括具有两个电绝缘的电极图案，其具有布置成基本垂直于彼此的相应的电极对，用于提供在两个方向或方位角平面的光束调整控制。

在一些实施例中，所述取向层提供平面内液晶取向，其具有相对于所述成对电极的大约45度的取向方向，四个所述液晶单元组合提供两个偏振方向和两个方向或方位角平面的调制。

在一些实施例中，至少两个所述液晶单元结合，以提供在两个方向或方位角的平面输出光束调制，所述光束控制装置被布置成使得所述入射光束进入所述液晶单元中的第一个，其上的基板具有所述图案化电极结构，所述第一液晶单元的所述的取向层提供平面内液晶取向，所述光束输出的所述光束控制装置，设置为由第一液晶单元进入第二液晶单元，而所述基板之一不设置所述图案化电极结构，所述第二液晶单元的所述取向层提供垂直的液晶取向。

在一些实施例中，一对所述液晶单元与另一对所述液晶单元组合，具有90度的偏振方向旋转器元件，两者用于在两个方向或方位角平面上进行光束调制，作用于光的两个偏振方向。

在一些实施例中，至少两个所述液晶单元被组合并共享共同的中间基板，其是具有面对面的表面的所述两个基板的三明治，所述表面的每个都承载由绝缘层覆盖的所述电极图案，并连接在一起，所述两个基板的三明治优选被化学减薄到不破坏电极图案的厚度。

在一些实施例中，所述液晶单元基板包含液晶材料，所述基板的所述第一个上的第一图案化电极结构具有第一独立电极，以提供所述基板的所述第一个上的第一平面内电场和接近所述第一基板的第一区域和在所述第一图案化电极结构的第一独立电极之间的液晶材料的第一空间调制，和所述基板的所述第二个上的，与第一图案化电极结构相应的交叉取向的第二图案化电极结构，其具有第二独立电极，以提供所述基板的所述第二个上的第二平面内电场和接近所述第二基板的第二区域和在所述第二图案化电极结构的第二独立电极之间的液晶材料的第二空间调制，其中当驱动第一和第二图案化电极结构时，在所述装置的光通孔的至少一部分上的所述第一区和所述第二区之间的第三区中形成液晶取向的扭转，以实现光通过所述装置的偏振方向的旋转。

在一些实施例中，光束控制装置包括入射光束调节组件，其包括以下之一：当所述光源包括一个发散光源，其产生的初始光束发散大于±8度的FWHM时，收敛增加光学元件；当所述光源包括准直的光源时，发散增加光学元件：和一个动态发散器。

在一些实施例中，光束控制装置包括输出光束调节组件，其包括以下之一：发散器；且调节为相对于第一光束控制装置成一角度约±2度和约±45度之间的第二个所述光束控制装置。

根据所提出的方案的另一个方面，提供了一种可控制的光束形状光源模块，包括一个可控光束控制模块和提供所述初始光束的光源模块，所述光源模块是相机闪光灯，一个建筑，汽车和工业照明装置之一。

根据所提出的方案的另一个方面，提供了一种可控制的光束形状光源模块，包括一个可控光束控制模块和提供所述初始光束的光源模块，所述光源模块是扫描器光源。

附图的简要说明

本发明将通过参照所附的附图详细描述实施例，以更好的理解本发明的实施方式，其中：

图1是一个动态光束展宽光学装置的示意性横截面图，其具有单个图案化电极和液晶单元中的四个光束调整元件，其中装置采用一个单元基板上的条带电极和相对的单元基板上的一个平面电极；

图2是一个示意性截面图，示出了具有液晶单元的四个光束调整元件的光束控制光学装置，其中装置采用一个单元基板上的独立条带电极，以形成电极之间的平面内和边缘电场；

图3A是示意性横截面图，示出在图2所示的装置的一个光束调整元件的一个变型的放大图，其中的条带电极分隔间隙与单元(间隙)厚度的高宽比是大的；

图3B是示意性横截面图，示出在图2所示的装置的一个光束调整元件的另一个变型的放大图，其中的条带电极分隔间隙与单元(间隙)厚度的高宽比是小的；

图3C是示意性横截面图，示出在图2所示的装置的一个光束调整元件的另一个变型的放大图，根据提出的解决方案，其具有适应于光束展宽的高宽比；

图3D是实验测得的光束强度对投影角的函数的示意曲线图，其中，相同的输入光束通过：无单元，然后使用在0V，2V，3V，4V，5V，6V，7V和8V操作该装置的单元，从中可以看出，根据提出的解决方案，图3C的单元的改进的适当(预)选择的(液晶平面内取向和)高宽比，可以实现低电压下(更大)的光束展宽，其具有改进的光束强度的均匀性；

图4A是示出如图3C所示的光束控制元件的俯视图，根据提出的解决方案，其中平面内液晶取向基本上平行于条带电极；

图4B是一个光束控制光学装置的示意性横截面图，根据所提出的方案，其具有液晶单元内的四个光束调整元件，其中采用一个单元基板上的条带电极，以形成电极之间的平面内和边缘电场，而条带电极对齐相对的单元基板上的相对的条带电极；

图4C是一个光束控制光学装置的示意性横截面图，根据所提出的方案，其具有液晶单元内的四个光束调整元件，其中采用一个单元基板上的条带电极，以形成电极之间的平面内和边缘电场，而条带电极与相对的单元基板上的交错的(中间)条带电极形成偏移；

图5A是使用如图3C所示的单元层状几何形状的装置而产生的变宽的输出光束的投射的示意图，根据提出的解决方案，其中入射光束通过装置的方向如图3C中的箭头26，图中示出了光束展宽的第一个量；

图5B是使用如图3C所示的单元层状几何形状的装置而产生的变宽的输出光束的投射的示意图，根据提出的解决方案，其中入射光束通过装置的方向如图3C中的箭头25，图中示出了光束展宽的第二个量；

图5C是一个图像，以及对应的颜色概略说明，示出了光束通过具有如图2所示的层状单元几何形状的光束控制装置而产生的光束展宽投射，图像示出了可观察到的色分离；

图5D是一个图像，以及对应的颜色概略说明，示出了光束通过具有如图4A所示的层状单元几何形状的光束控制装置而产生的光束展宽投射，图像示出了减少的颜色分离；

图6示意性示出具有四个LC单元的光束控制装置，以提供双偏振方向的操作和两个方向(沿两个方位角平面)的光束控制，根据所提出的方案，设置为平面内的液晶取向相对于条带电极的方向为大致±45度；

图7示意性示出具有四个LC单元的光束控制装置，以提供双偏振方向的操作和两个方向(沿两个方位角平面)的光束控制，根据所提出的方案，设置为液晶取向为混合垂直的(基本平行于法线)，基本上平行于条带电极的方向；

图8示意性示出具有四个LC单元的光束控制装置，以提供双偏振方向的操作和两个方向(沿两个方位角平面)的光束控制，根据所提出的方案，设置为液晶取向为基本上平行于相应的单元中条带电极的方向，所述装置采用第一两个单元和第二两个单元之间的90度偏振动态旋转器；

图9是示意性示出了四个光束控制元件的平面图，其具有如图3C的正交布置和电绝缘的条带电极，其中根据所提出的方案，(平面内)液晶基本上在条带电极的45度方向取向；

图10A，10B，10C和10D是示意性示出了四个调制光束投射图案，根据所提出的方案，其由如图6的光束控制装置当入射光是非偏振的且旋转器可以调节为不旋转偏振方向来实现；

图11A，11B和11C示出根据图8的装置展宽的光束的图像，根据提出的解决方案，分别在4V，5V和7V操作；

图11D，11E和11F示出类似于图6的装置展宽的光束的图像，其具有平行液晶(平面内)取向，根据提出的解决方案，分别在4V，5V和7V操作的一组电极对；

图11G，11H和11I示出类似于图6的装置展宽的光束的图像，其具有垂直液晶取向，根据提出的解决方案，分别在4V，5V和7V操作；

图12A是光束控制光源的示意性块状图，根据所提出的解决方案，其采用预调节准直元件和动态液晶光束控制元件；

图12B是光束控制光源的示意性块状图，根据所提出的解决方案，其采用预调节反准直元件和动态液晶光束控制元件；

图12C示出了，根据提出的解决方案，如图12A和12B所示的光源光束预调理中的(颜色，强度)的像差减少；

图12D示出了所提出的方案的另一实施例中，在LED源光束的光束展宽后，采用发散器；

图12E和12F示出了根据图12D的实施例中的输出扩展光束投射，其分别为不带输出发散器和带输出发散器；

图12G示出了偏振独立的两(方位角)平面的光束展宽器，其具有依次的光束展宽装置，以使受第一光束展宽器影响的第一正交偏振方向相对于受第二光束展宽器影响的第二正交偏振方向进行约45度的旋转；

图13是根据提出的解决方案的实施例，微调的条带电极阵列的示意性平面图，其具有条带电极之间的空间可变的间隙或间距；

图14A示出了，根据提出的解决方案，具有同心圆排列的条带电极的中心对称阵列的平面图；

图14B示出了，根据提出的解决方案，具有同心圆排列的条带电极的中心对称阵列的变形的平面图，其具有各环之间的交错连接；

图15A示出了，根据提出的解决方案，与图14A或14B的电极互补的径向电极的中心对称阵列的平面图；

图15B示出了，根据提出的解决方案，具有同心(实线)和正交的径向(虚线)电极的中心对称阵列的平面图，其具有基本上均匀的电极间距，通过多个从外环到内环的径向电极来实现；

图16A是测得的像素强度分布与准直的入射光的像素位置的关系的示意曲线图，其中示出了红光和蓝光的强度变化；

图16B是根据提出的解决方案，测得的像素强度分布与±5度的FWHM发散入射光束的像素位置的关系的示意曲线图，其中示出了红光和蓝光的输出光束强度变化；

图16C是测得的输入光束的红光与蓝光之间的强度比与色彩分离的准直光束的像素位置之间的函数关系的示意曲线图；

图16D是根据提出的解决方案，测得的输出光束的红光与蓝光之间的强度比与色彩分离减少的±5度的FWHM发散入射光束的像素位置之间的函数关系的示意曲线图；

图17A，17B和17C是液晶的光束控制装置的一般概念的示意性横截面图，具有三个不同的状态，基态的图17A，驱动的聚焦状态的图17B和驱动的散焦状态的图17C；

图18A和18B分别是液晶的光束控制装置的3D和横截面的示意图，根据提出的解决方案，图18A示出了三段，而图18B示出了一段，其中具有LC一侧上的独立或相互交叉平行的电极条带1和2，和在相对侧上的均匀透明电极4；

图19A和19B示出了两个液晶的光束控制装置(两个都仅有一个单元)的电场分布差异的横截面示意图，根据提出的解决方案，在图19A中具有一个均匀的透明电极4和连接的(被动)平行电极线1和2＝1，在图19B中仅有LC单元一侧的独立或相互交叉平行的电极线1和2；

图20是一个操作模式的示意性(定性)示范，根据提出的解决方案，当两个电极层都同时被驱动时，其实现展宽和偏振方向转换(主要是旋转)；

图21是，根据提出的解决方案，基于在此发现的操作模式，一个最终装置

(用于沿两个方位角平面内展宽非偏振光)中光束传播的偏振方向特性和展宽的变化的示范；

图22是，根据提出的解决方案，基于在此发现的操作模式，一个最终装置

(用于沿两个方位角平面内展宽非偏振光)中成本效益关系的示范；

图23A和23B示出了当只有电极层中的一个被驱动时，根据提出的解决方案的一个实施例，光束的光束展宽和偏振行为的实验示范；

图24示出了当两个电极层都被驱动时，根据提出的解决方案的一个实施例，光束的光束展宽和偏振行为的实验示范；

图25A和25B经由实验示范，示出了具有独立电极和使用所选择的相位延迟，以获得可接受的光展宽的重要性：根据提出的解决方案的实施例，在图25A中，所有电极接收在相同的相位的5V的驱动信号，而在图25B中，所有的电极接收对应的5V的驱动信号，但是它们的相位分别被变更为0，180，90，270度；

图26A和26B是双层电极构造的示意性示范，其中独立地控制电极“对”在不同的水平面(由薄绝缘层分离)上形成：根据提出的解决方案的实施例，图26A示出了一个光束控制装置元件的3D示意图，而图26B示出了三个相邻设置的元件的剖面图。

图27是光束控制装置的示意性示范，根据提出的解决方案的实施例，其能够只在一个所需的(方位角)平面内(或在垂直方位角平面)展宽，和使光的期望的偏振分量进行双展宽，而其垂直方向的分量保持不受影响；和

图28A示出了具有“被驱动的”扭转分子再取向(当相对基板上的所有电极被同时驱动，且施加独立的不同相位)的LC单元的基板的平面图，根据提出的解决方案的实施例，其中该LC单元用于在两个(方位角)平面上展宽非偏振光(自然光)；和

图28B示出了具有“被驱动的”扭转分子再取向(当相对基板上的所有电极被同时驱动，且施加独立的不同相位)的另一个LC单元的基板的另一个平面图，根据提出的解决方案的实施例，其中该LC单元用于在两个(方位角)平面上展宽非偏振光(自然光)。

而所描述的层的次序是有意义的，“顶部”和“底部”、“前”和“后”在本说明书中的限定，仅仅是用于参考本申请的附图中的方向，并不意味着任何绝对的空间方向。

具体实施例

光束控制装置是控制光的(折射)输出光束的光学装置，其实现光束发散或所述光束方向(方向调整)控制。控制光束发散/收敛是光束控制以提供聚焦/散焦的特殊情况。光束方向控制可用于光束转向的目的。光束控制装置提供光束扩散、光束发散/会聚或光束方向控制的组合，在这里一般称为光束调整装置。

在液晶光束控制装置，电场通常用于控制一个LC单元中的液晶材料的分子取向。电场可以在空间上调制液晶光学装置的光通孔，以在在空间上调制液晶取向。分子取向的改变将影响LC材料的局部折射率，并且可以在整个LC单元体内创建LC材料的折射率梯度。在特定情况下，特定的折射率梯度变化可以创建所谓的梯度折射率(GRIN)透镜(包括聚焦或散焦透镜)。对于透镜，可以期望具有光通孔上LC分子取向的一个(可控制的)平滑变化，而无需使用大量的透镜元件，以形成一个扩大的光通孔的透镜。

当光束控制装置的光通孔是大的，大角度的光束控制对于液晶GRIN装置是困难的，因为在单个光通孔上通常设置的折射率变化相对较小。通过在较大的有效光通孔上使用多个具有小活动光通孔的光束控制元件，可以实现用较小的高宽比(形状因子)的较小的光学元件可以提供更大的总的光束转向能力。在光束调整装置的情况下，使用多个元件可以是所期望的，在每个光束调整元件的小的光通孔面积上的电场分布和其与相邻的(共享)液晶(材料层)的相互作用可以与较大的光通孔装置不同。在提出的解决方案的一些实施例中，采用小尺寸光束装置元件可以提供改进的光束调整，例如光束展宽。

在一些光束控制装置中，利用设置在液晶层的相对侧的电极来提供控制电场，而在其他情况下，电场被布置成邻近(含有/夹持)液晶层的一个单个基板上的电极来提供。

利用摩擦取向层(平面排列)使向列型液晶处于基态取向，只能影响非偏振入射光的一个偏振方向分量。要调制非偏振光，通常采用两个、正交取向的液晶层。自然或非偏振光可被分成两个正交偏振，只有偏振方向中的一个将被第一LC层(根据其液晶空间调制)进行调制，而另一偏振方向分量将基本上未被该LC层调制。设置第二LC层以提供对未被所述第一LC层调制的偏振方向进行所需的互补调制，让经过第一LC层调制的偏振方向通过，而产生很少、可忽略的调制。

光束展宽

对于特殊光束调整的目的，它可能实现，控制例如液晶的双层几何，也可以在一个或两个垂直方位角平面(沿法线相交)内扩展光束。第一液晶层，可以作用于一个方向上一个偏振的可控传播的光，而第二液晶层可以作用于正交的其他偏振方向的可控传播的光。

例如，图1和2的配置的装置可以使零功率的情况下不产生光的调制，而在通电时提供光束展宽或发散。

这样的光束控制可以参照图1更好地理解，其示意性地示出了光束控制装置具有一个单一的液晶层20，其使用相互连接(共同驱动)的一个基板12上的平行条带电极14，条带电极14通过电极分隔间隔g(间距/节距)分开，和透明平面电极16布置在跨越所述液晶单元的另一个相对的基板12上，其提供具有厚度L的液晶层20的控制电场(该厚度有时被称为“单元间隙”)。条带电极14可以是透明的。条带电极14通常只有10至20微米宽，即使是不透明或半透明的，也不会阻止很多的光传输。取向层18(其厚度未在图1和2示出，以便于绘图)，例如摩擦聚合物，提供在内部表面上，优选在两个基板12上和电极14和16上，以对液晶20提供一个初始基态分子取向。条带电极14优选地设置在入射光线进入液晶单元的基板上，然而条带电极也可以根据液晶的基态取向，设置在对面的基板上。

所示的装置是高度示意性的，并且横截面图中不是按比例示出四个电极间隔g。在一个具体的例子，条带电极14之间的每个缝隙状间隙可以为可控圆柱形透镜元件提供光束发散控制。电极14的排列可以是线性的(即手指状，参见图13)，同心环/螺旋状(参见图14A和14B有或没有电极的互补径向或星形结构，参见图15A和15B)或任何其他合适的构造。光束控制装置的光通孔上的电极间隙的数量可以根据应用而变化。不同的元件间隙形状的光通孔可以提供不同于光束发散控制的其他光束形状控制。光束发散控制可用于在各种应用，包括但不限于：环境，场景和建筑照明。

当图1中在电极14和16施加具有电压的驱动信号，电场(见最右边的单元中示出的场线)是在LC层(空间)体积中，相邻于电极14和16之间的电场比在电极14之间的间隙处更强。高电阻材料层(未示出)可以增加到电极14附近，以帮助在间隙(电极间)的电场分布，然而间隔g与液晶层厚度L的比值相对较小时，那么这样的高电阻材料层提供了更少的好处。

向列型液晶材料20的层控制光的单个偏振方向成分。如本领域中已知的，这样的液晶层可堆叠在一起，以使整个装置可以调节光束的通过该装置传播的两个(线性)偏振方向分量。在图1的实施例中，液晶材料20被示出为具有一个基态取向，几乎与基板平行，因此在基态的液晶分子将具有从左到右的低预倾斜角。为调制正交光偏振，可以提供向列型液晶的另一种层，其具有与基板延伸进入或出来纸面的方向平行的取向。可以肯定，使用向列型液晶材料并不旨在限制本发明：其它液晶材料也可以使用。

此外，对于光束控制的目的，在图1所示的条带电极图案可以用来引起在一个方向上光束调整(例如在一个方位角平面)和仅用于一个光偏振方向。用于在两个方向上(两个方位角平面)的光束调整，多个(附加的)液晶层可在多个控制电极14互相正交的设置图案下使用。

与图1类似，图2示出了具有单个液晶层20的光束控制装置，其具有一个(顶部)基板12，由间隔g分隔开的独立电极14A和14B，以提供电极14A和14B之间的控制电场，其为在每个间隔g下方的液晶材料中是空间可变的。当在图2中在电极14A和14B施加具有电压的控制信号(见两个最右边的单元上示出的电场线)，电场在每个间隔g的中点，遵循基本上平行于电极14A和14B之间的(分离)方向的几何取向，而在每个间隔g的边缘附近，电场线的取向变为基本上垂直于电极14A和14B之间的(分离)方向。在图2所示的装置的几何形状的控制电场具有一个非常不同的几何形状，相比于图1中所示的装置的几何形状的控制电场，但是，在施加的控制信号(电压)的条件下，液晶取向可以是类似的(但不相同)。

在图2中，电极间距(g)的高宽比(R)，或电极14A和14B之间的周期，和液晶层的厚度(L)，R＝g/L，例如可以是0.7和4之间(优选为约2.5，用于微透镜应用)，而无需在绝缘基板12上或处涂覆任何弱导电材料，在该处有电极14A和14B(在位置上)。例如，电极的间隙间隔g是约100微米，而该LC层厚度L可以为约50微米，而高宽比大约为2。条带电极14A和14B的宽度可以从间隔g(逐步)减小，以得到元件的光通孔。令人惊奇的是，高宽比R，已经发现在确定上述的所需的电场空间变化中发挥重要的作用。电极114A和114B如图所示被布置在基板12的内部的LC单元一侧上，但是，它们也可以位于基板12的一个外侧面上。这后一种设置可能需要较高的驱动信号电压，然而，电场的几何图形可以是更适合于液晶材料内调制所述电场。

图3A至3C示意性地更详细地说明类似于图2的一对平行条带电极14A和14B产生的电场。图3A示出了高宽比R约为10。单元中的电场线多平行于基板，除了电极附近的边缘区域。这种布置是已知用于显示器中，其中该液晶需要在两种状态之间切换，即一个接地状态(例如扭转向列或垂直)，和液晶平行排列于基板的供电状态。在这种情况下，目的是在电极14A和14B之间的单元内实现液晶的均匀再取向，其不太适合于光束调整控制应用，例如光束展宽。

图3B示出了单元的几何形状，其中，高宽比R小于约1。这种小的高宽比，例如可以有效用于从显示颜色的像素重新定向光，以便所选择的像素在例如自动立体显示的只有右眼或左眼的一个视角变得可见。这样的液晶装置的各种实施例在美国专利申请公开2010/0149444中被希克梅特等人描述了，特别是参考其中图6A到6D。在希克梅特的444专利中所述的液晶材料的(初始/基态)取向是垂直。其中强度分布作为观看角度的函数提供旁瓣峰，可以是适合于自动立体的应用，但是这样的LC单元元件的几何结构未能提供(甚至)均匀强度的光束展宽，以适于照相机闪光灯，建筑照明等照明应用。

如图3A，3B和3C可以理解，长宽比对单元内的液晶取向的空间分布产生影响(作用)，如图3C所示的一个合适的高宽比R可以实现适当的光束调整光学装置，而图3A和3B提供光束调整是不均匀的。根据提出的解决方案，图3C示出了一个液晶单元元件的几何形状，其中高宽比R大于约1且小于约4.5。

图3D中的特征在于实验LC单元具有电极间隔g约75微米，电极14A，14B的宽度大约15微米和大约60微米的液晶层厚度L。这提供了约1.5的高宽比。如图3D中所示，实验结果表明，通过如图3C中所示的光束控制装置传播的光束的强度，具有最初为+/-5度的相对法线的角度分布(FWHM)的(未经准直/略微发散)入射光束可以被展宽(进一步扩展)到约+/-20度的相对法线的角度分布FWHM的基本上均匀的强度(图中绘制为对数坐标)，其中使用约5V至8V的控制信号电压。该光束从具有大约+/-5度的FWHM的角度分布(发散)展宽为+/-12度到+/-25度的FWHM范围的光束。所谓“基本上均匀的强度”，可以理解为，光束的角分布是没有可感知“热点”，即不出现比其他区域特别明亮的投影区域。在更高的控制信号电压，在15度的FWHM的强度增加到比8FWHM度略微大一点，然而，明显的旁瓣的形成可以被避免。

在图2和图3C的实施例中，所述电场具有“垂直”分量(称为“平面外”)，即垂直于该电极14A和14B所在的基板12，和“水平”的分量，即延伸于电极14A和14B之间，平行于单元基板12(在电极间隙中)。

当液晶材料由取向层18限定在基态取向时，其限定了一个预倾角，以实现初始(优先)平面内在电极14A和14B(垂直于电极条带)之间(的方向)延伸的分子取向，由于预倾斜角，而使输出展宽光束强度产生了不对称性(发生)。取向层18的预倾斜角产生了电场和所期望的LC单元内的液晶的取向的空间分布之间的不对称局部取向差。如图3C所示，在20a处的液晶的左侧取向与电场对齐，而在20b处液晶的右侧取向是与电场的反方向对齐，但是处于基态的液晶的平面取向，会发生一些非对称变化。

所述条带电极14A和14B可以是足够窄，以便减小相邻单元之间的边界区的尺寸。整个装置的光通孔具有如图3C所示的液晶单元，可以有许多这样的(单元)控制元件，无论是配置为条带，环，螺旋或其它几何图案，对于每个控制元件(单元)具有一个小电极间隔g大约为30至90微米，典型地约50微米，每毫米的线性光通孔中约设置20个控制元件(单元)。

图5A和5B示出了由光束展宽装置展宽的相同入射光束的投影图像，其具有类似于图2所示的图案化电极结构，具有大量交叉(指状)条带电极14A，14B和大量的控制元件，控制元件具有如图3C所示的适当的宽高比R。图5A和5B中所示的投影光束强度分布对应于分别沿方向26和25穿过LC单元的光束传播(参见图3C)。可以看出，申请人已经发现，当在方向25上传播时的入射光束比在方向26上传播时明显更宽。还已经观察到，当液晶取向具有不同的平面内取向时，例如扭转向列和pi单元，存在相同的传播方向25比传播方向26的优先效果。可以参考图3C来理解这些发现的一些效果，其中电场不仅随着LC单元体积内的深度(L)而变化，而且电场线也具有不同的曲率，其也随着LC单元体积的深度变化。沿方向25传播的入射光束首先经历具有低曲率的电场线的强电场，并且逐渐经历具有高曲率的电场线的弱电场。相反，沿方向26传播的入射光束首先经历具有高曲率的电场线的弱电场，并且逐渐经历具有低曲率的电场线的强电场。由于LC分子轴由电场线重新定向并且LC材料内的局部快速光折射随着传播深度而增强，因此每个光线所经历的渐变折射率变化可以根据传播方向具有不同的影响。令人惊讶的是，这种性质变化产生了大的可测量的输出光束变化。

还已经观察到，对于基态的垂面液晶取向，即对于接近平行于法线的高预倾斜角，动态光束展宽在方向26相对于方向25可以获得更大的改善。令人惊讶的是，这种效应表现出大的可测量变化。

液晶基态取向在电极14A和14B之间延伸的方向上的结果可以是不对称的取向重新指向分布，和/或产生响应于电场的向错。此外，产生的微透镜的色散变得比较大。这些问题可能造成透射光的可见的失真。例如，图5C表明在使用如图2所示的多个指状条带电极装置，接收一个准直入射光束时产生的颜色分离效果。如可以看到的那样，展宽不是中心对称的，展宽角是中等的，也有在边缘的亮点和有色散产生可见的颜色分离。

在图4A中，示意性地示出了替代设置的平面图，其中取向层18的(平面内)取向几乎平行于条带电极14A和14B。在该配置中，(水平)X方向上的电场分量将作用于LC分子，以使其克服取向层18的(恢复取向)作用而产生侧向转向。然而，电场的(垂直)或Y方向分量跨越间隙以良好的对称性作用在液晶分子20上(在此X，Y和Z轴在图4A中未示出，它们被示出在图6和7)。这种配置提供了良好的光束展宽对称性，如图5D所示。如图所示，存在很少或没有色散，并且获得期望的宽的和平滑的强度分布(具有良好的均匀性)。图5D的实施例中的光束调整的质量也可以使用图1的电极设置来实现。

根据图4B中所示的所提出的解决方案的另一实施例，还使用了条带电极14C和14D，并且驱动信号分量被提供给电极14A，14B，14C和14D中的每一个用于操作元件。各个电压的控制可以实现，通过选择驱动信号分量V1至V4的控制信号的相位和/或电压来允许光束控制元件(单元)内的液晶材料20的取向的快速均匀改变。例如，当电极14A和14C以公共电压驱动，并且电极14B和14D同样被另一公共电压驱动，且与电极14A和14C相位相差180度时，则液晶20受到基本上平行于基板12的电场，特别是在电池的中间(远离相对电极之间的区域)，并且当(基态)液晶取向沿电极14A和14B之间的方向延伸时，液晶材料20可以迅速地取向为接近基态的取向。

在垂直基态液晶取向的情况下，可以通过向一个基板12上的所有电极施加相同的控制信号电压并且对另一个基板12上的所有电极施加相反极性的相同控制信号电压来实现基态的快速恢复。额外的中间基态电极通道(在电极14之间并与电极14平行)，至少在一些应用中，可以是有利的。

此外，在图4B所示的分层几何形状中的相对基板的表面上的附加线性电极的存在，液晶层的厚度L可以选择为更大，其中额外厚度被更有效地使用，相对于例如如图2所示的仅一个基板12具有电极的情况。这将允许通过增加通过液晶厚度的光束传播的相互作用时间而不增加控制信号电压来获得更大的光束展宽角。

此外，在图4B中所描述的光束控制元件将提供一个输出光束，其具有改善的对称性和而在关于通过光束调整装置的光束的传播方向的选择上没有显着的差别。

在根据图4B所示的提出的解决方案的实施例的具体实施方式中，各个液晶取向可应用于图4B中所描述的元件，包括垂直，平面(0度，45度，90度，或其他)。90度平面内取向的特定情况下(当液晶取向垂直于电极条带14)可以有可能用于各种应用。例如，摩擦取向层可以从左至右在顶部和底部基板12的两个内表面进行。因此，液晶的预倾斜角会在一(基板)LC单元壁表面是正的，而在另一相对的(基板)LC单元壁表面是负的。在这种情况下，电极14的驱动可产生光的相对对称性的展宽图案。

根据所提出的方案的另一实施例，如果对一组电极14相对于其它组进行一个预定的位移，可以实现附加的光束控制选项(诸如展宽和转向)，如图4C所示。这样的光束控制装置可产生倾斜(非对称)的电场，并引导光线的方向。

根据提出的解决方案，用于调整不同偏振方向的光，一对(正交)取向的液晶层可以由具有类似的空间分布的电场控制。因此，一个光束控制装置可以被配置为通过使用正交取向的两层液晶，以控制非偏振光。可替代地，相同的取向的两个层可以被布置为两层之间设置一个90度的偏振方向的旋转。如参照图1和2所述的图案化电极阵列可用于沿一个方向或方位角平面展宽入射光束。展宽两个方向(沿两个方位角平面)的光束，可以使用附加的LC层对。

在图4A所示的液晶材料的取向方式提供了一个光偏振方向的颜色分离的减少，但不适用于其它的光偏振方向(不采用偏振方向旋转装置时)。因此，在图5C中示出的问题，不能简单地用图4A中的方式为两个偏振方向解决。

根据所提出的方案的一个实施方式，平面内取向的液晶可以实现相对于电极14大约45度角的取向，这样的几何形状允许将同样的折衷用于每个光的两个(线性)偏振方向分量。这样的分层几何形状在图6中示意性地示出，用于对两个方向(方位角平面)的两个偏振方向进行光束控制。而色差或颜色分离的减少不如图4A所示的实施例那样良好，对于图6所示的实施例，当取向方向为相对于所述条带电极14A和14B的45度的方向，在图5C中所示的颜色分离的问题大大减少。

根据所提出的一个进一步方案的实施例，在图7中示意性示出，LC层之一可以采用垂直液晶取向，它包括在基态时液晶分子取向为垂直于基板。

如上所述，应当理解的是，布置LC单元时，通过在使用平面内(平面)LC基态取向的情况下，将所述图案化的电极面朝光源，以改善光束调整性能，而对采用垂直的实施方式，光束展宽的性能改进是通过对面的基板面向光源来获得。

当混用平面和垂直取向的单元时，必须对层状几何结构进行特殊设置，以提供最佳性能。根据所提出的方案的这种混合基态取向的一个实施例，两个液晶层采用垂直取向基态，其中正交取向的条带电极可在两个方向上展宽或转向光束(沿两个方位角平面)。根据一个实施例，这样一对LC层可以被配置为被基板进行分离，其具有在其两个表面上的低锚定能，以解耦在每个相邻的LC单元中的分子形态。

当如图6和7所示的液晶单元中设置堆叠时，已经发现，堆叠中的一个LC单元的电场可能会导致邻近LC单元的液晶材料不期望的取向改变。在这种情况下，设置在液晶层之间的足够的间隔，以避免不期望的影响。在一些应用中，可通过沉积在LC单元之间中间外基板侧的透明导电层，以减小这些额外的间隔，且屏蔽从相邻的LC单元的控制电极对一个LC层的影响。透明导电层可以处于电浮置状态或可以接地。虽然该装置的总厚度具有较小的因素，这取决于应用的可能需要的额外的层来减少或考虑由这样的透明导电层带来的影响，例如，需要减少不希望的内部反射。

当布置电极的正交阵列或图案化电极时，如图7所示的实施例中，有可能在基板中设置分隔相邻的液晶层的电极。例如，一个相对厚的基板(例如，500微米)可以设置有涂敷的ITO氧化铟锡，而电极条带14(线)可从ITO涂层中蚀刻出来。然后两个这样的元件可以设置一个90度的相对旋转并用光学粘合剂胶合在一起，粘合剂也充当电隔离器(例如，3-5微米厚)。获得的厚的元件(约1005微米厚)可以例如被化学瘦身至100，甚至更好，例如至50微米。该复合基板可以被用作具有交叉指向的两个液晶层之间的中间基板。这样的基板提供了一个整体的制造成本优势，以在两个(相邻)的LC层上提供同样的操作。然而这种复合基板也具有需要采用稍高的控制信号的电压的缺点，相对于电极14形成在基板之间，且夹持各液晶层的技术方案。

图8示出了扩展了在图6和7所示的层状几何形状的变型实施例，其中LC单元1和2与LC单元3和4是相同的，然而，如图所示，一个90度的偏振方向旋转器被增加到单元2和3之间，以提供正交的光偏振方向分量的光束控制。

可以实现基于相同的LC单元和电极组成的类似的替代方案，然而采用所有LC单元中的垂直取向(除了在偏振旋转器中的)。当旋转器是一个非供电驱动的元件，输出光束可以表达出四种不同的投影状态：(1)源光束穿过堆叠而未被调制，例如投影斑点图案时，两对LC单元都不通电(在图10A到10D中未示出)；(2)如图10A所示，当只有一对LC单元通电，产生沿着一个方位角平面的光束展宽的水平线；(3)如图10B所示，当另一对LC单元通电，产生沿另一方位角平面光束展宽的垂直线；和(4)如图10C，10D，当所有的单元被供电，以提供两种方位角平面的两个方向上光束展宽。所述LC单元1，2和3，4的顺序可以互换。

根据所提出的方案的这个实施例，通过采用一个动态可切换的偏振方向旋转元件，例如扭转向列型液晶元件，光图案可以改变，例如，当90度的偏振方向旋转器被移除时，从如图10C中所示的一个基本均匀的双平面展宽改变为如图10D的十字状的强度分布。其他液晶层(取向)的基态取向配置也可以在该方法中使用，例如，如上所述，使用相对于的电极14成45度取向的方向，或者可替换地使用垂直取向。

图9示出一种变型实施例，其中向列型液晶在基态以相对于电极14A和14B的45度角摩擦表面取向。在本实施例中，如图所示，电极条带14A'和14B'可以垂直于电极条带14A和14B布置，和摩擦的方向也相对于电极条带14A'和14B'成45度角。电极条带14A'和14B'与电极条带14A和14B之间有绝缘层进行电绝缘。此布置允许在X方向和/或沿Y方向进行光束调整。不采用任何这样的绝缘，当使用了一个相对电极时，一个孔图案化的电极掩模可以在图1中用于组合的X+Y方向的光束调整。如图9中所示的装置具有单层的液晶材料，且在在两个垂直方位角平面内调节单个(线性)光的偏振方向。额外的，需要液晶的正交取向层来调节光的两个偏振方向分量。

图9的正交电极配置可以提供独立的方向控制的光束调整，同时简化制造工序。双光刻工艺可用于(连续地)制造在同一基板(由隔离层隔开)上的交叉的电极对，如图9所示。这可以避免由于每个光束控制方向的控制电极设置在各自的基板上，在装置组装时产生的取向对齐的问题。

使用四个LC单元装置，如图6示意性的示出的实验结果(其中，具有许多平行的指状14A，14B的图案化电极，如图2和图3C所示)在图11A至11I示出了不同的电压和液晶基态取向。电极条带的宽度为15微米，电极之间的间隔g为75微米，液晶层的厚度L为60微米，且液晶材料的光学各向异性Δn约为0.2。实验装置中没有使用相对的接地电极，使用的电场如图3C示意性地表示。

图11A，11B和11C分别示出了在4V，5V和7V下，使用如图6所示的液晶基态取向的投射光束结果。可以看到，在此实验装置中光束展宽在7V条件下变得相当均匀的(平均)和均匀分布，而对于较低的控制信号电压，光束展宽的量则减少。中心轴线被标记为所有图像中的十字。由于45度基态的平面内取向角的原因，观察到的光束展宽是对于光轴不对称的。业已发现，当使用更小的高宽比R时，这种不对称性会被减少，它将仍然适合于光束控制，参考上面对图3A至3C的讨论。

图11D，11E和11F分别示出了在4V，5V和7V下，使用如图8所示的液晶基态取向的投射光束结果。可以观察到，此装置的配置在4V时，获得了比如图6的45度基态的平面内取向更大的光束展宽和更小的颜色分离，然而，当控制信号电压被增加超过5V和到达7V时，一个中等的十字状热点仍然可观察到。出人意料的是，相对于该中心轴的投射光束的对称性良好。

图11G，11H和11I分别示出了在4V，5V和7V下，使用垂直的液晶基态取向，即垂直于LC单元基板的取向的投射光束结果。这样的液晶基态取向是在希克梅特'444参考文件中使用的。当光束被展宽，例如参见图11H，其中施加了5V的控制信号，显示出了显著的热点，来自光束调整性能的“波瓣”。不希望地，在7V情况下也发现热点的存在。相对于该中心轴的对称性是良好的。

当只有多个LC层的一个或多个使用垂直基态取向，如图7中示出的实施例，其中单元1和4具有垂直取向，如图11G到11I的热点的存在被减少，且不那么明显。LC层的顺序(或次序)可以按需要和/或以适应特定的应用而改变。垂直层比采用基态的平面内平行于沿着条带电极14之间延伸方向上的基板12的取向的液晶层具有较少的不对称性(导致色散或颜色分离)，并且因此组合产生的一个光束控制装置总体上具有较小的色散或颜色分离。

从这些实验结果中，最平滑或最均匀(平均)的光束展宽中采用了非垂直取向，并且特别地，液晶材料基态为相对于条带电极14的45度方向取向。

基于液晶的动态光束展宽装置在本领域中是已知的。然而，已知的装置具有局限性。如果LC元件的参数的设置方式只引入原始源光束的附加展宽，例如具有如图12中所示I₀的原始发散，然后，从能量，成本和美观的观点看，如果是LC元件不应使用非常大的I₀(例如大于±25°)。这限制了光源光束可接受初始发散角的上限。

相反，如果I₀的值非常小(例如约0度的激光束或激光二极管光束)，且原始光源具有相对较大/较宽的光谱内容(如“准白色”光源，如光谱宽度大于30纳米)，因此涉及在光束展宽中另一重要的问题，不希望的颜色分离，在光束转向的情况下，控制在较小程度上(传统元件将产生彩虹状颜色分离)。

所提出的光束展宽方案采用源光束调整，例如对光源光束(i_pc)的如图12A所示的去准直，或如图12B所示的预准直，以提供可观察的(可见)额外的动态光束展宽，其具有优先最小颜色分离的展宽范围(i_d)。

对宽的频谱(白色)具有小的原始发散角的光源的动态展宽的情况下(例如0度的激光或LED二极管)，颜色分离是非常明显的，并且不希望的。根据所提出的方案，如果采用一个附加的光学元件30，例如对发散源光束进行略微的增加、去准直，或减小、准直，但不调整太多，例如优选地约±5°(使用相同的光源，并且用同一LC装置展宽光束)，颜色分离可以被最小化。可替换的，在源光束入射并进入液晶的光束控制装置之前，原始源光束可以稍微增加发散或会聚，用于在动态范围进一步动态展宽。

光束预处理的效果可以参见图12C和图16A至16D所示的实验结果。当准直光束通过如图6示出的一个光束展宽器，图16A示出通过的准直光束的展宽投射的横截面图，其展示了在投射光束的边缘蓝色比红色更多，其明显是颜色分离。令人惊讶地，当±5度FWHM发散源光束通过相同的装置时，输出光束则变宽一点(参照如图16B的曲线图相比如图16A的曲线图中，被展宽的光束的宽度的数量比较)，而蓝色与红色的不平衡则明显更少地可察觉到。图16C示出了准直的光束的蓝色与红色的比例，而图16D为±5度FWHM的发散光束的情况。如图所示，对于准直光束的侧边缘具有的蓝色相对红色的强度比超过3，而对于±5度FWHM的发散光束，蓝色相对红色的强度比为约1.7。这在颜色分离上是显著和大幅度的减少(几乎减少一半)。

如图12A和12B所示，光束控制器被设置以产生光束控制信号。例如，光源，诸如LED管芯，可以使用光束控制器控制强度和/或颜色。此外，动态液晶光束控制元件可使用光束控制器来控制，即电极14A和14B(或任何上述的电极设置)可以通过使用光束控制电路和相应的(多个)驱动控制信号进行控制。光束控制器可以包括专用电路，或者可以包括可配置的电路(例如FPGA)，或者可使用在合适的平台上运行的程序代码，例如在一个CPU或DSP系统中实现。

在实施例中采用初级光学装置，它在LED光源的入射光源光束进入光束调整控制装置之前，先对其进行“准备”(准直或去准直)，严格准直的LED光束在通过如图12A所示的光束展宽装置之后，投影光束表示出如图12C所示的强度调制不均匀性(波纹，包括颜色分离)，其具有的不均匀性通过略微增加原始的散射可以明显的减少。对于一个特定的LED光源的应用，其具有初始大的，大于等于±10度的FWHM发散，使用一个简单的发散器可以根据所提出的解决方案的一个实施例，作为后调节元件，如图12D所示，得到类似的结果，以通过进行去准直对准直光源进行预处理。例如，已经发现，增加大约2.5度FWHM扩散到展宽的光束输出(具有小强度的波纹和小的颜色分离，如图12C示出)的发散器对于像差减小方面提供了良好的后调整。在这种结构中，强度和颜色不均匀性被显著减少(见图12E和12F)，例如采用具有原始发散(在FWHM测量)15度的LED光源时，驱动电极的控制信号具有-20VRMS幅度，和采用简单LC单元的几何结构，其具有垂直取向和LC单元的相对表面上的交叉取向的电极条带(指状)。这样的输出光束的质量对于可以牺牲2.5度FWHM的动态光束展宽范围的应用来说是足够的。与此相反，如果发散器被放置在LED光源和光束展宽器之间，则会存在波纹。

因此，如果光源(LED)模块的原始发散为±10度的FWHM(典型点光源)，则一个透镜或甚至发散器可以被用于增加发散到±20度的FWHM。然后，在此提出的建议的光束展宽装置可以控制为逐渐使光束发散从约±20改变至约±40度。这可以减少光束展宽器(低对比度)的动态范围，并在某些应用中，可能希望有一种动态范围约±10度变化至大约±40度(增加对比度)。

根据所提出的方案的一个实施例，一个初级动态发散器采用代替如图12A和12B中的预处理元件。在其最简单的形式中，这样的动态发散器可包括聚合物分散的液晶装置或另一类型的动态展宽装置。已发现，许多动态发散器保持发散角(限定的开口，固定的)和只改变透射的比率和散射光，这可能是不希望的。

在备选实施例中，已经发现，在全光束展宽装置组装时，两个LC单元的全偏振光束展宽器的半偏振LC单元中的一个，相对于另一个LC单元扭转大于2至3度，可使波纹消失。这种扭转角度可以在±5度的FWHM的量级，可以提供一个有用的波纹强度的减少。

在根据图12G中所示的提出的解决方案的一个实施例，示出了采用两个(顺序)的光束展宽器的一个偏振独立的两个(方位角)平面光束展宽装置，优选彼此类似，但不一定是类似的，使得受第一光束展宽装置影响的第一正交偏振方向以一定角度旋转，例如约45度的旋转，指向受随后的第二光束展宽器影响的第二正交偏振方向。如图12G中所示的每对光束控制装置的详细信息，其中的第一对相对于另一对围绕Z轴旋转了45度，参照图21和下文所述。

在图13所示的提出的解决方案的实施例中，示出了具有条带电极14A和14B的电极阵列。电极间隔g是在6mm的装置光通孔的中部是50微米，在外侧是100微米。在所示的例子中，从一个间隔至下一个间隔，g的增加(也可以减少)为5微米。小间隔提供了更高的光束调整或光束转向能力或光学倍率，而更大的间隔提供较小的光学倍率。电极间隔g这样的变化可以是线性的或非线性的。变化或微调的效果，可以是消除或减少在(发送)投射光束的颜色分离和热点的形成。这是因为整个光学装置的不同部分将光的相同波长(即，颜色)重定向到不同的方向。

例如，光束可以相对于一光轴具有对称性。在此情况下，条带电极的中央-对称布置可以是同心环14A和14B，如图14A示意性示出。环的间隔g是中央光轴附近较小，并在离中心较远、邻近最外环(或装置光通孔边缘)处较大，以提供更均匀的(平均的)光束扩散。间隔g也可以配置为考虑光束的强度分布，例如，在强度更大处，提供更多的元件。这种类型的电极(同心环)可与单元的对面基板上的星形交叉电极结构一起使用，如图15A或15B。在一些实现方式中，同心环互连的导电电极迹线可以对所述的投射光束形成不希望的影响，如图14B中所示的同心环互连的导电电极迹线可以是不同的，优选是随机的，角度围绕法线。

应当理解的是，图13和14仅示意性示出条带电极图案，并且这种图案可以应用于各种液晶单元的设计，包括本文所述的那些。在同心环的情况下，光束调整或光束转向相对于所述光轴在一个径向方向实现，并且因此典型的光束控制装置的几何形状可以采用两层液晶，每个光偏振方向使用一个。也可为圆形或星形电极进行空间微调。星形电极的一个特定版本中，例如图15B中所示，可能包含其他的分支，以提供各种间隔g的值，包括等距的实施方式。

由于光偏振方向是由具有垂直取向的液晶的电极布局决定的，具有同心环形电极的光束控制装置不希望使用垂直取向，其会作用于光的两个偏振方向。然而，在两个基态垂直取向的LC单元之间进行90度旋转，每个LC单元具有基本上相同的具有全部垂直取向的同心环元件，其实现对非偏振光束的控制。应该理解的是，本实施例具有几个优点：1)完整的偏振独立操作的二维光束展宽可以仅由两个LC单元实现，而不是四个；和2)热点/线可以被减少(消除)，尤其是使用条带电极的迷宫同心设计(见图14B)，其中具有变化的间隔g值。

换句话说，在一个变化的实施例中，图14B示出如图14A所示的同心环之间的桥连接如何在光束控制装置的光通孔周围交错(绕光轴)，以便减少伪影的出现，作为优选的，随机设置改善对光轴的对称性。图15A显示的是中心对称径向配置的电极，其正交于图14A，14B的同心环。可以在一个共同的基板上设置图15A的电极结构，而通过绝缘层(类似于图9所示的实施例)来分隔同心电极的布置，其可以增加在相同的液晶单元的对面基板上，或它可以与一个单独的液晶单元相关联。图15B是具有同心电极14A(实线)和正交的径向电极14B(虚线)的中心对称阵列的平面图，其具有基本上均匀的电极间隔g，通过减少从外环到内环的径向电极的数量来实现。

光束控制

图20非常示意性地描述了理想化的几何结构，其中的两个电极对(顶部基板5的1和2和底部基板6的3和4)都被以180度的相对相位差同时驱动。

不采用两个电极同时被驱动的设置，也可以使上部和下部电极被交替或时间复用地驱动。

需要着重提及的是，在图20中所示的分子取向图案只是定性地示范偏振方向旋转和变换。这不是一个限制性的描述。在这种几何形状中，当强力的锚定条件存在(此处未示出)时，实时分子表面将保持在基态(垂直状态)。垂直排列在各电极1，2的非常附近也将保持不变，因为水平(或平行于基板)的电场分量是可忽略的(参见最左列和最右列的液晶分子，这些区域由希腊字母α，β，χ和δ表示)。这种情况可能会在液晶单元的中心也是相似的，至少在中等强度的电场下如此。然而，垂直取向将在其他区域剧烈的扰动。即，在上部区域(电极1和2之间)的分子主要(不是全部)的重新取向将在图纸平面内(x-z)，因为“接近的”电极对1和2平行于y轴。与此相反，在下部区域(电极3和4之间)的LC分子主要(不是全部)的重新取向将在垂直于图纸的y-z平面内，因为“接近的”电极对3和4平行于x轴。

然而，特别感兴趣的是包围由字母θ表示的上述区域之间的区域的区域。事实上，过渡区是预计在从平面x-z到平面y-z液晶取向的过渡。扭转液晶单元的物理学在用于液晶显示器的文献中被深入研究(参见，例如，C.H.Gooch and H.A.Tarry,“The OpticalProperties of Twisted Nematic Liquid Crystal Structures with Twist Angles≤90°”,J.Phys.D；Appl.Phys.,Vol.8,1975)。已经认识到，如果扭转周期P和有效各向异性Δn_eff足够大，则当光束传播通过LC材料时，输入光偏振方向可以随着液晶分子的扭转而旋转。

根据所提出的方案的实施例，本文描述的装置设置为按照(很大)改变的操作原理(物理机制)来操作，以实现实际的装置的结构简化。即，参考图20的任意的偏振方向的入射探测光束从顶部基板5的一侧进入LC单元，(在z方向传播)横穿装置射向底部基板6)。入射光束的偏振方向可以被分解为两个线性偏振方向分量Ex和Ey(分别平行于x轴和y轴)的总和。所述电极条带1和2是平行于y轴，而电极条带3和4是平行于x轴。如果电极1和2被驱动，则驱动电场将创建一个分子再取向(在图20中的上部，由Δz示出了)。输入线性偏振方向分量Ex，快轴偏振光，然后受到非均匀地重新取向的液晶分子的“上”层(片)影响而将在x-z平面展宽。然而，此外，当其进一步通过传播到底部基板6，且电极3和4也同时被驱动时，该偏振分量可以被旋转(以及部分地改变其偏振方向状态)。事实上，在这个结构中，通过放大的LC单元的下部有液晶分子的或多或少类似重新取向(如在Δz区域)，但在垂直平面上。但是，中央区域(在图20中θ字母的水平位置)的两个区域(LC分子取向在或多或少垂直平面的上和下区域)最有可能创建一个分子扭转的过渡区。如果LC单元的参数，其重新取向和光的波长范围被适当地选择，则该线性偏振方向分量Ex将到达基板6，被旋转和变换得到主要偏振方向平行于y轴。

由于这种偏振方向旋转和变换，相同的偏振方向分量Ex将达到受电极3和4影响的区域，其中主要的偏振方向垂直于电极线3和4。因此，它也将在y-z平面进行展宽。

与此同时，输入偏振方向分量Ey将主要保持“不受影响”。它会进入液晶单元为主要呈“慢轴”的偏振，也将进行偏振方向的旋转(偏振方向的角度也有部分变化)，到达电极条带3和4依然呈“慢轴”的偏振。因此，液晶单元也不会影响最初平行于y轴的输入偏振方向。

电极间的同时驱动和相位偏移使采用单个液晶元件，能够在两个(方位角)平面内展宽光的给定的线性偏振方向分量。这种类型的液晶单元使得只需要添加另一个类似的(如本文中参考图20描述的)LC单元(元件)到第一LC单元，就可以实现进行全偏振方向操作的装置的结构(展宽两个方位角平面的非偏振光)。此外，该方案可以不需要使用任何偏振方向的旋转元件(由于液晶本身用于旋转光偏振方向)来实现。事实上，第二个类似的LC单元的增加(即第二液晶单元的“进/输入侧”电极对与第一液晶单元的“退出/输出侧”电极对呈交叉状)和主要偏振和展宽的状态的变化在图21中示意性地描述了，一种理想化的几何结构，其中的电极(顶部基板5的1和2和底部基板6的3和4)都被以180度的相对相位偏移而驱动。

申请人已经发现，在图21所示的几何形状中，光束展宽在X和Y方向上不是对称的。这与几何形状的不对称性有关，即由基板1(用于E1偏振)和基板3(用于E2偏振)限定的Y方向的展宽，其主要影响装置内光的传播路径的入射的一半，而主要由基板2(用于E1偏振)和基板4(用于E2偏振)限定的X方向上的展宽，其主要影响装置内光的传播路径的输出的一半，两个不具有相同的效率。这种不对称性可以使用特殊的交叉电极图案来校正，其中所有(1,2,3和4)基板均等地参与X和Y展宽方向。这可以例如通过在同一基板上设计成对的交叉电极组来实现，每组电极与另一组正交。这种设计在下文所述的图28A和28B中示出，但不限制本发明。

不需要一个偏振方向旋转元件和不需要对垂直的(或竖直)取向层(7，18)进行摩擦的事实，大大简化了这种光束控制装置的制造过程，这使得能够仅采用三个基板和只有四个电极层，如图22中的例子，示出一种低成本的偏振方向不敏感的光束展宽元件(用于两个方位角平面)。

虽然线性条带电极1，2，3，4(14A，14B)可以被用于提供的光束控制元件是：直的；之字形图案，正弦图案，螺旋，同心(图14A和14B)，径向(图15A和15B)和其它几何图案都可以使用。可以使用规则的间隔或电极之间的间隔的“微调”的变化(见图13)。

在图23A，图23B和图24中成功的实验确认演示了，其中当只有一对电极被驱动时(在图23A的1和2或图23B的3和4)，不存在偏振方向的旋转，而当交叉取向的两对电极同时被驱动时(图24)，存在偏振方向的旋转。当在相应的基板上的指状电极被同时驱动：观察到90度旋转，对一个偏振方向分量的所有方向(双方位角平面)展宽(而第二偏振方向分量保持基本上不变)，并提供一个展宽的良好矩形图案的光束(投影)。

图25A和25B经由实验示范，示出了具有独立电极和使用(适当地)所选择的相位延迟的相应的驱动信号分量，以获得可接受的光展宽的重要性。在图25A中，所有电极接收在相同的相位的5V的驱动信号，而在图25B中，所有的电极接收对应的5V的驱动信号，但是它们的相位分别为0，180，90，270度的延迟。

在所提出的解决方案的另一实施例中，类似的性能可通过使用的两个层电极(由薄绝缘层分离)，以实现例如图26A和26B示意性地示出的独立可控的电极对。制造产量可以增加，因为整个装置仍然有大的工作表面，尽管光刻给定的子层会存在一些缺陷。例如，对给定的层的相邻的电极线的短接或切断，不会阻止电压在该层中的传播。

在所提出的解决方案的另一实施例中，在图20中描述的单位液晶单元，可以被一个扭转(90度或倍数)的液晶层代替。在这样的结构中，偏振方向旋转将被从基态开始保证(正确)。

在所提出的解决方案的另一实施例中，在图20中描述的单位液晶单元，可以被具有混合取向液晶层的(在一个表面平面取向，而相对的表面上垂直取向)一个LC单元取代。在这样的构造中，如果所有的电极(在入口和出口基板)是平行的，光束控制装置可以在给定的(方位角)平面展宽非偏振光光束。

在所提出的解决方案的另一实施例中，两个LC单元将相对彼此被空间偏移，优选在对角方向(相对于电极线)。这种构造避免了分子重新定向的不适当的区域(例如向错区域)的重合。例如，使用垂直取向(图20)，LC分子倾向于在电极正下方(邻近)保持垂直。如果这种向错区域在LC单元之间对准(对于两者是相同的)，则通过这种向错区域的光将不遵循相同的机制。

在所提出的解决方案的另一实施例中，考虑设置一个小的(分离)距离在两个单位LC单元之间，其能够提高光强度分布。

在所提出的解决方案的另一实施例中，可以设置电变量(切换)的偏振方向旋转元件(例如标准扭转液晶单元)在2个单位LC单元之间，以加强该装置的操作能力。图27示意性地展示了这种光束控制装置，其能够仅在一个所需的(方位角)平面(或在垂直方位角平面)展宽非偏振光，和/或双方向展宽光的期望的偏振方向分量，而对其他(垂直)部分基本上保持不变。

例如，考虑期望在平面z-y上展宽一个非偏振光束的应用(其中在该装置的输入端包含两个光偏振方向分量；E_1in和E_2in，分别平行于y和x轴)(图27)。在此配置中，选择性地驱动所述电极1和2(沉积在玻璃基板1上)和保持电极3和4(沉积在玻璃基板2上)的不被驱动，将实现光分量E_1in在平面z-y上展宽而分量E_2in将基本保持不变。鉴于电极3和4没有被驱动，接近玻璃基板2处的液晶取向保持垂直。不产生偏振方向的旋转，并且两个偏振方向分量携带它们原始的取向从LC单元1(玻璃基板2)的出口输出(该光分量E_1in在平面z-y上被展宽)。从液晶单元1输出的偏振方向分量，当穿过设置在玻璃基板2和3之间的相应的元件时旋转了90度，使得原来的偏振方向分量E_2in进入第二LC单元时，垂直于电极1'和2'(沉积在玻璃基板3上)。重复同样的过程(驱动电极1'和2'：和保持电极3'和4'未驱动)，该偏振方向分量在相同的平面z-y上被展宽。同时，原E_1in分量(已经被第一LC单元展宽)穿过第二LC单元基本上不受影响。从而实现了在平面y-z上展宽(自然光)两个输入偏振方向分量。应当理解，这两个偏振方向分量可以再垂直平面(x-z)展宽，如果电极3和4，以及3'和4'被驱动，同时保持在电极1和2和1'和2'未被驱动。

同样的光束控制装置也可以用于一种模式，其中偏振方向旋转元件被关闭(并且因此不执行/不提供偏振方向旋转)。在该结构中，上述应用对于给定的输入偏振方向的光束的展宽效应几乎加倍，而垂直的偏振光将保持基本上不受影响。

参考图27，用“驱动的”扭转分子重新取向的单个垂直LC单元(当相对的基板上的所有电极同时被驱动，且由不同相位的控制信号独立地驱动)可以用来在两(方位角)平面展宽非偏振(自然)光。这可以通过采用遍布光束控制装置的清晰光通孔的不同区域，来实现在不同平面上控制不同偏振。可以从图28A理解，电极对可以以一个“树状”方式被蚀刻(或打印)，以具有指状电极1和2，它们仍然是局部平行它们的取向的，且在区域之间以90度方向交替变化。

同样的图案可以被蚀刻或印刷的相对表面上(在第二玻璃基板上)，然而，单元组装时，玻璃基板2将相对于第一玻璃基板而偏移，使得这两个包围的区域彼此面对，而在区域内玻璃基板2上的电极垂直于玻璃基板1的电极。

图28B示出了具有四组交叉电极的另一个几何结构，其中两对电极相对于其它电极扭转了45度。这还将为入射的低发散光通过对观察到的交叉状的图案的平滑处理，提高光展宽的均匀度。

该LC单元可以填充，例如，由一个垂直取向液晶(无摩擦)。在这种结构中，局部地，圆环形区域(和其他类推的)这样运行：线性交叉电极在第一基板和相同的图案结构中对指向一个给定的方向，而在第二基板上转向90度。这种单LC单元在垂直于电极的平面内提供一个垂直于(第一“入口”玻璃基板处)所述电极的输入偏振方向的光束展宽，而相同的光将在接近出口表面垂直的平面内被展宽(在其偏振方向被旋转90度后)。相同的概念可以用于不同类型的电极布置中。

照相机或其他感测元件，可以配合数据处理器工作，以生成(驱动)控制信号和改变所传输的光的发散或方向。

该光束控制器可被配置为在数据网络中接收控制命令，来调整光束展宽和/或方向。一些光源，例如红外光源，可以用来提供数据通信，并且在这种情况下，光束控制器可以用于调节携带数据的光源，而动态LC控制元件可用于引导和/或展宽/聚焦携带数据的光束。

应当理解，按照不同的运行状态，电子驱动信号电路可以提供光束控制，以对电极对提供相应的驱动信号。还应当理解，这样的驱动信号的电路可以用适当的控制器的界面来控制。在一个非限制性的例子中，这样的控制器界面可包括与光开关相关联的控制，用于驱动由该LC装置调制的光源的光。控制数据可通过任何合适的数据连接被传递到驱动信号电路，仅举几例，如电力线数据通信，自由空间光通信，RF无线(WIFI，蓝牙等)和有线数据连接。该控制器可以为，仅举几例，壁挂式装置，红外或无线RF遥控器，或者智能手机的应用程序。控制器可以用于设定光束控制参数，例如在每个方向的一个或两个光束宽度，一个或两个方向上的光束方向，光束强度和颜色。

虽然已通过参考其优选实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员可了解，可在本发明中进行形式上和细节上的各种改变而不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (24)

1.一种用于调整的输出光束的光束控制装置，所述光束控制装置被配置成从光源接收入射光束，所述光束控制装置包括：

至少一个液晶单元，用于当所述入射光束通过其中传播时调制所述入射光束，每个液晶单元具有：一对由单元厚度隔开的单元基板，液晶材料填充，至少一个取向层用以控制所述液晶材料在一个基态取向方向的取向，和图案化电极结构，其在所述的单元基板中至少一个上的图案化成对电极用于提供延伸入所述液晶材料的空间调制电场，所述液晶单元具有所述成对电极的电极间距和所述单元厚度之间的预定的宽高比；

当所述图案化电极结构由预定的驱动信号驱动时，所述光束控制装置的特征在于空间调制取向的重新取向，以实现所述输出光束具有良好的均匀性和低的颜色分离的展宽，在所述的单元基板的第一个基板上的第一图案化电极结构具有第一独立电极，以提供所述第一个基板的第一平面电场和对临近第一个基板的第一区域和位于所述第一图案化电极结构的第一独立电极之间的液晶材料的第一空间调制；和与所述第一图案化电极结构成交叉取向的第二个基板上的第二图案化电极结构具有第二独立电极，以提供所述第二个基板的第二平面电场和对临近第二个基板的第二区域和位于所述第二图案化电极结构的第二独立电极之间的液晶材料的第二空间调制，其中当所述第一图案化电极结构和所述第二图案化电极结构被驱动时，在所述装置的光通孔的至少一部分上的在第一区域和第二区域之间的第三区域上形成液晶取向的扭转，以提供光通过所述装置的偏振方向的旋转；

还包括一个驱动信号源，用于产生所述预定驱动信号，所述驱动信号源被配置成对光束发散进行可变控制。

2.如权利要求1中所定义的光束控制装置，其中所述电极图案包括同心环。

3.如权利要求2中所定义的光束控制装置，还包括具有互补正交电极图案的径向延伸的电极对。

4.如权利要求1中所定义的光束控制装置，其中所述电极间隔与所述单元厚度的所述的宽高比为约0.8至约1.3之间。

5.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，其中电极间隔基本上是恒定的，有一定微调，以使所述电极间隔与所述单元厚度的所述的宽高比为约0.8至约1.3之间。

6.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，其中，初始光束具有大约±5度的FWHM的发散，所述调制光束具有大约±30度的FWHM发散，所述预定驱动信号具有电压低于10V，而具有良好的均匀性的所述输出光束包括所述调制光束的强度，其为角度变化的函数，大于约±30度的FWHM，强度变化小于40％。

7.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，还包括动态发散器的控制器。

8.如权利要求1中所定义的光束控制装置，其中所述的光束控制装置被配置为在一个方位角平面控制光束的方向或发散。

9.如权利要求7中所定义的光束控制装置，其中所述的光束控制装置被配置为在一个方位角平面控制光束的方向或发散。

10.如权利要求1中所定义的光束控制装置，其中所述的光束控制装置被配置为在两个方位角平面控制光束的方向或发散。

11.如权利要求7中所定义的光束控制装置，其中所述的光束控制装置被配置为在两个方位角平面控制光束的方向或发散。

12.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，其中所述光束控制装置被配置为提供所述调制光束作用于光的两个偏振方向。

13.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，包括两个具有液晶单元的光束控制装置，用于沿两个方位角平面和两个偏振方向调整光。

14.如权利要求13中所定义的光束控制装置，两个液晶单元被配置为：其图案化电极结构相对于彼此偏移，使得所述两个液晶单元中的一个的所述第一区域和第二区域的过渡区域，不与所述两个液晶单元中的另一个的所述第一区域和第二区域的过渡区域相互对齐。

15.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，其中所述至少一个取向层为所述液晶材料提供垂直基态取向。

16.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，其中所述取向层在所述基板的每个表面提供为所述液晶材料提供平面内基态取向，而在所述第一个和第二个基板之间，所述平面内基态取向交叉或正交。

17.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，其中所述电极图案包括具有预定的宽度和间隙的平行条带。

18.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，其中所述电极图案包括具有预定的宽度和间隙的同心条带。

19.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，其中所述电极图案包括具有空间变化的宽度和间隙的条带。

20.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，其中至少两个的所述液晶单元被组合并共享在其两个表面都有图案化电极的公共中间基板。

21.如权利要求1至4中任一项所定义的光束控制装置，其中至少两个的所述液晶单元被组合，还包括两个单元之间的电可切换90度的偏振方向旋转元件和偏振方向切换控制器。

22.一种可控光束调整的光源模块，包括一个如权利要求1至21中任一项所定义的光束控制装置，和光源模块，以提供初始光束，所述光源模块是相机闪光灯，建筑，汽车或工业照明装置中的一个。

23.一种可控光束调整的光源模块，包括一个如权利要求1至21中任一项所定义的光束控制装置，和光源模块是扫描器光源。

24.如权利要求22或23所定义的可控光束调整的光源模块，其中所述光源包括发光二极管或激光二极管。

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