CN110582719A - 具有改进光束匀称性的液晶光束拓宽装置 - Google Patents

具有改进光束匀称性的液晶光束拓宽装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种液晶光束拓宽装置及其制品。该光束拓展装置可应用于受控照明和建筑目的等方面，并具有多种益处，包括提供对称光束拓宽，改善光束强度分布，光束发散预处理和改善投射光束强度均匀性等。进而提出了两种具有面内和垂直基态液晶取向的光束控制装置。

Description

具有改进光束匀称性的液晶光束拓宽装置
相关申请
本申请是非临时申请，优先权文件是美国临时申请US 62/487,603，优先权日是2017年4月20日，其全文在此通过引用并入本申请内容。
技术领域
本专利申请涉及液晶(LC)光束拓宽装置。
背景技术
公布于2017年3月16日的申请人本人的国际PCT公开文本WO2017/041167(其全文在此通过引用并入本申请内容)公开了一种多样化的光束拓宽液晶(LC)装置。这些液晶装置可以是不昂贵且行之有效的，例如拓宽建筑物内的建筑照明光束。上述PCT的图20还公开了一种如下的液晶单元，该单元相对的单元基板上的电极是正交排列的，且单元基板内具有垂直液晶取向。
在这种配置中，每个液晶夹层在两个方向上调制单个偏振光，因为由每个基板上的电极产生的电场在垂直于带状电极的方向上定向液晶，导致液晶单元中的液晶在两个方向间进行扭曲。液晶单元的上层部分作用于输入光，并将其分成两个线性偏振，其中一个光束偏振在一个方向上(垂直于电极带方向)被拓宽，而具有第二个偏振(垂直)的光束部分在经过上层部分时，基本上没有被拓宽，但是偏振被旋转了90度，已经发现这与在液晶单元中液晶扭曲引发偏振光的旋转有关。因此，液晶单元的底层部分作用于光并对相同(第一个)偏振具有加宽效果，但此次是发生在正交方向上，而另一个(第二个)偏振通过所述底层部分时，很多不受影响。
因此，单个液晶夹层基本上作用于单个偏振并使之在两个方向上进行拓展。两个这样的液晶夹层可以一个接一个地排列，以作用于两个偏振且在两个方向上起产生效果。如本申请的图1A中所示。
现有技术中，另一种已知的光束拓展装置公布于WO2017/041167的图6中，如本申请的图1C所示。在该配置中，采用了四个液晶单元。设置在每个单元的基板内表面上的电极阵列为平面内液晶取向提供控制电场。如图所示，液晶取向方向可以相对于电极成45度。两个液晶单元具有相同的电极方向，使得该装置可作用于两个线性偏振(如图1B所示)
发明概要
申请人发现，如图1A和图1C中所示的由液晶装置调制后的光束的光束特性可展现出如图2和5所示的强度分布，即在光束强度的空间分布中可存在强度调制(波纹)。引起这种像差的确切原因尚不完全清楚。然而，申请人已经发现，当液晶夹层或液晶单元被布置成旋转错位几度时，强度中的波动减小了。
附图说明
本发明将通过以下实施例的详细描述及相应的参考附图，以便更好地被理解，其中：
图1A是现有技术中一种两个液晶单元夹层的示意性剖视图，其中每个液晶夹层具有垂直液晶取向，且相互对应的液晶单元基本上具有正交排列的电极。
图1B是图1A所示的现有技术中单个液晶夹层基板与电极布置示意图。
图1C是现有技术中四个液晶单元具有平面基态液晶取向的液晶单元示意图；
图2是光束强度的曲线图，示出了穿过图1A所示装置的光束沿着穿过光束横截面的线截取的光束强度的波纹效应；
图3是图1所示的两个液晶单位夹层示意图，其中两个夹层间存在一个小角度的旋转偏移；
图4是沿着穿过水平横截面的水平和45度线方向截取的光束强度曲线图，其示出了使用图3所示装置通过小角度旋转偏移如何减轻光束强度中的波纹效应；
图5是通过图1C所示装置的光束在沿着穿过光束的横截面线截取的光束强度曲线图，显示出了波纹效应。以及通过图1C所示改进装置的光束在沿着穿过光束的横截面线截取的光束强度曲线图，其中液晶单元1+2和液晶单元3+4之间旋转偏移2度，显示出了光束强度没有波纹效应；
图6是四个液晶夹层的示意性剖视图，其中每个夹层具有垂直基态液晶和相对的单元基板上正交排列的电极，且上部两个液晶夹层的电极取向与底部两个液晶夹层的电极取向之间有45度的旋转；和
图7是图6所示的四个液晶夹层电极取向的示意图。
具体实施例
如上所述，图1A，1B和1C所示的光束发散控制装置在本领域中是已知的，在此不需要更详细地描述。这种装置的孔径可以足够大以填充光束源的孔径，因此可以理解，设置在平行电极之间的大量小的光束拓宽条带在调制光圈上的光束时，是活跃和有效的。在图1B中，示意性地示出了一些这样的条带。
如图2所示，来自图1A的布置的光束强度产生小的强度变化。如图1C所示的装置呈现了同样的强度变化，如图5所示。通过在图1A的两个液晶夹层之间引入5度的如图3所示的旋转偏移，观察到光束强度中的纹波大大减弱，如图4所示。可以看出，光束强度分布得到显著改善，并发现这种光强的改进从旋转偏移约2度时开始出现，并且旋转偏移最好限制在约8度内。
对于图1C的装置，可以观察到这种强度“波纹”的类似改进，如图5中所示。通过在液晶单元1+2和液晶单元3+4之间旋转偏移2度来实现图5情况的改进。因此，液晶单元1和2可以保持正交取向，类似地，液晶单元3和4可以保持正交取向。因此，2度旋转偏移发生在液晶单元2和3之间。也可以使用液晶单元1，2，3，4之间的其他旋转偏移变换方式来实现光束强度波纹效应的减弱，例如，将液晶单元1+4一起取向，然后相对于液晶单元2+3旋转液晶单元1+4。
旋转偏移可以包括在两个夹层上具有相同图案的电极的物理旋转，或者一系列可选图案的电极将提供设置在平行电极之间的大量小的光束拓宽条带的旋转偏移，该旋转偏移在两个液晶夹层或液晶单元1+2和3+4之间的孔径上调制光束，是活跃和有效的。
该装置可以如图1A所示制造，在两个液晶夹层之间有一个共同的基板，或者它可以由单独的基板制成，使得每个液晶夹层可以分开制造。当两个液晶夹层共用同一中间基板时，旋转偏移可通过印制在每个夹层中电极的图案样式来实现所期望的旋转偏移。
在后者的一个实施例中，可以如下进行设置，即将矩形基板的指状电极设置成，例如，相对于基板边缘呈88度，而相邻液晶夹层的指状电极设置成，例如，相对于基板边缘呈92度，进而使得两个液晶夹层之间将存在4度的旋转偏移。当所需装置具有圆形孔径时，整个电极装置可以在一个或两个夹层或液晶单元组中旋转，组合的液晶夹层将具有所需的旋转偏移。
当多个光束拓宽装置由较大的基板(如晶片)制成，然后分成各个的单层或双层液晶夹层时，这会是有益的。
当两个相同的单层液晶夹层一起形成为具有矩形形状和电极指向正交于侧面的单片化液晶装置时，可以通过将液晶夹层粘合在一起或通过固定安装框组装在一起，以实现小角度的旋转偏移。因此，单个化液晶装置将不是正方形的。当电极图案相对于单个化液晶装置的侧面被旋转时，它们可以粘合在一起或安装在一起成为正方形。
图6和7的实施例示意性地示出了一种如下设计，其中四个液晶夹层具有垂直液晶基态的液晶材料和在每个液晶夹层的相对基板上的正交电极。如图1A，1B和3所示，两个这样的液晶夹层在两个方向上提供光束加宽，并且可以通过两个液晶夹层之间的小角度旋转偏移来改善拓宽后光束的强度均匀性。申请人已经发现四个液晶夹层的布置，其中两个液晶夹层具有彼此平行或正交的电极(无论两个液晶夹层之间是否提供小的角度偏移)和两个液晶夹层具有的电极是相对成45度(无论两个液晶夹层之间是否提供小角度偏移)也可改善光束强度均匀性。应当理解，液晶夹层LCS1至LCS4的排序可以与图7中所示的不同。

Claims (11)

1.一种液晶(LC)光束拓宽装置，包括：
第一液晶夹层，其具有包含在相对的前第一基板和后第一基板内且具有垂直基态取向的液晶材料，前第一基板和后第一基板各自具有平行的电极单元的排列，其中前第一基板上的电极单元延伸正交于后第一基板上的电极单元；
第二液晶夹层，其具有包含在相对的前第二基板和后第二基板内且具有垂直基态取向的液晶材料，前第二基板和后第二基板各自具有平行的电极单元的排列，其中前第二基板上的电极单元延伸正交于第二基板上的电极单元；和
其中所述第一液晶夹层的电极单元相对于所述第二液晶夹层的电极单元平行或正交旋转偏移约2至约8度。
2.如权利要求1所述的液晶光束拓宽装置，其中所述第一液晶夹层和所述第二液晶夹层共用一个公共基板。
3.如权利要求1或2所述的液晶光束拓宽装置，其中所述旋转偏移约为5度。
4.一种液晶(LC)光束拓宽装置，包括：
第一液晶夹层，其具有包含在相对的前第一基板和后第一基板内且具有垂直基态取向的液晶材料，前一基板和后第一基板各自具有平行的电极单元的排列，其中前第一基板上的电极单元延伸正交于后第一基板上的电极单元；
第二液晶夹层，其具有包含在相对的前第二基板和后第二基板内且具有垂直基态取向的液晶材料，前二基板和后第二基板各自具有平行的电极单元的排列，其中前第二基板上的电极单元延伸正交于后第二基板上的电极单元；
第三液晶夹层，其具有包含在相对的前第一基板和后第一基板内且具有垂直基态取向的液晶材料，前第一基板和后第一基板各自具有平行的电极单元的排列，其中前第一基板上的电极单元延伸正交于后第一基板上的电极单元；
第四液晶夹层，其具有包含在相对的前第二基板和后第二基板内且具有垂直基态取向的液晶材料，前第二基板和后第二基板各自具有平行的电极单元的排列，其中前第二基板上的电极单元延伸正交于后第二基板上的电极单元；和
其中所述第一液晶夹层的电极单元相对于所述第二液晶夹层的电极单元平行或正交旋转偏移0至约8度，所述第三液晶夹层的电极单元相对于所述第四液晶夹层的电极单元平行或者正交旋转偏离0到约8度，并且所述第二液晶夹层的电极单元相对于所述第三液晶夹层的电极单元旋转偏移约45度。
5.如权利要求4所述的液晶光束拓宽装置，其特征在于，所述0至约8度的旋转偏移进一步限定为大约2至约8度。
6.如权利要求5所述的液晶光束拓宽装置，其特征在于，所述0到8度的旋转偏移为约5度。
7.如权利要求4，5或6中所述的液晶光束拓宽装置，其特征在于所述第一液晶夹层，所述第二液晶夹层，所述第三液晶夹层和所述第四液晶夹层共用至少一个公共基板。
8.一种液晶(LC)光束拓宽装置，包括：
四个液晶单元各自具有包含在相对的前基板和后基板内的且具有平面取向基态的液晶材料，至少一个所述基板具有平行的电极单元的排列，用于在液晶单元内产生液晶取向的空间变化，所述四个液晶单元中的每一个用于两个偏振中的每一个和两个正交平行电极取向中的每一个；
其中至少一个所述液晶单元的电极单元相对于至少另外一个所述液晶单元中的电极单元平行或正交旋转偏移约2至约8度。
9.如权利要求8所述的液晶光束拓宽装置，其中所述液晶单元共用至少一个公共基板。
10.如权利要求8或9所述的液晶光束拓宽装置，其特征在于所述旋转偏移为约5度。
11.如权利要求8，9或10所述的液晶光束拓宽装置，其特征在于，所述的四个液晶单元中的每一个的电极取向方向与相对应的所述平面取向基态呈约45度的夹角。
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