CN115826280B - 一种具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置和系统,包括第一基板、第二基板、液晶层、电极组件和驱动单元；所述驱动单元包括扩散形状控制模块；所述扩散形状控制模块通过调节施加在每种独立调光区的图案电极上的电压，对每种独立调光区的出射光斑参数进行调整，使最终出射光的轮廓趋向于与扩散光的理想轮廓一致。本发明能够实现任意形状出射光斑的同时确保出射光光强的均匀性，减少出射损耗和对入射光的光强依赖，同时扩大了液晶型扩散片的应用场合。

Description

一种具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置和系统

技术领域

本发明涉及液晶型扩散片技术领域，尤其是指一种具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置和系统。

背景技术

液晶材料同时具有双折射特性与双介电特性，在现代光学产品中具有非常广泛的应用。利用液晶的这一特性，通过电极设计，液晶配向层设计等，使液晶在垂直于基板方向形成规律的折射率变化，可以用来控制光线的偏振方向，形成了目前市面上五花八门的液晶显示装置。通过电极设计，驱动电路波形设计，配向设计等，使液晶在整齐排列和混乱排列之间电控切换。在混乱排列情况下，形成一个个折射率在一定范围内随机变化的液晶畴，当光线通过这些液晶畴的时候，就会发生随机折射，当液晶层厚度足够大时（通常需要10um或更大），就会形成均匀散射的效果，典型的产品有动态散射型液晶盒，PDLC（聚合物分散液晶）型液晶盒，近晶A相多稳态液晶盒等。通过配向材料的设计，使液晶形成折射率按正弦规律变化的规则排列，可以制作成液晶偏振光栅，可以用于偏振光束的折射角度控制。PDLC等液晶混乱排列形成的散射，是入射光线经过多次随机折射后形成的，方向不可控，并且会有部分光线被反射回入射光一侧，导致产品在散射态时整体透过率偏低。

如图1所示，液晶盒包括上基板101、下基板102、上配向层103、下配向层104、液晶105和驱动电极106，液晶105夹在上基板101和下基板102之间，上基板101上涂敷有上配向层103，下基板102上涂敷有下配向层104，下基板102上刻蚀有相互平行的条状驱动电极。通过电极设计、配向设计、表面形貌设计、驱动电场设计等方式，使液晶105在平行于上基板101和下基板102方向形成规律变化的折射率变化，也可以实现一些非常有用的光线控制效果。通过电极形状设计或电场强弱设计，使液晶105形成从产品中心往四周折射率递增或递减的排列，可以产生凹透镜或凸透镜的效果，并且焦距还可以电控调节，如图1中将平行于基板的入射光107转换成呈汇聚效果的出射光108。公开号为CN103792740B的发明中公开了一种可调谐液晶光学装置，正是基于此原理。对于垂直于基板表面入射方向的，偏振方向平行于液晶分子排列方向的入射光，经过液晶单元的时候，左中右侧的光程不同，中间最大（接近ne*d），两侧电极正上方光程最小（接近no*d）,这个液晶单元就相当于一个凸透镜，液晶单元宽度很小（<50um），透镜焦距也很小，最小焦距通常<0.1mm，因此实际使用的时候看不到聚光效果，只能看到发散效果，把液晶换成负性液晶，效果也类似，因此一个电极对的液晶单元，形成的光学效果就类似于一个柱状透镜。由于一层液晶盒只能对应一个偏振方向的光，在实际应用中，通过液晶盒一201、第一光学胶202、液晶盒二203和PCB板204的层叠结构，如图2所示，消除偏振依赖，实现对平行光的有效扩散。有时也会使用如图3的4层盒结构（第一液晶盒301、第二液晶盒302、第三液晶盒303、第四液晶盒304、PCB板305的层叠结构，相邻液晶盒之间填充有第二光学胶306），原因是可以实现更大的扩散角和更好的扩散均匀性。电极结构设计方面，如图4和图5所示，电极由条形电极对组成，单层ITO电极设计，分左上，左下，右上，右下四个区域，电极由一系列在同一层ITO上的平行的ITO电极对组成，最终相同颜色的电极，并入同一组电极对引出。上下层基板都采用相似的电极设计方式，成盒的时候，上下层基板对应位置处电极对方向相互垂直上下层基板各引出两根驱动电极，因此总共有两对（4跟）驱动电极。

然而，目前的液晶扩散片的出射光的轮廓形状与扩散片的形状一致，如圆形扩散片只能产生圆形光斑，对于一些需要异型出射光的应用场合，则不再适用，出射光需要延伸至外围区域，为了确保待照射区域的光强，需要采用更高强度的入射光，在一些场合，延伸至外围区域的光线还会造成干扰。

发明内容

为此，本发明针对现有技术中的不足，提供一种具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置和系统，能够实现任意形状出射光斑的同时确保出射光光强的均匀性，减少出射损耗和对入射光的光强依赖，同时扩大了液晶型扩散片的应用场合。

为解决上述技术问题，本发明的一种具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，所述调控装置包括第一基板、第二基板、液晶层、电极组件和驱动单元；

所述第一基板和第二基板相对设置以构成封闭的液晶盒，液晶材料填充在液晶盒内形成液晶层；所述第一基板或者第二基板上设置有取向层，用以控制液晶材料在断电状态以预设取向排列；

所述第一基板和第二基板上均刻蚀有电极组件；所述电极组件包括多个呈矩阵排列的调控单元；

每个所述调控单元包括 N根第一驱动电极和N根第二驱动电极；所述第一驱动电极和第二驱动电极对应组合，以构成个独立调光区；每个独立调光区内设置有两组互相平行的图案电极，两组图案电极分别与独立调光区对应的第一驱动电极和第二驱动电极连接；所述第一驱动电极和第二驱动电极独立引出至液晶盒之外，与驱动单元连接，用于提供每个独立调光区的两组图案电极以预定的驱动信号，使位于其上的液晶材料在电场作用下产生不同取向的空间变化；所述 N为大于1的正整数；

所述第一基板和第二基板在同一位置的调控单元的图案电极相互垂直，在同一个调控单元范围内，单行和单列上的图案电极互不相同；

所述驱动单元包括扩散形状控制模块；所述扩散形状控制模块通过调节施加在每种独立调光区的图案电极上的电压，对每种独立调光区的出射光斑参数进行调整，使最终出射光的轮廓趋向于与扩散光的理想轮廓一致。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，每组所述图案电极包括相互平行且与驱动电极呈夹角的若干根电极条；所述夹角的取值范围为0°-360°。

进一步地，不同调控单元的同类型图案电极的电极条的宽度、电极条之间的间距不同。

进一步地，所述图案电极的电极条的倾斜角度分别为0+α度、1*180/N+α度、2*180/N+α度、3*180/N +α度、…、(N-1)*180/N+α度；α为角度冗余值，α大于等于0。

进一步地，所述图案电极的电极条的间距范围为10um-100um。

进一步地，所述扩散形状控制模块包括扩散方向向量分析组件、电压-光速角关系分析组件和驱动电压计算组件；

所述扩散方向向量分析组件用于分析得到每种独立调光区的扩散方向向量，；

所述电压-光速角关系分析组件用于结合液晶层和图案电极参数，获取每种独立调光区的电压与对应扩散方向光束角的关系函数；

所述驱动电压计算组件用于对扩散光的理想轮廓进行解析，计算得到所有扩散方向向量上的理论光束角，计算得到相应的驱动电压/>。

进一步地，所述出射光焦距和最大扩散角θ在平行光入射时，分别为：

式中，为独立调光区的相邻电极条之间的距离；/>为液晶层厚度；/>=ne-no。

本发明还提及一种电控光束角度调控系统，包括光束扩散协控装置和多个层叠的如上述任一项中所述的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置；相邻液晶型电控光束角度调控装置的独立调光区的扩散角度相差90°，相邻液晶型电控光束角度调控装置之间填充有偏振控制片；

所述光束扩散协控装置通过调节施加在每层液晶型电控光束角度调控装置的每种独立调光区的图案电极上的电压，对每种独立调光区的出射光斑参数进行调整，使最终出射光的轮廓趋向于与扩散光的理想轮廓一致。

进一步地，光束扩散协控装置包括基准扩散方向向量组获取单元、参数关系获取单元和电压组计算单元；

所述基准扩散方向向量组获取单元用于针对任意一层电控光束角度调控装置，分析其所对应的每种独立调光区的扩散方向向量，j=1,2,…,N，k=1,2,…,K；定义其中一层电控光束角度调控装置为基准层，将其他电控光束角度调控装置的扩散方向解析成与基准层的扩散方向一致，得到电控光束调控系统对应的独立调光区的基准扩散方向向量组；

所述参数关系获取单元用于结合液晶层和图案电极参数，获取任意一层电控光束角度调控装置的每种独立调光区的电压、光强与对应扩散方向光束角的关系函数，/>；/>是第k层电控光束角度调控装置的第/>种独立调光区的电压/>与基准扩散方向/>的光束角的关系函数；/>是第k层电控光束角度调控装置的第/>种独立调光区的电压/>与基准扩散方向/>的光强/>的关系函数；

所述电压组计算单元用于对扩散光的理想轮廓进行解析，计算得到所有基准扩散方向向量上的理论光束角，采用下述公式计算得到第k层电控光束角度调控装置第j个独立调光区的图案电极上的电压值/>：

式中，，/>；/>为最小允许光强阈值，与入射光的光强和应用需求相关。

进一步地，所述基准扩散方向向量组获取单元包括扩散方向判断组件和扩散方向分解组件；

所述扩散方向判断组件用于判断任意一个除基准层之外的电控光束角度调控装置是否存在与基准层不相同的扩散方向，如果存在，将该电控光束角度调控装置的与基准层不相同的扩散方向输出至扩散方向分解组件；如果不存在，重新选取电控光束角度调控装置，直至所有电控光束角度调控装置处理完毕；

所述扩散方向分解组件用于针对扩散方向判断组件输出的每个不相同的扩散方向，筛选出与之相邻的基准层的两个基准扩散方向，根据角度关系将该扩散方向分解成筛选出的两个基准扩散方向的子向量。

本发明所述的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置和系统，具有下列有益效果：

第一，本发明的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，通过调整施加在调控单元包含的多种独立调控区上的驱动电压，对每个独立调控区的出射光斑参数进行控制，可以对每一处光斑的扩散情况做细微控制，实现更多更复杂的扩散形态的控制，例如椭圆，方形或长方形等。

第二，本发明的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，提出了一种调控单元的电极设计结构，可以根据实际需求实现任意数量独立调控区的设置。

第三，本发明的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，缩小了每一个扩散方向的尺寸，光斑内部被扩散的方向更杂乱，更利于扩散均匀化。

第四，本发明的电控光束调控系统，采用多层扩散片（液晶型电控光束角度调控装置）堆叠的方式，进一步展宽了扩散面积，使扩散光更加均匀。

第五，本发明的电控光束调控系统，对多层扩散片的每个独立调控区进行分别控制，在实现异型光斑的基础上，对异型光斑的光强分布进行了优化，提高了光强分布均匀性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是现有液晶材料扩散原理示意图；

图2是现有扩散片的两层叠加方式示意图；

图3是现有扩散片的四层叠加方式示意图；

图4是现有扩散片的下基板的电极结构示意图；

图5是现有扩散片的上基板的电极结构示意图；

图6是本发明的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置的结构示意图；

图7是本发明的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置的图案电极示意图；

图8是本发明的其中一种第一驱动电极和第二驱动电极的局部结构示意图；

图9是图7中独立调光区的局部放大图；

图10是本发明的电控光束角度调控系统的结构示意图；

图11是现有技术扩散片叠加2层后的扩散效果示意图；

图12是本发明的液晶型电控光束角度调控装置叠加2层后的扩散效果示意图；

图13是本发明的液晶型电控光束角度调控装置叠加4层后的扩散效果示意图；

图14是本发明的独立调控区的光束角与电压关系示意图；

图15是本发明的其中一种单元调控区的电极结构示意图。

说明书附图标记：101、上基板；102、下基板；103、上配向层；104、下配向层；105、液晶；106、驱动电极；107、入射光；108、出射光；201、液晶盒一；202、第一光学胶；203、液晶盒二；204、PCB板；301、第一液晶盒；302、第二液晶盒；303、第三液晶盒；304、第四液晶盒；305、PCB板；306、第二光学胶；501、第一基板；502、电极组件；503、液晶层；504、第二基板；505、驱动单元；511、第一驱动电极；512、第二驱动电极；513、独立调光区；601、X向第一扩散片；602、Y向第一扩散片；603、X向第二扩散片；604、Y向第二扩散片；605、液晶偏振控制片。

具体实施方式

实施例一

如图6所示，本实施例提供一种具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，所述调控装置包括第一基板501、第二基板504、液晶层503、电极组件502和驱动单元505。

所述第一基板501和第二基板504相对设置以构成封闭的液晶盒，液晶材料填充在液晶盒内形成液晶层503；所述第一基板501或者第二基板504上设置有取向层（未标出），用以控制液晶材料在断电状态以预设取向排列。

所述第一基板501和第二基板504上均刻蚀有电极组件502；所述电极组件502包括一个或者多个呈矩阵排列的调控单元。

参考图7、图8和图9所示，每个所述调控单元包括N根第一驱动电极511和N根第二驱动电极512；所述第一驱动电极511和第二驱动电极512均呈树杈状，包括一根列电极和若干根均匀分布在列电极两侧的横电极，第一驱动电极511和第二驱动电极512的横电极交错排列，使第一驱动电极511和第二驱动电极512对应组合，以构成个独立调光区513；每个独立调光区513内设置有两组互相平行的图案电极，两组图案电极分别与独立调光区513对应的第一驱动电极511和第二驱动电极512连接；所述第一基板501和第二基板504的第一驱动电极511和第二驱动电极512独立引出至液晶盒之外，与驱动单元505连接，用于提供每个独立调光区的两组图案电极以预定的驱动信号，使位于其上的液晶材料在电场作用下产生不同取向的空间变化；所述N为大于1的正整数。

所述第一基板501和第二基板504在同一位置的调控单元的图案电极相互垂直，在同一个调控单元范围内，单行和单列上的图案电极互不相同。

所述驱动单元505包括扩散形状控制模块；所述扩散形状控制模块根据扩散光的理想轮廓，通过调节施加在每种独立调光区的图案电极上的电压，对每种独立调光区的出射光斑参数进行调整，使最终出射光的轮廓趋向于与扩散光的理想轮廓一致。

在实际应用中，N的数量越大，扩散方向越多，扩散效果越好，相应的，驱动算法也越复杂。优选的，所述N≥4，相应的，所述图案电极的电极条的倾斜角度分别为0+α度、1*180/N+α度、2*180/N+α度、3*180/N +α度、…、(N-1)*180/N+α度；α为角度冗余值，α大于等于0。对于同一个液晶型电控光束角度调控装置来说，α的取值只要固定，扩散结果实际上是等效的。当液晶型电控光束角度调控装置叠加时，不同扩散片的α的取值不同，扩散效果会出现差异。在本实例中，N的取值为8。每组所述图案电极包括相互平行且与驱动电极呈夹角的若干根电极条；所述夹角的取值范围为0°至360°。在本实例中，图案电极的电极条的倾斜角度分别为0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°和157.5°。

所述N*N个独立调光区513组成的单个调控单元的尺寸小于入射圆光斑内接正方形的尺寸，以使入射光斑能覆盖足够多的独立调光区。

如图15所示，所述第一驱动电极511和第二驱动电极512均包括N个呈L型阶梯状的透明电极条和连接在N个透明电极条之间的金属电极，金属电极的宽度远小于透明电极条的宽度。将每个单元调控区的个独立调光区513视为N*N矩阵，第i根第一驱动电极511和第i根第二驱动电极512对应第i个矩阵斜线和第N-i个矩阵斜线上的所有独立调光区513的L型透明电极条，i=1,2,…,N；其中，当N为偶数且i=N/2时，或者当N为奇数且i=（N+1）/2时，第i根第一驱动电极511和第i根第二驱动电极512对应矩阵对角线上的所有独立调光区513的L型透明电极条。同一斜线上的L型透明电极条的结构相同，相邻斜线上的L型透明电极条的结构呈镜像。

该电极结构设计的优点为：可以根据实际需求任意设置N的取值；本实施例中，N取值为8，共引出电极对1至电极对8这8对驱动电极；第二，每个驱动电极的负载相差不大，有利于驱动电压设置；第三，扩散区域的透光率很高，有助于提高扩散效果。

优选的，对不同调控单元的同类型图案电极的电极条的宽度、电极条之间的间距做差异化设计，有助于消除色散。

在本实施例中，独立调光区513的尺寸小于5mm*5mm，电极条尺寸通常为微米级别（取决于蚀刻精度），图案电极的电极条的间距范围为10um-100um，最小焦距可达50um以内。以图7中的图案电极为例，每个独立调光区513的尺寸为2mm或者0.5mm，结合8个电极对方向，更容易对输入光束进行不同区域不同角度的扩散，同时也可以确保电极工艺良率。优选的，不同调控单元的同类型图案电极的电极条的宽度、电极条之间的间距不同，可以在前述结构基础上实现更多的扩散模式。

实施例二

参考图10所示，本实施例还提供一种电控光束角度调控系统，所述电控光束角度调控系统包括依次层叠的X向第一扩散片601、Y向第一扩散片602、X向第二扩散片603和Y向第二扩散片604，任意相邻的扩散片之间设置有液晶偏振控制片605。同样光源下双层扩散片和四层扩散片叠加后的扩散效果如图12和13所示。相比图11的现有技术的扩散片的扩散效果，本实施例的扩散片能够实现8对（16个）方向的扩散效果，最终的光斑均匀性无疑更加优秀。具体地，双层扩散片在扩散后无明显条纹，色散现象也有明显减轻，四层扩散片除中间位置轻微亮斑外，整体扩散非常均匀，也没有色散现象，效果比较理想。

本实施例采用的扩散片的形状为圆形，在每种图案电极驱动电压相同的情况下，出射光斑也呈圆形，假设目标照射区域是整面墙，在当前驱动电压下墙角区域是无法被照射到的，增大驱动电压后的光斑范围如图12和图13所示，虽然目标照射区域全部被覆盖，但实际照射区域实际上已经延伸至其他墙体区域，光能利用效率并未达到最佳。所述扩散形状控制模块包括扩散方向向量分析组件、电压-光速角关系分析组件和驱动电压计算组件。

所述扩散形状控制模块根据扩散光的理想轮廓，通过调节施加在每种独立调光区513的图案电极上的电压，对每种独立调光区513的出射光斑参数进行调整，使最终出射光的轮廓趋向于与扩散光的理想轮廓一致，所述扩散形状控制模块具体包括：

采用扩散方向向量分析组件分析得到每种独立调光区513的扩散方向向量，；

采用电压-光速角关系分析组件结合液晶层和图案电极参数，获取每种独立调光区513的电压与对应扩散方向光束角的关系函数 ；

采用驱动电压计算组件对扩散光的理想轮廓进行解析，计算得到所有扩散方向向量上的理论光束角，计算得到相应的驱动电压/>。

在本实施例中，为了简化控制过程，一个扩散片通常只采用一种调控单元，且调控单元呈矩阵形式分布并统一控制。因此，如图7所示的扩散片的图案电极目前只用来实现对称的异型光斑，例如椭圆形、正方形、长方形等等。如果需要实现更加多样化的非对称的结构，则需要在扩散片上设置多种不同扩散方向组合的调控单元，再对每个调控单元进行分别控制。本实施例仅以平行光入射只具有一种调控单元的扩散片为例进行说明。

平行光入射时，每个电极对的出射光焦距和最大扩散角/>分别为：

式中，为独立调光区的相邻电极条之间的距离；/>为液晶层厚度；/>=ne-no。

在平行光入射情况下，随电极间电压不同，单个独立调光区513的扩散角可以在 0- θ之间调整。图14是实测的不同电压下的光束角情况，对于某一测试型号样品，入射光张角10.5°的情况下，出射光的光束角的范围为10.5°-71.4°。以图7的8种图案电极为例，共计8对扩散方向，如果每种独立调光区513的驱动电压一致，则16个扩散方向的光束角也是一致的，出射光斑的形状与扩散片的形状近乎一致。如果不同独立调光区513的驱动电压不相同，那么在8对扩散方向上的光束角也会不相同，最终展现出来的则是不同形状的出射光斑。例如，当扩散光斑需要呈圆形时，扩散方向为长轴的独立调光区513的驱动电压最大，扩散方向为短轴的独立调控区的驱动电压最小，即可以实现出射光斑呈椭圆形的最终效果。

光束角越大，在该扩散方向上的光强越小。在一些例子中，当出射光斑的长轴和短轴的差值过大时，容易出现光强分布不均匀的问题。为此，本实施例还提及一种电控光束角度调控系统，所述电控光束角度调控系统包括光束扩散协控装置和多个层叠的如前所述的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置；相邻液晶型电控光束角度调控装置的独立调光区513的扩散角度相差90°，相邻液晶型电控光束角度调控装置之间填充有偏振控制片。对于如液晶波片或TN型液晶片等设备，也可以不含有偏振片。

所述光束扩散协控装置包括基准扩散方向向量组获取单元、参数关系获取单元和电压组计算单元。所述光束扩散协控装置根据扩散光的理想轮廓，通过调节施加在每层液晶型电控光束角度调控装置的每种独立调光区513的图案电极上的电压，对每种独立调光区513的出射光斑参数进行调整，使最终出射光的轮廓趋向于与扩散光的理想轮廓一致，具体包括：

所述基准扩散方向向量组获取单元用于针对任意一层电控光束角度调控装置，分析其所对应的每种独立调光区513的扩散方向向量，/>，；定义其中一层电控光束角度调控装置为基准层，将其他电控光束角度调控装置的扩散方向解析成与基准层的扩散方向一致，得到电控光束调控系统对应的独立调光区513的基准扩散方向向量组/>。

所述基准扩散方向向量组获取单元包括扩散方向判断组件和扩散方向分解组件；所述扩散方向判断组件用于判断任意一个除基准层之外的电控光束角度调控装置是否存在与基准层不相同的扩散方向，如果存在，将该电控光束角度调控装置的与基准层不相同的扩散方向输出至扩散方向分解组件；所述扩散方向分解组件用于针对扩散方向判断组件输出的每个不相同的扩散方向，筛选出与之相邻的基准层的两个基准扩散方向，根据角度关系将该扩散方向分解成筛选出的两个基准扩散方向的子向量。

将其他电控光束角度调控装置的扩散方向解析成与基准层的扩散方向一致的过程包括以下步骤：

S11，选取任意一个除基准层之外的电控光束角度调控装置，判断其是否存在与基准层不相同的扩散方向，如果不存在，转入步骤S13，否则，转入步骤S12。S12，针对每个不相同的扩散方向，筛选出与之相邻的基准层的两个基准扩散方向，根据角度关系将该扩散方向分解成筛选出的两个基准扩散方向的子向量。S13，返回步骤S11，重新选取电控光束角度调控装置，直至所有电控光束角度调控装置处理完毕。

例如，当N取值为2时，每层扩散片对应4个扩散方向，相邻扩散方向的夹角为90°，若相邻扩散片在同一位置的电极对方向相互垂直，最终每层扩散片的扩散方向仍是一致的。而当N取值为3时，每层扩散片对应6个，相邻扩散方向的夹角为60°，若相邻扩散片在同一位置的电极对方向相互垂直，最终每层扩散片的扩散方向则不再一致，此时可以选取其中一个扩散片作为基准扩散片以得到基准扩散方向，再通过角度解析的方式将其他扩散片的扩散方向分解至基准扩散方向。该步骤的目的在于对出射光斑的形状和光强均匀性进行有效控制。

所述参数关系获取单元用于结合液晶层和图案电极参数，获取任意一层电控光束角度调控装置的每种独立调光区513的电压、光强与对应扩散方向光束角的关系函数，/>；/>是第k层电控光束角度调控装置的第/>种独立调光区的电压/>与基准扩散方向/>的光束角的关系函数；/>是第k层电控光束角度调控装置的第/>种独立调光区的电压/>与基准扩散方向/>的光强/>的关系函数；

假设两层扩散片叠加，平行光入射第一层扩散片后向16个扩散方向进行扩散，这16个扩散方向的散射光以及未被散射的部分平行光会同时入射至第二层扩散片进行再次扩散。对于未被散射的部分平行光，将会再次向第二层扩散片对应的16个扩散方向进行扩散。理论上，第一层扩散片的16个扩散方向的散射光也会被第二层扩散片进行再次散射。为了简化计算过程，本实施例只针对未被散射的部分平行光的散射光强和光束角进行计算。经测试，前一层扩散片的散射光在经过后一层时的光束角和光强虽略有变化，但相对于后一层扩散片对平行光的叠加散射效果，其对最终出射光斑的形状和光强分布影响较小。

所述电压组计算单元用于对扩散光的理想轮廓进行解析，计算得到所有基准扩散方向向量上的理论光束角，采用下述公式计算得到第k层电控光束角度调控装置第j个独立调光区的图案电极上的电压值/>：

式中，，/>；/>为最小允许光强阈值，与入射光的光强和应用需求相关。

本实施例的电控光束调控系统最终能够实现异型光斑的出射，且在异型光斑光强符合最低标准的前提下，进一步改善了异型光斑的光强分布均匀性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，其特征在于，所述调控装置包括第一基板、第二基板、液晶层、电极组件和驱动单元：

所述第一基板和第二基板相对设置以构成封闭的液晶盒，液晶材料填充在液晶盒内形成液晶层；所述第一基板或者第二基板上设置有取向层，用以控制液晶材料在断电状态以预设取向排列；

所述第一基板和第二基板上均刻蚀有电极组件；所述电极组件包括多个呈矩阵排列的调控单元；

每个所述调控单元包括N根第一驱动电极和N根第二驱动电极；所述第一驱动电极和第二驱动电极对应组合，以构成N²个独立调光区；每个独立调光区内设置有两组互相平行的图案电极，两组图案电极分别与独立调光区对应的第一驱动电极和第二驱动电极连接；所述第一驱动电极和第二驱动电极独立引出至液晶盒之外，与驱动单元连接，用于提供每个独立调光区的两组图案电极以预定的驱动信号，使位于其上的液晶材料在电场作用下产生不同取向的空间变化；所述N为大于1的正整数；

所述第一基板和第二基板在同一位置的调控单元的图案电极相互垂直，在同一个调控单元范围内，单行和单列上的图案电极互不相同；

所述驱动单元包括扩散形状控制模块；所述扩散形状控制模块通过调节施加在每种独立调光区的图案电极上的电压，对每种独立调光区的出射光斑参数进行调整，使最终出射光的轮廓趋向于与扩散光的理想轮廓一致。

2.根据权利要求1所述的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，其特征在于：每组所述图案电极包括相互平行且与驱动电极呈夹角的若干根电极条；所述夹角的取值范围为0°-360°。

3.根据权利要求2所述的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，其特征在于：不同调控单元的同类型图案电极的电极条的宽度、电极条之间的间距不同。

4.根据权利要求2所述的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，其特征在于：所述图案电极的电极条的倾斜角度分别为0+α度、1*180/N+α度、2*180/N+α度、3*180/N+α度、…、(N-1)*180/N+α度；α为角度冗余值，α大于等于0。

5.根据权利要求1所述的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，其特征在于：所述图案电极的电极条的间距范围为10um-100um。

6.根据权利要求1所述的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，其特征在于：所述扩散形状控制模块包括扩散方向向量分析组件、电压-光速角关系分析组件和驱动电压计算组件；

所述扩散方向向量分析组件用于分析得到每种独立调光区的扩散方向向量j＝1,2,…,N；

所述电压-光速角关系分析组件用于结合液晶层和图案电极参数，获取每种独立调光区的电压与对应扩散方向光束角的关系函数

所述驱动电压计算组件用于对扩散光的理想轮廓进行解析，计算得到所有扩散方向向量上的理论光束角计算得到相应的驱动电压/>

7.根据权利要求2所述的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置，其特征在于：所述出射光焦距f和最大扩散角θ在平行光入射时，分别为：

θ＝2arctan(L/2f)

式中，L为独立调光区的相邻电极条之间的距离；D为液晶层厚度；Δn＝ne-no，其中ne为液晶层非寻常光的折射率，no为液晶层寻常光的折射率。

8.一种电控光束角度调控系统，其特征在于，包括光束扩散协控装置和多个层叠的如权利要求1-7任一项中所述的具有独立分区的液晶型电控光束角度调控装置；相邻液晶型电控光束角度调控装置的独立调光区的扩散角度相差90°，相邻液晶型电控光束角度调控装置之间填充有偏振控制片；

所述光束扩散协控装置通过调节施加在每层液晶型电控光束角度调控装置的每种独立调光区的图案电极上的电压，对每种独立调光区的出射光斑参数进行调整，使最终出射光的轮廓趋向于与扩散光的理想轮廓一致。

9.根据权利要求8所述的电控光束角度调控系统，其特征在于，所述光束扩散协控装置包括基准扩散方向向量组获取单元、参数关系获取单元和电压组计算单元；

所述基准扩散方向向量组获取单元用于针对任意一层电控光束角度调控装置，分析其所对应的每种独立调光区的扩散方向向量k＝1,2,…,K；定义其中一层电控光束角度调控装置为基准层，将其他电控光束角度调控装置的扩散方向解析成与基准层的扩散方向一致，得到电控光束调控系统对应的独立调光区的基准扩散方向向量组

所述参数关系获取单元用于结合液晶层和图案电极参数，获取任意一层电控光束角度调控装置的每种独立调光区的电压、光强与对应扩散方向光束角的关系函数G_j，k()是第k层电控光束角度调控装置的第j种独立调光区的电压V_j‘，k与基准扩散方向/>的光束角/>的关系函数；F_j‘，k是第k层电控光束角度调控装置的第j‘种独立调光区的电压V_j‘，k与基准扩散方向/>的光强的关系函数；

所述电压组计算单元用于对扩散光的理想轮廓进行解析，计算得到所有基准扩散方向向量上的理论光束角采用下述公式计算得到第k层电控光束角度调控装置第j个独立调光区的图案电极上的电压值V_j，k：

式中，j^*＝1，2，...，N，j^*≠j；E^*为最小允许光强阈值，与入射光的光强和应用需求相关。

10.根据权利要求9所述的电控光束角度调控系统，其特征在于，所述基准扩散方向向量组获取单元包括扩散方向判断组件和扩散方向分解组件；

所述扩散方向判断组件用于判断任意一个除基准层之外的电控光束角度调控装置是否存在与基准层不相同的扩散方向，如果存在，将该电控光束角度调控装置的与基准层不相同的扩散方向输出至扩散方向分解组件；如果不存在，重新选取电控光束角度调控装置，直至所有电控光束角度调控装置处理完毕；

所述扩散方向分解组件用于针对扩散方向判断组件输出的每个不相同的扩散方向，筛选出与之相邻的基准层的两个基准扩散方向，根据角度关系将该扩散方向分解成筛选出的两个基准扩散方向的子向量。