TW201831048A - 液晶動態束控制裝置和製造方法 - Google Patents

Abstract

從光源發出可變光束。光源可以是LED光源或其他光源。所述光源包括基本準直光學器件，例如反射器或菲涅耳透鏡，可電控的LC裝置，例如一個多分散性LC膜，置於入射點光束的前方。優選地，所述多分散的LC膜包括透明平面均勻的電極層。該LC裝置可以是與光源相互獨立的。所提出的方案提供了一個動態可控的，優選為偏振獨立的和無圖元的光束形狀光源模組，其包括一個可控的光束控制模組和光源模組，提供掃描器光源的初始光束，照相機閃光燈，建築、汽車或工業的照明裝置。

Description

液晶動態束控制裝置和製造方法

本申請案要求於2016年11月18日提交的美國臨時專利申請62/423,810的優先權，其內容通過引用結合於此。

本專利申請案涉及液晶光束色散控制裝置，其製造方法和集成到燈具或光源中。

可見光源可以是發光二極體，白熾燈泡，螢光燈源或電發光光源。對於也被稱為建築照明的空間實用照明，已知使用反射鏡和/或透鏡來提供具有期望的準直或發散的光源光束。然而，發光二極體(LED)目前正在新安裝以及替代以前的光源的情況中大規模地被應用。這些LED光源已經提供了顯著節能，和帶來了讓新興的應用方式可以實現光強度和顏色的動態控制以及支援LiFi(代替或與WiFi並行)的通信的可能性。

光源中沒有提供光的的空間形狀，發散、眩光和方向上的動態控制。目前這是通過結合許多被指向不同方向的(數百個)LED光源，並通過使用一個相當複雜的電子設備 來逐個控制它們。

當前已知的方案建議使用步進電機和鏡子的複雜機械系統來獲得光的空間控制。

液晶(LC)材料已經成功用於LC顯示器(LCD)和電可變成像透鏡(參見WO2009/153764)。在那些LC裝置中，通常使用電場來控制LC單元中LC材料的分子取向。分子取向的變化影響LC材料的局部折射率，並因此影響其折射率分佈。這可以改變光的相位或其偏振方向。

但是，為了控制光發散，需要非均勻(動態可控的)折射率分佈。特別是在LC透鏡控制應用中，特定的折射率梯度變化可以產生所謂的梯度折射率(GRIN)透鏡。在LCD設備的另一種情況下，設置多個電極來實現這種調變。

此外，為了對非偏振光進行操作，用於顯示器應用的LCD裝置傳統上使用兩個偏振器，其將光效率(就背向觀察者的光傳輸方向而言)顯著降低到10%以下。由於使用偏振器產生有害的光效率減少，由此，申請人對於移動成像應用(手機電話攝像頭)發展了雙LC層結構(每一層具有其基態的光軸垂直於另一層)，以提供不帶偏振器的電可變成像透鏡。

上述提到的LC成像鏡頭通常限制在3個毫米的光通孔，這可以使用非分段(無圖元)電極以進行聚焦。然而，基於LED的照明系統通常使用藍色LED泵送 螢光體層，其中光源是朗伯型(在光源的每個點處非常發散)。為了準直這個光源，使用了各種類型的反射器。這提供了一個具有更多或更少的準直的輸出光束(例如，10度，如光強度橫向分佈的全寬半峰值，或FWHM測量)。此外，照明器的(採用這種光源)的光通孔通常可達100毫米一樣大。

現有的基於LED的照明系統具有固定的光束色散(固定寬色散或固定點光束)。例如，第1圖示出了來自CREE的市售LED光源在白色螢幕上投射的點光束。一個“單個光通孔”的方法不能提供足夠的調變(不同的光射線之間的光程差)，以產生光發散的一個顯著變化。因此，被投影的光束大小(點或片)將在設定的場景中保持幾乎相同的尺寸。這已經產生了引入多個光通孔(圖元化)元件的必要性，例如被配置為將色散添加到點光束的線性或圓形微透鏡的陣列。這種新穎的發展在2016年5月25日提交的國際申請案PCT/CA2016/050589中描述，其全部內容通過引用併入本文。液晶光束成形裝置在專利文獻中也是已知的，例如2010年6月17日公開的US2010/0149444。這種裝置被放置在光束的光路中，其位於光源的發光部分的一定距離處。這樣的設備通常需要大約50V的電力供應並要求對其操作進行控制。

第1圖示出了來自CREE的市售LED光源在白色螢幕上投射的點光束。第2圖示出了使用圖元化LC光束成形裝置擴展的點光束。可以在強度分佈中觀察到十 字形結構。第3圖示出了通過使用改進的LC光束成形裝置擴展的點光束。其中頑固的十字形結構減少，而光束看起來更圓對稱。

多光通孔元件的使用需要電極蝕刻的附加步驟從而增加了其製造成本。因此需要改進製造動態可變光束成形LC裝置的成本，同時保持光源的光束品質。

在一些應用中，多光通孔元件的使用可能是合適的，然而，像無圖元LC光束擴展裝置一樣，將它們集成到光源中仍然是一個挑戰。

從光源發出可變光束。光源可以是LED光源或其他光源。所述光源包括基本準直光學器件，例如反射器或菲涅耳透鏡，可電控的LC裝置，例如一個多分散LC膜，置於入射點光束的前方。優選地，所述多分散的LC膜包括透明平面均勻的電極層。該LC裝置可以是與光源相互獨立的。所提出的方案提供了一個動態可控的，優選為偏振獨立的和無圖元的光束形狀光源模組，其包括一個可控的光束控制模組和光源模組，提供掃描器光源的初始光束，照相機閃光燈，建築、汽車或工業的照明裝置。

當前申請案中公開了，在一些實施例中，LC裝置其中LC團塊或液滴具有多分散的特點和它們的屬性(有效折射率)可以通過施加電場來動態控制，例如優選使用平面透明電極的均勻電場。這可以消除電極的圖元化(因此該結構被認為是單光通孔器件)以及消除偏振器。在 一些實施方案中甚至單層多分散的複合材料(LC-聚合物，LC-顆粒等)可以被用於控制光擴展角度。在一些其他實施例中，描述了兩層或多層這種複合材料，顯著降低了設備的成本。

申請人已經發現了與多分散性光束成形LC裝置的光學性能有關的許多特徵，包括使用非圖元化、基本上均勻的電極，從而不需要偏振器和形成單光通孔。

根據所提出的解決方案，在光路中使用至少一種聚合物分散液晶(PDLC)的多分散LC液滴元件允許對透過光特性的控制。因此，根據所提出的解決方案的一個實施例，主動控制的PDLC膜直接地且專門地在低發散光源的前端使用，以提供可變的色散控制。優選地，PDLC膜包括透明平面的均勻電極層。

按照提出的方案的另一實施例，主動控制的PDLC膜，直接從電源驅動，經由電壓轉換器，或通過脈寬調變(PWM)被直接和專門地用在LED光源前面以提供可變色散控制。可以採用額外的直流電源或其他替代方案來實現色散控制。

根據所提出的解決方案的另一個實施例，在光路中使用具有多分散LC團塊的至少一個聚合物穩定液晶(PSLC)元件允許控制透射光束特性。因此，根據所提出的解決方案的寬泛的方面，主動控制的PSLC膜被直接且專門地用於低發散光源的前端以提供可變的色散控制。優選地，PSLC膜包括透明平面的均勻電極層。

根據所提出的解決方案的另一個實施方案中，在光路中使用至少兩個具有多分散LC團塊的聚合物穩定液晶(PSLC)元件允許在非偏振的入射光束的情況下對透過光特性進行更好的控制。因此，根據所提出的解決方案的一個實施例，主動控制的PSLC膜被直接且專門地在低發散光源之前採用，以提供可變的色散控制。這些PSLC膜優選包括透明平面的均勻電極層。

根據所提出的解決方案的另一實施例，在光路中使用具有多分散LC團塊的至少一個微奈米顆粒穩定化液晶(MNP-SLC)元件允許控制透射光束特性。因此，根據所提出的解決方案的寬泛的方面，主動控制的MNP-SLC膜被直接且專門地用於低發散光源的前端以提供可變色散控制。優選地，MNP-SLC膜包括透明平面的均勻電極層。

根據所提出的解決方案，可以採用空間非均勻，例如二維(2D)或三維(3D)結構的多分散複合LC材料形態(例如週期性光柵等)來提供動態光束角度擴展，再次通常稱為(發散)色散控制。

申請人還發現，當液晶裝置被安裝在光源的出射孔處時，可以從光源的點光束的周邊取得的光伏電力產生1到百毫瓦的範圍的驅動功率(電壓在1到50V的範圍)。

申請人還發現，通過檢測提供給光源的功率調變序列，可以控制液晶光束成形或轉向裝置，而不需 要單獨的控制信號路徑來控制液晶裝置的狀態。

申請人進一步發現，通過適合於給定的光源出射光束的光學孔徑的安裝，可以使液晶光束控制裝置的整合變得容易，使得液晶光束控制裝置可以在製造光源之後連接到光源。

申請人進一步發現，提供將定向光束控制的液晶光束控制裝置安裝到具有可旋轉安裝的光源上，使得不同的光源可以與不同的光源的液晶光束控制裝置共同使用一個光束控制方向。

在本申請案中，“光束控制裝置”是指可以接收輸入光束以提供調變輸出光束的光學裝置，其中調變可以是可變地控制至少一個方向或維度上的發散或光束發散，和/或至少在一個方向上光束的轉向。

12‧‧‧基板

14A、14B‧‧‧電極

18‧‧‧取向層

20‧‧‧LC

通過參照附圖對本發明實施例的以下詳細描述，將更好地理解所提出的解決方案，其中：第1圖是由CREE提供的商業LED部件投射的點光束的圖示；第2圖是示出經由LC光束成形裝置的LED點光束擴展的嘗試的圖示，其增加的色散，其具有不希望的具有4個波瓣的十字形角光束強度分佈；第3圖是示出如第2圖的LC光束成形裝置的LED點光束擴展的另一個嘗試的圖示，其中使用發散器提供固定量的發散，以提供改進的角光束強度分佈，然而 其具有頑固的十字形光束包絡；第4A圖是示出處於基態的LC域散射入射光的聚合物分散液晶(PDLC)膜的示意圖；第4B圖是示出當利用電場驅動時具有允許入射光透射的LC域的協調取向的工作態的PDLC裝置的示意圖；第5A圖是具有良好的多分散性的PDLC膜的示意圖；第5B圖是示出了多分散性不足的PDLC膜的示意圖；第6A圖是一個圖表，顯示測量第5A圖中描述的裝置的施加的電壓和光透射的關係。由於所述材料的多分散性，光傳輸是柔和的，發生在相對較寬的控制電壓範圍；第6B圖是示出第5B圖中描述的設備的測量的施加的電壓相對於光透射的曲線圖；第7圖是第1圖所示的LED元件的點光束通過如第5A圖所述的未驅動的(基態)PDLC膜的發光，根據所提出的解決方案，光束投射具有良好的光色散品質而沒有強度或顏色的不均勻性；第8A圖根據所提出的解決方案，是第1圖所示的LED元件的點光束通過如第5A圖所述的以10V交流電驅動的PDLC膜的發光的另一圖示；第8B圖根據所提出的解決方案，是第1圖 所示的LED元件的點光束通過如第5A圖所述的以50V交流電驅動的PDLC膜的發光的另一圖示；第8C圖根據所提出的解決方案，是第1圖所示的LED元件的點光束通過如第5A圖所述的以120V交流電驅動的PDLC膜的發光的另一圖示；第9圖根據所提出的解決方案，是在不同控制條件下顯示投影光束的角度強度分佈的歸一化極座標圖；第10圖是示出根據所提出的解決方案的實施例的照明器的電路圖的示意圖；第11圖是示出根據所提出的解決方案的另一實施例的另一照明器的電路圖的示意圖；第12圖是示出根據所提出的解決方案的另一個實施例的另一照明器的電路圖的示意圖；第13圖是示出根據所提出的解決方案的另一個實施例的另一照明器的電路圖的示意圖；第14A、14B和14C圖示出了在一個PSLC層上的光強度控制(在圖的左側更強)。其中a)PSLC膜位於正交的偏振器之間；b)通過與LC分子的原始方向平行的偏振器觀察PSLC膜；c)通過與LC分子的原始方向垂直的偏振器觀察PSLC膜。(V.V.PRESNYAKOV，T.V.GALSTIAN，“Light Polarizer Based on Anisotropic Nematic Gel with Electrically Controlled Anisotropy of Scattering”“基於各向異性向列凝膠的電控各向異性散射光偏振器”，MC & LC，Molecular Crystalsand Liquid Crystals，Volume 413，2004-issue 1)；第15圖是光傳輸的偏振分量T_⊥,T_∥的控制的示意圖，以及聚合PSLC在溫度56℃的樣品T_⊥/T_∥偏振效率與施加電壓的函數關係(V.V.PRESNYAKOV，T.V.GALSTIAN，“Light Polarizer Based on Anisotropic Nematic Gel with Electrically Controlled Anisotropy of Scattering”“基於各向異性向列凝膠的電控各向異性散射光偏振器”，MC & LC，Molecular Crystalsand Liquid Crystals，Volume 413，2004-issue 1)；第16、16B、16C和16D圖是顯微照片，示出了用於提供散射/色散中心的拓撲微粒的彈性自組裝和圖案化。第16A圖是光學顯微照片，其顯示了密集排列的托倫(toron)陣列中的六邊形排序，其中大面積晶粒被晶界分開。第16B圖至第16D圖示出了偏振的光學顯微照片，描繪從(第16B圖)各向同性排斥相互作用介導六方陣列的形成到(第16C圖)弱各向異性吸引相互作用導致具有較小週期性的拓撲顆粒微晶，和(第16D圖)高度各向異性的相互作用導致toron-纜線偶極子的電壓控制轉變(Paul J.Ackerman,Jao van de Lagemaat,& Ivan I.Smalyukh,“Self-assembly and electrostriction of arrays and chains of hopfion particles in chiral liquid crystals”“自組裝和手性液晶中跳躍粒子陣列和鏈的電致伸縮”,NATURE COMMUNICATIONS | DOI：10.1038/ncomms7012,2015)； 第17圖是應用系統的示意圖，其具有諸如光強度調節和擴展的功能；第18圖是一個液晶光束控制裝置的示意透視圖，該液晶光束控制裝置在圓形裝置的外圓周上具有佈置成環形的光伏帶或環，液晶控制電極驅動電路和控制電路設置在設備的邊緣；第19A圖是根據第18圖的具有安裝在光源上的四個LC單元的裝置的示意性橫截面；第19B圖是類似於第18圖的具有安裝在光源上的高分子分散型液晶材料的裝置的示意性橫截面；第20A圖是使用單元的一個基板上的平面內電極的一種類型的“方向操作”LC光束擴展單元設計的示意性橫截面圖；第20B圖是根據第20A圖的4個LC單元的示意性橫截面圖，其組合以提供光束擴展控制在兩個方向上與兩個線性垂直(或正交)的偏振的非偏振光；第20C圖示出了在基本上圓形的液晶光束控制器件上如何在一個方向上在一個基板上佈置圖案化的交叉指形電極；第20D圖是針對相對強度與給定光源的角度和第20B圖的裝置所應用的不同電壓的函數關係圖；第21A圖是當液晶光束控制元件關閉時來自鐳射光源的聚焦點光束的實驗圖像，示出來自光源的兩個並排光束以平行方向指向，並且它們之間具有小間距； 第21B圖示出了第21A圖的相同點光束在液晶光束控制元件被驅動，並且兩個液晶光束控制器件的圖案化電極共同對齊的情況下，在兩個方向上加寬該點光束；第21C圖示出了第21A圖的相同點光束在液晶光束控制元件被驅動，並且兩個液晶光束控制器件的圖案化電極錯位的情況下，在兩個方向上加寬該點光束；第22圖示出根據第19圖的實施例的具有安裝到一側的PV元件的環形電路板的側視圖；第23圖示出了包括多個控制選項，例如紅外通信，藍牙，WiFi，LiFi和光切換的控制電路的示例的示意框圖。第24圖示出了光束控制預設的程式設計流程控制；第25圖示出正在使用的光束控制狀態切換流程控制；第26圖是第23圖的變型實施例，其中LC光束控制裝置由光源的強度調變來控制，並且光源具有用於接收用戶命令以控制LC光束控制裝置的通信電路；以及第27圖是第26圖的變型實施例，其中LC光束控制裝置由光源的強度調變來控制，並且光源具有用於接收用戶命令以控制LC光束控制裝置的通信電路，其中用於LC光束控制裝置由光源的電連接器提供電源。

在下面的詳細描述的幫助下，可以更好地理解所提出的裝置的操作。

傳輸光束的控制元件是由發明人在本文描述的，在國際申請案WO2016/026055於2016年2月25日公佈，並在相應的美國授權前公開檔2017/0218686中公開，將其全部內容併入本文引用。這種PDLC膜提供電可控的光散射。例如，第4A圖示出了以基態散射光的類似尺寸的混亂取向的LC域，其中第4B圖示出了通過施加的空間均勻電場重新定向的相似大小的LC域以允許光透射採用聚合物基體與LC材料的常規折射率之間匹配的折射率。

可以確定，第4A和4B圖是高度示意性的，以便簡化在此提出的解決方案的操作概念的呈現。根據所提出的解決方案，採用折射率控制中心尺寸的隨機分佈，在本文中通常稱為多分散，以在照明設備即建築照明光源中提供可變的色散控制。

根據所提出的解決方案的一個實施方案，第5A圖是顯示充分分散在聚合物基質上的具有不同尺寸的多個LC液滴(顯示複合材料的多分散特徵)的大量存在的顯微鏡圖像。例如，在光聚合之前，這樣的材料通常含有25%的LC，74%的單體和1%的光引發材料複合物。

第5B圖是顯示LC液滴相對“稀少”存在(彼此間隔開)的顯微鏡圖像，其具有在整個聚合物基質上稀疏 定位(分散)的尺寸的低分散性。

第6A圖為顯示使用商業可用的PDLC保密膜獲得的傳輸強度的變化的表徵結果相對於電壓的曲線圖，具有第5A圖所示的微結構，位於CREE液晶源的前面。如第7圖所示(對於1/10秒曝光)，在基態(沒有施加驅動信號時，電壓為0V)，PDLC膜是低於半透明的，但不是不透明的(參見第4A圖)。隨著電壓控制的驅動信號(具有固定頻率的RMS)的逐漸施加，PDLC膜逐漸增加半透明，在高電壓50V下更透明。第8A圖示出了1/15秒的曝光通過經由在10V交流電驅動的第5A圖的PDLC膜的LED投射的光束強度圖案，而第8B圖示出了1/60秒曝光通過在50V交流電下驅動的相同的PDLC膜的LED投射的光束強度圖案。對於所有的意圖和目的，儘管PDLC膜可以在120V交流電左右的RMS電壓下安全地工作而不降解，但是光透射率漸近地增加，基本上達到高於80V交流電的平臺。第8C圖示出了1/60秒曝光通過在120V交流電下驅動的相同的PDLC膜的LED投射的光束強度圖案。從第1圖和第8C圖之間的視覺比較可以觀察到，損失了入射光束強度的一部分(對於相同的1/60秒曝光)。在第6A圖的曲線圖中示出了對應於第1圖的沒有PDLC元件的CREE LED的測量的投射照度，以用於比較。曝光時間(強度固定)在各個圖中是不同的，以使圖中的視覺表示避免白飽和(強度燃燒)。

測量的光散射特性在第9圖中圖示說明。 參照第7圖，其對應於其中第5A圖的PDLC膜在最大水準散射光的結構中，在第9圖中作為最大外橢圓形表示。施加到PDLC膜中的驅動信號的RMS電壓水準的逐步增加減少了光散射因此減少光發散(第8C圖)，以幾乎減少到不設置PDLC膜的它的原始值(第1圖)(然而產生如第6A圖的較小強度)。

從技術角度來看，第9圖描繪了第1圖的光CREE LED源在不同PDLC元件的驅動條件下，通過第5A圖的PDLC膜而發光，其在不同角位置的強度測量，從而獲得擴展角的(標準)歸一化極座標圖。在基態下，對PDLC膜施加0Vrms，投射光束呈現最寬的光強分佈(第7圖)，對應於代表48.8℉ WHM的最大外橢圓圖。在PDLC膜上施加10Vrms的驅動信號，將光束擴展程度減小到對應於28.0℉ WHM的第二個橢圓圖。將施加到PDLC膜的驅動信號電壓增加到20Vrms進一步降低光束擴展到17.3℉ WHM。進一步增加施加到PDLC膜50Vrms的驅動信號電壓降低光束擴展到16.2℉ WHM，相應的曲線圖與對應於所述LED光源的點光束的固有分散(不設置PDLC膜)的具有15.6℉ WHM的測量擴展角的曲線圖幾乎沒有區別。可以看出，在50Vrms的PDLC取向(第4B圖)是幾乎飽和的和幾乎盡可能透明的(參見第6A圖)。這些光擴展結果代表了顯著的整體改進，提供最大發散角的增加值，大於33°(或加寬因數>3；通過在施加最大電壓的發散角與基態的發散角的比值測量)，這是非常鼓舞人心的，獲得相當大的擴展 角度與相當良好的光學品質。

相比之下，第6B圖是示出第5B圖中描述的設備的測量的光透射相對於施加的電壓的曲線圖。由於材料的多分散性不足，傳輸變化是突然的並且發生在相對較窄的控制電壓值範圍內。此外，觀察到滯後回路，其可以具有一些應用，然而對於一般照明應用，滯後在這種裝置的控制中引入複雜性。

值得注意的是用於獲得所呈現的結果的檢測器的接收角度的限制；如果探測器的接收角度更大，則會測量到更寬的光束色散或更平緩的光束強度下降(這兩者都被認為是更好的測量結果)。檢測器的低接受角被認為是通過PDLC膜的更低的光傳輸的測量值的原因，如第6A圖中所描繪的漸近線強度值相比於LED光源不使用PDLC膜的測量的強度(約82%的傳輸效率)之間的差。相信包括以(較淺)較寬角度(在較高散射角度下由PDLC膜散射的光線)的傳播的光的較佳的光集成將顯示測得的透射率接近約90%，因為PDLC膜預期不會在高散射角度下吸收很多光。

採用所提出的PDLC膜元件和LED光源的組合的許多優點之一是製造成本效率，因為PDLC膜比LC光束成形器件陣列可以具有較低的生產成本。與用於PDLC透鏡元件或PDLC隱私窗格玻璃所需的製造公差相比，用於受控LED光束分散應用的PDLC膜的製造公差可以降低。較低的製造公差，如果是隨機的話，會引起光束 色散，這在點光束LED光源的情況下是理想的。平面均勻透明電極層的晶圓級製造優於需要精確沉積數十微米寬的電極條。(“平面均勻”可以包括均勻稀疏沉積的扁平電極層)。

根據所提出的解決方案的一個實施例，第10圖示出了直接從主電源驅動的主動控制的PDLC膜，其直接且專門地在點光束LED源前使用，以提供可變的色散控制。當主開關閉合時，LED光源產生提供點光束的入射光束。發散控制開關控制光束擴展，當開關打開時，其選擇加寬的輸出光束(第7圖)，或者當開關閉合時選擇點光束輸出光束(第8C圖)。應當理解，第10圖是高度示意性的，例如未示出限流器的電元件，其可以限制輸送到PDLC膜的電流。優選地，PDLC膜包括透明平面的均勻電極層。主電源可以是50Hz和60Hz 120/110V交流電源線之一。在根據第10圖中所示的提出的解決方案的該實施例的實現中採用PDLC膜，優選全週期驅動(參見第6A圖)連接在火線和地線之間的PDLC膜。

根據所提出的解決方案的另一實施例中，主動控制的PDLC膜，從電源驅動器通過脈衝寬度調變(PWM)，被直接並且僅使用在點光束LED源前面，以提供可變的色散控制。而PWM控制器的細節未在本文中提供的，本領域中的技術人員將理解這樣的PWM控制器，基本上在示意性電路中替換CTRL，可以包括一個閘流電晶體型的調光器或以高頻串聯的波計數器信號發生器。在根 據所提出的方案的一個實現中，通過由迴圈主電源迴圈穿過來選擇預置PWM驅動占空比。根據所提出的解決方案的另一實現中，選擇開關可以結合到照明器的面板，例如，選擇器環。

在依照第11圖中示出的第一實施例的另一個實現中，控制可以由一個選擇器(CTRL)配置成在多個分散預置中進行選擇來實現：從電源線斷開PDLC膜以提供最寬的輸出光束(第7圖)，並聯連接PDLC膜到電源以基本上允許所述LED點光束通過(第8C圖)，通過整流器連接PDLC膜到電源，其基本上實現值半個工作週期內將最寬的輸出光束轉換為點光束，以及連接PDLC膜到地線和火線之間，其基本上減小所施加的電壓為一半(第8B圖)。根據所提出的解決方案的一個實施方式，預設值可以通過迴圈主電源迴圈穿過其中進行選擇。根據所提出的解決方案的另一實現，選擇開關可以結合到照明器的面板，例如，選擇器環。

第12圖示出了，根據所提出的解決方案的另一實施例，一對優選不相似的、串聯電連接的PDLC膜，採用例如從120/110V或240/220V交流電源直接驅動。不限制本發明，PDLC膜之間的不相似性可以是LC層的厚度或LC液滴的多分散性或LC材料的手性不同。選擇開關可以電連接到PDLC膜之間以實現多種輸出光束。當選擇器處於電浮置位置時，全部電源電壓被全週期施加到一對串聯的PDLC膜，且每個PDLC膜對入射光束施加分散作用。 由於PDLC膜之間的不相似性，通過PDLC膜的入射光束的順序可以提供不同的輸出光束。該選擇器可配置為電短路一個PDLC膜，基本上被短路的PDLC膜提供相應的最寬的輸出光束；而全部的電源電壓施加到其它PDLC膜，其提供基本上很小的光束發散。由於PDLC膜之間的不相似性，輸出光束的分散可以根據PDLC膜的排序是不同的。當選擇器連接到接地，基本上對各PDLC膜施加電源電壓的一半。當控制選擇器連接到兩個相對連接的整流器中的一個，相應的一個PDLC膜可在半週期內接地，而在另一半週期內，兩個PDLC膜都被連接到主電源。由於PDLC膜是不相似的，輸出光束可以根據其整流器極性的選擇，提供不同的照明條件。根據所提出的解決方案的一個實施方式，預設值可以通過迴圈主電源迴圈穿過其中進行選擇。根據所提出的解決方案的另一實現，選擇開關可以結合到照明器的面板，例如，選擇器環。

第13圖示出了根據所提出的解決方案的另一實施例，一對優選相似的、串聯電連接的PDLC膜，每個PDLC膜提供分散到相應的點光束LED光源的點光束中，例如直接被120/110V交流電驅動。每個LED和PDLC膜對被配置為被定向到投射對應的輸出光束在不同的方向，以提供不一定重疊的投射。不限制本發明，光束的方向投射可以通過例如在至少一個萬向節機構(未示出)上設置一個預先設定的擋塊來實現。這樣的組合可以採用在建築和工業照明應用中可用的輸入電壓，同時還能設置成投 射均勻照明為不同取向的輸出光束。

對使用這樣的薄膜PSLC的優點，而不是PDLC膜的，是一種被稱為是對UV光相對敏感的聚合物的非常有限的存在。另一個優點是，以驅動PSLC元件所需要的相對低的電壓。

根據本發明提出的解決方案的另一實施例，第14圖示出了控制在PSLC複合材料中LC團塊的多分散性，通常含有95%的LC，4%的單體，1%的光引發材料複合體的一個機構，設置在光聚合之前，如V.V.PRESNYAKOV，T.V.GALSTIAN，“Light Polarizer Based on Anisotropic Nematic Gel with Electrically Controlled Anisotropy of Scattering”“基於各向異性向列凝膠的電控各向異性散射光偏振器”，MC & LC，Molecular Crystalsand Liquid Crystals，Volume 413，2004-issue 1中所述，其全部內容通過參考在此引入。在第14a圖)中觀察到的PSLC膜是交叉的偏振器之間。在第14b圖)，所述PSLC膜通過一個偏振器觀察到，其與(基態)LC分子的原始方向平行，在第14c圖)，所述PSLC膜通過一個偏振器觀察到，其與(基態)LC分子的原始方向垂直。可以確定，通過偏振器的所述PSLC膜的觀測，僅用於說明的目的；建議使用到所述LED光源的PSLC膜，不設置任何這樣的偏振器。

第15圖示出，根據本發明提出的解決方案，在控制光傳輸機構的另一個實施例中，使用另一個多分散性PSLC層。在這種情況下，實現為非常強的散射和 大的光束擴展，主要對應於光的一個偏振模式(幾乎達到300倍因數)。如果需要的話，可以使用兩個這樣的PSLC層，它們的基態的光學軸線是彼此垂直的(兩者都是垂直於光的原始入射傳播方向)。這種雙層裝置可以控制非偏振光的發散。

第16圖示出了根據所提出的解決方案，在控制光傳輸機構的一個實施例中，使用一個奈米粒子分散LC層，其如Paul J.Ackerman,Jao van de Lagemaat,& Ivan I.Smalyukh,“Self-assembly and electrostriction of arrays and chains of hopfion particles in chiral liquid crystals”“自組裝和手性液晶中跳躍粒子陣列和鏈的電致伸縮”,NATURE COMMUNICATIONS | DOI：10.1038/ncomms7012,2015中所述，其全部內容通過引用的方式併入本文。彈性自組裝和提供散射/分散中心拓撲顆粒的圖案化被示出。第16A圖是光學顯微照片，其顯示了密集排列的托倫(toron)陣列中的六邊形排序，其中大面積晶粒被晶界分開。第16B至16D圖示出了偏振的光學顯微照片，描繪從(第16B圖)各向同性排斥相互作用介導六方陣列的形成到(第16C圖)弱各向異性吸引相互作用導致具有較小週期性的拓撲顆粒微晶，和(第16D圖)高度各向異性的相互作用導致toron-纜線偶極子的電壓控制轉變。第16D圖的紅色箭頭表示遠場c的方向和綠色箭頭描繪toron-纜線偶極子的取向。在這種情況下，電壓的變化可實現非常強的散射，和大的光束加寬。如果需要的話，可 以使用兩個這樣的PSLC層，它們的基態的光學軸線是彼此垂直的(兩者都是垂直於光的原始入射傳播方向)。這種雙層裝置可以控制非偏振光的發散。

第17圖示意性示出，根據本發明提出的解決方案的又一實施例，通過使用上述LC裝置來實現一個光透射發散角和強度的控制系統。應當理解的是，任一透鏡或反射光學器件(或兩者組合)可以被用於提供來自光源的準直點光束。

通過適當的改變，所提出的解決方案提供一個可控制光束形狀的光源模組，包括一個可控的光束控制模組和提供所述初始光束的光源模組，可被配置為將光源模組適應到掃描器的光源，照相機閃光燈，建築，汽車或工業照明裝置。

可以確定，本說明書中沒有意圖排除包括至少一個LED光源，具有動態地控制LC光束成形設備元件(具有多個電極)和動態地控制多分散LC膜元件的組合。在這樣的實施方案中，LC光束成形裝置的控制可以與LED功率轉換部件集成，而並聯的多分散LC膜元件的控制可以由電源提供。

在第18圖和第19A圖中所示的一個實施方案中，液晶的光束控制裝置具有用於安裝到具有圓形光通孔的光源的圓形光通孔。應當理解，可以提供非圓形的光通孔。該裝置包括一個安裝框架用於固定光伏支撐件，例如一個電路板環，以及用於液晶單元的基板。應當理解， 光電元件可以通過LC元件基板，而不是單獨的基板來支撐，如電路板的情況。雖然該設備可以被直接連接到如圖所示的點光束燈泡(LED類型，螢光或白熾光)的光通孔透鏡或視窗，該設備可以連接到一個從發光部件分開的光源固定裝置。另外，LC光束控制裝置和光通孔的形狀可以不同於圓形。一些LED點光束的光源提供多個佈置有透鏡的LED發光器，用於從每個發光器對點光束取向，並且在這種情況下，LC光束控制裝置可具有單個光通孔覆蓋所有這樣的點光束，或若干光通孔對應於每個點光束。一些其他的LED光源，如通常使用的LED器件的陣列提供線性光源，並且LC光束控制裝置和光通孔可以適合於這種幾何形狀。

在第19A圖中示出的可調節的旋轉位置安裝件是可選的，但是，它是有利的，當LC裝置是旋轉相關的，便於能夠調整一個點光束的旋轉位置，諸如在給定的方向上進行光束轉向或擴展。這種情況下，當使用者希望在給定的方向為光束加寬或者轉向(拉伸)，則可以使用安裝件設置方向，而無需額外地(例如手動)調整所述光源的旋轉位置，例如通過調整套接的連接。

LC光束控制裝置的結構或類型可以變化。在第19A圖中，示意性地示出了一個類型的LC光束擴展設備，其具有兩個LC單元，並且能夠在同一時間，在兩個方向擴展非偏振光。

如第19B圖中所示的其它LC裝置，例如聚 合物分散液晶元件可用於可控地對光束引入發散，其中單個層將作用於兩個偏振方向，並產生基本均勻的發散，所以，它是旋轉方向無關的。在PDLC裝置中，LC材料填充在聚合物基質材料的口袋中，並且LC材料處於基態無序的排列。這會導致光的分散。當電極被驅動時，電場使得液晶材料的取向，並且這降低或消除了光的散射。通常使用對應於PDLC材料的厚度的25V到125V之間的電壓。因為所需要的功率是相當低的，光伏陣列由可見光源驅動可以提供所需的電壓和功率。

在聚合物穩定的液晶單元上，在LC單元中形成一個具有空間變化密度的聚合物“網”。LC材料可以使用取向層形成有序的基態，低電壓施加到光通孔上的平面透明電極上，可用於LC材料由透明基態轉變成在空間上變化的激發態。這樣的NLC單元作用於光的一個偏振方向，因此兩個單元被用於調變兩個正交的偏振方向。

其它LC裝置可能要求液晶材料層，以控制在單一方向上的單一偏振方向的光，並且因此這些裝置可以包括四個液晶層，以控制兩個方向和兩個偏振方向。

第19A圖的液晶光束擴展裝置的類型被更好地在第20A、20B和20C圖所示。第20A圖示出了基本單元結構，其包括基板12，其具有填充有LC 20的間隙，其通常在基態通過摩擦取向層18而取向為平面取向，即相對於所述基板形成小的預傾角取向的液晶分子。電極14A和14B被圖案化(交叉指型)延伸在頁面中形成平行帶狀電 極。施加電場的作用是對液晶分子取向的空間調變，產生形成大致圓筒狀的透鏡，如由於取向的變化產生折射率的改變。該大致圓筒狀的透鏡的光調變基本上僅作用於一個偏振方向，並且光在垂直於電極線的平面內基本上變寬。

如第20B圖所示，四個這樣的單元可以被配置為調變在兩個方向上兩個偏振方向的光。第19圖的裝置中的一個基板上的圖案化電極結構在第20C圖中示意性地示出。第20D圖表示沿著期望方向在不同電壓下加寬光束的光功率分佈。它還表明原始(LC裝置的基態)光束轉變成一個平頂光束。

第21A圖是兩個鐳射光束的圖像，各光束穿過類似於第20A至20C圖的一個所示的LC光束擴展器，其中所述LC裝置處於基態。第21B圖示出了當LC裝置被驅動，兩個點光束的圖像，並且所述LC裝置對齊取向，而第21C圖示出了當LC裝置未對齊取向的情況。可以看到的，當該LC裝置提供了一種空間結構來調變光，取向對控制光束的組合的表現是重要的。因此旋轉位置可調節安裝件對這樣的LC裝置是重要的。如上所述，一些LC裝置，例如PDLC和聚合物穩定LC裝置，可以用來調變光，並且不提供方向特定的調變，因此方向並不重要。

第22圖是如第19圖中的剖面圖的帶式或環形電路板的側視圖的示意圖，其中包含從光源收集能量安裝在一側的光電元件。相同的環形電路還可以包括一個驅動器ASIC，天線，或其他LC裝置的動態控制所必需的 電子電路元件。在第20A至20C圖所示的LC單元可使用約15V至30V的電壓來驅動。PDLC裝置典型地使用從50V到100V的電壓驅動。一個光伏電池通常產生1V至2V之間的開電路。由於大多數液晶設備消耗很小的功率(例如，幾十毫瓦)，小光伏元件可串聯連接，從而合適的產生低的功率，用於驅動這種LC裝置的高電壓。通過在光束控制裝置的周邊佈置通常是不透明的光伏器件和支撐件(例如電路板)，只有光束的一小部分損失於LC光束控制裝置的框架(例如，上述的環可以具有約0.5mm寬)。

第23圖是根據包括許多不同選項的一個實施例的LC光束控制裝置的電子設備的示意性框圖。為了程式設計和/或控制該LC裝置的光束控制狀態，三種不同類型的交互介面被示出，即，紅外(IR)介面，藍牙介面和無線介面。IR介面是廉價的，並且可以包括安裝在所述裝置的框架的輸出側的IR發光器和接收器。程式設計遙控裝置可以具有輸入鍵，其被配置成用信號通知所述控制器，而產生所述LC裝置的光束控制狀態中的所需變化。一個按鍵，可以用於用信號通知所選擇的狀態設置為預先設定，因此存儲在非易失性記憶體中。該按鍵可以直接指定預設的位置或順序，或者可以配合不同的輸入來指定。程式設計流程如第24圖所示。

可替代地，RF無線介面，例如藍牙或無線網路，都可以使用。因為這樣的介面通常在電腦(包括移動計算和通信設備)中是通用的，程式設計裝置可以用或不用 所述控制器執行所選擇的預置，以為使用者顯示光束調變，從而可以通過預設狀態存儲到非易失性記憶體中，來確認選擇。這種RF無線介面還可以不依賴於存儲在LC光束控制設備的記憶體中的預設，而直接控制光束調變狀態。

雖然在方法上更複雜，LC光束調變裝置的控制可以通過使用不同的介面來完成。設置在框架上的一個或多個光感測器可以用於檢測框架附件的光束形態，從而被解釋成控制或程式設計命令。可以用設置在框架上的照相機捕獲同樣的光束形態的圖像，解釋成控制或程式設計命令。這樣的感測器元件也可以用於LC光束控制裝置的程式設計“自調節”功能。例如，人的出現可以被檢測和相應的擴展角度可以自動地根據預先程式設計來獲得。

藍牙收發器模組，其由電池供電，可以被用作遙控器或作為壁掛式控制器，用於控制LC裝置的狀態，例如使用其從一個預設變化到下一個預設。

另一種選擇是通過切換光源的ON/OFF來開關光源的傳統的電源，以控制LC裝置的光束控制狀態。使用該選項，當光源被第一次打開時，使用者可以配置LC光束控制裝置恢復之前被選擇的狀態。此選擇的狀態可以對應於點光束(未調變)，光束轉向狀態和/或光束擴展的狀態。然而，如果僅一個靜態配置是所希望的，可以使用靜態的光學器件。有利的是，LC光束控制設備可以被配置為具有其他狀態，和一個簡單的OFF/ON的光開關，其導致所發射的光切換為OFF，而當ON/OFF檢測電路檢測到時 再次切回ON。這個檢測電路的輸出被提供給控制器。該控制器可以是在記憶體中執行程式碼的專用電路，FPGA或處理器。該控制器回應於該OFF/ON的轉變，以使LC驅動信號發生器改變到根據存儲在非易失性記憶體中的下一個預設的驅動信號的參數。

第23圖的電路示出了從所述PV元件的能量為電容器充電，以對任何強度波動進行過濾。所述PV元件的一部分可以為電路和/或控制器和其他電子的處理器提供低電壓電源，而高電壓用在LC驅動信號發生器中的電子元件，用於將驅動信號供給到LC電極。如圖所示，低電壓調節器也可以被用於轉換高電壓到低電壓提供給元件。

第25圖是在該LC光束控制裝置的ON/OFF切換控制中所涉及的序列的一個例子。當光源被首次通電時，電力被供應到所述控制器，並且所述控制器從記憶體獲取默認(default)預設，以使驅動信號發生器根據所述預設預設控制LC裝置。在PDLC裝置無調變的預設的情況下，光線被打開時，其總會出現散射或開始時被加寬，然後成為一個點光束，因為在一個PDLC裝置中，基態為散射和全驅動狀態是透明的。在許多其它的LC裝置中，基態是無調變的，則最初將出現點光束，直到施加任何所需的調變。如第25圖所示，如果使用者切換光開關，則檢測器電路檢測到ON-OFF-ON的這種快速變化，則會相應地向控制器發出信號。然後，控制器控制所述LC驅動信號 發生器，用於執行存儲在非易失性記憶體中的下一個預設狀態。例如，可以有一個用於光束發散或擴展裝置，產生點光束和片光束兩個狀態。然而，一些LC裝置可提供其它的調變，及其狀態可被改變，形成LC裝置的功能。

可替代地，如第28圖示意性示出，控制電路可以和光源集成在一起，光源的強度調變用於控制LC光束控制設備內的電路。在光來源資料通信可以包括一個電源線資料介面，諸如X10介面，藍牙介面或無線WiFi介面，並傳送到所述光源中的資料可被用於控制光源的連續強度。資料的傳送可以通過控制器來解碼，該控制器生成光源的驅動電路的強度調變信號，使得所述光源強度的調變可以被該LC裝置的PV元件檢測到，在一個解碼器解碼，然後由LC裝置控制器使用，用於控制LC驅動信號發生器。

在第26圖的實施例中，光源設置有用於能夠控制該LC裝置的通信能力。如該建築物也提供LiFi的實施方式是有利的。例如，LiFi介面可以包括其自己的IR源和使用利用IR光與其他LiFi設備通信的檢測器。所述LiFi介面可以連接到使用有線或使用非LiFi連接的無線資料基礎設施，如電力線資料介面或藍牙或無線網路中繼。LiFi介面的所述的IR發射器和接收器可以利用相同的光路作為光源，例如，相同的反射器或聚焦光學器件。此外，LiFi介面的IR發射器和接收器可使用該LC裝置對LiFi介面將進行通信的區域進行調整。該LC裝置可用於根據 需要調整這樣的區域。所述LiFi介面可以被使用，進而，與LC裝置控制器進行控制命令的通信，以改善LiFi性能。

第27圖示出第26圖中的一個變型實施例，其中用於LC光束控制設備的電源是通過電連接器連接到所述光源而提供。在本實施例中，如果需要電壓，電源線的電壓可被輸送到LC光束控制裝置。

雖然已通過參考其優選實施例示出和描述了本發明，但是本領域技術人員可瞭解，可在本發明中進行形式上和細節上的各種改變而不背離由所附申請專利範圍限定的本發明的精神和範圍。

Claims (22)

1. 一種照明裝置，包括：光源，其產生點光束；以及無偏振器、無圖元的液晶元件，用於對所述點光束進行電可控地發散。
2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，所述液晶元件包括：聚合物分散液晶元件，其具有嵌入在聚合物基質中的液晶團塊和用於在所述團塊上作用電場的電極，以在隨機取向發散狀態和根據所述電場有序取向狀態之間改變液晶取向，以形成低發散的點光束狀態。
3. 如申請專利範圍第2項所述的裝置，還包括：發散控制電路，其被配置為向所述電極提供切換電源輸入線電壓，所述液晶元件包括所述聚合物分散的液晶元件和所述電極之間的間隔，且所述電極被選擇用以使用所述電源輸入線電壓以產生合適的電場。
4. 如申請專利範圍第2項所述的裝置，還包括：光伏陣列，其連接到所述液晶元件，用於接收所述點光束的一部分，以提供電壓到所述電極。
5. 如申請專利範圍第4項所述的裝置，其中所述光伏陣列提供的電壓高於50V。
6. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述液晶元件包括：高分子穩定化液晶元件，其具有至少兩個聚合物 穩定的液晶團塊的複合層，以及以對所述層提供電場的電極。
7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述的裝置，其中所述液晶元件包括多分散液晶團塊。
8. 一種液晶光束控制裝置，包括：具有控制電極的液晶空間光調變器；光伏陣列，其佈置成從所述光源接收光；驅動信號電路，其連接到所述光伏陣列，和回應於輸入控制信號而輸出驅動信號到所述控制電極；以及控制器，其回應於命令信號，並輸出所述輸入控制信號。
9. 如申請專利範圍第8項所述的裝置，還包括：安裝框架，用於將所述液晶空間光調變器可移除地固定到光源，所述光伏陣列被連接到所述安裝框架。
10. 如申請專利範圍第9項所述的裝置，其中，所述液晶空間光調變器和所述安裝框架是圓形的。
11. 如申請專利範圍第10項所述的裝置，其中所述光伏陣列被佈置在環上，以攔截所述光源的光束的外側部分。
12. 如申請專利範圍第11項所述的裝置，其中，所述環佈置在液晶空間光調變器的光源側。
13. 如申請專利範圍第8至12項中任一項所述的裝置，還包括：光源強度調變檢測器，其被配置為基於所述光源的調變提供所述命令信號。
14. 如申請專利範圍第13項所述的裝置，其中，所述光源強度調變檢測器回應於光源OFF/ON的切換。
15. 如申請專利範圍第13項所述的裝置，其中，所述光源強度調變檢測器解調該光源的強度調變。
16. 如申請專利範圍第8至13項中任一項所述的裝置，還包括，還包括無線資料介面，其連接到所述控制器，用於提供所述命令信號。
17. 一種液晶光束控制裝置，包括：具有控制電極的液晶空間光調變器；驅動信號電路，其連接到所述光伏陣列，和回應於輸入控制信號而輸出驅動信號到所述控制電極；光源強度調變檢測器，其被配置為基於所述光源的調變提供所述命令信號；以及控制器，其回應於命令信號，並輸出所述輸入控制信號。
18. 如申請專利範圍第17項所述的裝置，其中，所述光源強度調變檢測器回應於光源OFF/ON的切換。
19. 如申請專利範圍第17項所述的裝置，其中，所述光源強度調變檢測器解調該光源的強度調變。
20. 如申請專利範圍第17、18或19項所述的裝置，還包括：安裝框架，用於將所述液晶空間光調變器可移除地固定到光源，所述安裝框架包括電連接器，其用於從所述光源接收電能。
21. 一種液晶光束控制裝置，包括： 具有控制電極的液晶空間光調變器；以及可旋轉的安裝框架，用於將所述液晶空間光調變器固定到光源，同時允許所述液晶空間光調變器的旋轉取向。
22. 如申請專利範圍第21項所述的裝置，其中，所述液晶空間光調變器和安裝框架是圓形的。