TWI701462B - 液晶光束控制裝置及製造 - Google Patents

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凱倫 阿薩瑞恩
爾門 索羅拜恩
緹滾 葛斯提恩
阿蕊 貝格瑞楊
西蒙 卡羅
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美商聯思維公司
緹滾 葛斯提恩
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Abstract

本發明描述液晶光束控制裝置及其製造。採用光束展寬裝置的有益效果，以用於控制照明和建築用途，包括改善光束發散控制，改善光束展寬動態範圍控制，光束發散預調節，提高投射光束強度的均勻性和減少投射光束的顏色分離。同時給出了具有平面內和垂直基態的兩種液晶取向的光束控制裝置。

Description

液晶光束控制裝置及製造 相關申請
本專利申請要求優先權為：美國臨時專利申請US62/217,875，申請日為2015年9月12日；美國臨時專利申請美國申請US62/242,422，申請日為2015年10月16日，其全部被納入本文的參考。
本專利申請關於液晶光束控制裝置及其製造。
液晶光束控制裝置在本領域中是公知的。一些這樣的裝置通常使用液晶單元上的圖案化電極來創建用於光束控制的折射率空間變化。為保持低電壓，電極可放置在單元基板的內側或兩側。為提高光學性能，調整元件的(外形尺寸)尺寸和/或光束(控制)的長寬比，主要是由圖案化電極的高度和液晶的厚度的比值來限定，應該是比較小的。存在著各種問題，其中包括：有限度的(擴展)角度控制，差(質量)的光束強度分布，過度的顏色分離，製造成本高，不適合的工作電壓等。
不過，如今的具體應用正在出現，可能受益於這種元件。有這樣的應用的許多例子，其可以被定性為“動態”或“智能”照明。例如，發光二極體(LED)的光源越來越多地使用在建築照明，汽車產業等，但在大多數情況下這些照明系統的參數(如擴散、發散、炫光、取向等)是固定的。同時，這可能是非常有用的，例如，當有一輛車在相對方向移動時，一個照明系統自動改變LED照明系統的發散角(以避免擾亂對面的駕駛者)。其他實例可用於優化住宅或一般建築照明也被提及。此外，由於Li-Fi技術的引入(由智能LED信號取代Wi-Fi)，可控地轉向或擴展光的能力(同時用於照明和連接)是非常有用的。這是液晶光束控制裝置變得越來越重要的原因。
申請人已經發現了許多有關光束調整液晶裝置的光學性能特性。
這樣的裝置通常布置圖案化電極在一個液晶層的一側或兩側，以創建折射率的空間變化(通過引導分子再取向的電場)，其有利於控制一個光束(第17A、17B、17C圖)。一般光束調整的效率是由通過光穿過液晶層而發生光路差來限定(或相位延遲δ Φ=L‧δ n‧2 π/λ，其中L是有效厚度，δ n為電折射率差，λ是光在真空的波長)。這種差異是由光學雙折射△n(δ n<△n)和該液晶的厚度L的最大值來限制。光束調整效率也是反比於元件的清晰光通孔(CA)，其由各個電極段之間的間隔g來限定。因而比 率r=δ Φ/CA是重要因素之一(它也包含高寬比L/CA或L/g)。這就是為什麽相對厚的液晶層和相對較小的間隔g可被用來增加光束調整的效率的原因。多個這樣的段可以被組合以“填充”大的光束調整裝置的光通孔。這種光束調整裝置中的一個應用是用於照明，其中從光源發出的光，例如來自LED光源的光束，可以從一個點光束被調製(modulate)為一個狹縫或扇形光束和/或寬泛的泛光光束(flood beam)。
為了保持工作電壓低，電極通常放置在單元基板的內側或兩側。然而，該元件的簡單的物理參數(長寬比、雙折射等)並非唯一的決定性因素。折射率調製深度(效率)也將顯著地取決於各個電極段被驅動的方式。因此，第18A圖示意性地示出了3D和第18B圖示出了一個圓筒形液晶聚焦元件(透鏡)的橫截面圖，其中該液晶3在兩個線性(獨立控制)電極1和2之間(沿x軸)從頂部，和從底部的均勻透明的電極4封閉。如第19A圖所示的(它是第1圖的細節視圖)，在電極1、2上施加相同的電壓(幅度和相位)，而對面的均勻的電極4被接地，其相對於如第19B圖(它是第2圖的細節視圖)示出的，對電極1和2分別施加不同的電壓或不同的相位，從而產生電場分布可以是相當不同的。在之後的實施例中，在第18A、18B和19A圖(第1圖)中所示的均勻電極4甚至可能被省略，以使如第19B圖(第2圖)示出的差別更明顯。電場分布8是不同的，引入的液晶取向(以及相應的折射率分布)也將是不同的。通 過取向層7(其在其它圖中被省略了，以更容易的示出概念)提供的液晶分子的基態取向也是一個很重要的因素(見下文)。這些元素會顯著影響光束調整效率。
一個發現是，至少一些所提出的裝置的光學性能是取決於(光傳播)通過裝置光的傳播方向。例如，從上到下的傳播25與從下到上的傳播26可產生具有不同的光學性質和/或特徵的輸出光束，所用的電場在靠近裝置中採用的液晶單元的一個基板和靠近另一個基板(通常是相對面的)相比是不同的。出人意料的是，通過該裝置的，由於傳播(光運行)方向的不同，測得的光學特性和/或特性的差異對於某些層的幾何形狀或裝置的設計是非常明顯的。鑒於普通均質材料的光學性能根據麥斯威爾方程式基本上是可逆的，這種對傳播方向的依賴不是一個顯而易見的發現。雖然其中一些發現效果是可以理解的，但是令人驚訝的是這樣的效果表現為如此大的可測量的變化。一些提出的解決方案的實施例中，應用和利用這樣的效果到各種應用的小型裝置中。
申請人還發現，液晶基態取向的選擇和圖案化電極的間隔與單元厚度的高寬比的選擇，當在同一基板上使用圖案化電極時，可以實現有益的(有效)光束控制。這種電極提供(沿基板)跨越間隔的電極之間的電場，和單元的間隔中的臨近元件電極在LC體積內的電場。這種光束控制可在沒有“熱點”的情況下實現，即向外傳播的輸出光束“離開”裝置可以具有基本上均勻的強度分布，作為輸出光束內的角度的函數。申請人已經進一步發現，並提出了一個液晶的基態取向對這種LC單元的性能的影響的特徵。
對於藉由在一個不太發散的光束中添加或創建發散以控制光束發散的光束控制裝置，申請人已經進一步發現在液晶光束控制裝置中，其顏色分離對於光譜寬的入射光光束可以更大，其比類似的發散的寬幅的入射光束更準直。這一發現對於一個光束控制應用特別有用，其中從一個光源產生的所期望的最少發散的入射光束不是準直的光束(光源不是一個雷射或光源不是無限遠，諸如天體)。根據所提出的方案，在這樣的應用中光束控制裝置產生的輸出光束，可從低發散被控制為較高發散。例如，這樣的控制動態範圍(光束調整)的變化可從相對法線約±5度半峰全寬(Full Width Half Maximum,FWHM)的輸入發散至相對法線約±30度FWHM的輸出發散。相比之下，一個準直源光束入射到類似的光束調整裝置的液晶單元，其輸出控制為，產生大約相同的±25度發散的FWHM(光束按法線擴展)，這將比入射源光束被發散到±5度的FWHM而輸出光束被控制為±30度的FWHM發散的情況展示出更大的顏色分離。
申請人已經進一步發現，液晶光束控制裝置的顏色分離是依賴於對應於所述(圖案化的)條帶電極的平面內取向的平面內的液晶分子的取向方向的分量。液晶分子具有分子(主)軸。LC分子取向手段可以在LC單元被用來引導產生至少一個初始基態分子取向。期望獲得優選的均勻基態分子取向，以實現在單元或有效裝置光通孔進行LC材料的協調運行。一般基態分子取向方向，也被稱為一個導向，可沿x、y和z被分解；“平面內分子取向”如本文所用是指的x、y導向取向，而忽略平行於通過光束控制裝置的光束的傳播方向的z分量。更具體地，當平面內液晶取向跨過在條狀(圖案化的)電極之間且基本上垂直於條帶電極的分隔間隔，輸出光束的顏色分離比平面內液晶取向是一個角度，如45度和0度之間的角度，即基本上平行於(圖案化的)條帶電極的情況更大。
申請人還發現，不同取向(例如正交)的圖案化電極陣列可以被布置一個公共基板上，以通過薄絕緣層提供分離，以提供使用單層液晶的“雙向”光束控制(用於受LC層影響的相同的光束偏振方向)。這樣的裝置可以在除了兩個方向結合外，對每個方向進行獨立地光束控制。
申請人還發現，如果(結構化)圖案化電極設置在液晶單元的兩個基板上，可以使單元的操作變得對稱，也可實現除了光束展寬(beam broadening)以外，實現光束轉向。
申請人已經進一步發現，如果每個表面上的平行電極是獨立的(交叉的)，且使用相位調製的控制，液晶元件的高寬比(和展寬性能)可以得到極大改善。
申請人還發現，通過使用相位調製控制模式，可以產生扭轉分子重新取向，可旋轉輸入光的偏振方向。這將允許光在兩個平面的展寬獲得一個更簡單(有效和 低成本的)的方式。
申請人還進一步發現，設置在液晶單元的相對的基板上的圖案化電極可提供各相應基板附近不同的光束控制區。例如，使用相位偏移的電信號同時驅動的所有的獨立電極線(每個表面一對)，可使得在深度方向沿著單元的厚度的扭轉液晶取向的產生。此扭轉取向有助於輸入光的偏振方向的部分旋轉(沿著偏振狀態的一些局部變化)。
根據所提出的方案的一個態樣，提供了一種光束控制裝置用於調整輸出光束，所述光束控制裝置被配置成從一個光源接收入射光束，光束控制裝置包括：至少一個液晶單元，用於調製通過其中傳播的所述入射光束，每個液晶單元具有：一對由單元厚度隔開的單元基板，其間填充液晶材料，至少一個取向層，以使所述液晶材料在一個基態取向的導向上取向，和一個圖案化電極結構，其具有在所述一對基板的至少一個上的成對電極的模式，以提供延伸入所述液晶材料的空間調製電場，所述液晶單元具有預定的所述成對的電極之間的電極間隙間距尺寸和所述單元厚度之間的高寬比；所述光束控制裝置的特徵在於：當由預定的驅動信號驅動所述圖案化電極結構時，空間調製導向的重新定向，其使所述輸出光束展寬，同時具有良好的均勻性和低的顏色分離；所述入射光束具有±3度到±15度的FWHM的發散，較佳為±4度到±8度的FWHM。
在一些實施方式中，光束控制裝置被布置 使初始光束進入所述的至少一個液晶元件中的第一個，而所述基板之一具有所述圖案的成對電極，而所述取向層實現平面內液晶基態取向。
在一些實施例中，所述取向層提供平面內液晶取向，其具有相對於所述成對電極中的電極的大約45度至0度的取向方向。
在某些實施例中，至少一對取向層，每個所述取向層使所述液晶導向取向為平面外的、在所述相對的基板上的負和正的預傾斜角，所述圖案化電極結構具有單元基板和光束控制裝置，其形成一個對稱的工作方式，而不受基板接受所述入射光束的影響。
在一些實施例中，所述圖案化電極結構包括具有兩個電絕緣的電極圖案，其具有布置成基本垂直於彼此的相應的電極對，用於提供在兩個方向或方位角平面的光束調整控制。
在一些實施例中，所述取向層提供平面內液晶取向，其具有相對於所述成對電極的大約45度的取向方向，四個所述液晶單元組合提供兩個偏振方向和兩個方向或方位角平面的調製。
在一些實施例中，至少兩個所述液晶單元結合，以提供在兩個方向或方位角的平面輸出光束調製，所述光束控制裝置被布置成使得所述入射光束進入所述液晶單元中的第一個，其上的基板具有所述圖案化電極結構，所述第一液晶單元的所述的取向層提供平面內液晶取 向，所述光束輸出的所述光束控制裝置，設置為由第一液晶單元進入第二液晶單元，而所述基板之一不設置所述圖案化電極結構，所述第二液晶單元的所述取向層提供垂直的液晶取向。
在一些實施例中，一對所述液晶單元與另一對所述液晶單元組合，具有90度的偏振方向旋轉器元件，兩者用於在兩個方向或方位角平面上進行光束調製，作用於光的兩個偏振方向。
在一些實施例中，至少兩個所述液晶單元被組合並共享共同的中間基板，其是具有面對面的表面的所述兩個基板的三明治結構，所述表面的每個都承載由絕緣層覆蓋的所述電極圖案，並連接在一起，所述兩個基板的三明治結構較佳為被化學減薄到不破壞電極圖案的厚度。
在一些實施例中，所述液晶單元基板包含：液晶材料；第一圖案化電極結構，位於所述基板的第一個上具有第一獨立電極，以提供所述基板的第一個上的第一平面內電場和接近所述第一基板的第一區域和在所述第一圖案化電極結構的第一獨立電極之間的液晶材料的第一空間調製；以及第二圖案化電極結構，位於所述基板的第二個上且與第一圖案化電極結構相應的交叉取向，其具有第二獨立電極，以提供所述基板的所述第二個上的第二平面內電場和接近所述第二基板的第二區域和在所述第二圖案化電極結構的第二獨立電極之間的液晶材料的第二空 間調製，其中當驅動第一和第二圖案化電極結構時，在所述裝置的光通孔的至少一部分上的所述第一區和所述第二區之間的第三區中形成液晶取向的扭轉，以實現光通過所述裝置的偏振方向的旋轉。
在一些實施例中，光束控制裝置包括入射光束調節組件，其包括以下之一：當所述光源包括一個發散光源，其產生的初始光束發散大於±8度的FWHM時，收斂增加光學元件；當所述光源包括準直的光源時，發散增加光學元件：和一個動態發散器。
在一些實施例中，光束控制裝置包括輸出光束調節組件，其包括以下之一：發散器；且調節為相對於第一光束控制裝置成一角度約±2度和約±45度之間的第二個所述光束控制裝置。
根據所提出的方案的另一個態樣，提供了一種可控制的光束形狀光源模組，包括一個可控光束控制模組和提供所述初始光束的光源模組，所述光源模組是相機閃光燈，一個建築，汽車和工業照明裝置之一。
根據所提出的方案的另一個態樣，提供了一種可控制的光束形狀光源模組，包括一個可控光束控制模組和提供所述初始光束的光源模組，所述光源模組是掃描器光源。
1、1’‧‧‧電極
2、2’‧‧‧電極
3、3’‧‧‧電極
4、4’‧‧‧電極
5‧‧‧頂部基板
6‧‧‧底部基板
7‧‧‧取向層
8‧‧‧電場分布
12‧‧‧基板
14‧‧‧電極
14A、14A’‧‧‧電極、電極條帶
14B、14B’‧‧‧電極、電極條帶
14C、14D‧‧‧電極
16‧‧‧電極
18‧‧‧取向層
20‧‧‧液晶層、液晶、液晶材料、液晶分子
20a、20b‧‧‧液晶
25、26‧‧‧傳播方向
g‧‧‧間隔
L‧‧‧有效厚度
本發明將通過參照所附的附圖詳細描述實施例，以更好的理解本發明的實施方式，其中： 第1圖是一個動態光束展寬光學裝置的示意性橫截面圖，其具有單個圖案化電極和液晶單元中的四個光束調整元件，其中裝置採用一個單元基板上的條帶電極和相對的單元基板上的一個平面電極；第2圖是一個示意性截面圖，示出了具有液晶單元的四個光束調整元件的光束控制光學裝置，其中裝置採用一個單元基板上的獨立條帶電極，以形成電極之間的平面內和邊緣電場；第3A圖是示意性橫截面圖，示出在第2圖所示的裝置的一個光束調整元件的一個變型的放大圖，其中的條帶電極分隔間隙與單元(間隙)厚度的高寬比是大的；第3B圖是示意性橫截面圖，示出在第2圖所示的裝置的一個光束調整元件的另一個變型的放大圖，其中的條帶電極分隔間隙與單元(間隙)厚度的高寬比是小的；第3C圖是示意性橫截面圖，示出在第2圖所示的裝置的一個光束調整元件的另一個變型的放大圖，根據提出的解決方案，其具有適應於光束展寬的高寬比；第3D圖是實驗測得的光束強度對投影角的函數的示意曲線圖，其中，相同的輸入光束通過：沒有裝置，然後使用在0V，2V，3V，4V，5V，6V，7V和8V操作該裝置的單元，從中可以看出，根據提出的解決方案，第3C圖的單元的改進的適當(預)選擇的(液晶平面內取向 和)高寬比，可以實現低電壓下(更大)的光束展寬，其具有改進的光束強度的均勻性；第4A圖是示出如第3C圖所示的光束控制元件的俯視圖，根據提出的解決方案，其中平面內液晶取向基本上平行於條帶電極；第4B圖是一個光束控制光學裝置的示意性橫截面圖，根據所提出的方案，其具有液晶單元內的四個光束調整元件，其中採用一個單元基板上的條帶電極，以形成電極之間的平面內和邊緣電場，而條帶電極對齊相對的單元基板上的相對的條帶電極；第4C圖是一個光束控制光學裝置的示意性橫截面圖，根據所提出的方案，其具有液晶單元內的四個光束調整元件，其中採用一個單元基板上的條帶電極，以形成電極之間的平面內和邊緣電場，而條帶電極與相對的單元基板上的交錯的(中間)條帶電極形成偏移；第5A圖是使用如第3C圖所示的單元層狀幾何形狀的裝置而產生的變寬的輸出光束的投射的示意圖，根據提出的解決方案，其中入射光束通過裝置的方向如第3C圖中的箭頭26，圖中示出了光束展寬的第一個量；第5B圖是使用如第3C圖所示的單元層狀幾何形狀的裝置而產生的變寬的輸出光束的投射的示意圖，根據提出的解決方案，其中入射光束通過裝置的方向如第3C圖中的箭頭25，圖中示出了光束展寬的第二個量；第5C圖是一個圖像，以及對應的顏色概略 說明，示出了光束通過具有如第2圖所示的層狀單元幾何形狀的光束控制裝置而產生的光束展寬投射，圖像示出了可觀察到的顏色分離；第5D圖是一個圖像，以及對應的顏色概略說明，示出了光束通過具有如第4A圖所示的層狀單元幾何形狀的光束控制裝置而產生的光束展寬投射，圖像示出了減少的顏色分離；第6圖示意性示出具有四個LC單元的光束控制裝置，以提供雙偏振方向的操作和兩個方向(沿兩個方位角平面)的光束控制，根據所提出的方案，設置為平面內的液晶取向相對於條帶電極的方向為大致±45度；第7圖示意性示出具有四個LC單元的光束控制裝置，以提供雙偏振方向的操作和兩個方向(沿兩個方位角平面)的光束控制，根據所提出的方案，設置為液晶取向為混合垂直的(基本平行於法線)，基本上平行於條帶電極的方向；第8圖示意性示出具有四個LC單元的光束控制裝置，以提供雙偏振方向的操作和兩個方向(沿兩個方位角平面)的光束控制，根據所提出的方案，設置為液晶取向為基本上平行於相應的單元中條帶電極的方向，所述裝置採用第一兩個單元和第二兩個單元之間的90度偏振動態旋轉器；第9圖是示意性示出了四個光束控制元件的平面圖，其具有如第3C圖的正交布置和電絕緣的條帶 電極，其中根據所提出的方案，(平面內)液晶基本上在條帶電極的45度方向取向；第10A、10B、10C和10D圖是示意性示出了四個調製光束投射圖案，根據所提出的方案，其由如第6圖的光束控制裝置當入射光是非偏振的且旋轉器可以調節為不旋轉偏振方向來實現；第11A、11B和11C圖示出根據第8圖的裝置展寬的光束的圖像，根據提出的解決方案，分別在4V、5V和7V操作；第11D、11E和11F圖示出類似於第6圖的裝置展寬的光束的圖像，其具有平行液晶(平面內)取向，根據提出的解決方案，分別在4V、5V和7V操作的一組電極對；第11G、11H和11I圖示出類似於第6圖的裝置展寬的光束的圖像，其具有垂直液晶取向，根據提出的解決方案，分別在4V、5V和7V操作；第12A圖是光束控制光源的示意性塊狀圖，根據所提出的解決方案，其採用預調節準直元件和動態液晶光束控制元件；第12B圖是光束控制光源的示意性塊狀圖，根據所提出的解決方案，其採用預調節去準直元件和動態液晶光束控制元件；第12C圖示出了，根據提出的解決方案，如第12A和12B圖所示的光源光束預調理中的(顏色，強度) 的像差減少；第12D圖示出了所提出的方案的另一實施例中，在LED源光束的光束展寬後，採用發散器；第12E和12F圖示出了根據第12D圖的實施例中的輸出擴展光束投射，其分別為不帶輸出發散器和帶輸出發散器；第12G圖示出了偏振獨立的兩(方位角)平面的光束展寬器，其具有依次的光束展寬裝置，以使受第一光束展寬器影響的第一正交偏振方向相對於受第二光束展寬器影響的第二正交偏振方向進行約45度的旋轉；第13圖是根據提出的解決方案的實施例，展寬壓縮(chirped)的條帶電極陣列的示意性平面圖，其具有條帶電極之間的空間可變的間隙或間距；第14A圖示出了，根據提出的解決方案，具有同心圓排列的條帶電極的中心對稱陣列的平面圖；第14B圖示出了，根據提出的解決方案，具有同心圓排列的條帶電極的中心對稱陣列的變形的平面圖，其具有各環之間的交錯連接；第15A圖示出了，根據提出的解決方案，與第14A或14B圖的電極互補的徑向電極的中心對稱陣列的平面圖；第15B圖示出了，根據提出的解決方案，具有同心(實線)和正交的徑向(虛線)電極的中心對稱陣列的平面圖，其具有基本上均勻的電極間距，通過多個從外 環到內環的徑向電極來實現；第16A圖是測得的像素強度分布與準直的入射光的像素位置的關係的示意曲線圖，其中示出了紅光和藍光的強度變化；第16B圖是根據提出的解決方案，測得的像素強度分布與±5度的FWHM發散入射光束的像素位置的關係的示意曲線圖，其中示出了紅光和藍光的輸出光束強度變化；第16C圖是測得的輸入光束的紅光與藍光之間的強度比與色彩分離的準直光束的像素位置之間的函數關係的示意曲線圖；第16D圖是根據提出的解決方案，測得的輸出光束的紅光與藍光之間的強度比與色彩分離減少的±5度的FWHM發散入射光束的像素位置之間的函數關係的示意曲線圖；第17A，17B和17C圖是液晶的光束控制裝置的一般概念的示意性橫截面圖，具有三個不同的狀態，基態的第17A圖，驅動的聚焦狀態的第17B圖和驅動的散焦狀態的第17C圖；第18A和18B圖分別是液晶的光束控制裝置的3D和橫截面的示意圖，根據提出的解決方案，第18A圖示出了三段，而第18B圖示出了一段，其中具有LC一側上的獨立或相互交叉平行的電極條帶1和2，和在相對側上的均勻透明電極4； 第19A和19B圖示出了兩個液晶的光束控制裝置(兩個都僅有一個單元)的電場分布差異的橫截面示意圖，根據提出的解決方案，在第19A圖中具有一個均勻的透明電極4和連接的(被動)平行電極線1和2=1，在第19B圖中僅有LC單元一側的獨立或相互交叉平行的電極線1和2；第20圖是一個操作模式的示意性(定性)示範，根據提出的解決方案，當兩個電極層都同時被驅動時，其實現展寬和偏振方向轉換(主要是旋轉)；第21圖是，根據提出的解決方案，基於在此發現的操作模式，一個最終裝置(用於沿兩個方位角平面內展寬非偏振光)中光束傳播的偏振方向特性和展寬的變化的示範；第22圖是，根據提出的解決方案，基於在此發現的操作模式，一個最終裝置(用於沿兩個方位角平面內展寬非偏振光)中成本效益的示範；第23A和23B圖示出了當只有電極層中的一個被驅動時，根據提出的解決方案的一個實施例，光束的光束展寬和偏振行為的實驗示範；第24圖示出了當兩個電極層都被驅動時，根據提出的解決方案的一個實施例，光束的光束展寬和偏振行為的實驗示範；第25A和25B圖經由實驗示範，示出了具有獨立電極和使用所選擇的相位延遲，以獲得可接受的光 展寬的重要性：根據提出的解決方案的實施例，在第25A圖中，所有電極接收在相同的相位的5V的驅動信號，而在第25B圖中，所有的電極接收對應的5V的驅動信號，但是它們的相位分別被變更為0、180、90、270度；第26A和26B圖是雙層電極構造的示意性示範，其中獨立控制的電極“對”在不同的水平面(由薄絕緣層分離)上形成：根據提出的解決方案的實施例，第26A圖示出了一個光束控制裝置元件的3D示意圖，而第26B圖示出了三個相鄰設置的元件的剖面圖。
第27圖是光束控制裝置的示意性示範，根據提出的解決方案的實施例，其能够只在一個所需的(方位角)平面內(或在垂直方位角平面)展寬，和使光的期望的偏振分量進行雙展寬，而其垂直方向的分量保持不受影響；和 第28A圖示出了具有“被驅動的”扭轉分子再取向(當相對基板上的所有電極被同時驅動，且施加獨立的不同相位)的LC單元的基板的平面圖，根據提出的解決方案的實施例，其中該LC單元用於在兩個(方位角)平面上展寬非偏振光(自然光)；和第28B圖示出了具有“被驅動的”扭轉分子再取向(當相對基板上的所有電極被同時驅動，且施加獨立的不同相位)的另一個LC單元的基板的另一個平面圖，根據提出的解決方案的實施例，其中該LC單元用於在兩個(方位角)平面上展寬非偏振光(自然光)。
而所描述的層的次序是有意義的，“頂部”和“底部”、“前”和“後”在本說明書中的限定，僅僅是用於參考本申請的附圖中的方向，並不意味著任何絕對的空間方向。
光束控制裝置是控制光的(折射)輸出光束的光學裝置，其實現光束發散或所述光束方向(方向調整)控制。控制光束發散/收斂是光束控制以提供聚焦/散焦的特殊情况。光束方向控制可用於光束轉向的目的。光束控制裝置提供光束擴散、光束發散/會聚或光束方向控制的組合，在這裏一般稱為光束調整裝置。
在液晶光束控制裝置，電場通常用於控制一個LC單元中的液晶材料的分子取向。電場可以在空間上調製液晶光學裝置的光通孔，以在在空間上調製液晶取向。分子取向的改變將影響LC材料的局部折射率，並且可以在整個LC單元體內創建LC材料的折射率梯度。在特定情況下，特定的折射率梯度變化可以創建所謂的梯度折射率(GRIN)透鏡(包括聚焦或散焦透鏡)。對於透鏡，可以期望具有光通孔上LC分子取向的一個(可控制的)平滑變化，而無需使用大量的透鏡元件，以形成一個擴大的光通孔的透鏡。
當光束控制裝置的光通孔是大的時候，大角度的光束控制對於液晶GRIN裝置是困難的，因為在單個光通孔上通常設置的折射率變化相對較小。通過在較大 的有效光通孔上使用多個具有小活動光通孔的光束控制元件，可以實現用較小的高寬比(形狀因子)的較小的光學元件可以提供更大的總的光束轉向能力。在光束調整裝置的情况下，使用多個元件可以是所期望的，在每個光束調整元件的小的光通孔面積上的電場分布和其與相鄰的(共享)液晶(材料層)的相互作用可以與較大的光通孔裝置不同。在提出的解決方案的一些實施例中，採用小尺寸光束裝置元件可以提供改進的光束調整，例如光束展寬。
在一些光束控制裝置中，利用設置在液晶層的相對側的電極來提供控制電場，而在其他情况下，電場被布置成鄰近(含有/夾持)液晶層的一個單個基板上的電極來提供。
利用摩擦取向層(平面排列)使向列型液晶處於基態取向，只能影響非偏振入射光的一個偏振方向分量。要調製非偏振光，通常使用兩個、正交取向的液晶層。自然或非偏振光可被分成兩個正交偏振，只有偏振方向中的一個將被第一LC層(根據其液晶空間調製)進行調製，而另一偏振方向分量將基本上未被該LC層調製。設置第二LC層以提供對未被所述第一LC層調製的偏振方向進行所需互補調製，讓經過第一LC層調製的偏振方向通過，而產生很少、可忽略的調製。
光束展寬
對於特殊光束調整的目的，它可能實現，對例如液晶雙層幾何進行編程，也可以在一個或兩個垂直 方位角平面(沿法線相交)內擴展光束。第一液晶層，可以作用於一個方向上一個偏振的可控傳播的光，而第二液晶層可以作用於正交的其他偏振方向的可控傳播的光。
例如，第1和2圖的配置可以使零功率的情况下不產生光的調製的裝置，而在通電時提供光束展寬或發散。
這樣的光束控制可以參照第1圖更好地理解，其示意性地示出了光束控制裝置具有一個單一的液晶層20，其使用相互連接(共同驅動)的一個基板12的平行條帶電極14，條帶電極14通過電極分隔間隔g(間距/節距)分開，和透明平面電極16布置在跨越所述液晶單元的另一個相對的基板12上，其提供具有厚度L的液晶層20的控制電場(該厚度有時被稱為“單元間隙”)。條帶電極14可以是透明的。條帶電極14通常只有10至20微米寬，即使是不透明或半透明的，也不會阻止很多的光傳輸。取向層18(其厚度未在圖1和2示出，以便於繪圖)，例如摩擦聚合物，提供在內部表面上，較佳在兩個基板12上和電極14和16上，以對液晶20提供一個初始基態分子取向。條帶電極14較佳地設置在入射光線進入液晶單元的基板上，然而條帶電極也可以根據液晶的基態取向，設置在對面的基板上。
所示的裝置是高度示意性的，並且橫截面圖中不是按比例示出四個電極間隔g。在一個具體的例子，條帶電極14之間的每個縫隙狀間隙可以為可控圓柱形 透鏡元件提供光束發散控制。電極14的排列可以是線性的(即手指狀，參見第13圖)，同心環/螺旋狀(參見第14A和14B圖有或沒有電極的互補徑向或星形結構，參見第15A和15B圖)或任何其他合適的構造。光束控制裝置的光通孔上的電極間隙的數量可以根據應用而變化。不同的元件間隙形狀的光通孔可以提供不同於光束發散控制的其他光束形狀控制。光束發散控制可用於在各種應用，包括但不限於：環境、場景和建築照明。
當第1圖中在電極14和16施加具有電壓的驅動信號，電場(見最右邊的單元中示出的場線)是在LC層(空間)體積中，相鄰和電極14和16之間的電場比在電極14之間的間隙處更強。高電阻材料層(未示出)可以增加到電極14附近，以幫助在間隙(電極間)的電場分布，然而間隔g與液晶層厚度L的比值相對較小時，那麼這樣的高電阻材料層提供了減少的好處。
向列型液晶材料20的層控制光的單個偏振方向成分。如本領域中已知的，這樣的液晶層可堆疊在一起，以使整個裝置可以調節光束的通過該裝置傳播的兩個(線性)偏振方向分量。在第1圖的實施例中，液晶材料20被示出為具有一個基態取向，幾乎與基板平行，因此在基態的液晶分子將具有從左到右的低預傾斜角。為調製正交光偏振，可以提供向列型液晶的另一種層，其具有與基板延伸進入或出來紙面的方向平行的取向。可以肯定，使用向列型液晶材料的並不旨在限制本發明：其它液晶材料也 可以使用。
此外，對於光束控制的目的，在第1圖所示的條帶電極圖案可以用來引起在一個方向上光束調整(例如在一個方位角平面)和僅用於一個光偏振方向。用於在兩個方向上(兩個方位角平面)的光束調整，多個(附加的)液晶層可在多個控制電極14互相正交的設置圖案下使用。
與第1圖類似，第2圖示出了具有單個液晶層20的光束控制裝置，其具有一個(頂部)基板12，由間隔g分隔開的獨立電極14A和14B，以提供電極14A和14B之間的控制電場，其為在每個間隔g下方的液晶材料中是空間可變的。當在第2圖中在電極14A和14B施加具有電壓的控制信號(見兩個最右邊的單元上示出的電場線)，電場在每個間隔g的中點，遵循基本上平行於電極14A和14B之間的(分離)方向的幾何取向，而在每個間隔g的邊緣附近，電場線的取向變為基本上垂直於電極14A和14B之間的(分離)方向。在第2圖所示的裝置的幾何形狀的控制電場具有一個非常不同的幾何形狀，相比於第1圖中所示的裝置的幾何形狀的控制電場，但是，在施加的控制信號(電壓)的條件下，液晶取向可以是類似的(但不相同)。
在第2圖中，電極間距(g)的高寬比(R)，或電極14A和14B之間的周期，和液晶層的厚度(L)，R=g/L，例如可以是0.7和4之間(優選為約2.5的微透鏡應用)，而無需在絕緣基板12上或處塗覆任何弱導電材料，在該處有電極14A和14B(在位置上)。例如，電極的間隙間隔g是 約100微米，而該LC層厚度L可以為約50微米，而高寬比大約為2。條帶電極14A和14B的寬度可以從(逐步)間隔g減小，以得到元件的光通孔。令人驚奇的是，高寬比R，已經發現在確定上述的所需的電場空間變化中發揮重要的作用。電極14A和14B如圖所示被布置在基板12的內部的LC單元一側上，但是，它們也可以位於基板12的一個外側面上。這後一種設置可能需要較高的驅動信號電壓，然而，電場的幾何圖形可以是更適合於液晶材料內調製所述電場。
第3A至3C圖示意性地更詳細地說明類似於第2圖的一對平行條帶電極14A和14B產生的電場。第3A圖示出了高寬比R約為10。單元中的電場線多平行於基板，除了電極附近的邊緣區域。這種布置是已知用於顯示器中，其中該液晶需要在兩種狀態之間切換，即接地狀態(例如扭轉向列或垂直)和液晶平行排列於基板的供電狀態。在這種情況下，目的是在電極14A和14B之間的單元內實現液晶的均勻再取向，其不太適合於光束調整控制應用，例如光束展寬。
第3B圖示出了單元的幾何形狀，其中，高寬比R小於約1。這種小的高寬比，例如可以有效用於從顯示的顏色的像素重定向光，以便所選擇的像素從例如自動立體顯示的只有右眼或左眼的一個視角變得可見。這樣的液晶裝置的各種實施例在美國專利申請公開2010/0149444中被希克梅特等人描述了，特別是參考其中第6A到6D圖。在希克梅特的444專利中所述的液晶材料的(初始/基態)取向是垂直。其中強度分布作為觀看角度的函數提供旁瓣峰(side-lobe peaks)，可以是適合於自動立體的應用，但是這樣的LC單元元件幾何未能提供(甚至)均勻強度的光束展寬，以適於照相機閃光燈、建築照明等照明應用。
如第3A、3B和3C圖可以理解，長寬比對單元內的液晶取向的空間分布產生影響(作用)，如第3C圖所示的一個合適的高寬比R可以實現適當的光束調整光學裝置，而第3A和3B圖提供光束調整是不均勻的。根據提出的解決方案，第3C圖示出了一個液晶單元元件的幾何形狀，其中高寬比R大於約1且小於約4.5。
第3D圖中的特徵在於實驗LC單元具有電極間隔g約75微米，電極14A、14B的寬度大約15微米和大約60微米的液晶層厚度L。這提供了約1.5的高寬比。如第3D圖中所示，實驗結果表明，通過如第3C圖中所示的光束控制裝置傳播的光束的強度，具有最初為+/-5度的相對法線的角度分布(FWHM)的(未經準直/略微發散)入射光束可以被展寬(進一步擴展)到約+/-20度的相對法線的角度分布FWHM的基本上均勻的強度(圖中繪製為對數坐標)，其中使用約5V至8V的控制信號電壓。該光束從具有大約+/-5度的FWHM的角度分布(發散)展寬為+/-12度到+/-25度的FWHM範圍的光束。所謂“基本上均勻的強度”，可以理解為，光束的角分布是沒有可感知“熱點”，即不出現比其他區域特別明亮的投影區域。在更高的控制 信號電壓，在15度的FWHM的強度增加到比8 FWHM度略微大一點，然而，明顯的旁瓣的形成可以被避免。
在第2圖和第3C圖的實施例中，所述電場具有“垂直”分量(稱為“平面外”)，即垂直於該電極14A和14B所在的基板12，和“水平”的分量，即延伸於電極14A和14B之間，平行於單元基板12(在電極間隙中)。
當液晶材料由取向層18限定在基態取向時，其限定了一個預傾角，以實現初始(優先)平面內在電極14A和14B(垂直於電極條帶)之間(的方向)延伸的分子取向，由於預傾斜角，而使輸出展寬光束強度產生了不對稱性(發生)。取向層18的預傾斜角產生了電場和所期望的LC單元內的液晶的取向的空間分布之間的不對稱局部取向差。如圖3C所示，在20a處的液晶的左側取向與電場對齊，而在20b處液晶的右側取向是與電場的反方向對齊，但是處於基態的液晶的平面取向，會發生一些非對稱變化。
所述條帶電極14A和14B可以是足够窄，以便減小相鄰單元之間的邊界區的尺寸。整個裝置的光通孔具有如第3C圖所示的液晶單元，可以有許多這樣的(單元)控制元件，無論是配置為條帶、環、螺旋或其它幾何圖案，對於每個控制元件(單元)具有一個小電極間隔g大約為30至90微米，典型地約50微米，每毫米的線性光通孔中約設置20個控制元件(單元)。
第5A和5B圖示出了由光束展寬裝置展寬的相同入射光束的投影圖像，其具有類似於第2圖所示的 圖案化電極結構，具有大量交叉(指狀)條帶電極14A、14B和大量的控制元件，控制元件具有如第3C圖所示的適當的寬高比R。第5A和5B圖中所示的投影光束強度分布對應於分別沿方向26和25穿過LC單元的光束傳播(參見第3C圖)。可以看出，申請人已經發現，當在方向25上傳播時的入射光束比在方向26上傳播時明顯更寬。還已經觀察到，當液晶取向具有不同的平面內取向時，例如扭轉向列和pi單元，存在相同的傳播方向25比傳播方向26的優先效果。可以參考第3C圖來理解這些發現的一些效果，其中電場不僅隨著LC單元體積內的深度(L)而變化，而且電場線也具有不同的曲率，其也隨著LC單元體積的深度變化。沿方向25傳播的入射光束首先經歷具有低曲率的電場線的強電場，並且逐漸經歷具有高曲率的電場線的弱電場。相反，沿方向26傳播的入射光束首先經歷具有高曲率的電場線的弱電場，並且逐漸經歷具有低曲率的電場線的強電場。由於LC分子軸由電場線重新定向並且LC材料內的局部快速光折射隨著傳播深度而增強，因此每個光線所經歷的漸變折射率變化可以根據傳播方向具有不同的影響。令人驚訝的是，這種性質變化產生了大的可測量的輸出光束變化。
還已經觀察到，對於基態的垂面液晶取向，即對於接近平行於法線的高預傾斜角，動態光束展寬在方向26相對於方向25可以獲得更大的改善。令人驚訝的是，這種效應表現出大的可測量變化。
液晶基態取向在電極14A和14B之間延伸的方向上的結果可以是不對稱的取向重新指向分布，和/或產生響應於電場的向錯(disclination)。此外，產生的微透鏡的色散變得比較大。這些問題可能造成透射光的可見的失真。例如，第5C圖表明在使用如第2圖所示的多個指狀條帶電極裝置，接收一個準直入射光束時產生的顏色分離效果。如可以看到的那樣，展寬不是中心對稱的，展寬角是中等的，也有在邊緣的亮點和有色散產生可見的顏色分離。
在第4A圖中，示意性地示出了替代設置的平面圖，其中取向層18的(平面內)取向幾乎平行於條帶電極14A和14B。在該配置中，(水平)X方向上的電場分量將作用於LC分子，以使其克服取向層18的(恢復取向)作用而產生側向轉向。然而，電場的(垂直)或Y方向分量跨越間隙以良好的對稱性作用在液晶分子20上(在此X，Y和Z軸在第4A圖中未示出，它們被示出在第6和7圖)。這種配置提供了良好的光束展寬對稱性，如第5D圖所示。如圖所示，存在很少或沒有色散，並且獲得期望的寬的和平滑的強度分布(具有良好的均勻性)。第5D圖的實施例中的光束調整的質量也可以使用第1圖的電極設置來實現。
根據第4B圖中所示的所提出的解決方案的另一實施例，還使用了條帶電極14C和14D，並且驅動信號分量被提供給電極14A、14B、14C和14D中的每一個用於操作元件。各個電壓的控制可以實現，通過選擇驅動信 號分量V1至V4的控制信號的相位和/或電壓來允許光束控制元件(單元)內的液晶材料20的取向的快速均勻改變。例如，當電極14A和14C以公共電壓驅動，並且電極14B和14D同樣被另一公共電壓驅動，且與電極14A和14C相位相差180度時，則液晶20受到基本上平行於基板12的電場，特別是在電池的中間(遠離相對電極之間的區域)，並且當(基態)液晶取向沿電極14A和14B之間的方向延伸時，液晶材料20可以迅速地取向為接近基態的取向。
在垂直基態液晶取向的情况下，可以通過向一個基板12上的所有電極施加相同的控制信號電壓並且對另一個基板12上的所有電極施加相反極性的相同控制信號電壓來實現基態的快速恢復。額外的中間基態電極通道(在電極14之間並與電極14平行)，至少在一些應用中，可以是有利的。
此外，在第4B圖所示的分層幾何形狀中的相對基板的表面上的附加線性電極的存在，液晶層的厚度L可以選擇為更大，其中額外厚度被更有效地使用，相對於例如如第2圖所示的僅一個基板12具有電極的情況。這將允許通過增加通過液晶厚度的光束傳播的相互作用時間而不增加控制信號電壓來獲得更大的光束展寬角。
此外，在第4B圖中所描述的光束控制元件將提供一個輸出光束，其具有改善的對稱和而在關於通過光束調整裝置的光束的傳播方向的選擇上沒有顯著的差別。
在根據第4B圖所示的提出的解決方案的實施例的具體實施方式中，各個液晶取向可應用於第4B圖中所描述的元件，包括垂直，平面(0度，45度，90度，或其他)。90度平面內取向的特定情况下(當液晶取向垂直於電極條帶14)可以有可能用於各種應用。例如，摩擦取向層可以從左至右在頂部和底部基板12的兩個內表面進行。因此，液晶的預傾斜角會在一(基板)LC單元壁表面是正的，而在另一相對的(基板)LC單元壁表面是負的。在這種情况下，電極14的驅動可產生光的相對對稱性的展寬圖案。
根據所提出的方案的另一實施例，如果對一組電極14相對於其它組進行一個預定的位移，可以實現附加的光束控制選項(諸如展寬和轉向)，如第4C圖所示。這樣的光束控制裝置可產生傾斜(非對稱)的電場，並引導光線的方向。
根據提出的解決方案，用於調整不同偏振方向的光，一對(正交)取向的液晶層可以由具有類似的空間分布的電場控制。因此，一個光束控制裝置可以被配置為通過使用正交取向的兩層液晶，以控制非偏振光。可替代地，相同的取向的兩個層可以被布置為兩層之間設置一個90度的偏振方向的旋轉。如參照第1和2圖所述的圖案化電極陣列可用於沿一個方向或方位角平面展寬入射光束。展寬兩個方向(沿兩個方位角平面)的光束，可以使用附加的LC層對。
在第4A圖所示的液晶材料的取向方式提供了一個光偏振方向的顏色分離的減少，但不適用於其它的光偏振方向(不採用偏振方向旋轉裝置時)。因此，在第5C圖中示出的問題，不能簡單地用第4A圖中的方式為兩個偏振方向解決。
根據所提出的方案的一個實施方式，平面內取向的液晶可以實現相對於電極14大約45度角的取向，這樣的幾何形狀允許將同樣的折衷用於每個光的兩個(線性)偏振方向分量。這樣的分層幾何形狀在第6圖中示意性地示出，用於對兩個方向(方位角平面)的兩個偏振方向進行光束控制。而色差或顏色分離的減少不如第4A圖所示的實施例那樣良好，對於第6圖所示的實施例，當取向方向為相對於所述條帶電極14A和14B的45度的方向，在第5C圖中所示的顏色分離的問題大大減少。
根據所提出的一個進一步方案的實施例，在第7圖中示意性示出，LC層之一可以採用垂直液晶取向，它包括在基態時液晶分子取向為垂直於基板。
如上所述，應當理解的是，布置LC單元時，通過在使用平面內(平面)LC基態取向的情况下，將所述圖案化的電極面朝光源，以改善光束調整性能，而對採用垂直的實施方式，光束展寬的性能改進是通過對面的基板面向光源來獲得。
當混用平面和垂直取向的單元時，必須對層狀幾何結構進行特殊設置，以提供最佳性能。根據所提 出的方案的這種混合基態取向的一個實施例，兩個液晶層採用垂直取向基態，其中正交取向的條帶電極可在兩個方向上展寬或轉向光束(沿兩個方位角平面)。根據一個實施例，這樣一對LC層可以被配置為被基板進行分離，其具有在其兩個表面上的低錨定能量，以解耦在每個相鄰的LC單元中的分子變形。
當如第6和7圖所示的液晶單元中設置堆疊時，已經發現，堆疊中的一個LC單元的電場可能會導致鄰近LC單元的液晶材料不期望的取向改變。在這種情况下，設置在液晶層之間的足够的間隔，以避免不期望的影響。在一些應用中，可通過沉積在LC單元之間中間外基板側的透明導電層，以減小這些額外的間隔，且屏蔽從相鄰的LC單元的控制電極對一個LC層的影響。透明導電層可以處於電浮置狀態或可以接地。雖然該裝置的總厚度具有較小的因素，這取決於應用的可能需要的額外的層來減少或考慮由這樣的透明導電層帶來的影響，例如，需要減少不希望的內部反射。
當布置電極的正交陣列或圖案化電極時，如第7圖所示的實施例中，有可能在基板中設置分隔相鄰的液晶層的電極。例如，一個相對厚的基板(例如，500微米)可以設置有塗敷的ITO，而電極條帶14(線)可從ITO塗層中蝕刻出來。然後兩個這樣的元件可以設置一個90度的相對旋轉並用光學黏合劑膠合在一起，黏合劑也充當電隔離器(例如，3-5微米厚)。獲得的厚的元件(約1005微米厚) 可以例如被化學薄化至100微米，甚至更薄，例如至50微米。該複合基板可以被用作具有交叉指向的兩個液晶層之間的中間基板。這樣的基板提供了一個整體的製造成本優勢，以在兩個(相鄰)的LC層上提供同樣的操作。然而這種複合基板也具有需要採用稍高的控制信號的電壓的缺點，相對於電極14形成在基板之間，且夾持各液晶層的技術方案。
第8圖示出了擴展了在第6和7圖所示的層狀幾何形狀的變型實施例，其中LC單元1和2與LC單元3和4是相同的，然而，如圖所示，一個90度的偏振方向旋轉器被增加到單元2和3之間，以提供正交的光偏振方向分量的光束控制。
可以實現基於相同的LC單元和電極組成的類似的替代方案，然而採用所有LC單元中的垂直取向(除了在偏振旋轉器中的)。當旋轉器是一個非供電驅動的元件，輸出光束可以表達出四種不同的投影狀態：(1)源光束穿過堆疊而未被調製，例如投影斑點圖案時，兩對LC單元都不通電(在第10A到10D圖中未示出)；(2)如第10A圖所示，當只有一對LC單元通電，產生沿著一個方位角平面的光束展寬的水平線；(3)如第10B圖所示，當另一對LC單元通電，產生沿另一方位角平面光束展寬的垂直線；和(4)如第10C、10D圖，當所有的單元被供電，以提供兩種方位角平面的兩個方向上光束展寬。所述LC單元1、2和3、4的順序可以互換。
根據所提出的方案的這個實施例，通過採用一個動態可切換的偏振方向旋轉元件，例如扭轉向列型液晶元件，光圖案可以改變，例如，當90度的偏振方向旋轉器被移除時，從如第10C圖中所示的一個基本均勻的雙平面展寬改變為如第10D圖的十字狀的強度分布。其他液晶層(取向)的基態取向配置也可以在該方法中使用，例如，如上所述，使用相對於的電極14成45度取向的方向，或者可替換地使用垂直取向。
第9圖示出一種變型實施例，其中向列型液晶在基態以相對於電極14A和14B的45度角摩擦表面取向。在本實施例中，如圖所示，電極條帶14A'和14B'可以垂直於電極條帶14A和14B布置，和摩擦的方向也相對於電極條帶14A'和14B'成45度角。電極條帶14A'和14B'與電極條帶14A和14B之間有絕緣層進行電絕緣。此布置允許在X方向和/或沿Y方向進行光束調整。不採用任何這樣的絕緣，當使用了一個相對電極時，一個孔圖案化的電極遮罩可以在第1圖中用於組合的X+Y方向的光束調整。如第9圖中所示的裝置具有液晶材料的單層，且在在兩個垂直方位角平面內調節單個(線性)光的偏振方向。額外的，需要液晶的正交取向層來調節光的兩個偏振方向分量。
第9圖的正交電極配置可以提供獨立的方向控制的光束調整，同時簡化製造工序。雙微影製程可用於(連續地)製造在同一基板(由隔離層隔開)上的交叉的電極對，如第9圖所示。這可以避免當每個光束控制方向的 控制電極設置在各自的基板上，從而在裝置組裝時產生的取向對齊的問題。
使用四個LC單元裝置，如第6圖示意性的示出的實驗結果(其中，具有許多平行的指狀14A、14B的圖案化電極，如第2圖和第3C圖所示)在第11A至11I圖示出了不同的電壓和在液晶基態取向。電極條帶的寬度為15微米，電極之間的間隔g為75微米，液晶層的厚度L為60微米，且液晶材料的光學非等向性△n約為0.2。實驗裝置中沒有使用相對的接地電極，使用的電場如第3C圖示意性地表示。
第11A、11B和11C圖分別示出了在4V、5V和7V下，使用如第6圖所示的液晶基態取向的投射光束結果。可以看到，在此實驗裝置中光束展寬在7V條件下變得相當均勻的(平均)和均勻分布，而對於較低的控制信號電壓，光束展寬的量則減少。中心軸線被標記為所有圖像的十字。由於45度基態的平面內取向角的原因，觀察到的光束展寬是對於光軸不對稱的。業已發現，當使用更小的高寬比R時，這種不對稱性會被減少，它將仍然適合於光束控制，參考上面對第3A至3C圖的討論。
第11D、11E和11F圖分別示出了在4V、5V和7V下，使用如第8圖所示的液晶基態取向的投射光束結果。可以觀察到，此裝置的配置在4V時，獲得了比如第6圖的45度基態的平面內取向更大的光束展寬和更小的顏色分離，然而，當控制信號電壓被增加超過5V和到達 7V時，一個中等的十字狀熱點仍然可觀察到。出人意料的是，相對於該中心軸的投射光束的對稱性良好。
第11G、11H和11I圖分別示出了在4V、5V和7V下，使用垂直的液晶基態取向，即垂直於LC單元基板的取向的投射光束結果。這樣的液晶基態取向是在希克梅特'444參考文件中使用的。當光束被展寬，例如參見第11H圖，其中施加了5V的控制信號，顯示出了顯著的熱點，來自光束調整性能的“波瓣”。不希望地，在7V情况下也發現熱點的存在。相對於該中心軸的對稱性是良好的。
當只有多個LC層的一個或多個使用垂直基態取向，如第7圖中示出的實施例，其中單元1和4具有垂直取向，如第11G到11I圖的熱點的存在被減少，且不那麽明顯。LC層的順序(或次序)可以按需要和/或以適應特定的應用而改變。垂直層比採用基態的平面內平行於沿著條帶電極14之間延伸方向上的基板12的取向的液晶層具有較少的不對稱性(導致色散或顏色分離)，並且因此組合產生的一個光束控制裝置總體上具有較小的色散或顏色分離。
從這些實驗結果中，最平滑或最均勻(平均)的光束展寬中採用了非垂直取向，並且特別地，液晶材料基態為相對於條帶電極14的45度方向取向。
基於液晶的動態光束展寬裝置在本領域中是已知的。然而，已知的裝置具有局限性。如果LC元件 的參數的設置方式只引入原始源光束的附加展寬，例如具有如第12圖中所示I0的原始發散，然後，從能量、成本和美觀的觀點看，如果是LC元件不應使用非常大的I0(例如大於±25°)。這限制了光源光束可接受初始發散角的上限。
相反，如果I0的值非常小(例如約0度的雷射光束或雷射二極體光束)，且原始光源具有相對較大/較寬的光譜內容(如“準白色”光源，如光譜寬度大於30奈米)，因此涉及在光束展寬中另一重要的問題，在光束轉向的情况下，將不希望的顏色分離控制在較小程度(傳統元件將產生彩虹狀顏色分離)。
所提出的光束展寬方案採用源光束調整，例如對光源光束(ipc)的如第12A圖所示的去準直(de-collimation)，或如第12B圖所示的預準直(pre-collimation)，以提供可觀察的(可見)額外的動態光束展寬，其具有優先最小顏色分離的展寬範圍(id)。
對寬的頻譜(白色)具有小的原始發散角的光源的動態展寬的情况下(例如0度的雷射或LED二極體)，顏色分離是非常明顯的，並且是不希望的。根據所提出的方案，如果採用一個附加的光學元件30，例如對發散源光束進行略微的增加、去準直，或減小、準直，但不調整太多，例如較佳地約±5°(使用相同的光源，並且用同一LC裝置展寬光束)，顏色分離可以被最小化。或者，在源光束入射並進入液晶的光束控制裝置之前，原始源光束可 以稍微增加發散或會聚，用於在動態範圍進一步動態展寬。
光束預調節的效果可以參見第12C圖和第16A至16D圖所示的實驗結果。當準直光束通過如第6圖示出的一個光束展寬器，第16A圖示出通過的準直光束的展寬投射的橫截面圖，其展示了在投射光束的邊緣藍色比紅色更多，其明顯是顏色分離。令人驚訝地，當±5度FWHM發散源光束通過相同的裝置時，輸出光束則變寬一點(參照如第16B圖的曲線圖相比如第16A圖的曲線圖中，被展寬的光束的寬度的數量比較)，而藍色與紅色的不平衡則明顯更少地可察覺到。第16C圖示出了準直的光束的藍色與紅色的比例，而圖16D為±5度FWHM的發散光束的情况。如圖所示，對於準直光束的側邊緣具有的藍色相對紅色的強度比超過3，而對於±5度FWHM的發散光束，藍色相對紅色的強度比為約1.7。這在顏色分離上是顯著和大幅度的減少(幾乎減少一半)。
如第12A和12B圖所示，光束控制器被設置成產生光束控制信號。例如，光源，諸如LED晶粒，可以使用光束控制器控制強度和/或顏色。此外，動態液晶光束控制元件可使用光束控制器來控制，即電極14A和14B(或任何上述的電極設置)可以通過使用光束控制電路和相應的(多個)驅動控制信號進行控制。光束控制器可以包括專用電路，或者可以包括可配置的電路(例如FPGA)，或者可使用在合適的平臺上運行的程序代碼，例如在一個CPU或DSP系統中實現。
在實施例中採用初級光學裝置，它在LED光源的入射光源光束進入光束調整控制裝置之前，先對其進行“準備”(準直或去準直)，嚴格準直的LED光束在通過如第12A圖所示的光束展寬裝置之後，投影光束表示出如第12C圖所示的強度調製不均勻性(波紋，包括顏色分離)，其具有的不均勻性通過略微增加原始的散射可以明顯的減少。對於一個特定的LED光源的應用，其具有初始大的，大於等於±10度的FWHM發散，可以根據所提出的解決方案的一個實施例，使用一個簡單的發散器作為後調節元件(post-conditioning element)，如第12D圖所示，以獲得與藉由進行去準直而對準直光源進行預調節(pre-conditioning)類似的結果。例如，已經發現，增加大約2.5度FWHM擴散到展寬的光束輸出(具有小強度的波紋和小的顏色分離，如第12C圖示出)的發散器對於像差減小方面提供了良好的後調節。在這種結構中，強度和顏色不均勻性被顯著減少(見第12E和12F圖)，例如採用具有原始發散(在FWHM測量)15度的LED光源時，驅動的控制信號具有-20VRMS幅度，和採用簡單LC單元的幾何結構，其具有垂直取向和LC單元的相對表面上的交叉取向的電極條帶(指狀)。這樣的輸出光束的質量對於可以犧牲2.5度FWHM的動態光束展寬範圍的應用來說是足够的。與此相反，如果發散器被放置在LED光源和光束展寬器之間，則會存在波紋。
因此，如果光源(LED)模組的原始發散為±10 度的FWHM(典型點光源)，則一個透鏡或甚至發散器可以被用於增加發散到±20度的FWHM。然後，在此提出的建議的光束展寬裝置可以控制為逐漸使光束發散從約±20改變至約±40度。這可以減少光束展寬器(低對比度)的動態範圍，並在某些應用中，可能希望有一種動態範圍約±10度變化至大約±40度(增加對比度)。
根據所提出的方案的一個實施例，一個初級動態發散器採用代替如第12A和12B圖中的預調節元件。在其最簡單的形式中，這樣的動態發散器可包括聚合物分散的液晶裝置或另一類型的動態展寬裝置。已發現，許多動態發散器保持發散角(限定的開口，固定的)和只改變透射的比率和散射光，這可能是不希望的。
在替代實施例中，已經發現，在全光束展寬裝置組裝時，兩個LC單元的全偏振光束展寬器的半偏振LC單元中的一個，相對於另一個LC單元扭轉大於2至3度，可使波紋消失。這種扭轉角度可以在±5度的FWHM的順序，可以提供一個有用的波紋強度的減少。
在根據第12G圖中所示的提出的解決方案的一個實施例，示出了採用兩個(順序)的光束展寬器的一個偏振獨立的兩個(方位角)平面光束展寬裝置，較佳為彼此類似，但不一定是類似的，使得受第一光束展寬裝置影響的第一正交偏振方向以一定角度旋轉，例如約45度的旋轉，指向受隨後的第二光束展寬器影響的第二正交偏振方向。如第12G圖中所示的每對光束控制裝置的詳細信息， 其中的第一對相對於另一對圍繞Z軸旋轉了45度，參照第21圖和下文所述。
在第13圖所示的提出的解決方案的實施例中，示出了具有條帶電極14A和14B的電極陣列。電極間隔g是在6mm的裝置光通孔的中部是50微米，在外側是100微米。在所示的例子中，從一個間隔至下一個間隔，g的增加(也可以減少)為5微米。小間隔提供了更高的光束調整或光束轉向能力或光學倍率，而更大的間隔提供較小的光學倍率。電極間隔g這樣的變化可以是線性的或非線性的。變化或微調的效果，可以是消除或減少在(發送)投射光束的顏色分離和熱點的形成。這是因為整個光學裝置的不同部分將光的相同波長(即，顏色)重定向到不同的方向。
例如，光束可以相對於一光軸具有對稱性。在此情况下，條帶電極的中央-對稱布置可以是同心環14A和14B，如第14A圖示意性示出。環的間隔g的是中央光軸附近較小，並在離中心較遠、鄰近最外環(或裝置光通孔邊緣)處較大，以提供更均勻的(平均的)光束擴散。間隔g的也可以配置為考慮光束的強度分布，例如，在強度更大處，提供更多的元件。這種類型的電極(同心環)可與單元的對面基板上的星形交叉電極結構一起使用，如第15A或15B圖。在一些實現方式中，同心環互連的導電電極述線可以對所述的投射光束形成不希望的影響，如第14B圖中所示的同心環互連的導電電極述線可以是圍繞法 線之不同的(較佳是隨機的)角度。
應當理解的是，第13和14圖僅示意性示出條帶電極圖案，並且這種圖案可以應用於各種液晶單元的設計，包括本文所述的那些。在同心環的情况下，光束調整或光束轉向相對於所述光軸在一個徑向方向實現，並且因此典型的光束控制裝置的幾何形狀可以採用兩層液晶，每個光偏振方向使用一個。也可為圓形或星形電極進行空間微調。星形電極的一個特定版本中，例如第15B圖中所示，可能包含其他的分支，以提供各種間隔g的值，包括等距的實施方式。
由於光偏振方向是由具有垂直取向的液晶的電極布局決定的，所以具有同心環形電極的光束控制裝置不希望使用垂直取向，其會作用於光的兩個偏振方向。然而，採用在兩個基態垂直取向的LC單元之間的90度旋轉，每個LC單元具有基本上相同的具有全部垂直取向的同心環元件，其實現對非偏振光束的控制。應該理解的是，本實施例具有幾個優點：1)完整的偏振獨立操作的二維光束展寬可以僅由兩個LC單元實現，而不是四個；和2)熱點/線可以被減少(消除)，尤其是使用條帶電極的迷宮同心設計(見第14B圖)，其中具有變化的間隔g值。
換句話說，在一個變化的實施例中，第14B圖示出如第14A圖所示的同心環之間的橋連接如何在光束控制裝置的光通孔周圍交錯(繞光軸)，以便減少偽影的出現，作為較佳的，隨機設置改善對光軸的對稱性。第15A 圖顯示的是中心對稱徑向配置的電極，其正交於第14A、14B圖的同心環。可以在一個共同的基板上設置第15A圖的電極結構，而通過絕緣層(類似於第9圖所示的實施例)來分隔同心電極的布置，其可以增加在相同的液晶單元的對面基板上，或它可以與一個單獨的液晶單元相關聯。第15B圖是具有同心電極14A(實線)和正交的徑向電極14B(虛線)的中心對稱陣列的平面圖，其具有基本上均勻的電極間隔g，通過減少從外環到內環的徑向電極的數量來實現。
光束控制
第20圖非常示意性地描述了理想化的幾何結構，其中的兩個電極對(頂部基板5的1和2和底部基板6的3和4)都被以180度的相對相位差同時驅動。
不採用兩個電極同時被驅動的設置，也可以使上部和下部電極被交替或分時多工地驅動。
需要著重提及的是，在第20圖中所示的分子取向圖案只是定性地示範偏振方向旋轉和變換。這不是一個限制性的描述。在這種幾何形狀中，當強力的錨定條件存在(此處未示出)時，實時分子表面將保持在基態(垂直狀態)。垂直排列在各電極1、2的非常附近也將保持不變，因為水平(或平行於基板)的電場分量是可忽略的(參見最左列和最右列的液晶分子，這些區域由希臘字母α、β、χ和δ表示)。這種情況可能會在液晶單元的中心也是相似的，至少在中等強度的電場下如此。然而，垂直取向將 在其他區域劇烈的擾動。即，在上部區域(電極1和2之間)的分子主要(不是全部)的重新取向將在圖紙平面內(x-z)，因為“接近的”電極對1和2平行於y軸。與此相反，在下部區域(電極3和4之間)的LC分子主要(不是全部)的重新取向將在垂直於圖紙的y-z平面內，因為“接近的”電極對3和4平行於x軸。
然而，特別感興趣的是包圍由字母θ表示的上述區域之間的區域的區域。事實上，過渡區是預計在從平面x-z到平面y-z液晶取向的過渡。扭轉液晶單元的物理學在用於液晶顯示器的文獻中被深入研究(參見，例如，C.H.Gooch and H.A.Tarry,“The Optical Properties of Twisted Nematic Liquid Crystal Structures with Twist Angles
Figure 105129479-A0202-12-0044-74
90°”,J.Phys.D；Appl.Phys.,Vol.8,1975)。已經認識到，如果扭轉周期P和有效非等向性△neff足够大，則當光束傳播通過LC材料時，輸入光偏振方向可以隨著液晶分子的扭轉而旋轉。
根據所提出的方案的實施例，本文描述的裝置設置為按照(很大)改變的操作原理(物理機制)來操作，以實現實際的裝置的結構簡化。即，參考第20圖的任意的偏振方向的入射探測光束從頂部基板5的一側進入LC單元，(在z方向傳播)橫穿裝置射向底部基板6)。入射光束的偏振方向可以被分解為兩個線性偏振方向分量Ex和Ey(分別平行於x軸和y軸)的總和。所述電極條帶1和2是平行於y軸，而電極條帶3和4是平行於x軸。如果 電極1和2被驅動，則驅動電場將創建一個分子再取向(在第20圖中的上部，由△z示出)。輸入線性偏振方向分量Ex，快軸偏振光，然後受到非均勻地重新取向的液晶分子的“上”層(片)影響而將在x-z平面展寬。然而，此外，當其進一步通過傳播到底部基板6，且電極3和4也同時被驅動時，該偏振分量可以被旋轉(以及部分地改變其偏振方向狀態)。事實上，在這個結構中，通過放大的LC單元的下部有液晶分子的或多或少類似重新取向(如在△z區域)，但在垂直平面上。但是，中央區域(在第20圖中θ字母的水平位置)的兩個區域(LC分子取向在或多或少垂直平面的上和下區域)最有可能創建一個分子扭轉的過渡區。如果LC單元的參數，其重新取向和光的波長範圍被適當地選擇，則該線性偏振方向分量Ex將到達基板6，被旋轉和變換得到主要偏振方向平行於y軸。
由於這種偏振方向旋轉和變換，相同的偏振方向分量Ex將達到受電極3和4影響的區域，其中主要的偏振方向垂直於電極線3和4。因此，它也將在y-z平面進行展寬。
與此同時，輸入偏振方向分量Ey將主要保持“不受影響”。它會進入液晶單元為主要呈“慢軸”的偏振，也將進行偏振方向的旋轉(偏振方向的角度也有部分變化)，到達電極條帶3和4依然呈“慢軸”的偏振。因此，液晶單元也不會影響最初平行於y軸的輸入偏振方向。
電極間的同時驅動和相位偏移使採用單個 液晶元件，能够在兩個(方位角)平面內展寬光的給定的線性偏振方向分量。這種類型的液晶單元使得只需要添加另一個類似的(如本文中參考第20圖描述的)LC單元(元件)到第一LC單元，就可以實現進行全偏振方向操作的裝置的結構(展寬兩個方位角平面的非偏振光)。此外，該方案可以不需要使用任何偏振方向的旋轉元件(由於液晶本身用於旋轉光偏振方向)來實現。事實上，第二個類似的LC單元的增加(即第二液晶單元的“進/輸入側”電極對與第一液晶單元的“退出/輸出側”電極對呈交叉狀)和主要偏振和展寬的狀態的變化在第21圖中示意性地描述了，一種理想化的幾何結構，其中的電極(頂部基板5的1和2和底部基板6的3和4)都被以180度的相對相位偏移而驅動。
申請人已經發現，在第21圖所示的幾何形狀中，光束展寬在X和Y方向上不是對稱的。這與幾何形狀的不對稱性有關，即由基板1(用於E1偏振)和基板3(用於E2偏振)限定的Y方向的展寬，其主要影響裝置內光的傳播路徑的入射的一半，而主要由基板2(用於E1偏振)和基板4(用於E2偏振)限定的X方向上的展寬，其主要影響裝置內光的傳播路徑的輸出的一半，兩個不具有相同的效率。這種不對稱性可以使用特殊的交叉電極圖案來校正，其中所有(1,2,3和4)基板均等地參與X和Y展寬方向。這可以例如通過在同一基板上設計成對的交叉電極組來實現，每組電極與另一組正交。這種設計在下文所述的第28A圖和28B中示出，但不限制本發明。
不需要一個偏振方向旋轉元件和不需要對垂直的(或竪直)取向層(7，18)進行摩擦的事實，大大簡化了這種光束控制裝置的製造過程，這使得能够僅採用三個基板和只有四個電極層，如第22圖中的例子，示出一種低成本的偏振方向不敏感的光束展寬元件(用於兩個方位角平面)。
雖然線性條帶電極1、2、3、4(14A、14B)可以被用於提供的光束控制元件是：直的、之字形圖案、正弦圖案、螺旋、同心(第14A和14B圖)、徑向(第15A和15B圖)和其它幾何圖案都可以使用。可以使用規則的間隔或電極之間的間隔的“微調”的變化(見第13圖)。
在第23A圖、第23B圖和第24圖中成功的實驗確認演示了，當只有一對電極被驅動時(在第23A圖的1和2或第23B圖的3和4)，不存在偏振方向的旋轉，而當交叉取向的兩對電極同時被驅動時(第24圖)，存在偏振方向的旋轉。當在相應的基板上的指狀電極被同時驅動：觀察到90度旋轉，對一個偏振方向分量的所有方向(雙方位角平面)展寬(而第二偏振方向分量保持基本上不變)，並提供一個展寬的良好矩形圖案的光束(投影)。
第25A和25B圖經由實驗示範，示出了具有獨立電極和使用(適當地)所選擇的相位延遲的相應的驅動信號分量，以獲得可接受的光展寬的重要性。在第25A圖中，所有電極接收在相同的相位的5V的驅動信號，而在第25B圖中，所有的電極接收對應的5V的驅動信號， 但是它們的相位分別為0、180、90、270度的延遲；在所提出的解決方案的另一實施例中，類似的性能可通過使用的兩個層電極(由薄絕緣層分離)，以實現例如第26A和26B圖示意性地示出的獨立可控的電極對。製造產量可以增加，因為整個裝置仍然有大的工作表面，儘管微影給定的子層會存在一些缺陷。例如，對給定的層的相鄰的電極線的短接或切斷，不會阻止電壓在該層中的傳播。
在所提出的解決方案的另一實施例中，在第20圖中描述的單位液晶單元，可以被一個扭轉(90度或倍數)的液晶層代替。在這樣的結構中，偏振方向旋轉將從基態的(一)開始被保證。
在所提出的解決方案的另一實施例中，在第20圖中描述的單位液晶單元，可以被具有混合取向液晶層的(在一個表面平面取向，而相對的表面上垂直取向)一個LC單元取代。在這樣的構造中，如果所有的電極(在入口和出口基板)是平行的，光束控制裝置可以在給定的(方位角)平面展寬非偏振光光束。
在所提出的解決方案的另一實施例中，兩個LC單元將相對彼此被空間偏移，較佳在對角方向(相對於電極線)。這種構造避免了分子重新定向的不適當的區域(例如向錯區域)的重合。例如，使用垂直取向(第20圖)，LC分子傾向於在電極正下方(鄰近)保持垂直。如果這種向錯區域在LC單元之間對準(對於兩者是相同的)，則通過這 種向錯區域的光將不遵循相同的機制。
在所提出的解決方案的另一實施例中，考慮設置一個小的(分離)距離在兩個單位LC單元之間，其能够提高光強度分布。
在所提出的解決方案的另一實施例中，可以設置電可變(切換)的偏振方向旋轉元件(例如標準扭轉液晶單元)在2個單位LC單元之間，以加強該裝置的操作能力。第27圖示意性地展示了這種光束控制裝置，其能够僅在一個所需的(方位角)平面(或在垂直方位角平面)展寬非偏振光，和/或雙方向展寬光的期望的偏振方向分量，而對其他(垂直)部分基本上保持不變。
例如，考慮期望在平面z-y上展寬一個非偏振光束的應用(其中在該裝置的輸入端包含兩個光偏振方向分量；E1in和E2in，分別平行於y和x軸)(第27圖)。在此配置中，選擇性地驅動所述電極1和2(沉積在玻璃基板1上)和保持電極3和4(沉積在玻璃基板2上)的不被驅動，將實現光分量E1in在平面z-y上展寬而分量E2in將基本保持不變。鑒於電極3和4沒有被驅動，接近玻璃基板2處的液晶取向保持垂直。不產生偏振方向的旋轉，並且兩個偏振方向分量攜帶它們原始的取向從LC單元1(玻璃基板2)的出口輸出(該光分量E1in在平面z-y上被展寬)。從液晶單元1輸出的偏振方向分量，當穿過設置在玻璃基板2和3之間的相應的元件時旋轉了90度，使得原來的偏振方向分量E2in進入第二LC單元時，垂直於電極1'和2'(沉積在玻 璃基板3上)。重複同樣的過程(驅動電極1'和2'：和保持電極3'和4'未驅動)，該偏振方向分量在相同的平面z-y上被展寬。同時，原E1in分量(已經被第一LC單元展寬)穿過第二LC單元基本上不受影響。從而實現了在平面y-z上展寬(自然光)兩個輸入偏振方向分量。應當理解，這兩個偏振方向分量可以再垂直平面(x-z)展寬，如果電極3和4，以及3'和4'被驅動，同時保持在電極1和2和1'和2'未被驅動。
同樣的光束控制裝置也可以用於一種模式，其中偏振方向旋轉元件被關閉(並且因此不執行/不提供偏振方向旋轉)。在該結構中，上述應用對於給定的輸入偏振方向的光束的展寬效應幾乎加倍，而垂直的偏振光將保持基本上不受影響。
參考第27圖，用“驅動的”扭轉分子重新取向的單個垂直LC單元(當相對的基板上的所有電極同時被驅動，且由不同相位的控制信號獨立地驅動)可以用來在兩(方位角)平面展寬非偏振(自然)光。這可以通過採用遍布光束控制裝置的清晰光通孔的不同區域，來實現在不同平面上控制不同偏振。可以從第28A圖理解，電極對可以以一個“樹狀”方式被蝕刻(或印刷)成具有指狀電極1和2，這些電極仍然是局部平行，而它們的取向在區域之間以90度方向交替變化。
同樣的圖案可以被蝕刻或印刷在相對表面上(在第二玻璃基板上)，然而，單元組裝時，玻璃基板2 將相對於第一玻璃基板而偏移，使得這兩個包圍的區域彼此面對，而在區域內玻璃基板2上的電極垂直於玻璃基板1的電極。
第28B圖示出了具有四組交叉電極的另一個幾何結構，其中兩對電極相對於其它電極扭轉了45度。這還將為入射的低發散光藉由對觀察到的交叉狀的圖案進行平滑處理，提高光展寬的均勻度。
該LC單元可以填充，例如，垂直取向液晶(無摩擦)。在這種組構中，局部地，圓環形區域(和其他類推的區域)這樣運行：線性交叉電極對在第一基板和相同的圖案結構上指向一個給定的方向，而在第二基板上轉向90度。這種單LC單元在垂直於電極的平面內提供一個垂直於(第一“入口”玻璃基板處)所述電極的輸入偏振方向的光束展寬，而相同的光將在接近出口表面的垂直平面內被展寬(在其偏振方向被旋轉90度後)。相同的概念可以用於不同類型的電極布置中。
照相機或其他感測元件，可以配合數據處理器工作，以生成(驅動)控制信號和改變所傳輸的光的發散或方向。
該光束控制器可被配置為在數據網路中接收控制命令，來調整光束展寬和/或方向。一些光源，例如紅外光源，可以用來提供數據通信，並且在這種情况下，光束控制器可以用於調節攜帶數據的光源，而動態LC控制元件可用於引導和/或展寬/聚焦攜帶數據的光束。
應當理解，按照不同的運行狀態，電子驅動信號電路可以提供光束控制，以對電極對提供相應的驅動信號。還應當理解，這樣的驅動信號的電路可以用適當的控制器的界面來控制。在一個非限制性的例子中，這樣的控制器界面可包括與光開關相關聯的控制，用於驅動由該LC裝置調製的光源的光。控制數據可通過任何合適的數據連接被傳遞到驅動信號電路，僅舉幾例，如電力線數據通信，自由空間光通信，RF無線(WIFI，藍芽等)和有線數據連接。該控制器可以為，僅舉幾例，壁掛式裝置，紅外或無線RF遙控器，或者智慧型手機的應用程式。控制器可以用於設定光束控制參數，例如在每個方向的一個或兩個光束寬度，一個或兩個方向上的光束方向，光束強度和顏色。
雖然已藉由參考其較佳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 (23)

  1. 一種用於調整的輸出光束的光束控制裝置，該光束控制裝置被配置成從光源接收入射光束，該光束控制裝置包括：至少一個液晶單元，用於當該入射光束通過其中傳播時調製該入射光束，每個液晶單元具有：一對單元基板，由單元厚度隔開；液晶材料填充；至少一個取向層，用以控制該液晶材料在一基態取向方向的取向；以及圖案化電極結構，其具有在電極對的至少一個上的圖案化成對電極，用於提供延伸入該液晶材料的空間調製電場，該液晶單元具有該成對電極的電極間距和該單元厚度之間的預定的高寬比；當該圖案化電極結構由預定的驅動信號驅動時，該光束控制裝置的特徵在於空間調製取向的重新取向，以實現該輸出光束具有良好的均勻性和低的顏色分離的展寬，並實現如下的任何一個或任何組合：該光束控制裝置被設置為該初始光束進入該至少一個液晶單元中的第一個，通過該基板之一，其上具有該圖案化電極對，該取向層提供平面內液晶基態取向；該取向層提供平面內液晶取向，其具有相對於該電極對的該電極的取向大約45度至0度間的取向方向；至少一對取向層，每個該取向層使該液晶取 向方向為在所述相對的基板上的平面外的負和正的預傾斜，該圖案化電極結構被設置在兩個單元基板上，且不論從哪個基板接收該入射光束，光束控制裝置以對稱的方式運行；該圖案化電極結構包括兩個電絕緣的電極圖案，其具有布置成基本正交於彼此的相應電極對，用於控制在兩個方向或方位角平面的光束調整；該取向層提供平面內液晶取向，其具有相對於該電極對的取向大約45度的取向方向，並且四個該液晶單元結合，以提供在兩個方向或方位角平面的兩個偏振方向的調製；至少兩個該液晶單元組合，以提供在兩個方向或方位角平面的輸出光束調製，該光束控制裝置被布置成：使得該入射光束進入該液晶單元的第一個，通過其上具有該圖案化電極結構的該基板中的一個，該第一液晶單元的該取向層提供平面內液晶取向，該光束控制裝置被布置成：使得來自該第一液晶單元的該光束輸出進入該液晶單元的第二個，通過其上不具有該圖案化電極結構的該基板中的一個，該第二液晶單元的該取向層提供垂直液晶取向，一對該液晶單元與另一對該液晶單元組合， 兩者之間具有90度的偏振方向旋轉器元件，用於在兩個方向或方位角平面和兩個光的偏振方向上進行光束調製；至少兩個該液晶單元被組合並共享共同的中間基板，其是兩個基板的夾層，兩個基板的每個的相面對的面具有該電極圖案，其由絕緣層覆蓋並黏合在一起，該兩個基板的夾層，較佳被化學減薄以減小其厚度，從而不破壞電極圖案；含有液晶材料的液晶單元基板，該第一個所述的基板上的第一圖案化電極結構具有第一獨立電極，以提供所述第一個基板的第一平面電場和對臨近第一基板的第一區域和位於所述第一圖案化電極結構的第一獨立電極之間的液晶材料的第一空間調製；以及與所述第一圖案化電極結構成交叉取向的第二基板上的第二圖案化電極結構具有第二獨立電極，以提供所述第二個基板的第二平面電場和對臨近第二基板的第二區域和位於所述第二圖案化電極結構的第二獨立電極之間的液晶材料的第二空間調製，其中當所述第一和所述第二圖案化電極結構被驅動，在所述裝置的光通孔的至少一部分上的在第一區域和第二區域之間的第三區域上形成液晶取向的扭轉，以提供光通過所述裝置的偏振方向的旋轉；以及該入射光束具有±3度FWHM和±15度FWHM之間的發散，通過如下至少一個實現： 入射光束調節組件包括如下之一：聚焦增加光學元件，當該光源包括發散光源時，提供初始光束發散大於±8度FWHM：發散增加光學元件，當所述光源包括準直光源時：以及動態發散器：以及輸出光束調節組件包括如下之一：發散器：以及第二個所述光束控制裝置，其相對於該第一光束控制裝置成約±2度和約±45度之間的角度的取向。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光束控制裝置，其中，該電極圖案包括同心環。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的光束控制裝置，還包括具有互補正交電極圖案的徑向延伸的電極對。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，其中，該電極間隔與該單元厚度的該高寬比為約0.8至約1.3之間。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，其中，電極間隔為基本固定以及展寬壓縮的其中一者，以使該電極間隔與該單元厚度的該高寬比為約0.8至約1.3之間。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，其中，該初始光束具有大約±5度的FWHM發散， 該調製光束具有大約±30度的FWHM發散，該預定驅動信號具有電壓低於10V，而具有良好的均勻性的該輸出光束包括該調製光束的強度，其為角度變化的函數，大於約±30度的FWHM，強度變化小於40%。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，還包括一個驅動信號源，用於產生該預定驅動信號，該驅動信號源被配置成對光束發散進行可變控制。
  8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，還包括動態發散器控制器。
  9. 如申請專利範圍第7項中所述的光束控制裝置，其中，該光束控制裝置被配置為在一個方位角平面控制光束的方向或發散。
  10. 如申請專利範圍第7項中所述的光束控制裝置，其中，該光束控制裝置被配置為在兩個方位角平面控制光束的方向或發散。
  11. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，其中，該光束控制裝置被配置為提供該調製光束作用於光的兩個偏振方向。
  12. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，包括兩個具有液晶的光束控制裝置，用於沿兩個方位角平面和兩個偏振方向調整光。
  13. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，該兩個液晶單元被配置為：其圖案化電極結構 相對於彼此偏移，使得該兩個液晶單元中的一個的所述第一區域和第二區域的過渡區域，不與所述兩個液晶單元中的另一個的所述第一區域和第二區域的過渡區域相互對齊。
  14. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，其中，該至少一個取向層為該液晶材料提供垂直基態取向。
  15. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，其中，該取向層在該基板的每個表面提供為該液晶材料提供平面內基態取向，而在該第一和第二基板之間，該平面內基態取向交叉或正交。
  16. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，其中，該電極圖案包括具有預定的寬度和間隙的平行條帶。
  17. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，其中，該電極圖案包括具有預定的寬度和間隙的同心條帶。
  18. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，其中，該電極圖案包括具有空間變化的寬度和間隙的條帶。
  19. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制裝置，其中，至少兩個該液晶單元被組合並共享在其兩個表面都有圖案化電極的公共中間基板。
  20. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的光束控制 裝置，其中，至少兩個該液晶單元被組合，還包括兩個單元之間的電可切換90度的偏振方向旋轉元件和偏振方向切換控制器。
  21. 一種可控光束調整的光源模組，包括一個如申請專利範圍第1至20項中任一項所述的光束控制裝置，和光源模組，以提供該初始光束，該光源模組是相機閃光燈、建築、汽車或工業照明裝置中的一個。
  22. 一種可控光束調整的光源模組，包括一個如申請專利範圍第1至20項中任一項所述的光束控制裝置，以及光源模組是掃描器光源。
  23. 如申請專利範圍第21或22項所述的可控光束調整的光源模組，其中，該光源包括發光二極體或雷射二極體。
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