[发明专利]液晶光束控制装置及制造方法

说明书

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。

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(δnΔn)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。