用於控制光的形狀和方向的設備的製作方法

2023-06-05 06:28:51 2

專利名稱：用於控制光的形狀和方向的設備的製作方法
用於控制光的形狀和方向的設備本發明涉及一種用於控制光的形狀和方向的設備、以及包括這種設 備的光照系統。今天，在顯示和照明應用中，存在控制光的發射的需要。這種需要 就光發射方向以及所發射光的空間分布(例如，光束形狀)兩者而言 均是適用的。本領域的現有技術包括其中描述了用於相機聚焦板的美國專利5， 122， 888。關於US 5, 122, 888中所述設備的一個缺點在於，其不能控制光的 形狀和方向。因此，本發明的一個目的是克服關於現有技術的缺點。所述目的通過根據所附權利要求的設備和系統來實現。即， 一種用於控制光的形狀和方向的設備，包括-第 一透明平面襯底和第二透明平面襯底，所述襯底被配置為基本 垂直於入射光束來設置；-液晶層，設置在所述第一襯底和第二襯底之間；-設置在所述第一襯底上的第一透明電極圖案和設置在所述第二 襯底上的第二透明電極圖案；以及-控制裝置，配置為調整在所述第一和第二電極圖案之間的電勢 差，由此配置為調整所述液晶層的折射係數。優選地，根據AC頻率來控制所述電勢差。本發明的一個優點在於，其克服了關於現有技術設備的問題，同時 避免了在控制光束形狀和方向期間的光損失。本發明的實施方式包括這樣的實現，其中第一電極圖案與第二電極 圖案基本相同。此外，第一電極圖案和第二電極圖案中的任意一個可 以包4舌多個六邊形特4正。在某些實施方式中，電極圖案包括多個電極部分，每個部分被配置 為相對於電勢來獨立地調整。第一電極圖案和第二電極圖案的任意一個還可以是基本上無特色的。還可能在圖案化的電極頂部設置導體層，所述層具有量級為Ml!/ 平方的高表面阻抗。電極圖案可以包括基本上處於1-10 pra間隔中的空間維度，並且 可以在不具有高表面阻抗的區域中包括在10-100 範圍中的特徵。 第一襯底和第二襯底可以由處於5-50 間隔的距離所分離。用於所述電極的一種優選選擇材料是氧化銦錫(IT0)。該實施方式包括控制器，所述控制器配置為以0-20 V (rms)間 隔調整第一和第二電極圖案之間的電勢差。在一個實施方式中， 一種用於控制光的形狀和方向的設備包括如 上所述的第一設備，其中液晶材料沿第一定向方向對準；以及如此的 第二設備，其中液晶材料沿第二定向方向對準。第一定向方向可以基本上垂直於所述第二定向方向，並且還可以基 本上平行於所述第二定向方向。在此情況下，當定向平行時，設備進 一步包括在所述第 一設備和第二設備之間設置的半波板。優選地，第一設備和第二設備這樣設置以便避免在透射光的強度中 出現局部最大值和最小值。這種實施方式的優點在於，其對包括偏振光的光束提供了有效的控 制。在不受控制的情況下，基本上不允許光通過這種設備。在另一方面，通過包括如上所述的設備以及光源的光照系統來實現 所述目的。現在，將參考附圖來描述本發明的實施方式。 圖l是示意性示出的根據本發明的系統； 圖2a和圖2b是根據本發明的設備的示意性橫截面視圖； 圖2c是圖2a和圖2b中的設備的示意性頂—見圖； 圖2d示意性示出了覆蓋有高表面阻抗層的電極圖案的橫截面； 圖3和圖4是說明關於根據本發明的設備的實驗性結果的圖示； 圖5是根據本發明的設備的示意性橫截面視圖、以及折射係數分布 的示意性圖示；圖6a和圖6b是被配置為控制偏振光的、根據本發明的設備的示意性框圖；圖7和圖8是根據本發明的設備的電極圖案的示意性頂視圖； 圖9a和圖9b是根據本發明的系統的示意性橫截面視圖。現在轉向

圖1,其中示出了圍繞光軸105為中心的光照系統100的 橫截面。系統100包括光源107,發射如光線109和111所示的光； 以及具有由半徑r所限定的空間幅度的、用於控制光的形狀和方向的 設備101。由用於控制光的形狀和方向的設備101以影響方向和^見準兩 者的方式來控制光109、 111。在圖1中，這由對準到焦點的光線109' 和lll'來說明，所述焦點由沿光軸105的焦距f來定義。角度e定義 了光線109'、 1U'的發散度，並且如本領域技術人員將認識到的那樣， 通過改變焦距f以根據簡單關係tan(e) = r/f來改變發散度e。還 示出了偏轉角度a，這將在下面結合圖5進行討論。如在下文將進一步描述的那樣，用於控制光的形狀和方向的設備 IOI使用具有輸入裝置141的控制器103來調整用於控制光的形狀和方 向的設備101的特徵。輸入裝置141可以以按鈕或者按鍵的簡單形式 實現，所述按鈕或者按鍵可以允許用戶例如根據AC頻率來調整一個或 者幾個電壓電平。本領域技術人員應該認識到，輸入裝置141和控制 器可以或多或少集成到智能電路之中，並且還可以與控制計算機等協作或者連接到控制計算機等。現在，轉向圖2a、圖2b和圖2c,將對用於控制光的形狀和方向的 設備201做出更為詳細的說明。如由圖2c中的xy -平面中的截面AA 所示，圖2a和圖2b是xz-平面中的橫截面視圖。設備201包括相隔 開距離d的透明第一襯底203和透明第二襯底205。襯底203、 205可 以由適合的玻璃材料製成。第一電極圖案207和第二電極圖案217分 別設置在第一襯底203和第二襯底205上，並且液晶材料層209設置 在兩個襯底203、 205之間。如本領域技術人員將認識到的那樣，用於 沿優選共同方向定向液晶材料分子的定向層(未示出)也可以設置在 襯底203、 205之間。為了不會不必要地擾亂描述，已經忽略了這種定 向層。如圖2c中所示，電極圖案207具有擁有40 jam的典型空間尺度2R 的六邊形結構。第二電極圖案217 (儘管在圖2c中不可見)具有與第一電極207的圖案相同的六邊形結構，並且在xy-平面中與第一電極 圖案207對準。來自光源的光211 (未示出)透射通過設備201,並且如光211'所 指示那樣離開。圖2a示出了一種如由在連接到各自電極圖案207和217 的電極終端和232之間的零電壓所示意性示出的、其中在兩個電 極圖案207、 217之間不存在電勢差的情況。在缺少電場(即，在電極 207、 217之間是零電勢差)的情況下，如由定向層(未示出)所控制 的那樣，液晶材料209的分子沿共同方向(在這裡是x-方向)對準。圖2b說明了其中在兩個電極圖案207、217之間存在電勢差的情況。 因此，在電極圖案207、 217之間感生出電場梯度，這導致如參考標號 213所示、在液晶材料分子的定向中的梯度。接著，在液晶材料的分子 定向中的梯度導致在液晶材料的折射係數中的有效梯度。為了在液晶內精確地調整折射係數分布以便獲得對光束的較好控 制，還可能期望在圖案化的電極(多個)頂部放置具有高表面阻抗的 層。以此方式，在獲得用於改進波束形狀的改進折射係數梯度方面， 還可以4吏用所施加電壓的頻率。圖2d是在襯底(諸如襯底205 )的頂 部放置、並且由具有高表面阻抗的層220所覆蓋的圖案化電極(諸如， 圖2a和2b中的電極207 )的橫截面。因此，獲得了一種微-透鏡陣列，其能夠通過改變在電極圖案2。7、 217之間施加的電勢差U來將進入光211變形成為透射光211'。這種微 透鏡陣列的焦距f可以表示為f = r2 (2xAnxd),其中An是感生 的折射係數差。圖3示出了對作為在圖2中的電極207和217之間施加的電壓差的 函數的這種微透鏡陣列的焦距f和發散度e的實驗性測量。可見，至 少在電壓差間隔4-7 V中，焦距距離隨著電壓差的增加而降低，並且發散度隨著電壓差的增加而增加。圖4示出了對在圖2中的電才及207和217之間施加的不同電壓差處、作為發散角度e的函數的光束強度分布的實驗性測量。可見，在電壓 差U = 0 V處，光束的FWHM大約是9度；在U = 4 V處，FWHM大約是 16度；而在U-6V處，FWHM大約是14度。現在轉向圖5，示出了用於控制光501的形狀和方向的設備的另一 實施方式。與圖1、圖2a和圖2b類似，圖5是沿xz-平面的橫截面梘圖。設備501包括透明第一襯底503和透明第二襯底505。襯底503、 505可以由適合的玻璃材料製成。包括多個電極部分507a、 507b、 507c 等的第一電極圖案507和連接到地511的或多或少較普通的第二電極 509分別設置在第一襯底503和第二襯底505上。液晶材料層設置在兩 個襯底503、 505之間，並且由參考標號506所指示。控制器513被配置為控制在第一電極圖案507和第二電極509之間 的電壓差的應用。通過在第一電極507的第一部分507a和第二電極509 之間施加第一電壓差U!，在第一電極507的第二部分507b和第二電極 509之間施加第二電壓差U2等，如圖中的設備501上方的圖示中所示， 獲得了沿x方向的折射係數分布。當透射通過設備501時，沿z方向入射的光(在圖5中未示出)將 偏轉角度a(對比圖1)、並且如上所述相對於焦距和發散度受到影響。現在轉向圖6a和圖6b,將描述根據本發明的設備601、 651，所述 設備被配置為控制偏振光的形狀和方向。在圖6a中，用於控制光的形 狀和方向的設備601包括第一元件611和第二元件613。這些元件611、 613可以是上述設備的任何一種形式，其中液晶材料分別沿如箭頭612 所指示的第一定向方向、以及如箭頭614所指示的第二定向方向定向。 如本領域技術人員所認識到的那樣，儘管在圖6a中未示出，但是每個 元件包括如先前所述設備那樣的電極以及控制器、或者可以被配置為 由一個共同的控制器來控制。如圖6a所示，第一定向方向612和第二定向方向614基本垂直。 這意p木著，可以對包括光的非顯著分量(fraction)沿兩個定向方向 612、 614中的每個方向偏振的入射光621進行控制而沒有不必要的損 失。即，沿第一定向方向612偏振的光的分量由第一元件611所控制， 而沿第二定向方向614偏振的光的分量由第二元件613所控制，這產 生了包括大部分入射光621的光束621'。因此，有效地是，沒有光通 過設備601而不受控制。在圖6b中示出了可選實施方式。在此，用於控制光的形狀和方向 的設備651包括第一元件611和第二元件615。這些元件"1、 "5可 以是上述任何設備的形式，其中液晶材料沿如由箭頭612和616所指 示的同一個第一定向方向定向。如上所述，元件611、 615包括可控電 極。在元件611和615之間設置半波玲反617。如圖6b所示，第一定向方向612和第二定向方向616基本平行。 併入半波板617意味著，可以對包括非顯著分量的光沿定向方向612 偏振以及任何分量的光沿垂直於定向方向612 (對比圖6a)的方向偏 振的入射光621進行控制而沒有不必要的損失。即，沿第一定向方向 612偏振的光的分量由第一元件611所控制，而在半波板617中旋轉 45度之後(如箭頭618的方向所示)沿垂直定向方向偏振的光的分量 由第二元件615控制，這產生了包括大部分入射光621的光束621'。 因此有效地是，沒有光通過設備601而不受控制。圖7示出了包括四個電極部分701、 702、 703和707的電才及圖案 700的一個可選實施方式。電極圖案700可以併入到諸如上述任意設備 之類、用於控制光的形狀和方向的設備中。圖8示出了包括四個電極部分801、 803、 805和807的電極圖案 800的另一可選實施方式。電極圖案800可以併入到諸如上述任意設備 之類、用於控制光的形狀和方向的設備中。通過向電極圖案700、 800的部分施加不同的電壓，可以實現對光 束進行更為複雜和準確的控制。其中可以使用如上所述的設備的一個應用為例如，用於在計算機顯 示環境中使用的光照系統。圖9a和圖9b示意性地示出了這種光照系 統900。系統900包括光導901，其中的光907由光源905提供；顯 示屏902,被配置為由來自光導901的外耦合的光90r所照射。來自光 導901的光的外耦合藉助於用於控制光的形狀和方向的設備903來執 行，所述設備903具有圖案化的電極，其中所述圖案優選具有規則柵 格(grating)的形式。圖9a說明了其中設備903受控制以便不外耦合來自光導901的光 的情況，而在圖9b中，設備903受控以外耦合光907'。儘管在上文已經關於空間維度給出了某些指示，下文概括了有關電 極圖案和在電極承載襯底之間的距離的某些優選維度。然而應該理解， 這些維度並不是原理性的，而是有關成本和產量以及性能的實踐限制。例如，ITO圖案優選地以5 pm的典型維度刻畫。不太可能低於1 pni 或者高於IO ^m。這是由於以下事實當低於l nm時難以製造這些圖 案，而當高於10薩時則光不受影響，並且在此尺度中還導致高損失。單元間隙(即，襯底之間的距離)最可能是大約20nm。不太可能低於5 pm或者高於50 pm。這是由於在高單元間隙處的液晶材料成本 和低單元切換速度。在獨立的ITO圖案之間的最小距離通常是50 nm。不太可能低於 10 pm或者高於100 nm。當低於IO pm時，變得難以引起透鏡動作， 並且當距離大於IOO nm時，則獲得具有小光控制效果的弱透鏡。如本領域技術人員所認識到的那樣，構成上述設備的所有組件進一 步通過液體或者樹脂進行光學接觸，以便最小化接口處的反射損失。 通過將具有高反射損失的傳導層製造得儘可能地薄來最小化它們，以 便降低反射損失。此外，通過使用用於襯底、液晶和電極的適當材料，獲得高於80 %的、在500 nm- 800 nm波長範圍中的總透射。在雙單元配置中，同樣重要的是將單元相對於彼此對準以便避免 Moir^效應。Moir^效應可在這些單元的兩端施加電壓時出現，並且可 以導致光的強度分布成為具有局部最小值和最大值的不均勻分布。
權利要求
1.一種用於控制光的形狀和方向的設備(100、201、501、601、651)，包括-第一透明平面襯底(203、503)以及第二透明平面襯底(205、505)，所述襯底被配置為基本垂直於入射光束(211)來設置；-液晶層(209、506)，設置在所述第一襯底和所述第二襯底之間；-設置在所述第一襯底上的第一透明電極圖案(207、507、700、800)以及設置在所述第二襯底上的第二透明電極圖案(217、509、700、800)；以及-控制裝置(103、513)，被配置為調整在所述第一和第二電極圖案之間的電勢差，由此配置為調整所述液晶層的折射係數。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中所述控制裝置被配置為根據 AC頻率調整所述電勢差。
3. 根據權利要求1或者2所述的設備，其中所述第一電極圖案與 所述第二電極圖案基本相同。
4. 根據權利要求1至3的任一項所述的設備，其中所述第一電極 圖案和所述第二電極圖案(207 )中的任意一個包括多個六邊形特徵。
5. 根據權利要求1至3的任一項所述的設備，其中所述第一電極 圖案(700、 800 )和所述第二電極圖案(700、 800 )中的任意一個包 括多個電極部分(701、 703、 705、 707 、 801、 803、 805 、 807 ),每個部分被配置為相對於電勢獨立地進行調整。
6. 根據權利要求1至4的任一項所述的設備，其中所述第一電極圖案和所述第二電極圖案的任意一個基本上無特點。
7. 根據權利要求1至6的任一項所述的設備，其中所述第一電極圖案和所述第二電極圖案的任意一個塗覆有具有高表面阻抗的層 (220 )。
8. 根據權利要求1至7的任一項所述的設備，其中所述電極圖案 包括基本上處於間隔1 - 10 nm中的空間維度特徵。
9. 根據權利要求1至8的任一項所述的設備，其中所述電極圖案 由非傳導或者高表面阻抗的層所覆蓋，所述層包括基本處於間隔io-100 pm中的空間維度的特徵。
10. 根據權利要求1至9的任一項所述的設備，其中所述第一襯底 和所述第二襯底由處於間隔5-50 pm中的距離所分隔。
11. 根據權利要求1至10的任一項所述的設備，其中所述電極由 氧化銦錫所製成。
12. 根據權利要求1至11的任一項所述的設備，其中處于波長範 圍500 nm- 800 nm的總透射率高於80%。
13. 根據權利要求1至12的任一項所述的設備，其中所述控制器 被配置為以0-20 V的間隔調整在所述第一和第二電極圖案之間的所 述電勢差。
14. 一種用於控制光的形狀和方向的設備(601、 651),包括根 據權利要求1至13中的任一項所述的第一設備(611),其中液晶材 料沿第一定向方向(612)對準；根據權利要求1至12中的任一項所 述的第二設備(613)，其中所述液晶材料沿第二定向方向(6H)對準。
15. 根據權利要求14所述的設備，其中所述第一定向方向基本上垂直於所述第二定向方向。
16. 根據權利要求14所述的設備，其中所述第一定向方向基本上 平行於所述第二定向方向，並且還包括在所述第一和第二設備之間設 置的半波板(617)。
17. 根據權利要求14所述的設備，其中所述第一和第二設備如此 設置以便避免在透射光的強度中出現局部最大值和最小值。
18. —種光照系統(900 )包括根據權利要求1至17的任一項所述 的設備以及至少一個光源U07、 905 )。
19. 根據權利要求18所述的光照系統，其中所述至少一個光源包 括至少一個發光二極體，發射具有至少一種顏色的光。
全文摘要
一種用於控制光的形狀和方向的設備(201)，包括第一透明平面襯底(203)和第二透明平面襯底(205)，這些襯底被配置為基本垂直於入射光束(211)而設置；液晶層(209)，設置在第一襯底和第二襯底之間；在第一襯底上設置的第一透明電極圖案(207)和在第二襯底上設置的第二透明電極圖案(217)；以及控制裝置，被配置為調整在第一電極圖案和第二電極圖案之間的電勢差，由此配置為調整液晶層的折射係數。
文檔編號G02B5/32GK101218525SQ200680024991
公開日2008年7月9日 申請日期2006年7月6日 優先權日2005年7月8日
發明者J·P·M·安塞姆斯, R·A·M·希克梅特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司