[发明专利]光束定形设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种光束定形(shaping)设备，其可以在若干光束定形状态之间控制，每种光束定形状态允许光通过该光束定形设备。

背景技术

在范围从普通照明到特殊照明应用的许多应用中，控制由光源发射的光束的形状的能力是所希望的。一些实例是具有与缩放相结合的光束定形的视频闪光、聚光灯、闪光灯、内部灯、头灯以及内部照明器。

常规上，这种光束定形是通过诸如机械可控缩放透镜装置之类的机械光束定形设备来实现的。近来，开发了更紧凑的光束定形设备，其利用液晶材料的可控制性质。EP0578827中公开了这种光束定形设备的一个实例，其中液晶光调节(regulating)板散射从光源发射的希望的光量。通过改变被施加用于控制光散射率的控制电源电压，有可能连续地发散通过光束定形设备的光束，从而改变照射光的亮度。

尽管相对紧凑并且提供了可电控的光束定形，但是EP0578827中公开的光束定形设备由于后向散射而遭受光损失。而且，该设备的随机散射不太适合于受控的光束定形。

发明内容

鉴于现有技术的上述和其他缺陷，本发明的总体目的是提供一种改进的光束定形设备，特别是一种能够对通过其中的光束进行更有效的定形的光束定形设备。

依照本发明，这些和其他目的是通过一种光束定形设备来实现的，该光束定形设备包括第一和第二衬底、夹在这些衬底之间的液晶层以及在第一衬底面向液晶层的侧面上提供的第一电极层。该光束定形设备可以在若干光束定形状态之间控制，每种光束定形状态允许光通过该光束定形设备。该光束定形设备还包括覆盖第一电极层的绝缘层以及在绝缘层上面提供的第二电极层。第二电极层包括使绝缘层的一部分暴露的导体图案。所述光束定形设备被配置成使得在第一和第二电极层之间施加电压造成包含在与绝缘层的被暴露部分相应的液晶层部分中的液晶分子在与液晶层垂直的平面内倾斜，导致局部折射率梯度，从而允许对通过光束定形设备的光束定形。

液晶层可以包括任何种类的液晶分子，并且可以处于其任何一种相(phase)中。然而，向列相是优选的，因为它的粘性与其他液晶相(例如近晶相)相比相对较低。通过这种方式，可以获得更短的切换时间。液晶层还可以包括包含聚合物的液晶复合物。

优选地可以光学透明的衬底可以是刚性的或柔性的，并且可以例如由玻璃或者诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)之类的适当塑料材料制成。

“光学透明”介质应当被理解为允许至少部分地透射光(包括可见光谱、红外和紫外光的电磁辐射)的介质。

第一和第二电极层中的每一个可以以任何导电材料形成，然而，优选地以诸如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)之类的光学透明导电材料形成。

根据非均匀光学材料理论公知的是，遭遇折射率梯度的光线将朝具有更高折射率的区域弯曲。在液晶层中，折射率以及因而光线的弯曲可以通过施加电场使包含在液晶层中的液晶分子重新取向来进行控制。本发明基于以下认识：实现这种折射率梯度引起的光弯曲以进行光束定形实际上会消除后向散射，从而导致更有效的光束定形。

而且，本发明的发明人认识到，非常有利于液晶分子的可控重新取向的电场可以通过在液晶层的一侧提供两个由绝缘层分开的电极层来形成。通过形成被定位成最靠近液晶层的电极层，使得绝缘层的一部分暴露，那么在所述两个电极层之间施加电压导致边缘场(fringefield)的形成，该边缘场在与绝缘层的被暴露部分相应的液晶层部分中延伸进该液晶层。

通过该边缘场，可以实现在相对较短的横向距离上的液晶分子的逐渐重新取向，这导致大的折射率梯度以及伴随的通过所述液晶层部分的光束的弯曲。

此外，可以使用相对较低的控制电压来实现该重新取向。与其他的电极配置(例如所谓的平面内切换)相比，依照本发明的光束定形设备的电极配置容许电极图案化期间出现的缺陷(邻近导体之间的连接)。而在平面内配置的情况下，这导致短路。

此外，通过第一和/或第二电极层的适当设计，可以实现光束定形方面的较大程度的灵活性。

此外，绝缘层可以包括若干层不同的电介质材料，例如SiO₂、SiN_x。通过选择电介质材料以及因而介电常数和电介质材料厚度，电场配置可以适于特定的应用。