用于光束反射式液晶装置的动态可变电控制的方法和装置制造方法及图纸

一种用于控制反射光的特性的可变反射模式光学装置被描述了。该装置包括可控镜元件阵列的光反射表面，动态可控材料层，和用于产生作用在动态可控材料层上的激励场的激励源。施加到激励源的电驱动信号引起动态可控材料层中光学性质的变化，以提供具有所需相位曲率和所需幅度调制分布中的至少一个的光反射的空间变化。

A Method and Device for Dynamic Variable Electricity Control of Light Beam Reflective Liquid Crystal Device

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光束反射式液晶装置的动态可变电控制的方法和装置本申请要求2016年12月14日提交的美国临时专利申请62/433，928的优先权，其内容通过引用结合于此。
所提出的解决方案涉及反射电可控光束光学装置领域。更具体地，所提出的解决方案涉及一种用于使用液晶材料动态可变地电控制光束反射的方法和装置。
技术介绍
在许多光子应用中，需要控制光束的发散。众所周知，光学特性可以在透射模式和反射模式下改变，后者在诸如稳定全息系统、图像采集、激光、照明等应用中特别重要。传统的解决方案主要基于镜子位置的机械运动(例如，使用压电元件)或镜子曲率的机械变化(弯曲，扭转等)。已经探索了几种方法，其中，为了代替机械地移动镜子，可以改变镜子的曲率。参考图1，一种现有技术解决方案使用遍布反射装置1的表面的多个微电子机械系统(MEMS)元件111，提供可变表面曲率的光反射。如图所示，具有相对于镜法线5测量的平坦入射相平面3和入射角6的入射光束2被反射装置1反射。反射光束4被弯曲的反射相平面7所设定。在这种情况下，必须改变每个镜元件111的位置以改变整个系统1的光学参数。遗憾的是，这种机械运动在振动、运动稳定时间、间隙等方面对系统的整体功能有问题，并且应用受限。还提出了其他机械解决方案，例如使用可变形膜。该解决方案也基于机械运动，这不太理想。然而，少运动(或无运动)的解决方案具有使它们更具吸引力的优点。无运动电控均匀反射是已知的，并且大量用于液晶显示器(LCD)技术，例如L.M.Blinov，V.G.Chigrinov在“液晶材料的光电效应”(Electro-opticeffectsinLiquidCrystalMaterials，Springer-Verlag，NY，459pp，1994年)中所描述的。图2示出了现有技术的电可控反射LCD像素的示例。每个反射LCD像素(或单元)包括均匀的动态可控材料层8(例如，液晶或聚合物复合材料)，以及也具有均匀的高反射率的固定镜9。这种动态可变镜的一个重要的区别方面是每个LCD像素的反射的均匀特性。也就是说，来自每个像素的反射光的波前曲率(或强度分布)不在给定像素上被调制。仅使用分别施加到多个像素的不同电压，可以在更大的LCD面板上实现调制。在一些应用中，这又会引入空间不连续操作，导致操作的颗粒性问题，这样制造成本高并且至少在每个像素需要单独控制的意义上增加了控制的复杂性。光束成形装置在现有技术中是已知的。大多数光束聚焦装置以透射模式工作，这对大量连续基板(包括输入和输出光束基板和透明电极)提出了高光学质量的要求。这又对用于动态可变控制的基板和电极的类型施加了限制。例如，现有技术的光束聚焦反射方案在液晶(LC)单元基板上使用多个(多于两个)透明电极，例如氧化铟锡(ITO)，如S.T.Kowel，P.G.Kornreich，D.S.Cleverly在美国专利4572616，“自适应液晶透镜”，1986年公开(1982年8月提交)所述，和N.A.Riza，M.C.DeJule在“三端子自适应向列液晶透镜器件”(Three-terminaladaptivenematicliquid-crystallensdevice，OPT19期，第1013-1015页，1994年)中所述。尽管是无运动的方案，但是由于空间不连续的操作(粒度)和控制复杂性(对于多个电极中的每一个的单独驱动)，这种现有技术尝试仍然受到限制。如本文通常所使用的，“像素化”特性是指需要使用复杂控制组件和复杂控制痕迹光刻的单独电控制的装置中的独立控制元件。这种复杂性增加了制造成本并且导致低制造产量。遗憾的是，所有这些现有技术解决方案都具有性能和/或制造问题，部分原因在于解决方案最初设计用于仅在透射模式下操作。如国际申请WO2015/103709中所述，专利技术人已经提出了其他透射模式光束聚焦装置，但是它们对反射模式光束成形和/或转向装置的适应仍然是一个挑战。参见T.Galstian，K.Allahverdyan撰写的文章，使用单个向列液晶层聚焦非偏振光(Focusingunpolarizedlightwithasinglenematicliquidcrystallayer，光学工程，54(2)卷，pp.025104：1-5，2015年)。申请人在2015年7月16日公开的国际专利申请WO2015/103709中提出了反射型可调谐光束聚焦装置。这些成果局限于单孔光学元件，例如透镜和可调聚焦镜。参考图3，大多数这样的液晶元件包括梯度折射率结构8，相应的单孔径元件限于小直径器件，通常为0.5mm至5mm，其中光功率(控制度)与光学直径的平方成反比。然而，使用两个(或一个)电极(而不是多个)显著降低了装置的成本和复杂性。最近的市场发展带来了新的应用，其中必须动态控制大直径LED光源(直径范围从20mm到120mm)的光束。多孔径透射模式LC光束控制元件可以在这种情况下使用，例如，如优先权日为2015年9月12日的国际申请PCT/CA2016/050589中专利技术人所描述的。参见T.Galstian，K.Allahverdyan撰写的文章，使用单个向列液晶层聚焦非偏振光(Focusingunpolarizedlightwithasinglenematicliquidcrystallayer，光学工程，54(2)卷，pp.025104：1-5，2015年)。如本文通常所使用的，“多孔径器件”包括周期性或非周期性光束控制元件的大量阵列，其通过用于整个大数量阵列的有限数量的电连接同时驱动。虽然这种透射模式多孔径LC光束控制阵列可以在一些照明应用实现中成功使用，但是在其他实施方式中，LED光源组件的形状因子限制了照明设备中提供的LC光束控制。例如，各个LED组件具有朗伯源光输出光束分布，其具有以围绕法线轴的立体角扩展测量的强度下降，称为全宽半最大值(FWHM)强度，其限制在简单的灯具中采用的透射模式多孔径LC光束控制阵列的组合孔径。剩余的LED光束功率作为杂散光而丢失，其中灯具以低于期望的功率效率操作。为了实现一些照明效果，杂散光需要被阻挡或吸收(因此失去而成为热量)。
技术实现思路
与现有技术的尝试相反，所提出的解决方案的实施例包括反射式多孔径LC光束控制装置，其可用于动态控制入射LED光源光束的较高部分，同时减小对采用的LED光源组件的形状因子的限制。这允许使用非常节省成本的方法来获得所需的光束整形，例如允许更高的入射角。在一些实施方案中，所提出的装置通过使用柔性基板制成，允许制造可变形或弯曲的非平面光束控制结构，其可与复杂的弯曲反射结构一起使用。所提出的解决方案提供了使用非均匀激励而不是使用多个像素单独控制元件来电控制动态可变光学反射装置的方法和装置。在一个具体的例子中，空间非均匀激励场，例如可以是电场，由两个电极产生，并用于控制光学性质，例如动态可控材料层的折射率或吸收率，例如，在整个光学反射装置内的向列液晶层。根据各种实施例，所提出的解决方案的多孔径反射模式LC光束控制装置优选地包括LC单元，其采用：各种可能的相(状态)的各种液晶混合物，包括向列，手性均匀或非均匀的，蓝相，PDLC，PSLC，含有纳米颗粒或其他掺杂剂等。-各种液晶基态取向层的取向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光束投射器装置，包括光源和用于引导从光源发射的光束的至少一部分的反射器，该反射器包括可电控制的液晶元件，以改变光束形状和光束方向中的至少一个，其中所述装置的特征还在于如下结构之一：液晶元件引起光的线性偏振并改变所述光束的第一偏振的光束形状和光束方向中的至少一个，所述反射器包括偏振变换器元件，使得液晶元件在反射中改变所述光束的第二偏振的光束形状和光束方向中的至少一个；和液晶元件改变所述光束的所有偏振的光束形状。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.14 US 62/4339281.一种光束投射器装置，包括光源和用于引导从光源发射的光束的至少一部分的反射器，该反射器包括可电控制的液晶元件，以改变光束形状和光束方向中的至少一个，其中所述装置的特征还在于如下结构之一：液晶元件引起光的线性偏振并改变所述光束的第一偏振的光束形状和光束方向中的至少一个，所述反射器包括偏振变换器元件，使得液晶元件在反射中改变所述光束的第二偏振的光束形状和光束方向中的至少一个；和液晶元件改变所述光束的所有偏振的光束形状。2.如权利要求1所述的光束投射器装置，其中所述反射器还包括偏振变换器元件。3.如权利要求1或2所述的光束投射器装置，其特征在于，所述液晶是向列型的。4.如权利要求1或2所述的光束投射器装置，其特征在于，所述液晶还含有手性分子，聚合物，纳米和微米颗粒。5.如权利要求1或2所述的光束投射器装置，其特征在于，所述液晶处于胆甾型，蓝相，聚合物稳定，纳米颗粒稳定或聚合物分散的相。6.如权利要求1至5中任一项所述的光束投射器装置，其特征在于，所述反射器为平面圆盘状。7.如权利要求1至5中任一项所述的光束投射器装置，其特征在于，所述反射器为平面环形。8.如权利要求1至5中任一项所述的光束投射器装置，其特征在于，所述反射器具有弯曲形状。9.如权利要求1至8中任一项所述的光束投射器装置，其特征在于，包括衍射或全息元件以增强转向或展宽以及执行其他预定...

【专利技术属性】
技术研发人员：迪格兰·加尔斯蒂安，
申请(专利权)人：拉瓦勒大学，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA