用于调节光束的方向的调节器和包括这种调节器的光学装置的制作方法
专利名称：用于调节光束的方向的调节器和包括这种调节器的光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于调节光束的方向的调节器。本发明进一步涉及包括配置为产生光束的光源和这种调节器的光学装置(如聚光灯或显示器)。本发明还涉及诸如CCD相机之类的光学装置。
背景技术：
W0/2008/095627描述了这样的照明设备其配备有通过能够产生单个光束的多个LED型光发射器所形成的光源，其中所述单个光束通过在摆放位置的相应平面中的成形底座上安装的透镜进行光学定向，以产生具有由所述各个光束的方向以及由发射器的摆放位置限定的取向的整体光束。W0/2009/059465描述了包括多个光单元的照明系统，其中所述光单元以阵列方式设置，其中基本上每一对的相邻光单元的光束彼此重叠，并且其中光系统包括被设置用于单独地调节所述多个光单元中每一个的强度的光控制部件，其中所述光控制部件进一步被设置用于在当调适各个光单元的强度时使入射在预定义的虚平面上的所述多个光单元的总的组合光通量保持基本相等。W0/2008/047381涉及照明灯组件，且更具体地涉及用以调节车辆/汽车或者诸如了望塔之类的其它类似应用的照明灯的位置的机动化照明灯水平调节装置，其中光束在所需要的方向上定向。其适配为由电动机和蜗杆/齿轮组件部件驱动，并且由电子电路控制。 致动器机构包括从外壳延伸的调节器输出轴和用于控制电动机的驱动的控制单元。存在被适配用于所述调节器输出轴的密封构件以便对所述外壳进行密封，并且所述外壳适配为对照明灯组件的外壳进行密封。W0/2007/082102描述了改变光束的光学特性的光学装置和方法，所述光学装置可包括每一个均具有输入端、输出端和内核的多个光纤以及光束偏离组件，其中每个光纤具有有效区域和数值孔径，所述光束偏离组件用于使光纤输入端中的至少一个和光束相对于彼此地移动以使得每一个光束选择性地每次一个地进入输入端并且每次一个地被传送到输出端以外，其中有效区域和数值孔径中的至少一个在多个光纤中是变化的以使得传送到输出端以外的光束具有变化的光学特性。
发明内容
本发明尤其涉及诸如显示器或聚光灯之类的光学装置。在家、宾馆、剧院、汽车照明灯等中发现有聚光灯。它们的准直光允许对某些区域的高效照明，还经常给出与相邻环境的很大对比。由于聚光灯产生准直光，因此需要将聚光灯定向。在某些应用中，期望的是可以从远距离完成对于聚光灯的这种调节(如，在汽车的情况下)。对于这种期望的通常解决方案是使用改变聚光灯方向的电动机。对于某些应用，用于调节聚焦光方向的电动机的使用不是那么希望的。电动机的使用例如可能引入噪声，或者电动机可能需要随着时间进行维护。由于电动机的寿命确定了聚光灯的寿命，因此这对于LED聚光灯而言可能成为问题。另一些选项包括其中专注于单独各光源的多个光源。现有技术解决方案的缺点可能是系统的复杂性、噪声的产生和对于使用偏振光的
雪亜坐而安寸。本发明的目的在于提供一种优选地至少部分地减轻一个或多个所述缺点的替换性调节器。本发明的另一个目的在于使得非偏振光能够通过非机械的活动部分使用当今可用的材料来重新定向或重新成形。进一步地，本发明的目的在于提出包括这样的替换性调节器的光学装置。这里，提出提供基于当今可容易得到的普通液晶(LC)的调节器。这种LC材料被视为可切换双折射材料。除此之外，应用固定的双折射微结构。这两种材料的组合可以提供没有活动部分、不过可能能够调节/移动光源的光束的调节器。在第一方面，本发明提供用于调节光束的方向的调节器，该调节器具有关闭状态和开启状态并且包括层的叠层(Stack)，其中
a.所述叠层包括具有第一光轴的第一固体材料层、具有第二光轴的第二固体材料层和可切换双折射材料；
b.第一固体材料层与双折射材料之间的第一界面和第二固体材料层与双折射材料之间的第二界面；
其中
-在关闭状态下，第一界面处的双折射材料配置为具有与第一光轴平行的光轴，并且第二界面处的双折射材料配置为具有与第二光轴平行的光轴；并且
-在开启状态下，第一界面处的双折射材料配置为具有与第一光轴垂直的光轴，并且第二界面处的双折射材料配置为具有与第二光轴垂直的光轴。从而，调节器配置为能够调节由光源产生的光的束(“光束”或“束”)的方向。这种调节器可以设置到例如聚光灯或显示装置(也参见下文)。一般而言，调节器被设置用于拦截光束(当光源开启时)。在所述状态中的至少一种状态下，调节器对于由调节器被设置到的光源产生的光的至少一部分而言是至少部分地透射的。优选地，在开启和关闭状态下，调节器对于由调节器被设置到的光源产生的光的至少一部分而言均是至少部分地透射的。短语“用于调节光束的方向”尤其指示当调节器开启时，调节器调节光束。当调节器关闭时，在实施例中，光束可以基本不改变地穿过调节器。短语“具有关闭状态和开启状态”指示调节器配置为具有下文指示的至少两个状态。在关闭状态下，光束可以在基本上不受调节器影响的情况下穿过调节器。在开启状态下，束至少部分地受到调节器操纵。注意，术语“开启状态”可以指多个开启状态。取决于应用于双折射材料的条件(如，电压)，可以获得不同的开启状态以及由此获得对于光束的不同操纵。以此方式，用户可以依据用户的期望操纵束。进一步地，这里，“开启状态”指代可能至少由调节器在被开启时提供的特定状态。由此，对于调节器，关闭状态和特别定义的开启状态之间的中间状态也可以是可选择的。术语“层的叠层”指代基本上相邻的层(也进一步参见下文)。这不排除两个相邻层之间的界面可具有一个或多个曲线或者一个或多个角度。尤其是，固体双折射材料层和可切换双折射材料之间的界面可包括一个或多个微结构。因而，界面优选地是非平坦的。 然而，第一和第二材料层的外部表面优选地设置成基本平行。这些面优选地是平坦的，而具有可切换双折射材料的界面处的层(由此)优选地基本上是非平坦的并且包括一个或多个微结构。尤其是，第一界面或第二界面或者第一界面和第二界面这两者具有透镜的形状。 在特定的实施例中，所述第一界面或第二界面或者所述第一界面和所述第二界面这两者具有多个透镜的形状。这些透镜可以直接相邻，但是在透镜之间也可以存在非零距离。优选地，当第一和第二界面两者均具有(一个或多个)透镜的形状时，透镜的形状基本上是彼此的镜像图像。在另一实施例中，第一界面或第二界面或者第一界面和第二界面这两者具有锯齿的形状。在特定的实施例中，第一界面或第二界面或者第一界面和第二界面这两者具有多个锯齿的形状。锯齿可以直接相邻，但是在锯齿之间也可以存在非零距离。优选地，当第一和第二界面两者均具有(一个或多个)锯齿的形状时，锯齿的形状基本上是彼此的镜像图像。一个或多个透镜的实施例例如可用于成像和/或用于使得准直光扩散 (diffuse)。一个或多个锯齿的实施例例如可以用于光束的重新定向。因而，界面可以包括诸如锯齿或透镜之类的一个或多个微结构，在实施例中，其优选地基本上是彼此的镜像图像。由此，优选地，第一界面和/或第二界面具有非平坦的部分 (如，一个或多个锯齿和/或一个或多个透镜)，其在一维中是非平坦的。因此，可以像瓦楞结构(corrugated structure)那样将第一界面和/或第二界面成形，其中在两个界面均包括微结构时，瓦楞优选地基本上是彼此的镜像图像。因而，优选地，在所述第一界面或所述第二界面或者所述第一界面和所述第二界面这两者具有ID透镜的形状的实施例中，尤其是，所述第一界面或所述第二界面或者所述第一界面和所述第二界面这两者具有多个ID透镜的形状。在另一实施例中，所述第一界面或所述第二界面或者所述第一界面和所述第二界面这两者具有ID锯齿的形状，尤其是， 所述第一界面或所述第二界面或者所述第一界面和所述第二界面这两者具有多个ID锯齿 (格栅型)的形状。一维(ID)结构可能尤其便于将单个光束调节为单个经调节的光束。当应用多维的结构时，可以从单个光束产生多个经调节的光束。因而，尤其是，调节器包括处于公共方向上的两个一维结构化的界面。在此也将结构的这种方向表示为第一方向。第一和第二固体材料层优选地包括双折射的固体材料。术语“固体双折射材料”涉及其光轴对准不可变的双折射材料，而不像可切换双折射材料。双折射(或双重折射)是当光线经过特定类型的材料时，依据光的偏振该光线被分解为两个光线(寻常光线和非寻常光线)。这种效应仅在材料的结构是各向异性的(方向相关的)的情况下才可能出现。 如果材料具有单个各向异性轴或者光轴(即，其为单轴的)，那么可以通过将两种不同的折射率分配给通常称作寻常折射率和非寻常折射率的材料来形成(formalize)双折射。术语光轴在本领域中是已知的，并涉及单轴介质中某一位置处的方向以使得穿过此位置的所有寻常光线具有与其垂直的偏振。通常，在液晶的情况下，光轴接近分子的定向器。进一步的参见 Hecht (Optics,第四版，E. Hecht, Addison- Wesley)。对于第一和第二材料层而言适当的材料的示例例如基于光聚合系统中所包括的LC (如，来自Merck的RMM3k或RMM257 LC)。例如在W02004059565中描述了这种系统，并且这种系统对于本领域技术人员是已知的。在“关闭状态”下，对于每个界面，界面两侧的介质可导致这样的折射率该折射率在界面的两侧基本上相等，用于使非偏振光被对准到叠层的法向(关闭状态)。两个界面中每一个处的可切换(双折射)介质可以切换至称作“开启状态”的状态在所述“开启状态”下，对于第一界面，界面两侧的介质可导致这样的折射率该折射率在界面的两侧基本上相等，用于使光被对准到叠层的法向并且在与第一方向对准或垂直的第二方向上具有偏振，并且可导致这样的折射率该折射率在界面的两侧基本上不同，用于使光被对准到叠层的法向并且在与第二方向垂直的方向上具有偏振，并且在所述“开启状态”下，对于第二界面，界面两侧的介质可导致这样的折射率该折射率在界面的两侧基本上相等，用于使光被对准到叠层的法向并且在与第一方向对准或垂直的第三方向上具有偏振，并且可导致这样的折射率该折射率在界面的两侧基本上不同，用于使光被对准到叠层的法向并且在与第三方向垂直的方向上具有偏振。在特定的实施例中，叠层包括第一固体材料层、可切换双折射材料的层和第二固体材料层的叠层，其中，所述第一光轴和所述第二光轴是垂直的。这种调节器在本质上由三个层组成，其中第一和第二固体材料夹着可切换双折射材料。尤其是，在这种实施例中，可切换双折射材料可以包括扭曲向列液晶材料或手性向列液晶材料。进一步地，所述第一光轴和所述第二光轴可以在叠层的平面中取向。在关闭状态下，第一界面处的可切换双折射材料的光轴与第二界面处的相同的可切换材料的光轴垂直。例如，通过使用扭曲向列液晶材料，可以对材料层上的可切换材料的光轴施加基本上为90°的扭曲。在开启状态下，可切换双折射材料的层中的双折射材料的(一个或多个)光轴改变到其中光轴与第一固体材料层的光轴和第二材料层的光轴二者均垂直的状态。在开启状态下，可切换材料内的光轴基本上都被对准。此实施例的优点在于可以只用三个层获得相对简单的调节器。在另一个特定的实施例中，所述叠层包括第一固体材料层、可切换双折射材料的第一层和所述第一固体材料层(其形成第一界面)以及可切换材料的第二层和所述第二固体材料层(其形成第二界面)的叠层，其中(第一固体材料的)第一光轴和(第二固体材料的)第二光轴相对于彼此垂直。在关闭状态下，可切换双折射材料的光轴彼此垂直，但是平行于第一和第二固体材料的相应光轴。在开启状态下，(可切换双折射材料的)第一和第二层中的可切换双折射材料的光轴可以再次彼此垂直，但在如下这样的意义上被切换可切换材料的第一层的光轴与第一固体材料的第一光轴以及可切换材料的第二层的光轴两者垂直，以及可切换材料的第二层的光轴与第二固体材料的第二光轴以及可切换材料的第一层的光轴两者垂直。尤其是， 在这种实施例中，可切换双折射材料可以包括非手性向列液晶。其相比于先前实施例的优点在于，这种实施例可以提供相对薄的调节器。其可以进一步允许对偏振的独立控制。在期望的情况下，这可以进一步允许束的分裂。在又一个特定的实施例中，叠层包括第一固体材料层、可切换双折射材料的第一层和所述第一固体材料层(其形成第一界面)、中间层(其包括偏振旋转器)以及可切换材料的第二层和第二固体材料层(其形成第二界面)的叠层，其中(第一固体材料的)第一光轴和(第二固体材料的)第二光轴相互平行。此实施例进一步包括偏振旋转元件，如扭曲向列单元或干扰叠层。进一步地，固体材料层的第一光轴和第二光轴可以在叠层的平面中取向。在开启状态下，可切换双折射材料的第一和第二层的光轴可以设置成彼此平行并且与第一和第二固体(双折射)材料的光轴垂直。相对于第二特定实施例的优点可能是可以获得相对简单的装置，这是由于调节器实际上包括夹着偏振旋转器的两个基本上一致的单元(第一层/第一固体材料和第二层/第二固体材料)。在此实施例中，第一和第二界面优选地不包括微结构。总而言之，在实施例中，本发明尤其提供了可以是微结构的阵列的两个非平坦表面的叠层，其中每个表面与双折射液晶材料和固体材料相邻。固体材料的至少一个非平坦表面需要是双折射的。如果固体材料是双折射的，则其光轴优选地与束垂直地延伸或者沿着束延伸。可以切换诸如液晶材料之类的可切换双折射材料以使得靠近界面，与束垂直的其折射率和也与束垂直的固体的折射率匹配(无折射)。液晶材料可以与束对准或者与其垂直地延伸。可以切换诸如液晶材料之类的可切换双折射材料以使得与束垂直的其折射率中的仅仅一个与固体中的对应折射率不匹配。由于存在两个非平坦的表面，因此存在其中折射率存在差异的两个方向。如果之前提到的两个方向彼此不垂直，则可能存在(可切换的)偏振元件以补偿这种效应。这里，术语“平坦的表面”尤其是指代平坦的并且其法向与入射束对准的表面(尤其是第一和第二材料层的(一个或多个)外部面)。这里，术语“非平坦的表面”尤其指代可能优选地是不平坦的并且与入射束未对准(在每个地方)的表面(倘若调节器设置到光源)。进一步地，在“关闭状态”下，出射束近似与入射束相同，而在“开启状态”下，出射束
被重新定向/调节。如本领域已知的，对于液晶的对准，可以使用被打磨用于确定靠近表面的LC的取向的标准聚酰亚胺层。电场可用于确立(imp0Se)LC的第二取向。为了产生电场，可以应用透明的铟锡氧化物(ITO)电极。从而，术语“层的叠层”指代基本上相邻的层，其中，在两个基本上相邻的层之间，还存在ITO层和/或聚酰亚胺层。这里，参照对于调节器而言需要的三个或更多个层(即，第一固体材料层、第二固体材料层和可切换双折射材料的一个或多个层)特别地描述了调节器。如这里描述的调节器可以应用于设置为产生光束(在其被开启时)的任何类型的光源。因而，本发明还提供了包括配置为产生光束的光源和用于调节光束的方向的调节器的光学装置。光学装置可以设置为产生单个光束，但是也可以配置为产生多个光束。在特定的实施例中，所述光学装置包括被配置为产生多个光束的多个光源。以下在此将非限制性地提到光学装置的特定实施例。在实施例中，光学装置包括包含作为光源的多个像素的显示装置，其中调节器配置为调节多个光束的方向。所述多个像素产生所述多个光束，其可以由调节器操纵。在特定的实施例中，光学装置包括多个调节器。在另一实施例中，光学装置是照明装置。这种照明装置可以是灯，尤其是基本上的点光源灯，如聚光灯。因而，在实施例中，光学装置包括作为光源的聚光灯。在另一实施例中，光学装置包括作为光源的激光器。尤其是，光源配置为以2-20° (如，优选地是2-10°，或者甚至是更小)的范围中选择的张角产生光束。所述光束例如可以是聚光灯或者激光器的束。所述光源可以包括任何光源，如小的白炽灯或纤维尖头(fiber tip)或纤维不规则体(fiber irregularity)(其被设置为让光离开纤维；该实施例具有相对廉价的优点)，但是可以尤其包括LED (发光二极管)(作为光源)。使用LED的特定优点在于它们相对较小并且因此可允许大量LED的设置。使用LED的另一特定优点在于它们可以提供相对窄的束，这允许照明系统产生的照明分布的精确限定。术语LED可以指代0LED，但是尤其是指代固态照明。除非另外指出，否则这里的术语LED还指代固态LED。在实施例中，光源包括至少一个发光二极管(LED)。作为光源的固态LED由于其小尺寸、低重量和窄束而尤其是所期望的。通常关于光源或包括光源的光学装置描述上面所述的实施例。将适配器设置到这种光源，拦截光源的至少一部分。在这些实施例中，光源和调节器通常彼此接近。然而，调节器也可以应用于调节远程光源的光束，例如用于调节要由传感器(如，CCD相机)检测的光。例如，调节器可用于扫掠(swe印)某个区域。因此，在特定的实施例中，本发明还提供了包括光学传感器(其配置为检测光)和用于在传感器的方向上调节光束的方向的调节器 (如这里所描述的)的光学装置。这里，光学装置的实施例配置为(利用光学传感器)检测光。尤其是，所述光学装置可以包括C⑶相机，且所述传感器可以包括CXD阵列。除非另外指出，且在适当的且技术上可行的情况下，短语“从由多个元件组成的组中选择”也可以指代两个或更多个所列举元件的组合。像“下面”、“上面”、“顶部”和“底部” 这样的术语涉及当将照明系统基本上平坦地设置到基本上水平的表面(特别是下面)时获得的项目(item)的位置或布置，其中照明系统底部面基本上与基本上水平的表面平行并且背向天花板进入房间。然而，这不排除以其它布置(如，靠着墙)或者以其它(例如，垂直)布置使用照明系统。
现在将参照示意性的附图，仅通过示例的方式描述本发明的实施例，在附图中，对应的附图标记指示对应的部分，并且其中
图1示意性地描绘本发明的一些原理；
图2a_2b示意性地描绘处于“关闭”和“开启”状态中的调节器的实施例； 图3a_;3b示意性地描绘处于“关闭”和“开启”状态中的调节器的另一实施例； 图4a_4b示意性地描绘处于“关闭”和“开启”状态中的调节器的又一实施例； 图示意性地描绘微结构化的界面的实施例；以及图6a_6c示意性地描绘包括根据本发明的调节器的光学装置的实施例。
具体实施例方式图1示意性地描绘了用于调节光束5的方向的调节器1。调节器1包括层的叠层 10。叠层10包括具有第一光轴(未描绘，参见图的第一固体材料层100、具有第二光轴(未描绘，参见图的第二固体材料层200和可切换双折射材料30。可切换双折射材料可以设置在单个层中或者分离的各层中(参见下文)。为了理解起见，在图中未绘出聚酰亚胺层和电极层(如ITO层)。这些特征对于本领域技术人员是已知的。由此，在某些实施例中，这里的术语“相邻”意思是在相邻项目的至少一部分之间，例如存在聚酰亚胺层和/或(透明)ITO层。叠层进一步包括第一固体材料层100和双折射材料30之间的第一界面130以及第二固体材料层200和双折射材料30之间的第二界面230。选择并配置第一材料层100和第二材料层200的材料以及可切换双折射材料以使得(a)在关闭状态下，第一界面130处的双折射材料30具有与第一光轴平行的光轴，且第二界面230处的双折射材料30具有与第二光轴平行的光轴；并且( 在开启状态下，第一界面130处的双折射材料30具有与第一光轴垂直的光轴，且第二界面230处的双折射材料 30具有与第二光轴垂直的光轴。第一和第二固体材料层100、200优选地包括双折射的固体材料。可切换双折射材料优选地是液晶材料，如扭曲向列液晶或手性向列液晶材料。尤其是，界面130、230可以包括一个或多个微结构(参见下面)。然而，第一和第二材料层的外表面优选地设置成彼此基本上平行。这些面优选地是平坦的，而界面130、230 处的包括可切换双折射材料的层(由此)优选地基本上是不平坦的，并且包括一个或多个微结构(参见下文)。在特定的实施例中，在图(分别为“关闭状态”和“开启状态”)中描绘的叠层10包括第一固体材料层100、可切换双折射材料30的层300和第二固体材料层200的叠层。以附图标记111指示的第一光轴和以附图标记211指示的第二光轴被选取为相对于彼此垂直。这种调节器1基本上由三个层组成，其中第一和第二固体材料层夹着可切换双折射材料。尤其是，在这种实施例中，可切换双折射材料30包括扭曲向列液晶材料，如来自 Merck 的 TL 213。在关闭状态下，可切换双折射材料的光轴，(这里不是各光轴(附图标记为311)， 这是由于尤其是将手性向列材料用作各个界面130和230处的可切换双折射材料)与(相应界面另一侧处的固体材料的)光轴111和211平行地对准。因而，在界面130、230处，光轴在界面的两侧彼此平行地对准。双折射材料层的光轴可以相对于第一和第二固体材料 100,200的第一和第二光轴111、211旋转通过90°以获得期望的光轴配置。此实施例中的可切换双折射层的层厚度(其中，双折射材料可以包括扭曲向列 LC)可以处于大约40-100 ym的范围内，如大约50μπι。这种厚度可足以形成90°旋转。当调节器1开启时，可切换双折射材料30的光轴的对准改变，并且垂直于第一和第二材料层的两个光轴而对准。这里，基本上贯穿材料，双折射材料的光轴311垂直于第一和第二材料层的光轴111、211而对准。在另一个特定的实施例中，图3a_;3b (分别为“关闭状态”和“开启状态”)中描绘的叠层10包括由下述构成的叠层10
可切换双折射材料30的第一层301 ； 第一固体材料层100 ； 可切换材料30的第二层302 ；以及第二固体材料层200。可切换双折射材料30的第一层301和第一固体材料层100形成第一界面130。可切换材料30的第二层302和第二固体材料层200形成第二界面230。实际上，此叠层10包括2个单元，即第一层301和第一固体材料100以及第二层302和第二固体材料200。这两个单元可以布置得彼此相邻，即，第一材料100和第二层302形成另一个界面400。此另一个界面400优选地是平坦的。可切换双折射材料30的相应第一和第二层301、302中的光轴分别用附图标记311(1)和311 (2)指示。这里，此实施例中的第一光轴111和第二光轴211相对于彼此垂直。第一层301 的光轴311(1)(其基本上贯穿可切换双折射材料30的第一层301的材料)与第一光轴111 平行。第二层302的光轴311( (其基本上贯穿可切换双折射材料30的第二层302的材料)与第二光轴211平行。在关闭状态下，相应界面130和230处的光轴311(1)和311 (2)由此分别与第一固体材料层100和第二固体材料层200的光轴111和211平行地对准。当调节器1开启时，可切换双折射材料30的光轴的对准改变，并且垂直于第一和第二材料层这两者的光轴并彼此垂直地对准。参照图北，可切换双折射材料30的第一层301的光轴311 (1)与第一固体材料层100的光轴111垂直，并且与可切换双折射材料30的第二层302的光轴311 (2) 垂直。可切换双折射材料30的第二层302的光轴311( 与第二固体材料层200的光轴 211垂直，并且与可切换双折射材料30的第一层301的光轴311 (1)垂直。在又一个特定的实施例中，在图4a_4b (分别为“关闭状态”和“开启状态”)中描绘的叠层10包括由下述构成的叠层
第一固体材料层100 ；
可切换双折射材料30的第一层301 ；
中间层500，其包括偏振旋转器，如扭曲向列单元；
可切换材料30的第二层302 ；以及
第二固体材料层200。可切换双折射材料30的第一层301和第一固体材料层100形成第一界面130。可切换材料30的第二层302和第二固体材料层200形成第二界面230。这里，再次提供了两个单元，这两个单元均包括可切换双折射材料和(双折射)固体材料层。各自单元(分别为100/301和200/302)内的光轴(111/311(1)和211/311 )) 彼此平行地对准。进一步地，在关闭状态下，所有的光轴可以相互平行地对准。在两个单元之间，设置偏振旋转器500。这些单元可以夹着偏振旋转器500。在特定的实施例中，可切换双折射材料30的第一层301与偏振旋转器500形成界面501。在另一个特定的实施例中，可切换双折射材料30的第二层302与偏振旋转器500形成界面502。在开启状态下，对于第一层301和第二层302两者而言，可切换双折射材料30的光轴的方向改变。光轴311(1)和311 (2)分别交换(swap)到相对于固体材料层100、200 的光轴111、211的垂直状态。进一步地，它们交换到它们相互平行的状态。进一步地，它们可以交换到它们基本上与外部表面垂直(即，基本上与叠层1的法向平行)的状态。图fe-恥非限制性地描绘了关于界面130和230上的微结构的某些实施例。在图 fe中，这些微结构是透镜形状的，而在图恥中是锯齿形状的。注意，微结构优选地是一维的。因而，图53/ 可以示意性地描绘叠层10的实施例的横截面。在某些实施例中(例如参见图1-3)，在开启状态下经过第一界面的光束的偏离部分的折射率的变化在符号上相对于经过第二界面的光束的偏离部分的折射率的变化是相反的。如果在每个界面处需要相同的动作(例如，某一方向上的重新定向或聚焦)，则对于小的折射率差异，微结构的形状可以基本上是镜像图像。然而，可以引起小的差异以获得最佳效果。对于图的实施例，界面优选地不包括微结构。图6a_6b示意性地描绘了包括调节器1的光学装置600的实施例。光学装置600包括配置为产生光束5的光源601。光学装置600进一步包括用于调节光束5的方向的调节器1。光学装置600可设置用来产生单个光束，但是也可以配置为产生多个光束5。这里，通过示例的方式，图6a的光学装置600包括包含作为光源601的多个像素 602的显示装置。调节器1配置为调节多个光束5的方向。多个像素602产生多个光束5， 其可以由调节器1操纵。在特定的实施例中，光学装置600可以可选地包括多个调节器1。在另一个实施例中，光学装置600是照明装置，参见图6b。这种照明装置可以是灯，尤其是基本上的点光源灯(如，聚光灯)。因而，在实施例中，光学装置600包括作为光源601的聚光灯。尤其是，光源601配置为以在2-20° (比如优选地是2-10° )范围内选择的张角O* θ )产生光束5。当调节器1开启时，以附图标记5’指示调节器1下游的调节的束(或调节光束)。图6c示意性地描绘了光学装置600的实施例，其中该装置设置为检测光。光学装置600包括诸如CXD阵列之类的光学传感器651和如这里所述的调节器1。调节器可以用于在光学传感器的方向上重新定向光束5。例如，以此方式，可以扫描或扫掠区域。因而，本发明提供了用于调节光束5的方向的调节器。调节器1具有关闭状态和开启状态，并且包括层的叠层10。叠层10包括具有第一光轴111的第一固体材料层100、 具有第二光轴211的第二固体材料层200和可切换双折射材料30。进一步地，叠层包括第一固体材料层100和双折射材料30之间的第一界面130以及第二固体材料层200和双折射材料30之间的第二界面230。在关闭状态下，第一界面130处的双折射材料30配置为具有与第一光轴111平行的光轴，并且第二界面230处的双折射材料30配置为具有与第二光轴211平行的光轴。在开启状态下，第一界面130处的双折射材料30配置为具有与第一光轴111垂直的光轴，并且第二界面230处的双折射材料30配置为具有与第二光轴211垂直的光轴。此装置可用于重新定向例如聚光灯、显示装置或光学传感器的光束。在附图中，为了清楚起见，尚未(全部地)绘出较不相关的特征(如，电缆等)。本领域技术人员将理解这里的术语“基本上”(如，在“基本上平坦”中或者在“基本上包括”中，等等)。在实施例中，可以去掉形容词基本上。在适合的情况下，术语“基本上”也可以包括具有“完整地”、“完全地”、“所有”等的实施例。在适合的情况下，术语“基本上”也可以涉及90%或更高，如，95%或更高，尤其是99%或更高，包括100%。术语“包括” 也包括其中术语“包括”指的是“由……组成”的实施例。进而，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于在类似元件之间进行区分，且不必用于描述顺序或时间次序。要理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够以这里描述或图示的顺序以外的其他顺序操作。
这里使用的装置尤其是在操作期间加以描述的。如对于本领域技术人员而言清楚的是，本发明不限于操作方法或者操作中的装置。应当注意，上面提及的实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计出许多可替换的实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应当解释为限制权利要求。动词“包括”和其变形的使用不排除权利要求中所述的那些元件或步骤以外的元件或步骤的存在。术语“和/或”包括相关联的所列项目中一个或多个的任何和所有组合。元件前的冠词“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。元件前的冠词“该”不排除多个这种元件的存在。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件来实现，并且可以通过适当编程的计算机来实现。在列举了若干部件的装置权利要求中，这些部件中的若干个可以通过同一个硬件项目来实现。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的起码事实不表示不能有益地使用这些措施的组合。
权利要求
1.一种用于调节光束(5)的方向的调节器(1)，该调节器(1)具有关闭状态和开启状态并且包括层的叠层(10)，其中叠层(10)包括具有第一光轴(111)的第一固体材料层(100)、具有第二光轴(211)的第二固体材料层(200)和可切换双折射材料(30)；第一固体材料层(100)与双折射材料(30)之间的第一界面(130)和第二固体材料层 (200)与双折射材料(30)之间的第二界面(230)；其中在关闭状态下，第一界面(130)处的双折射材料(30)配置为具有与第一光轴(111)平行的光轴，并且第二界面(230)处的双折射材料(30)配置为具有与第二光轴(211)平行的光轴；并且在开启状态下，第一界面(130)处的双折射材料(30)配置为具有与第一光轴(111)垂直的光轴，并且第二界面(230)处的双折射材料(30)配置为具有与第二光轴(211)垂直的光轴。
2.如权利要求1所述的调节器，其中，叠层(10)包括第一固体材料层(100)、可切换双折射材料(30)的层(300)和第二固体材料层O00)的叠层，其中，所述第一光轴(111)和所述第二光轴(211)相对于彼此垂直；并且其中，所述第一光轴(111)和所述第二光轴(211)在所述叠层(10)的平面中取向。
3.如权利要求2所述的调节器(1)，其中，可切换双折射材料(30)包括扭曲向列液晶或手性向列液晶材料。
4.如权利要求1所述的调节器，其中，所述叠层(10)包括由下述构成的叠层第一固体材料层(100)；可切换双折射材料(30)的第一层(301)和所述第一固体材料层(100)，其形成第一界面(130)；以及可切换材料(30)的第二层(30 和第二固体材料层000)，其形成第二界面030)，其中所述第一光轴(111)和所述第二光轴(211)相对于彼此垂直。
5.如权利要求1所述的调节器，其中，所述叠层(10)包括由下述构成的叠层第一固体材料层(100)；可切换双折射材料(30)的第一层(301)和所述第一固体材料层(100)， 其形成第一界面(130)；中间层(500)，其包括偏振旋转器；以及可切换材料(30)的第二层 (302)和第二固体材料层000)，其形成第二界面030)，其中所述第一光轴(111)和所述第二光轴(211)相互平行。
6.如之前权利要求中任何一项所述的调节器(1)，其中，所述第一界面(130)或所述第二界面(230)或所述第一界面(130)和所述第二界面(230)这两者具有透镜的形状。
7.如之前权利要求中任何一项所述的调节器(1)，其中，所述第一界面(130)或所述第二界面(230)或所述第一界面(130)和所述第二界面(230)这两者具有锯齿的形状。
8.一种光学装置(600)，包括光源(601)，其配置为产生光束(5)；以及根据权利要求 1到7中任何一项所述的、用于调节光束(5)的方向的调节器(1)。
9.如权利要求8所述的光学装置(600)，配置为产生多个光束(5)。
10.如权利要求9所述的光学装置(600)，其中，所述光学装置(600)包括包含作为光源(601)的多个像素(602)的显示装置，其中，所述调节器(1)配置为调节所述多个光束 (5)的方向。
11.如权利要求8和9中任何一项所述的光学装置(600)，其中，所述光学装置(600)是照明装置。
12.如权利要求8、9和10中任何一项所述的光学装置(600)，其中，所述光学装置 (600)包括作为光源(601)的聚光灯，其中所述光源(601)配置为以在2-20°的范围内选择的张角产生光束(5)。
13.光学装置(600)，包括光学传感器(651)；以及如权利要求1到7中任何一项所述的用于在所述传感器(651)的方向上调节光束(5)的方向的调节器(1)。
14.如权利要求13所述的光学装置(600)，其中，所述光学装置(600)包括CXD相机， 且所述光学传感器(651)包括CXD阵列。
15.如权利要求8到14中任何一项所述的光学装置(600)，包括多个调节器(1)。
全文摘要
本发明提供用于调节光束(5)的方向的调节器。调节器(1)具有关闭状态和开启状态，并且包括层的叠层(10)。叠层(10)包括具有第一光轴(111)的第一固体材料层(100)、具有第二光轴(211)的第二固体材料层(200)和可切换双折射材料(30)。进一步，所述叠层包括在第一固体材料层(100)与双折射材料(30)之间的第一界面(130)和在第二固体材料层(200)与双折射材料(30)之间的第二界面(230)。在关闭状态下，第一界面(130)处的双折射材料配置为具有与第一光轴(111)平行的光轴，并且第二界面(230)处的双折射材料(30)配置为具有与第二光轴(211)平行的光轴。在开启状态下，第一界面(130)处的双折射材料(30)配置为具有与第一光轴(111)垂直的光轴，并且第二界面(230)处的双折射材料(30)配置为具有与第二光轴(211)垂直的光轴。这种装置可用于重新定向例如聚光灯、显示装置或光学传感器的光束。
文档编号G02B27/22GK102576179SQ201080048665
公开日2012年7月11日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年10月30日
发明者F.皮尔曼, M.P.C.M.克里恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司
技术领域：
本发明涉及用于调节光束的方向的调节器。本发明进一步涉及包括配置为产生光束的光源和这种调节器的光学装置(如聚光灯或显示器)。本发明还涉及诸如CCD相机之类的光学装置。
背景技术：
W0/2008/095627描述了这样的照明设备其配备有通过能够产生单个光束的多个LED型光发射器所形成的光源，其中所述单个光束通过在摆放位置的相应平面中的成形底座上安装的透镜进行光学定向，以产生具有由所述各个光束的方向以及由发射器的摆放位置限定的取向的整体光束。W0/2009/059465描述了包括多个光单元的照明系统，其中所述光单元以阵列方式设置，其中基本上每一对的相邻光单元的光束彼此重叠，并且其中光系统包括被设置用于单独地调节所述多个光单元中每一个的强度的光控制部件，其中所述光控制部件进一步被设置用于在当调适各个光单元的强度时使入射在预定义的虚平面上的所述多个光单元的总的组合光通量保持基本相等。W0/2008/047381涉及照明灯组件，且更具体地涉及用以调节车辆/汽车或者诸如了望塔之类的其它类似应用的照明灯的位置的机动化照明灯水平调节装置，其中光束在所需要的方向上定向。其适配为由电动机和蜗杆/齿轮组件部件驱动，并且由电子电路控制。 致动器机构包括从外壳延伸的调节器输出轴和用于控制电动机的驱动的控制单元。存在被适配用于所述调节器输出轴的密封构件以便对所述外壳进行密封，并且所述外壳适配为对照明灯组件的外壳进行密封。W0/2007/082102描述了改变光束的光学特性的光学装置和方法，所述光学装置可包括每一个均具有输入端、输出端和内核的多个光纤以及光束偏离组件，其中每个光纤具有有效区域和数值孔径，所述光束偏离组件用于使光纤输入端中的至少一个和光束相对于彼此地移动以使得每一个光束选择性地每次一个地进入输入端并且每次一个地被传送到输出端以外，其中有效区域和数值孔径中的至少一个在多个光纤中是变化的以使得传送到输出端以外的光束具有变化的光学特性。
发明内容
本发明尤其涉及诸如显示器或聚光灯之类的光学装置。在家、宾馆、剧院、汽车照明灯等中发现有聚光灯。它们的准直光允许对某些区域的高效照明，还经常给出与相邻环境的很大对比。由于聚光灯产生准直光，因此需要将聚光灯定向。在某些应用中，期望的是可以从远距离完成对于聚光灯的这种调节(如，在汽车的情况下)。对于这种期望的通常解决方案是使用改变聚光灯方向的电动机。对于某些应用，用于调节聚焦光方向的电动机的使用不是那么希望的。电动机的使用例如可能引入噪声，或者电动机可能需要随着时间进行维护。由于电动机的寿命确定了聚光灯的寿命，因此这对于LED聚光灯而言可能成为问题。另一些选项包括其中专注于单独各光源的多个光源。现有技术解决方案的缺点可能是系统的复杂性、噪声的产生和对于使用偏振光的
雪亜坐而安寸。本发明的目的在于提供一种优选地至少部分地减轻一个或多个所述缺点的替换性调节器。本发明的另一个目的在于使得非偏振光能够通过非机械的活动部分使用当今可用的材料来重新定向或重新成形。进一步地，本发明的目的在于提出包括这样的替换性调节器的光学装置。这里，提出提供基于当今可容易得到的普通液晶(LC)的调节器。这种LC材料被视为可切换双折射材料。除此之外，应用固定的双折射微结构。这两种材料的组合可以提供没有活动部分、不过可能能够调节/移动光源的光束的调节器。在第一方面，本发明提供用于调节光束的方向的调节器，该调节器具有关闭状态和开启状态并且包括层的叠层(Stack)，其中
a.所述叠层包括具有第一光轴的第一固体材料层、具有第二光轴的第二固体材料层和可切换双折射材料；
b.第一固体材料层与双折射材料之间的第一界面和第二固体材料层与双折射材料之间的第二界面；
其中
-在关闭状态下，第一界面处的双折射材料配置为具有与第一光轴平行的光轴，并且第二界面处的双折射材料配置为具有与第二光轴平行的光轴；并且
-在开启状态下，第一界面处的双折射材料配置为具有与第一光轴垂直的光轴，并且第二界面处的双折射材料配置为具有与第二光轴垂直的光轴。从而，调节器配置为能够调节由光源产生的光的束(“光束”或“束”)的方向。这种调节器可以设置到例如聚光灯或显示装置(也参见下文)。一般而言，调节器被设置用于拦截光束(当光源开启时)。在所述状态中的至少一种状态下，调节器对于由调节器被设置到的光源产生的光的至少一部分而言是至少部分地透射的。优选地，在开启和关闭状态下，调节器对于由调节器被设置到的光源产生的光的至少一部分而言均是至少部分地透射的。短语“用于调节光束的方向”尤其指示当调节器开启时，调节器调节光束。当调节器关闭时，在实施例中，光束可以基本不改变地穿过调节器。短语“具有关闭状态和开启状态”指示调节器配置为具有下文指示的至少两个状态。在关闭状态下，光束可以在基本上不受调节器影响的情况下穿过调节器。在开启状态下，束至少部分地受到调节器操纵。注意，术语“开启状态”可以指多个开启状态。取决于应用于双折射材料的条件(如，电压)，可以获得不同的开启状态以及由此获得对于光束的不同操纵。以此方式，用户可以依据用户的期望操纵束。进一步地，这里，“开启状态”指代可能至少由调节器在被开启时提供的特定状态。由此，对于调节器，关闭状态和特别定义的开启状态之间的中间状态也可以是可选择的。术语“层的叠层”指代基本上相邻的层(也进一步参见下文)。这不排除两个相邻层之间的界面可具有一个或多个曲线或者一个或多个角度。尤其是，固体双折射材料层和可切换双折射材料之间的界面可包括一个或多个微结构。因而，界面优选地是非平坦的。 然而，第一和第二材料层的外部表面优选地设置成基本平行。这些面优选地是平坦的，而具有可切换双折射材料的界面处的层(由此)优选地基本上是非平坦的并且包括一个或多个微结构。尤其是，第一界面或第二界面或者第一界面和第二界面这两者具有透镜的形状。 在特定的实施例中，所述第一界面或第二界面或者所述第一界面和所述第二界面这两者具有多个透镜的形状。这些透镜可以直接相邻，但是在透镜之间也可以存在非零距离。优选地，当第一和第二界面两者均具有(一个或多个)透镜的形状时，透镜的形状基本上是彼此的镜像图像。在另一实施例中，第一界面或第二界面或者第一界面和第二界面这两者具有锯齿的形状。在特定的实施例中，第一界面或第二界面或者第一界面和第二界面这两者具有多个锯齿的形状。锯齿可以直接相邻，但是在锯齿之间也可以存在非零距离。优选地，当第一和第二界面两者均具有(一个或多个)锯齿的形状时，锯齿的形状基本上是彼此的镜像图像。一个或多个透镜的实施例例如可用于成像和/或用于使得准直光扩散 (diffuse)。一个或多个锯齿的实施例例如可以用于光束的重新定向。因而，界面可以包括诸如锯齿或透镜之类的一个或多个微结构，在实施例中，其优选地基本上是彼此的镜像图像。由此，优选地，第一界面和/或第二界面具有非平坦的部分 (如，一个或多个锯齿和/或一个或多个透镜)，其在一维中是非平坦的。因此，可以像瓦楞结构(corrugated structure)那样将第一界面和/或第二界面成形，其中在两个界面均包括微结构时，瓦楞优选地基本上是彼此的镜像图像。因而，优选地，在所述第一界面或所述第二界面或者所述第一界面和所述第二界面这两者具有ID透镜的形状的实施例中，尤其是，所述第一界面或所述第二界面或者所述第一界面和所述第二界面这两者具有多个ID透镜的形状。在另一实施例中，所述第一界面或所述第二界面或者所述第一界面和所述第二界面这两者具有ID锯齿的形状，尤其是， 所述第一界面或所述第二界面或者所述第一界面和所述第二界面这两者具有多个ID锯齿 (格栅型)的形状。一维(ID)结构可能尤其便于将单个光束调节为单个经调节的光束。当应用多维的结构时，可以从单个光束产生多个经调节的光束。因而，尤其是，调节器包括处于公共方向上的两个一维结构化的界面。在此也将结构的这种方向表示为第一方向。第一和第二固体材料层优选地包括双折射的固体材料。术语“固体双折射材料”涉及其光轴对准不可变的双折射材料，而不像可切换双折射材料。双折射(或双重折射)是当光线经过特定类型的材料时，依据光的偏振该光线被分解为两个光线(寻常光线和非寻常光线)。这种效应仅在材料的结构是各向异性的(方向相关的)的情况下才可能出现。 如果材料具有单个各向异性轴或者光轴(即，其为单轴的)，那么可以通过将两种不同的折射率分配给通常称作寻常折射率和非寻常折射率的材料来形成(formalize)双折射。术语光轴在本领域中是已知的，并涉及单轴介质中某一位置处的方向以使得穿过此位置的所有寻常光线具有与其垂直的偏振。通常，在液晶的情况下，光轴接近分子的定向器。进一步的参见 Hecht (Optics,第四版，E. Hecht, Addison- Wesley)。对于第一和第二材料层而言适当的材料的示例例如基于光聚合系统中所包括的LC (如，来自Merck的RMM3k或RMM257 LC)。例如在W02004059565中描述了这种系统，并且这种系统对于本领域技术人员是已知的。在“关闭状态”下，对于每个界面，界面两侧的介质可导致这样的折射率该折射率在界面的两侧基本上相等，用于使非偏振光被对准到叠层的法向(关闭状态)。两个界面中每一个处的可切换(双折射)介质可以切换至称作“开启状态”的状态在所述“开启状态”下，对于第一界面，界面两侧的介质可导致这样的折射率该折射率在界面的两侧基本上相等，用于使光被对准到叠层的法向并且在与第一方向对准或垂直的第二方向上具有偏振，并且可导致这样的折射率该折射率在界面的两侧基本上不同，用于使光被对准到叠层的法向并且在与第二方向垂直的方向上具有偏振，并且在所述“开启状态”下，对于第二界面，界面两侧的介质可导致这样的折射率该折射率在界面的两侧基本上相等，用于使光被对准到叠层的法向并且在与第一方向对准或垂直的第三方向上具有偏振，并且可导致这样的折射率该折射率在界面的两侧基本上不同，用于使光被对准到叠层的法向并且在与第三方向垂直的方向上具有偏振。在特定的实施例中，叠层包括第一固体材料层、可切换双折射材料的层和第二固体材料层的叠层，其中，所述第一光轴和所述第二光轴是垂直的。这种调节器在本质上由三个层组成，其中第一和第二固体材料夹着可切换双折射材料。尤其是，在这种实施例中，可切换双折射材料可以包括扭曲向列液晶材料或手性向列液晶材料。进一步地，所述第一光轴和所述第二光轴可以在叠层的平面中取向。在关闭状态下，第一界面处的可切换双折射材料的光轴与第二界面处的相同的可切换材料的光轴垂直。例如，通过使用扭曲向列液晶材料，可以对材料层上的可切换材料的光轴施加基本上为90°的扭曲。在开启状态下，可切换双折射材料的层中的双折射材料的(一个或多个)光轴改变到其中光轴与第一固体材料层的光轴和第二材料层的光轴二者均垂直的状态。在开启状态下，可切换材料内的光轴基本上都被对准。此实施例的优点在于可以只用三个层获得相对简单的调节器。在另一个特定的实施例中，所述叠层包括第一固体材料层、可切换双折射材料的第一层和所述第一固体材料层(其形成第一界面)以及可切换材料的第二层和所述第二固体材料层(其形成第二界面)的叠层，其中(第一固体材料的)第一光轴和(第二固体材料的)第二光轴相对于彼此垂直。在关闭状态下，可切换双折射材料的光轴彼此垂直，但是平行于第一和第二固体材料的相应光轴。在开启状态下，(可切换双折射材料的)第一和第二层中的可切换双折射材料的光轴可以再次彼此垂直，但在如下这样的意义上被切换可切换材料的第一层的光轴与第一固体材料的第一光轴以及可切换材料的第二层的光轴两者垂直，以及可切换材料的第二层的光轴与第二固体材料的第二光轴以及可切换材料的第一层的光轴两者垂直。尤其是， 在这种实施例中，可切换双折射材料可以包括非手性向列液晶。其相比于先前实施例的优点在于，这种实施例可以提供相对薄的调节器。其可以进一步允许对偏振的独立控制。在期望的情况下，这可以进一步允许束的分裂。在又一个特定的实施例中，叠层包括第一固体材料层、可切换双折射材料的第一层和所述第一固体材料层(其形成第一界面)、中间层(其包括偏振旋转器)以及可切换材料的第二层和第二固体材料层(其形成第二界面)的叠层，其中(第一固体材料的)第一光轴和(第二固体材料的)第二光轴相互平行。此实施例进一步包括偏振旋转元件，如扭曲向列单元或干扰叠层。进一步地，固体材料层的第一光轴和第二光轴可以在叠层的平面中取向。在开启状态下，可切换双折射材料的第一和第二层的光轴可以设置成彼此平行并且与第一和第二固体(双折射)材料的光轴垂直。相对于第二特定实施例的优点可能是可以获得相对简单的装置，这是由于调节器实际上包括夹着偏振旋转器的两个基本上一致的单元(第一层/第一固体材料和第二层/第二固体材料)。在此实施例中，第一和第二界面优选地不包括微结构。总而言之，在实施例中，本发明尤其提供了可以是微结构的阵列的两个非平坦表面的叠层，其中每个表面与双折射液晶材料和固体材料相邻。固体材料的至少一个非平坦表面需要是双折射的。如果固体材料是双折射的，则其光轴优选地与束垂直地延伸或者沿着束延伸。可以切换诸如液晶材料之类的可切换双折射材料以使得靠近界面，与束垂直的其折射率和也与束垂直的固体的折射率匹配(无折射)。液晶材料可以与束对准或者与其垂直地延伸。可以切换诸如液晶材料之类的可切换双折射材料以使得与束垂直的其折射率中的仅仅一个与固体中的对应折射率不匹配。由于存在两个非平坦的表面，因此存在其中折射率存在差异的两个方向。如果之前提到的两个方向彼此不垂直，则可能存在(可切换的)偏振元件以补偿这种效应。这里，术语“平坦的表面”尤其是指代平坦的并且其法向与入射束对准的表面(尤其是第一和第二材料层的(一个或多个)外部面)。这里，术语“非平坦的表面”尤其指代可能优选地是不平坦的并且与入射束未对准(在每个地方)的表面(倘若调节器设置到光源)。进一步地，在“关闭状态”下，出射束近似与入射束相同，而在“开启状态”下，出射束
被重新定向/调节。如本领域已知的，对于液晶的对准，可以使用被打磨用于确定靠近表面的LC的取向的标准聚酰亚胺层。电场可用于确立(imp0Se)LC的第二取向。为了产生电场，可以应用透明的铟锡氧化物(ITO)电极。从而，术语“层的叠层”指代基本上相邻的层，其中，在两个基本上相邻的层之间，还存在ITO层和/或聚酰亚胺层。这里，参照对于调节器而言需要的三个或更多个层(即，第一固体材料层、第二固体材料层和可切换双折射材料的一个或多个层)特别地描述了调节器。如这里描述的调节器可以应用于设置为产生光束(在其被开启时)的任何类型的光源。因而，本发明还提供了包括配置为产生光束的光源和用于调节光束的方向的调节器的光学装置。光学装置可以设置为产生单个光束，但是也可以配置为产生多个光束。在特定的实施例中，所述光学装置包括被配置为产生多个光束的多个光源。以下在此将非限制性地提到光学装置的特定实施例。在实施例中，光学装置包括包含作为光源的多个像素的显示装置，其中调节器配置为调节多个光束的方向。所述多个像素产生所述多个光束，其可以由调节器操纵。在特定的实施例中，光学装置包括多个调节器。在另一实施例中，光学装置是照明装置。这种照明装置可以是灯，尤其是基本上的点光源灯，如聚光灯。因而，在实施例中，光学装置包括作为光源的聚光灯。在另一实施例中，光学装置包括作为光源的激光器。尤其是，光源配置为以2-20° (如，优选地是2-10°，或者甚至是更小)的范围中选择的张角产生光束。所述光束例如可以是聚光灯或者激光器的束。所述光源可以包括任何光源，如小的白炽灯或纤维尖头(fiber tip)或纤维不规则体(fiber irregularity)(其被设置为让光离开纤维；该实施例具有相对廉价的优点)，但是可以尤其包括LED (发光二极管)(作为光源)。使用LED的特定优点在于它们相对较小并且因此可允许大量LED的设置。使用LED的另一特定优点在于它们可以提供相对窄的束，这允许照明系统产生的照明分布的精确限定。术语LED可以指代0LED，但是尤其是指代固态照明。除非另外指出，否则这里的术语LED还指代固态LED。在实施例中，光源包括至少一个发光二极管(LED)。作为光源的固态LED由于其小尺寸、低重量和窄束而尤其是所期望的。通常关于光源或包括光源的光学装置描述上面所述的实施例。将适配器设置到这种光源，拦截光源的至少一部分。在这些实施例中，光源和调节器通常彼此接近。然而，调节器也可以应用于调节远程光源的光束，例如用于调节要由传感器(如，CCD相机)检测的光。例如，调节器可用于扫掠(swe印)某个区域。因此，在特定的实施例中，本发明还提供了包括光学传感器(其配置为检测光)和用于在传感器的方向上调节光束的方向的调节器 (如这里所描述的)的光学装置。这里，光学装置的实施例配置为(利用光学传感器)检测光。尤其是，所述光学装置可以包括C⑶相机，且所述传感器可以包括CXD阵列。除非另外指出，且在适当的且技术上可行的情况下，短语“从由多个元件组成的组中选择”也可以指代两个或更多个所列举元件的组合。像“下面”、“上面”、“顶部”和“底部” 这样的术语涉及当将照明系统基本上平坦地设置到基本上水平的表面(特别是下面)时获得的项目(item)的位置或布置，其中照明系统底部面基本上与基本上水平的表面平行并且背向天花板进入房间。然而，这不排除以其它布置(如，靠着墙)或者以其它(例如，垂直)布置使用照明系统。
现在将参照示意性的附图，仅通过示例的方式描述本发明的实施例，在附图中，对应的附图标记指示对应的部分，并且其中
图1示意性地描绘本发明的一些原理；
图2a_2b示意性地描绘处于“关闭”和“开启”状态中的调节器的实施例； 图3a_;3b示意性地描绘处于“关闭”和“开启”状态中的调节器的另一实施例； 图4a_4b示意性地描绘处于“关闭”和“开启”状态中的调节器的又一实施例； 图示意性地描绘微结构化的界面的实施例；以及图6a_6c示意性地描绘包括根据本发明的调节器的光学装置的实施例。
具体实施例方式图1示意性地描绘了用于调节光束5的方向的调节器1。调节器1包括层的叠层 10。叠层10包括具有第一光轴(未描绘，参见图的第一固体材料层100、具有第二光轴(未描绘，参见图的第二固体材料层200和可切换双折射材料30。可切换双折射材料可以设置在单个层中或者分离的各层中(参见下文)。为了理解起见，在图中未绘出聚酰亚胺层和电极层(如ITO层)。这些特征对于本领域技术人员是已知的。由此，在某些实施例中，这里的术语“相邻”意思是在相邻项目的至少一部分之间，例如存在聚酰亚胺层和/或(透明)ITO层。叠层进一步包括第一固体材料层100和双折射材料30之间的第一界面130以及第二固体材料层200和双折射材料30之间的第二界面230。选择并配置第一材料层100和第二材料层200的材料以及可切换双折射材料以使得(a)在关闭状态下，第一界面130处的双折射材料30具有与第一光轴平行的光轴，且第二界面230处的双折射材料30具有与第二光轴平行的光轴；并且( 在开启状态下，第一界面130处的双折射材料30具有与第一光轴垂直的光轴，且第二界面230处的双折射材料 30具有与第二光轴垂直的光轴。第一和第二固体材料层100、200优选地包括双折射的固体材料。可切换双折射材料优选地是液晶材料，如扭曲向列液晶或手性向列液晶材料。尤其是，界面130、230可以包括一个或多个微结构(参见下面)。然而，第一和第二材料层的外表面优选地设置成彼此基本上平行。这些面优选地是平坦的，而界面130、230 处的包括可切换双折射材料的层(由此)优选地基本上是不平坦的，并且包括一个或多个微结构(参见下文)。在特定的实施例中，在图(分别为“关闭状态”和“开启状态”)中描绘的叠层10包括第一固体材料层100、可切换双折射材料30的层300和第二固体材料层200的叠层。以附图标记111指示的第一光轴和以附图标记211指示的第二光轴被选取为相对于彼此垂直。这种调节器1基本上由三个层组成，其中第一和第二固体材料层夹着可切换双折射材料。尤其是，在这种实施例中，可切换双折射材料30包括扭曲向列液晶材料，如来自 Merck 的 TL 213。在关闭状态下，可切换双折射材料的光轴，(这里不是各光轴(附图标记为311)， 这是由于尤其是将手性向列材料用作各个界面130和230处的可切换双折射材料)与(相应界面另一侧处的固体材料的)光轴111和211平行地对准。因而，在界面130、230处，光轴在界面的两侧彼此平行地对准。双折射材料层的光轴可以相对于第一和第二固体材料 100,200的第一和第二光轴111、211旋转通过90°以获得期望的光轴配置。此实施例中的可切换双折射层的层厚度(其中，双折射材料可以包括扭曲向列 LC)可以处于大约40-100 ym的范围内，如大约50μπι。这种厚度可足以形成90°旋转。当调节器1开启时，可切换双折射材料30的光轴的对准改变，并且垂直于第一和第二材料层的两个光轴而对准。这里，基本上贯穿材料，双折射材料的光轴311垂直于第一和第二材料层的光轴111、211而对准。在另一个特定的实施例中，图3a_;3b (分别为“关闭状态”和“开启状态”)中描绘的叠层10包括由下述构成的叠层10
可切换双折射材料30的第一层301 ； 第一固体材料层100 ； 可切换材料30的第二层302 ；以及第二固体材料层200。可切换双折射材料30的第一层301和第一固体材料层100形成第一界面130。可切换材料30的第二层302和第二固体材料层200形成第二界面230。实际上，此叠层10包括2个单元，即第一层301和第一固体材料100以及第二层302和第二固体材料200。这两个单元可以布置得彼此相邻，即，第一材料100和第二层302形成另一个界面400。此另一个界面400优选地是平坦的。可切换双折射材料30的相应第一和第二层301、302中的光轴分别用附图标记311(1)和311 (2)指示。这里，此实施例中的第一光轴111和第二光轴211相对于彼此垂直。第一层301 的光轴311(1)(其基本上贯穿可切换双折射材料30的第一层301的材料)与第一光轴111 平行。第二层302的光轴311( (其基本上贯穿可切换双折射材料30的第二层302的材料)与第二光轴211平行。在关闭状态下，相应界面130和230处的光轴311(1)和311 (2)由此分别与第一固体材料层100和第二固体材料层200的光轴111和211平行地对准。当调节器1开启时，可切换双折射材料30的光轴的对准改变，并且垂直于第一和第二材料层这两者的光轴并彼此垂直地对准。参照图北，可切换双折射材料30的第一层301的光轴311 (1)与第一固体材料层100的光轴111垂直，并且与可切换双折射材料30的第二层302的光轴311 (2) 垂直。可切换双折射材料30的第二层302的光轴311( 与第二固体材料层200的光轴 211垂直，并且与可切换双折射材料30的第一层301的光轴311 (1)垂直。在又一个特定的实施例中，在图4a_4b (分别为“关闭状态”和“开启状态”)中描绘的叠层10包括由下述构成的叠层
第一固体材料层100 ；
可切换双折射材料30的第一层301 ；
中间层500，其包括偏振旋转器，如扭曲向列单元；
可切换材料30的第二层302 ；以及
第二固体材料层200。可切换双折射材料30的第一层301和第一固体材料层100形成第一界面130。可切换材料30的第二层302和第二固体材料层200形成第二界面230。这里，再次提供了两个单元，这两个单元均包括可切换双折射材料和(双折射)固体材料层。各自单元(分别为100/301和200/302)内的光轴(111/311(1)和211/311 )) 彼此平行地对准。进一步地，在关闭状态下，所有的光轴可以相互平行地对准。在两个单元之间，设置偏振旋转器500。这些单元可以夹着偏振旋转器500。在特定的实施例中，可切换双折射材料30的第一层301与偏振旋转器500形成界面501。在另一个特定的实施例中，可切换双折射材料30的第二层302与偏振旋转器500形成界面502。在开启状态下，对于第一层301和第二层302两者而言，可切换双折射材料30的光轴的方向改变。光轴311(1)和311 (2)分别交换(swap)到相对于固体材料层100、200 的光轴111、211的垂直状态。进一步地，它们交换到它们相互平行的状态。进一步地，它们可以交换到它们基本上与外部表面垂直(即，基本上与叠层1的法向平行)的状态。图fe-恥非限制性地描绘了关于界面130和230上的微结构的某些实施例。在图 fe中，这些微结构是透镜形状的，而在图恥中是锯齿形状的。注意，微结构优选地是一维的。因而，图53/ 可以示意性地描绘叠层10的实施例的横截面。在某些实施例中(例如参见图1-3)，在开启状态下经过第一界面的光束的偏离部分的折射率的变化在符号上相对于经过第二界面的光束的偏离部分的折射率的变化是相反的。如果在每个界面处需要相同的动作(例如，某一方向上的重新定向或聚焦)，则对于小的折射率差异，微结构的形状可以基本上是镜像图像。然而，可以引起小的差异以获得最佳效果。对于图的实施例，界面优选地不包括微结构。图6a_6b示意性地描绘了包括调节器1的光学装置600的实施例。光学装置600包括配置为产生光束5的光源601。光学装置600进一步包括用于调节光束5的方向的调节器1。光学装置600可设置用来产生单个光束，但是也可以配置为产生多个光束5。这里，通过示例的方式，图6a的光学装置600包括包含作为光源601的多个像素 602的显示装置。调节器1配置为调节多个光束5的方向。多个像素602产生多个光束5， 其可以由调节器1操纵。在特定的实施例中，光学装置600可以可选地包括多个调节器1。在另一个实施例中，光学装置600是照明装置，参见图6b。这种照明装置可以是灯，尤其是基本上的点光源灯(如，聚光灯)。因而，在实施例中，光学装置600包括作为光源601的聚光灯。尤其是，光源601配置为以在2-20° (比如优选地是2-10° )范围内选择的张角O* θ )产生光束5。当调节器1开启时，以附图标记5’指示调节器1下游的调节的束(或调节光束)。图6c示意性地描绘了光学装置600的实施例，其中该装置设置为检测光。光学装置600包括诸如CXD阵列之类的光学传感器651和如这里所述的调节器1。调节器可以用于在光学传感器的方向上重新定向光束5。例如，以此方式，可以扫描或扫掠区域。因而，本发明提供了用于调节光束5的方向的调节器。调节器1具有关闭状态和开启状态，并且包括层的叠层10。叠层10包括具有第一光轴111的第一固体材料层100、 具有第二光轴211的第二固体材料层200和可切换双折射材料30。进一步地，叠层包括第一固体材料层100和双折射材料30之间的第一界面130以及第二固体材料层200和双折射材料30之间的第二界面230。在关闭状态下，第一界面130处的双折射材料30配置为具有与第一光轴111平行的光轴，并且第二界面230处的双折射材料30配置为具有与第二光轴211平行的光轴。在开启状态下，第一界面130处的双折射材料30配置为具有与第一光轴111垂直的光轴，并且第二界面230处的双折射材料30配置为具有与第二光轴211垂直的光轴。此装置可用于重新定向例如聚光灯、显示装置或光学传感器的光束。在附图中，为了清楚起见，尚未(全部地)绘出较不相关的特征(如，电缆等)。本领域技术人员将理解这里的术语“基本上”(如，在“基本上平坦”中或者在“基本上包括”中，等等)。在实施例中，可以去掉形容词基本上。在适合的情况下，术语“基本上”也可以包括具有“完整地”、“完全地”、“所有”等的实施例。在适合的情况下，术语“基本上”也可以涉及90%或更高，如，95%或更高，尤其是99%或更高，包括100%。术语“包括” 也包括其中术语“包括”指的是“由……组成”的实施例。进而，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于在类似元件之间进行区分，且不必用于描述顺序或时间次序。要理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够以这里描述或图示的顺序以外的其他顺序操作。
这里使用的装置尤其是在操作期间加以描述的。如对于本领域技术人员而言清楚的是，本发明不限于操作方法或者操作中的装置。应当注意，上面提及的实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计出许多可替换的实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应当解释为限制权利要求。动词“包括”和其变形的使用不排除权利要求中所述的那些元件或步骤以外的元件或步骤的存在。术语“和/或”包括相关联的所列项目中一个或多个的任何和所有组合。元件前的冠词“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。元件前的冠词“该”不排除多个这种元件的存在。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件来实现，并且可以通过适当编程的计算机来实现。在列举了若干部件的装置权利要求中，这些部件中的若干个可以通过同一个硬件项目来实现。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的起码事实不表示不能有益地使用这些措施的组合。
权利要求
1.一种用于调节光束(5)的方向的调节器(1)，该调节器(1)具有关闭状态和开启状态并且包括层的叠层(10)，其中叠层(10)包括具有第一光轴(111)的第一固体材料层(100)、具有第二光轴(211)的第二固体材料层(200)和可切换双折射材料(30)；第一固体材料层(100)与双折射材料(30)之间的第一界面(130)和第二固体材料层 (200)与双折射材料(30)之间的第二界面(230)；其中在关闭状态下，第一界面(130)处的双折射材料(30)配置为具有与第一光轴(111)平行的光轴，并且第二界面(230)处的双折射材料(30)配置为具有与第二光轴(211)平行的光轴；并且在开启状态下，第一界面(130)处的双折射材料(30)配置为具有与第一光轴(111)垂直的光轴，并且第二界面(230)处的双折射材料(30)配置为具有与第二光轴(211)垂直的光轴。
2.如权利要求1所述的调节器，其中，叠层(10)包括第一固体材料层(100)、可切换双折射材料(30)的层(300)和第二固体材料层O00)的叠层，其中，所述第一光轴(111)和所述第二光轴(211)相对于彼此垂直；并且其中，所述第一光轴(111)和所述第二光轴(211)在所述叠层(10)的平面中取向。
3.如权利要求2所述的调节器(1)，其中，可切换双折射材料(30)包括扭曲向列液晶或手性向列液晶材料。
4.如权利要求1所述的调节器，其中，所述叠层(10)包括由下述构成的叠层第一固体材料层(100)；可切换双折射材料(30)的第一层(301)和所述第一固体材料层(100)，其形成第一界面(130)；以及可切换材料(30)的第二层(30 和第二固体材料层000)，其形成第二界面030)，其中所述第一光轴(111)和所述第二光轴(211)相对于彼此垂直。
5.如权利要求1所述的调节器，其中，所述叠层(10)包括由下述构成的叠层第一固体材料层(100)；可切换双折射材料(30)的第一层(301)和所述第一固体材料层(100)， 其形成第一界面(130)；中间层(500)，其包括偏振旋转器；以及可切换材料(30)的第二层 (302)和第二固体材料层000)，其形成第二界面030)，其中所述第一光轴(111)和所述第二光轴(211)相互平行。
6.如之前权利要求中任何一项所述的调节器(1)，其中，所述第一界面(130)或所述第二界面(230)或所述第一界面(130)和所述第二界面(230)这两者具有透镜的形状。
7.如之前权利要求中任何一项所述的调节器(1)，其中，所述第一界面(130)或所述第二界面(230)或所述第一界面(130)和所述第二界面(230)这两者具有锯齿的形状。
8.一种光学装置(600)，包括光源(601)，其配置为产生光束(5)；以及根据权利要求 1到7中任何一项所述的、用于调节光束(5)的方向的调节器(1)。
9.如权利要求8所述的光学装置(600)，配置为产生多个光束(5)。
10.如权利要求9所述的光学装置(600)，其中，所述光学装置(600)包括包含作为光源(601)的多个像素(602)的显示装置，其中，所述调节器(1)配置为调节所述多个光束 (5)的方向。
11.如权利要求8和9中任何一项所述的光学装置(600)，其中，所述光学装置(600)是照明装置。
12.如权利要求8、9和10中任何一项所述的光学装置(600)，其中，所述光学装置 (600)包括作为光源(601)的聚光灯，其中所述光源(601)配置为以在2-20°的范围内选择的张角产生光束(5)。
13.光学装置(600)，包括光学传感器(651)；以及如权利要求1到7中任何一项所述的用于在所述传感器(651)的方向上调节光束(5)的方向的调节器(1)。
14.如权利要求13所述的光学装置(600)，其中，所述光学装置(600)包括CXD相机， 且所述光学传感器(651)包括CXD阵列。
15.如权利要求8到14中任何一项所述的光学装置(600)，包括多个调节器(1)。
全文摘要
本发明提供用于调节光束(5)的方向的调节器。调节器(1)具有关闭状态和开启状态，并且包括层的叠层(10)。叠层(10)包括具有第一光轴(111)的第一固体材料层(100)、具有第二光轴(211)的第二固体材料层(200)和可切换双折射材料(30)。进一步，所述叠层包括在第一固体材料层(100)与双折射材料(30)之间的第一界面(130)和在第二固体材料层(200)与双折射材料(30)之间的第二界面(230)。在关闭状态下，第一界面(130)处的双折射材料配置为具有与第一光轴(111)平行的光轴，并且第二界面(230)处的双折射材料(30)配置为具有与第二光轴(211)平行的光轴。在开启状态下，第一界面(130)处的双折射材料(30)配置为具有与第一光轴(111)垂直的光轴，并且第二界面(230)处的双折射材料(30)配置为具有与第二光轴(211)垂直的光轴。这种装置可用于重新定向例如聚光灯、显示装置或光学传感器的光束。
文档编号G02B27/22GK102576179SQ201080048665
公开日2012年7月11日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年10月30日
发明者F.皮尔曼, M.P.C.M.克里恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司
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