光束发散角度电控可调型向列相液晶装置的制作方法

1.本发明涉及一种向列相液晶调光装置，尤指一种用于非机械调节光束发散角度的向列相液晶装置。


背景技术：

2.生活中日常使用的聚光灯、手电筒、射灯等照明灯具通常都自带有光束聚焦透镜，在使用时，通过调节光源与光束聚焦透镜(或说透镜组)之间的距离，即可实现出射光束发散角度(或说光斑)大小的调节。但是，这种传统的光束聚焦透镜技术在调节光斑大小方面通常采用的是手动调节方式或者马达自动调节方式，但手动调节方式不够精准，费时费力，应用场合受限，而马达自动调节方式存在驱动结构复杂，体积大，成本较高等缺点，难于推广普及。
3.申请号为201880024971.6的发明专利申请公开了一种具有改进光束匀称性的液晶光束拓宽装置，其通过特殊设计的电极驱动液晶形成特殊排列结构，从而实现了调节光斑大小的功能。但是，这种装置因受驱动原理影响，驱动电压较高，驱动信号也较复杂(4路不同相位的方波)，成本较高，应用场合同样受限，难于推广普及。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种光束发散角度电控可调型向列相液晶装置，其实现了对出射光束发散角度大小的有效控制与调节，易实现，成本低，适于推广普及。
5.为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
6.一种光束发散角度电控可调型向列相液晶装置，其特征在于：它包括共轴堆叠在一起的至少一液晶单元，其中：液晶单元包括层叠设置的两个液晶盒；液晶盒包括上基板、下基板，上基板与下基板之间设有向列相液晶层，向列相液晶层包括向列相液晶，上基板朝向向列相液晶层的一面镀有上ito电极，下基板朝向向列相液晶层的一面镀有下ito电极，上ito电极和/或下ito电极上设有开孔，其中，从垂直于上ito电极的方向看，上ito电极与下ito电极上的开孔互补形成一规则阵列，上基板、下基板与两者之间的向列相液晶层借由每个开孔形成一微液晶透镜，入射光束经过相邻的微液晶透镜后射出的出射光束互相交叠呈发散状，且发散角度的大小受上ito电极和下ito电极所输入电压信号幅值大小的控制；在上ito电极和下ito电极未通电状态下，液晶单元的两个液晶盒中的向列相液晶的长轴方向互相正交。
7.本发明的优点是：
8.本发明结构简洁，通过非机械的电压控制方式实现了对出射光束发散角度大小的有效控制与调节，易实现，易驱动，成本低，可实现大批量生产，可广泛用于聚光灯、手电筒、射灯等照明灯具。
附图说明
9.图1是已有液晶盒的结构示意图。
10.图2是图1所示液晶盒的下ito电极的结构示意图。
11.图3是本发明向列相液晶装置的结构示意图。
12.图4是本发明向列相液晶装置中的液晶盒的一实施例结构示意图。
13.图5是图4所示液晶盒的上ito电极的结构示意图。
14.图6是图4所示液晶盒的下ito电极的结构示意图。
15.图7是从图4的y方向看，上ito电极与下ito电极上的开孔互补形成的规则阵列示意图。
16.图8是本发明向列相液晶装置实现的微液晶透镜的光学原理说明示意图。
具体实施方式
17.在本行业对液晶透镜的调焦性能研究中，单圆孔电极液晶透镜是被研究较多的一种，其结构简单、驱动简单，可以做到焦距连续可调。如图1所示，图中示出的液晶盒设计的便是单圆孔电极液晶透镜，此液晶盒包括上基板11、下基板12，上基板11与下基板12之间设有向列相液晶层30，上基板11朝向向列相液晶层30的一面镀有上ito电极21，上ito电极21为一整片电极，下基板12朝向向列相液晶层30的一面镀有下ito电极22，下ito电极22为开设有一圆孔40的电极，如图2。
18.在实际应用时，此单圆孔电极液晶透镜的缺点是圆孔40尺寸较小(通常直径小于1mm)，尺寸无法扩大。这是因为，圆孔40尺寸放大后，焦距调节能力大幅弱化。当圆孔40尺寸放大至毫米级别(直径大于1mm)后，单圆孔电极液晶透镜受限于液晶材料本身的折射率调节范围，几乎会失去调焦的功能。因此，单圆孔电极液晶透镜虽然在早期被研究较多，但至今仍没有过多的实用价值。
19.本发明正是受到此单圆孔电极液晶透镜的启发而设计，将单圆孔电极液晶透镜改进成了多孔电极液晶透镜阵列，用多孔电极液晶透镜阵列替代了单圆孔电极液晶透镜，这样，尺寸增大不再受到限制，且解决了焦距调节能力弱化问题。
20.具体来说，如图3至图8所示，本发明光束发散角度电控可调型向列相液晶装置包括共轴堆叠在一起的至少一液晶单元80，图3示出了多个液晶单元80沿轴线l堆叠在一起的情形，其中：液晶单元80包括层叠设置的两个液晶盒70；液晶盒70包括上基板11、下基板12，上基板11与下基板12之间设有向列相液晶层30，向列相液晶层30包括向列相液晶，向列相液晶层30包括混合在一起的向列相液晶和导电离子，导电离子用于在电压信号驱动下运动而带动其附近的向列相液晶发生偏转，上基板11朝向向列相液晶层30的一面镀有上ito电极51，下基板12朝向向列相液晶层30的一面镀有下ito电极52，上ito电极51和/或下ito电极52上设有开孔60，其中，从垂直于上ito电极51(或说下ito电极52、上基板11)的方向看，即从图4的y方向看(图4所示x方向为平行于上基板11或说下基板12的方向)，上ito电极51与下ito电极52上的开孔60互补形成一规则阵列，上基板11、下基板12与两者之间的向列相液晶层30借由每个开孔60形成一微液晶透镜90，即液晶盒70形成一多孔电极液晶透镜阵列，入射光束经过相邻的微液晶透镜90后射出的出射光束互相交叠呈发散状，且发散角度的大小受上ito电极51和下ito电极52所输入电压信号幅值大小的控制；在上ito电极51和
下ito电极52未通电状态下，液晶单元80的两个液晶盒70中的向列相液晶的长轴方向互相正交。
21.对于液晶盒70来说，每一个开孔60对应的区域可等效成一个可变焦距的微液晶透镜90，即上基板11、下基板12与两者之间的向列相液晶层30借由每个开孔60形成一微液晶透镜90，微液晶透镜90的光学原理可参见图8来理解。可见，液晶盒70形成一多孔电极液晶透镜阵列，通过控制每一个微液晶透镜90的焦距，即可达到控制整个出射光束发散角度的目的，重要的是，焦距调节能力不再受微液晶透镜90自身尺寸的限制，可通过增加微液晶透镜90的数量来解决焦距调节能力弱化问题。
22.本发明的应用场合是控制光束的发散角度而不是成像，因此要求较低。本发明采取通过电压控制方式来对出射光束的出射角度大小进行无级调节，而调节后射出的光束强度可满足用户的照明需求。
23.对于液晶盒70，通过控制输入上ito电极51和下ito电极52的电压信号幅值大小，可控制每个微液晶透镜90所对应的向列相液晶层30中的向列相液晶的偏转角度，达到控制每个微液晶透镜90焦距的目的，即实现了控制从液晶盒70射出的出射光束的整体发散角度的目的。
24.在实际设计中，每个液晶单元80中的两个液晶盒70之间、相邻的液晶单元80之间通过光学胶(已有粘合胶)粘结在一起，以提高光线透过率。
25.参考微透镜原理，设定圆形开孔60的直径为d，液晶盒70的盒厚为d，液晶对寻常光与非寻常光的折射率差为δn，那么，在理想情况下，光线通过微液晶透镜的中心与边缘的最大光程差是δn
×
d，根据波动光学原理，微液晶透镜的焦距f可以按如下公式计算：
[0026][0027]
那么在光平行入射的条件下，出射光的扩散角θ可以按照如下公式计算：
[0028]
θ＝arctan(d/2f)
[0029]
在实际工作时，处于开孔60边缘的液晶分子无法完全垂直于上、下基板11、12，处于开孔60中心的液晶分子也会受侧向电场的影响产生一定的倾角，因此光线通过开孔60中心与四周边缘时的光程差会比上述理论计算值要小，即扩散角也要小一些。
[0030]
为了保证微液晶透镜的中心和四周边缘的液晶分子都可以尽可能地按理想状态排列，在实际设计时需要对开孔60的直径和液晶盒的盒厚做匹配优化。
[0031]
在本发明中，液晶盒70的厚度为2μm～100μm，开孔60为圆形，开孔60的直径为10μm～200μm，相邻两个开孔60之间的间距为1μm～50μm。
[0032]
在实际实施时，开孔60还可以是三角形、正方形、正五边形或任意正多边形，只要此开孔60的形状和尺寸与圆孔的形状和尺寸相当即可。具体来说，液晶盒70的厚度为2μm～100μm，开孔60为三角形、正方形或近似圆形的正多边形，开孔60的最大直径为10μm～200μm，相邻两个开孔60之间的间距为1μm～50μm。
[0033]
在实际设计中，上ito电极51与下ito电极52可设计为：
[0034]
上ito电极51上不开孔，为一整片电极，下ito电极52上的各开孔60形成一规则阵列，或者，下ito电极52上不开孔，为一整片电极，上ito电极51上的各开孔60形成一规则阵列，或者，上ito电极51和下ito电极52上均开孔，且上ito电极51上的开孔60与下ito电极52
上的开孔60互补而形成一规则阵列。
[0035]
例如，如图5示出了上ito电极51上所设的开孔60，图6示出了下ito电极52上所设的开孔60，从图5和图6可以看出，上ito电极51上与下ito电极52的开孔60所对应的位置上不设有开孔，同理，下ito电极52上与上ito电极51的开孔60所对应的位置上不设有开孔，即上ito电极51与下ito电极52上的开孔60是互补的。从垂直于上ito电极51(或说下ito电极52)的方向看，上ito电极51与下ito电极52上的开孔60互补后形成了一规则阵列，如图7所示。
[0036]
在本发明中，规则阵列可以是几行
×
几列的矩阵形式，也可以是其它规则排列形式，例如图7所示的3个、2个、3个、2个开孔排列的4列形式。
[0037]
在本发明中，液晶盒70的上基板11、下基板12可为透明玻璃材质等制成，上ito电极51、下ito电极52为本领域已有ito(氧化铟锡)材质制成，另外可根据需要使用辅助金属，如铝、铜、银等，向列相液晶层30为本领域的已有技术，其内还可设有绝缘的支撑球等。
[0038]
如图3，图中示出了在上ito电极51和下ito电极52处于未通电状态下，液晶单元80的两个液晶盒70中的向列相液晶的长轴方向(参见标号31与31’)互相正交的情形。根据向列相液晶的双折射特性，液晶盒70只对偏振方向平行于向列相液晶长轴方向的光束起作用，因此，对于普通的包含任意偏振方向的非偏振光光源来说，只要将两个液晶盒70叠加，且将两者的向列相液晶的长轴方向设置为相互正交，即可用于对普通光源的发散角度进行控制，因此，本发明可以很好地用于日常生活中使用的聚光灯、手电筒、射灯等照明灯具中。
[0039]
对于一个液晶单元80来说，输入液晶单元80的两个液晶盒70的电压信号易进行同步控制，以降低驱动难度，换句话说，两个液晶盒70并联设置，即两个液晶盒70的上ito电极51所输入的电压信号相同且同时输入，下ito电极52所输入的电压信号相同且同时输入，每个液晶盒70需要2路电压信号驱动，那么两个液晶盒70并联的话，同样需要2路电压信号驱动，易实现。
[0040]
在本发明中，为了提高器件出射光束的发散角度控制范围，可以采用将多个液晶单元堆叠在一起的方式，而不同液晶单元之间对于向列相液晶来说没有配向角度要求，即，当本发明设计有多个液晶单元时，各个液晶单元之间的向列相液晶的长轴方向互相之间没有限制，只是液晶单元自己内部的两个液晶盒70中的向列相液晶的长轴方向互相正交即可。
[0041]
若多个液晶单元80共轴堆叠在一起，则各液晶单元80之间进行同步控制，即各液晶单元80中的两个液晶盒70的上ito电极51所输入的电压信号相同且同时输入，下ito电极52所输入的电压信号相同且同时输入，换句话说，多个液晶单元80中的液晶盒配置相同的话，各液晶盒70之间同样可并联设置，这样本发明整个装置仍只需要2根电压信号线即可实现驱动，驱动方式简单、实用。
[0042]
在电压驱动方面，液晶盒70中的上ito电极51和下ito电极52接收一对频率相同、电压幅值相同、相位相差90
°
的交流电压信号，此交流电压信号为正负信号或单向信号(单向正/负信号)均可，其中：交流电压信号为方波，当然也可根据需要设计为其它波形。
[0043]
另外，在本发明中，交流电压信号的频率不受局限，优选设计为介于10hz与500hz之间。在实际实施时，交流电压信号的电压幅值可根据开孔60的直径、液晶盒70的盒厚等因素合理设计，不受局限，通常优选设计为介于3v与30v之间，根据实际情况可合理调整。
[0044]
使用时，将光源(如非偏振光)置于本发明装置一侧，于是光源发出的光线(入射光束)依次经过各液晶单元80后射出，射出的光线(出射光束)的发散角度大小(或说光斑大小)可通过控制输入各液晶单元80的电压信号来调节。在开孔60直径、液晶盒70盒厚不变的条件下，且电压信号的幅值处于一个合理范围内时，输入上ito电极51和下ito电极52的电压信号幅值越大，导电离子带动其附近的向列相液晶发生的偏转角度越大，进而经由本发明装置射出的出射光束的发散角度越大。
[0045]
在光线穿过液晶盒70形成的多孔电极液晶透镜阵列时，光线受每个微液晶透镜90内的向列相液晶的折射作用而呈发散状射出，经由相邻的微液晶透镜90射出的光线互相交叠，使得本发明装置最终射出的光束发散角度与光线强度都满足用户的照明需求，更重要的是，与现有技术相比，本发明易实现，易驱动，成本低，可实现大批量生产。
[0046]
以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。