液晶的光束控制的制作方法

本公开涉及一种液晶(lc)的光束控制装置的应用，而且，在某些方面中，以光保真(li-fi)的无线通信技术和智能照明。

背景技术：

使用lc进行光束成型和/转向是在科学文献中已知的，但是，这不是目前在商业产品中可用的。

li-fi是一种新兴的技术，且市场上可以买到。li-fi可用于环境光源，如led灯，其安装于天花板作为面光源。这些li-fi设备可以作为接入点的光束范围内的li-fi客户端设备的接入点。li-fi通信是双向的，并且所述光源与光检测器匹配，其可以使用相同的光束光学设备作为光源。

智能照明也是一个新兴的技术，其建议检测和成像功能性的结合，以优化光参数(如定时，调光，色温等)。

技术实现要素：

申请人已经发现，lc设备可以有效地增加大约45度发散到光源光束。申请人还已经发现，简单的lc装置可提供大约+/-10度的光束方向或转向控制。

申请人已经发现，当施加到li-fi光源和智能照明应用，lc装置可以是有特定用途的。

申请人已经发现，一个lc可控光束发散装置可与li-fi接入点光源结合，来塑造接入点光束，来控制li-fi通信的质量，稳定性和安全性，例如光束的接入和排斥，或li-fi客户端设备和/或另一li-fi接入点的信号电平。

申请人已经发现，一个lc可控光束发散装置可以与光源强度控制器(调光器)相结合，使得光束的强度可以与光束发散被自动地控制，实现光束亮度的控制。由此，能够防止残留在亮度的期望的范围内的光束斑点，以便避免一个太亮或太暗的光束斑点。因此，将降低不必要的亮度和改善相应的舒适性和节能性。

例如，设置有调光控制和lc可控光束发散装置的光源可以被配置为提供小区域必须被照明时的最低光束发散；然后调光控制被设置为最低亮度，而调光控制增加了光源的亮度，点光束可根据亮度的所希望的范围变得太亮。此时，所述lc可控光束发散装置可以被控制，以增加点光束的发散。以这种方式，光源的调光控制耦合到所述光束发散的控制，以提供光束的增长对应于光源强度的平滑过渡。当光源的电源变化时，使用至少其控制范围的一部分内的调光控制，而使光束亮度可以基本上是稳定的。亮度设定点可以被建立，并且当使用调光控制进行控制时保持稳定。

应当理解，这样的光束发散控制提供了避免对物体的过度照明的改进的照明效果，并避免光束亮度的消退而引起期望的照明效果的损失。还将理解的是，当光束发散减小到更小的光斑尺寸和光源功率输出被相应地降低，从而节省电功率。

在一些实施方案中，提供了lc设备，可以通过转向到给定方向或通过对称地扩大光束，以产生动态光束成型和调制装置，来控制光束特性。有这样的技术的许多可能的应用，诸如通过允许它们的光点尺寸的动态调整以减少灯具(或照明器具)的数量。另一应用可以是改变时装店等店内光点尺寸以获得人们的关注。然而，使用这种装置还可以更有效地利用照明。

例如，一种应用是用于节约能源。用户对照明的需求可能会根据一天中的时间，房间里是否有人，活动类型(交流活动，看电影，游戏等)等而改变。提出的器件提供可调节照明光斑尺寸(区域a)，它可以动态改变(通过使用客户端的lc调制元件)，还提供动态调光(改变光功率p的密度或它的强度i＝p/a)驱动器，该器件可以结合这两种功能(照明区域a的控制和它的功率p的调节)，以确保照明强度iopt的(所需的)等级优化。因此，如果只有一个小的区域a必须被照明，则功率p可以被调光到在该区域保持在同一水平的iopt，以提供显著的能源节约。

例如，另一种应用的情况是在于更好的对比度和安全性。最佳的照明强度(iopt＝p/a)的相同概念也可以被用来改善采集图像(照片或视频)的质量。可以使用一个相对简单的相机系统来识别发生在照明的区域中的″感兴趣的对象″或″某类型的活动″，以设定照明系统。在本申请中，照明iopt的水平(对应于检测到的活动的类型)可被优选地在″感兴趣区″内被保持。首先，这将允许更好的图像/视频采集(如果主要是″感兴趣的对象″被照亮，而不是它的环境)。其次，在li-fi应用情况下，li-fi系统被集成到照明led光源。lifi，如本文所使用的，是指自由空间光学数据通信，并且不限于任何特定的光学数据通信协议。这样的照明系统也将提供更好的安全性，不是″广播″大量的信息，li-fi信号可以优选地通过控制光束方向和适当地控制光束加宽，输送到″感兴趣的对象″。如果一个li-fi检测系统被包括在led照明装置中，则该信号可以被接收(记录)，且具有(在信噪比方面)更好的对比度。

液晶(lc)光调制装置被施加到照明控制或无线光通信系统，以改善照明或通信的性能。使用lc光束调制和光束强度和光束的立体角的常规控制，可能实现柔性光网络。

在物联网(iot)的li-fi应用中：发光二极管(或其他类型的)的网络光源可以包含路由器，每个都有其自己的地址。客户端的动态光束成形单元可以添加到每个路由器/led组件，那么通过在一个或其它(垂直)方向上延展光束，lifi信号可以为物联网的应用进行动态重新设置，例如，以避免给定区域(被损坏或被破坏)，以″引导″用户到房间的特定侧。例如，人群控制规则可以包括：在不希望使用摄像头的地方如浴室，不设置li-fi(数据连接)，在等待地方/房间的进行全面安全摄像头监视的地方，设置完全的li-fi(数据连接)，在同一个房间的服务柜台外不设置li-fi(数据连接)，而使人们专注于服务人员，而在同一个房间的柜台后面服务人员的位置，设置完全的li-fi(数据连接)。这可能会带来很多的优势(安全性，灵活性等)，根据需要通过减小物联网的广播区域，以增加安全性。

例如，另一种应用是更好的照明的舒适性。也可以使用与最佳的照明强度(iopt＝p/a)相同的概念，以提高用于常规或一些特殊的活动的舒适区。例如，这包括会议演讲(其中演示的屏幕需要被照亮的亮度必须小于演讲人的照明)，晚餐活动等。照明的功率p，其范围大小a可独立地同时改变，以对应于活动的类型采用保持iopt的最佳值。在实践中，这样的设备包括一个光源形成初始光束(led)，可控制的lc光束成型和调制元件(客户的元件)，具有输入(数据，传感器，主控制器等)的设备控制器，相机/存在传感器/扫描器和固件/软件逻辑，来检测条件和适应于光束成型和调制元件。其他集成方面都依赖于应用程序。而当可以通过相同的光束成型lc元件，例如基于预设来提供精确指向时，可提供某种形式的机械的初步手动指向。主控制器可使用一个应用程序，至少用于限定预设，优选地用于指向控制(远程呈现，会议桌面控制)。

附图的简要说明

将通过参考附图，与本发明的实施例的以下详细描述的方式来更好地理解本发明，其中：

图1a是一个光源的示意性侧剖视图，用于使用高分子分散型液晶(pdlc)结构产生具有lc可变光束控制元件的点光束；

图1b是一个光源的示意性侧剖视图，用于使用数个向列液晶层产生具有lc可变光束控制元件的点光束；

图2a是使用一个基板上的电极产生面内控制电场的lc可变光束控制元件中的一部分的示意性剖视图；

图2b是使用用于四个单元的液晶的不同的电极和平面取向的图2a的结构的4个lc单元的示意图；

图3是li-fi光源的示意剖视图，用于产生具有lc可变光束控制元件的点光束；

图4是说明包括在图3中所示类型的li-fi设备的网络中li-fi数据桥或路由数据传输步骤的流程图；

图5是示出了在li-fi设备的光束形状调制控制中改善li-fi传输涉及的步骤的流程图；

图6是说明包括光束形状的扩大，以建立一个li-fi连接的步骤的流程图；

图7是多个li-fi连接的光源安装在天花板上，并在它们之间的区域中执行li-fi通信的桥接的示意图，其中使用光从地板和/或在地板安装的对应的位于区域内的两个li-fi设备的反射；

图8是由多个li-fi连接的光源的光束被调制成的点光束或更宽的面光束的平面图，用于在它们之间的区域中执行li-fi通信的桥接，其中使用光从地板和/或在地板安装的对应的位于区域内的两个li-fi设备的反射；

图9是被配置成由所述光源的强度来控制的lc光束调制装置的示意性框图，以提供更均匀的光束的亮度，或可替换地配置为根据光束lc调制装置的光束成型参数来控制所述光源的光源强度；

图10是根据在图9中示出的类型的装置的光源强度，以调节光束形状的步骤的流程图；

图11是根据在图9中示出的类型的装置的光束形状，以调节光束形状的步骤的流程图；和

图12是类似于图9中的实施例，其中均匀的光束的亮度是由通过导线连接到所述光源的lc设备控制。

具体实施例

图1a和1b示出的点光束光源或灯10的示例，其配有lc光束成型装置30。装置30可以是单独的和可拆卸的组件(如示例中所示)，或者它可以被集成到光源10中。光源10具有光发射器22，即发光二极管(led)元件或其他光发射器，诸如白炽灯丝灯泡或荧光光源。在实施方案中，其中所述发射器22是li-fi发射器，快速强度调制是重要的，优选led元件。

发射器22被连接到驱动电路20(或在灯丝灯泡的情况下是电连接器)，和光源10可以使用连接器12，被连接到传统的灯具例如插口连接器。在本文描述的一些实施例中，光源10可以是设备的一部分，诸如li-fi接入点或节点设备，以使得它不是一个独立的光源。尽管本文描述的许多实施例涉及到提供建筑或居住空间可见照明的光源，但应理解的是，lc光束控制设备可以被配置成控制非可见光源，例如近红外线。应当理解的是，可见光和不可见光源可以通过相同的lc光束控制元件来调制，使得用户可以看到光束形状，当li-fi网络存在时。

在图1a和1b的实施例中，光源10包括反射光学器件14，用于从发射器22将光聚焦到一个点状光束，而穿过孔径透镜或盖16。应当理解的是，光束形成光学器件可以涉及折射光学系统，如常规透镜或菲涅耳透镜，单独或反射器和折射光学系统的组合。在许多led光源发射器22包括许多较小的led元件，并且在一些情况下用于光束形成的光学器件为分开地布置的每个较小led元件。

由光源10产生的点光束不必是完全准直的光束，而事实上，在建筑照明中使用的大多数传统的点光束的光源10提供的+/-3度(6°，在光强度分布的半最大的全宽测量得到，fwhm)到约+/-10度(20°，fwhm)的光束发散。当需要一个更宽的光束时，面光束光源可以被用来代替一个点光束的光源。常规的面光束光源具有光束形成光学元件，如点光束的光源，但是，它有一个光束发散，其典型地在+/-15(30°，fwhm)和+/-35度(70°，fwhm)之间。在建筑照明，点光束和面光束光源通常安装在天花板，用于提供地板的照明，但是，它们也可以被布置成光墙壁和特定的家具和艺术品。

lc光束控制装置30与图1a和1b中所示的光源10相关联提供从约0至约+/-25度(50°，fwhm)附加光束发散的可变量。这实质上允许对光源的光束控制从点光束到面光束的改变。

在图1a的例子中的lc光束控制装置30是聚合物分散液晶(pdlc)材料36。这样的材料36在本领域中是已知的，不需要在此充分说明。该材料36包括在聚合物基质中lc的夹杂物或液滴。透明电极34a和34b可以通过电驱动信号来驱动，以创造一个横跨材料36的电场，以改变lc取向从随机到对准，如本领域中已知的。在一些实施例中，材料36可以容纳于基板38中。例如，基质材料可以具有一个匹配所述lc的折射率，当其在一个方向(在光束传播方向上例如)上取向，使得材料36是透明的，否则，lc和基质之间的折射率的对比度使得光束在所有(主要是向前)方向上散射(材料36是扩散性)。因此在横向(垂直于原始传播)的方向几乎对称地增加了光束的发散。用于驱动电极34的电压可以通过一个光电器件(pv)32或外部源24来提供(参见图3)。pv器件32可以围绕光束的边缘被设置成最低限度地与光束干涉。用于驱动pdlc装置36所需的电功率是通常用于传统的点光束源的孔径的几毫瓦。

在图1b的示例中的lc光束控制装置30是基于在图2a和2b更好地示出的向列lc单元。这种装置的详细情况在本申请人的2017年3月16日公开的pct专利申请wo2017/041167中。图2a示出了基本单元结构，其包括具有填充有lc36的间隙的基板38，所述lc受经摩擦的取向层39而取向，通常处于基态下，用于平面取向，即以小的预倾斜角相对于所述基板取向的液晶分子。电极34a和34b是延伸到页面内的图案化的(交叉指型)平行带状电极。施加电场的作用是产生lc分子取向的空间调制，以产生由于取向的变化而产生折射率的改变，从而形成大致圆筒状的透镜。由该大致圆筒状的透镜产生的光调制基本上仅作用于一个偏振，并且光基本上在一个平面(即垂直于电极线的平面)上被展宽。在这种情况下，光强度分布可以在所期望的方向上增加(拉伸)(相对于之前的pdlc的情况)。然而，如在图2b中示出，四个这样的单元可以被配置为在两个方向上调制两个偏振的光，从而产生椭圆形或矩形的光强度分布图案。

虽然以上描述的lc光束控制装置30仅执行光束发散控制，但是将理解的是，如在2016年6月2日公布的本申请人的pct专利申请wo2016/082031中描述的lc器件还可以执行光束控制。

图3示出具有lc光束控制装置30的li-fi装置10。li-fi数据收发器在本领域是已知的，且不需要在这里充分解释。光发射器22发射可见光，并且可以包括一个led发射器。发射器22还包括一个光检测器或接收器，这在li-fi技术中是已知的。光学元件14也可以提供用于将从发射器22中发出的光形成点光束18。lc光束控制装置30可以，如上所述，使光束18发散，以提供面光束18′。

li-fi部件可包括一个phy/mac层控制器40，网桥/路由器控制器42和网络网关连接部件44。控制器40是li-fi领域技术人员已知的，并且它用来调制发射器22所发射的光和检测接收器22检测到的光的调制。控制器42，是基于公知的li-fi组件，即li-fi数据的路由，但是，控制器42适于从一个装置10到另一个桥接li-fi数据。这意味着对接收到的数据进行分析，以确定它是否识别出数据是来自所述网络内的已知li-fi装置10，并且如果是这样，将该数据再次传送到网络中的其它连接的节点10。这在图4中示出。网络的物理安装在图7和8所示，并将在下面更详细地描述。

控制器42在本文中被称为li-fi桥，它用于使用多个装置10建立本地网络。应当理解的是，因为装置10之间的互连使用了相同的发射器/接收器光束18，可以使用数据路由。如果li-fi收发器22中使用特殊的波长与相邻节点进行通信，那么将有不同的物理层信道一起连接到节点10。在这种情况下，控制器42可以，如与一个以太网桥，发射一个物理层上接收到的数据到另一物理层，而不在一个真正的″桥″模式下进行检查。与州或国家的颜色地理地图类似，不需要不超过四种颜色或波长，来实现节点装置10的任何排列，来与设备内自己的光束18和任何其它相邻光束进行通信。或者，光学无线通信协议可以允许装置10以重复或回波通信它们首次收到的信息。这将要求每个装置10，并且更具体地，控制器42，以确定数据包(或其他格式的数据)，以知道这是否是它们首次收到通信。这可以，例如，通过提供的数据包id和发送者id来确认。

控制器42还适合于与亮度/区域控制器26通信，交互一个表示在网络中的至少一个连接的节点10的接收信号的信号强度的值。这个接收的信号强度首先通过控制器40检测，并传送到控制器42。应当理解的是，如果需要，它可以直接从控制器40被传到控制器26。广域网网关44是可选组件。它可以通过例如wifi，蓝牙或电力线以太网连接到广域网(或其它网络)。它可以允许提供网络连接到控制器42，使得li-fi网络上的节点的li-fi数据可以与广域网上的节点进行通信。

亮度/li-fi区域控制器26可以执行许多功能。如图6所示，它可以周期性发信号给lc光束控制信号驱动器24以扩展光束到一个完整的面光源，同时增加了发射器22的强度。然后，可以确定li-fi网络中的新的节点被检测到。新节点装置可以是li-fi设备50a(参见图7或8)或它可以是另一种装置10。如果检测到一个新的节点，则对该光束形状进行控制以包括光束内的新节点。不是自动地和周期性地执行该发现操作，而是发现操作响应于外部命令或指令来执行。如图5所示，控制器26还可以接收来自控制器42的信号强度值。作为响应，控制器26可以发信号到控制器24，以改变光束的形状。如果信号强度充足，可以期望减小光束大小和伴随减少发射器22的功率，从而减小功耗。如果信号强度较弱，可能希望增加光束尺寸和增加发射器22的功率，以向所讨论的节点提供更好的li-fi信号。当装置30可在两个方向上独立地调整光束18时(如与图2b的结构的情况下)，控制器26可以发信号到驱动器24以在每个方向上独立地改变光束形状，以找到所需的光束形状变化，以适应网络。

如上文所描述的，装置10可以通过重叠如图7的光束18形成li-fi网络。每个装置10可以从一个常规的灯光插座供电，可以没有其他数据互连，除非按所需设置。

即使光束18是固定的光学面光束，而不包括lc光束整形设备30，但是应当理解的是，li-fi光源节点10能够有利地形成li-fi网络设备50a连接到设备50b，如图7的示例，而不需要包括网关44的装置10。在这些实施例的装置中，广域网的连接可以从位于一个或多个从天花板安装的装置10发出的光束18的范围内的网关设备来提供。这样的网关wan设备可以是具有有线或无线广域网或局域网(连接到广域网)连接的专用设备，或者它可能是共享其lan/wan连接的客户端设备。

装置10可被配置来整形其光束10，以允许网络中从装置10li-fi网络连接到装置10。通过这种方式，设备50a可以与设备50b通信。在图8中示出的点光束18将不重叠创造光束18′的装置30的区域。在一些情况下，两个装置10必须扩大光束18到更广泛的面光束18′以保障装置10一起通信。在光束18′a的情况下，它重叠它相邻的点光束左边，使得即使其光束形状减少到一个点它仍可以总是与它通信。在光束18′b的情况下，它主要是扩大在一个方向上与它的两个邻居的面光束重叠，而照亮面积最小。这样可以提高li-fi网络的安全性/隐私性，并相对于使用可见光时减少可见照明。

可以使用网络配置控制器(未示出)来进行配置，例如使用具有用户界面的计算机，其允许用户将控制信号发送到每一个lc光束调制器控制器，以调节光束参数，以具有期望的拓扑结构，如在图7和8所示的。

当光束成型是在一个方向上可控的，重要的是能够选择方向。图2b的装置30可以扩大在x或在y方向上的光束，并且将需要被旋转，以扩大光束18到光束18′b或18′c。这样的旋转可以是手动的，该装置30具有一个可旋转的安装件的情况下，旋转装置30来执行。

应当理解的是，当一个装置10的点光束18d内没有装置50时，它可保持其光束作为点光束。当设备50n出现点光束18d内，该装置10可以扩大光束18d为适当的形状18d′(未示出)来重叠，例如重叠光束18′或18′c，以与一个或多个网络中的其他装置10连接，并将新设备50n连接到li-fi网络。

在图9的实施例中，所述光源具有可控的强度和光束形状，但不包括li-fi操作。强度控制和/或光束形状控制可以使用一个或多个各种装置，诸如蓝牙，电力线数据，wifi，红外线等。强度控制也可以通过直接使用现有的调光器开关的主连接来提供。

应当理解的是，lc光束控制装置具有光束调制传递函数，其对应于它的设计和光源的组合，和lc光束控制设备提供对应于该组合的可控光束强度的空间调制图案。在建筑照明中，光束的视觉效果依赖于光束的相对亮度，形状和位置。

如图10所示，光束强度可被检测。这可以使用设备30的光传感器或由接收来自光源的强度控制器的信号来完成。光束发散值由所述可变的强度的函数来确定。这个确定可以是从静态查找表(lut)来获得，或者它可以是另外的控制参数的函数，其确定光束发散应如何根据光束强度而变化。在一个实例中，目标是确保光束维持恒定的/最佳亮度，使得光束的区域是由装置30控制，当光源强度被增加，为维持恒定亮度，从而光源强度增加。同样地，当光源变暗，而光束面积减小。在本例中的另外的控制参数可以是恒定亮度的所选择的水平。

lc光束调制装置的光束调制传递函数可以被测量，并且用于形成lut的数据(或者一个的强度作为光束调制参数的函数，可以使用根据需要被计算的函数的值来近似，而不是在lut存储值)。

该装置的另一种应用可以是，当成像元件被并入智能照明系统时的对比度增强。在这种情况下，所获取的图像的对比度可以通过调节(通过反馈回路)光束发散或转向角得到改善。

如图11所示，当控制光束的形状时，目的是为了确保光束维持恒定的亮度，使得装置30控制光源强度与光束面积的增加。

在一些实施例中，如果在光束发散或光束面积到达最大之前，达到所述光源的最大强度，则设备30将不被控制以继续增加发散，使得光束的强度不低于所述期望的亮度水平。

在图12的实施例中，未检测光束强度，而是校准光束形状和光源强度控制，使得lc光束控制和光源强度控制一起工作。可以以多种方式设置强度和光束形状控制。电力线数据，电源开关，本地红外线，蓝牙或各种其他方式都可以使用来实现期望的强度或光束形状参数。