CN115698825A - 具有改进性能的光束整形设备 - Google Patents

Abstract

液晶(LC)光束控制设备使用具有特定物理特性的色散整形(DS)半波板(HWP)而允许展宽光束明显地保持更好的颜色内聚力。本文描述了使用具有适当厚度和双折射率的HWP的有益方面，这使其在蓝色波长光谱中效率低，因此减少了展宽光束中心的蓝色光子损耗。本文还描述了垂直配向的LC单元和DS HWP结构的组合，以用于减少颜色分离、加快弛豫时间和减少基态散射。

Description

具有改进性能的光束整形设备

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2020年5月4日提交的63/019,707和2020年9月18日提交的63/080,519的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

该专利申请涉及液晶光束控制设备，且特别地涉及减少展宽光束中的颜色分离。

背景技术

液晶(LC)光束控制设备在本领域中是已知的。一些这样的设备在LC单元上使用图案化的电极来布置LC分子在单元内的对准。通过将LC分子的对准改变成期望的定向，材料的有效折射率被局部改变，并因此可以控制穿过该单元的光束。虽然使用这种设备来控制光束可能是有益的，但也存在一些影响其使用的问题。这些问题可能是角度控制的程度有限、光束强度分布的质量差、过度的角度颜色分离等。

许多使用“智能”照明系统的具体应用将从使用LC光束控制设备中受益。例如，发光二极管(LED)照明源被越来越广泛地用于建筑照明和汽车工业。然而，在大多数情况下，这些照明系统的参数(漫射、发散、眩光、方向等)是固定的。在没有任何机械或机电系统的情况下，动态控制这些参数中的一些或全部的能力具有明显的优势(例如，减少复杂性、更易于维护等)。从这种LC光束控制设备中显著受益的设备的示例是一种汽车照明系统，该汽车照明系统当感测到汽车在相反的方向上移动时进行自动发散控制以避免干扰其他驾驶员。进一步的示例包括住宅和建筑照明以及Li-Fi技术，它们可能需要可转向的光和聚焦/展宽光源的能力。

然而，在目前的LC光束控制设备可以最佳地用于某些应用之前，需要解决一些基本问题。一个这样的问题是通过由LC设备展宽光束而引发的角度颜色分离。作用于两个偏振的不同方向的标准多LC单元设定的这个基本问题导致整个展宽光束出现不均匀的白色。通常，与展宽光束的其余部分相比，展宽光束的中心将具有减少的蓝色光子和红色光子。这通常是由于通常的LC材料的双折射，其在短波长(蓝色)光谱中更高。因此，这种较高的双折射可能导致色差：与绿色光子和红色光子所经受的相比，更多的蓝色光子将受到LC单元的工作的影响(即，与红色和绿色相比，更多的蓝色光子将被展宽)。

这个问题在建筑照明的情况下特别重要，因为被展宽的光束在光束的中间(中心)与两侧(外围)之间将具有不期望的光色变化。这种颜色的变化通常很明显，足以在视觉上可感知，并因此妨碍在一些应用中使用LC光束控制设备(该LC光束控制设备在这些应用中本来可能有益的)。

发明内容

申请人发现，在多LC单元设定的中心使用具有特定(独特)物理特性的色散整形(DS)半波板(HWP)允许展宽的光束保持明显更好的颜色内聚力。申请人发现，选择具有特定厚度和双折射率的HWP材料(这使其在蓝色波长光谱中的偏振旋转效率较低)在与通常比绿光和红光更好地展宽蓝光的标准LC光束展宽单元一起使用时可以减少展宽光束中心的蓝色光子损耗。这必然导致光束中心的颜色改变降低，并因此更好地保持光束中心的所谓相关色温(CCT)。此外，由于蓝色光子较少地分散到展宽光束的侧面，所以展宽光束的中心与其余展宽光束之间的颜色分离感知减少。

申请人还发现，通过使用该DS HWP与垂直配向(homeotropic)定向的LC单元结构组合，所得到的LC设备不仅减少了颜色改变和分离，而且进一步减少了光束的基态散射。

此外，申请人发现，进一步使用在每个LC单元的两侧上的内部电极(其具有DS HWP和垂直配向的LC对准)允许解决缓慢弛豫时间的问题，同时还确保更好的CCT内聚力和减少基态散射。

使用具有特定物理特性的DS HWP的LC-LC光束控制设备允许展宽光束保持明显更好的颜色内聚力。本文描述了使用具有宽度和双折射率的HWP的有利方面，这使其在蓝色波长光谱中效率低，因此减少了展宽光束中心的蓝色光子损耗。本文还描述了LC单元和DSHWP结构的组合，以用于减少颜色分离、加快弛豫时间和减少基态散射。

半波板(HWP)可以采取单一薄膜的形式，诸如本领域已知的聚碳酸酯基聚合物薄膜。它也可以制成两个四分之一波板的形式，这两个四分之一波板可能彼此略微倾斜以管理组件的分散特性。HWP的作用也可以由90度扭曲的液晶层来完成，以确保宽带(broadband)偏振旋转。利用基于液晶的HWP，它可以被电控以允许偏振旋转的ON和OFF切换，以用于附加控制。在所有情况下，HWP被选择为具有偏振旋转的效率，其补充光束展宽LC调制设备的颜色分离，以便提供光束中心的所谓相关色温(CCT)的更好保存。

在一些实施例中，提供了一种LC光束调制设备，该LC光束调制设备具有至少一个可调谐LC单元，该可调谐LC单元具有各向异性(偏振敏感)的LC材料，该LC材料的折射率在可见光谱内是可变的，使得光束调制具有第一波长依赖性，并且该LC光束调制设备具有偏振旋转元件，该偏振旋转元件具有旋转效率的第二波长依赖性，该第二波长依赖性与第一波长依赖性相反。偏振旋转元件可以是HWP，并且LC光束调制设备可以包括布置在HWP的相对侧(之前和之后)上的至少两个可调谐LC单元。

在一些实施例中，至少一个可调谐LC单元包含垂直配向对准的LC材料和当通电时导致LC分子被重新定向以改变该单元中的有效折射率分布的电极布置。

在其他实施例中，偏振旋转元件是四分之一波板，并且该设备还包括反射器，以用于将穿过四分之一波板的光反射回穿过四分之一波板，然后反射回穿过至少一个可调谐LC单元。

在一些实施例中，该设备被配置成展宽光束，而在其他实施例中，它可以进行光束转向或聚焦。该设备可以被配置成在所有方向上、在一个特定方向上、或同时在两个垂直方向上、或在两个方向中的一个选定方向上展宽光束。

附图说明

通过以下参考所附附图对本发明的实施例的详细描述，将更好地理解本发明，在附图中：

图1A是现有技术的LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括四个LC单元，其分子的局部平均定向为平面内基态定向(所谓的导向器n与单元基板的表面平行)；

图1B是现有技术的LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括四个LC单元，在每组两个LC单元之间具有动态(可电控)偏振旋转器；

图1C是具有光源、反射器/准直器和动态LC光束整形器的LC光束控制设备的示例性现有技术设置的示意图；

图1D是示出了对于光束的不同展宽程度(对应于LC单元的不同激发水平)的在展宽光束中心处的CCT损失的图表；

图2是具有双折射常数(Δn)和给定厚度(L)的示例性HWP的视图；

图3A是示出了在蓝光光谱中有效工作的HWP的数值示例的图表；

图3B是示出了在绿光光谱中有效工作的HWP的数值示例的图表；

图3C是示出了在红光光谱中有效工作的HWP的数值示例的图表；

图4是示例性LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括两个垂直配向的LC单元，该LC单元仅在其内表面中的一个上具有“指状”(线性、叉指状)电极，并且这些电极对于不同的单元具有垂直的定向，并且该LC光束控制设备包括放置在这两个单元之间的HWP；

图5是示例性LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括两个垂直配向的LC单元，该LC单元仅在其内表面中的一个上具有“指状”(线性、叉指状)电极，并且这些电极对于不同的单元具有平行的定向，并且该LC光束控制设备包括放置在这两个单元之间的HWP；

图6是示例性LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括四个上文提及的垂直配向的LC单元(两组两个单元)，每组两个具有垂直的电极方向，并且该LC光束控制设备包括中心HWP；

图7是示例性LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括两个垂直配向的LC单元，每个LC单元均在一个基板上具有指状(线性、叉指状)电极，并且在同一LC单元的相对侧的基板上具有均匀透明电极，并且该LC光束控制设备包括中心HWP；

图8是示例性LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括两个垂直配向的LC单元，每个LC单元均在同一LC单元的相对侧上的两个基板上具有指状(线性、叉指状)电极，并且该LC光束控制设备包括中心HWP；

图9是示出了在整个可见光光谱中的在现有技术的“经典”设备(具有平面定向的LC)与本申请中提出的设计之间散射减少的图表；

图10是用于在反射模式下工作的示例性LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括具有垂直的指状(线性、叉指状)电极方向的两个垂直配向的LC单元、四分之一波板和反射器；

图11是示例性LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括两个垂直配向的LC单元，每个LC单元均具有带有垂直指状(线性、叉指状)电极方向的两个基板，该LC光束控制设备包括在两个垂直配向的LC单元之间的半波板以及在第二垂直配向的LC单元的对准中的旋转；

图12A至图12F是如由示例性LC光束控制设备产生的在不同方向上的光束展宽的视图；以及

图13是示例性LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括两个垂直配向的LC单元，每个LC单元均具有带有双垂直电极区的两个基板。

具体实施方式

如现有技术中所描述的，光束控制设备是相对于光束发散或相对于光束方向控制折射输出光束的光学设备。受控的光束发散是提供光束聚焦和散焦的光束控制的一种特殊情况。光束方向控制可以用于光束转向的目的。提供光束漫射、光束发散/会聚或光束方向控制的组合的光束控制设备在本文中总体上被称为光束整形设备。

在液晶(LC)光束控制设备中，通常使用电场来控制LC单元中的分子定向。可以通过优选地为LC单元的一侧或每一侧上的透明电极供电来调制(在时间和空间上)电场，使得所产生的电场根据需要来调制LC分子的定向。分子定向的改变会影响LC的局部折射率，并可能在整个LC体积内(在侧向方向/横向方向和纵向方向上)产生折射率梯度。

向列的LC通常可以影响入射非偏振光的单一偏振分量。因此，为了调制非偏振光，通常使用两个或更多个正交定向的LC层。自然光或非偏振光可以被视为由两个正交的偏振组成，其中一个偏振将由第一LC层调制，而第二(垂直)偏振将由第二LC层调制。当LC设备的一部分(例如，半波板(HWP))提供线性偏振的平面的旋转时，可以使用附加LC层，使得附加LC层可以作用于不同的偏振平面。

现在参考图1A，图1A是现有技术的LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括四个LC单元，其具有其导向器n的平面内定向。该实施例由4个单元组成(每个单元由2个基板和内部的LC材料组成)。每个单元中的LC材料的导向器n处于基板的平面内(由每个单元中的倾斜的粗体黑色箭头示出)。也相对于分子的“平面”对准(相对于平面内电极呈+45或-45度)示出了在不同基板上的所谓的“平面内切换”平行(或指状或叉指状)线性电极(填充蓝色和空的矩形)的单元。在这种特殊情况下，电极仅在每个单元的第一基板上，而在第二基板上不存在电极。

在这种配置中，光在+x轴的方向上从左到右传播。因此，光束沿y轴和z轴的两个垂直偏振可以由多个单元的组合来变换。取决于期望变换的类型，可以激活选定的LC单元的电极(即，并非所有单元都需要被激活以用于使设备在一个平面中展宽光束)。

如本文所描述的，使用这种配置的LC设备会导致几个问题(颜色分离和颜色改变、光的慢弛豫和高基态散射)。这些可能都与同一因素相关：导向器n在基板的平面中对准的事实。其中，这使得LC材料的分散性(由入射光线感知)和光的散射非常高。此外，需要分子重新定向的自然弛豫以回到未扰动状态(在基板的平面中)。

图1B示出了现有技术的LC光束控制设备的另一实施例，该LC光束控制设备使用四个LC单元和在设定中心处的偏振旋转器的配置。在该现有技术的实施例中，旋转器(例如，HWP)可以是动态控制的，或者可以是无源元件。如果仅为一对LC单元供电，则使用这种配置允许LC设备在竖直或水平线上展宽光束。当为所有单元供电时，这也可以在两个方向上展宽光束。在这些应用中，通常选择偏振旋转器以90度旋转光波，并且其必须是尽可能宽频带的，使得第二对LC单元可以展宽未被第一对LC单元展宽的光的偏振。

与图1A的平面内平均分子布置相比，图1B的实施例在现有技术中也被描述为可替代地用于采用垂直配向对准的LC单元。然而，具有旋转器的LC单元的这种配置并没有解决在展宽光束中的颜色分离和颜色改变的问题。

图1C是LC光束控制设备的示例性现有技术设定的示意图，该LC光束控制设备具有光源(通常是二极管激光器或泵送磷光体层的LED)、用于光准直的反射器(或基透镜)以及用于展宽光束的动态LC光束整形器。如上文所描述的，且在没有对光源的任何可变控制(例如，控制蓝色/绿色/红色光子的比例)的情况下，所产生的光束通常会出现明显的颜色分离。图1D的图表示出了这种现有技术设备的颜色改变(在光束中心)随着展宽水平的变化。

图1D展示了对于不同展宽程度的在展宽光束中心的相关色温(CCT)的损失。CCT是一种众所周知的方法，以用于表示在相同亮度和指定观看条件下最接近给定刺激的感知颜色。在可见光光谱中，色温的典型值对于偏蓝(“冷”)的颜色来说超过5000K，对于偏黄的颜色来说在2700-3000K的范围内，并且对于偏红(“暖”)的颜色来说低于1500K。

因此，图1D中示出的CCT损失是显著的，该CCT损失从当LC展宽设备未被供电时的0K变化到用于展宽超过20度的300K。在建筑照明应用中，较低色温的光(即，“暖光”)通常在空间中用于促进弛豫，而较高色温的光(即，“冷光”)通常在空间中用于提高注意力。因此，为设计空间选择特定的色温照明是很重要的，并且为照明系统提供光束控制的设备不应当明显地改变光的颜色(理想地，这种改变应当较小或在50K左右)。这个问题还可能因为以下事实而恶化：现有技术的LC展宽设备通常主要在展宽光束的中心而不是在周围的光上具有这种颜色改变。因此，颜色改变可能更易于被视觉识别，因为光束的颜色对于每个光源来说不是恒定的。

申请人发现，在动态照明应用中(诸如图1B的现有技术实施例)，短λ(蓝光)比大λ(红光)受到更多影响(通过LC设备的展宽)。这就是在展宽光束的中心观察到蓝光“损耗”的原因，并因此这也是颜色改变的主要原因。申请人还发现，与标准宽频带(broadband)HWP相比，使用设计成主要针对绿光和/或红光工作的HWP可以显著减少上文提及的CCT变化问题。在这种情况下，HWP可能不会作为针对蓝光(短λ)的“良好HWP”来工作。换言之，这些短波长的偏振将不会被完全旋转(它将被部分地旋转并且部分地从线性偏振变换成椭圆偏振)，并因此，它将不会被以下HWP LC单元有效地进一步展宽(在极端情况示例中，如果HWP根本没有偏振旋转，则以下单元将没有更多的展宽)。因此，这些短波长将被更少地展宽，并且在光束中心将存在更少的蓝光耗损。因此，如果这个过程与LC设备的展宽过程(由于LC的双折射而产生的色散)相平衡，则CCT将不会受到强烈影响。

图2是具有其材料的光学双折射(Δn)和给定厚度(L)的HWP的示例性薄膜的视图。重要的是应当注意，HWP的材料通常也具有其自身的色散。如本文所描述的，使用具有适当选择的厚度和双折射(及其色散)的HWP材料，使得HWP在蓝光波长光谱下的效率不高，从而允许减少展宽LC设备中的CCT变化。HWP的薄膜具有光传播的双折射(Δn)和两个偏振模式(普通和特殊)，其相对相位延迟G＝2πLΔn/λ；其中λ是真空中的光波长，L是双折射薄膜的厚度，Δn是其双折射值，这由于材料的自然色散而取决于λ。

如果G值等于π(≈3.14rad)或π+2π*m(其中m＝0；1，2，3，...)，则HWP使输入光的线性偏振平面旋转(同时保持偏振状态为线性)。因此，如果输入偏振的平面定向为45度(相对于HWP的双折射轴线)，则输出光束的线性偏振平面将定向为-45度(因此，我们具有90度的翻转)。否则，当G≠π时，薄膜将不像HWP一样起作用，并且它将使偏振状态变形(例如，从线性到椭圆)，而不是使其旋转。

在HWP的所有已知应用中，科学家和工程师试图获得在光谱上尽可能平坦的G与光波长λ的曲线(参见图3A至3C)，以保持对于所有λ的条件G≈π。这表示所谓的理想的“宽频带”工作(HWP越平坦，就越昂贵；存在具有不同λ依赖性的“低阶”和“高阶”HWP)。

图3A、图3B和图3C呈现出说明HWP的材料(双折射与波长)的模拟材料选择的3种情况的图表，其示出了典型HWP的曲线。图3A作为对于蓝光(波长在0.35μm至0.45μm之间，用虚线矩形表示)的良好HWP而工作。图3B作为对于绿光(波长在0.45μm至0.55μm之间)的良好HWP而工作，并且图3C作为对于红光(波长在0.56μm至0.7μm之间)的良好HWP而工作。

因此，HWP可以以补偿蓝光损失的方式而整形。例如，在极端情况下，如果HWP仅旋转绿光和红光(但不旋转蓝光)，则入射(原始)自然非偏振蓝光的仅一半将被展宽(通过第一LC单元)，而另一半的光将行进通过系统而不展宽。因此，这将导致明显更多的蓝光保留在光束中心，而绿光和红光将经受100％展宽(它们的偏振分量都被展宽)。因此，DS HWP允许通过选择两个LC单元的色散特性以及所使用的HWP材料的双折射和厚度来控制设备的CCT。

现在参考图4，图4示出了示例性LC光束控制设备，该LC光束控制设备包括中心HWP39和具有垂直电极35、37方向的两个垂直配向的LC单元。如本文所描述的，使用垂直配向对准的LC(导向器n垂直于单元基板31、33，如粗箭头n所示)改善了LC光束控制设备的性能，诸如图1A所描述的实施例。

在设备的基态下，使用垂直配向对准，行进通过LC设备的入射光将具有“普通”偏振模式，并因此将遭受更少的色散和更少的光散射(参见图9)。

如图4所示，垂直配向的LC设备的基础单元由两个LC单元和具有以45°(相对于平面内切换电极对)定向的各向异性轴线的“特定”DS HWP 39组成。在该实施例中，不同单元的电极35、37对是垂直的(在输入单元中是“竖直”的，而在输出单元中是“水平”的)，但它们也可以是平行的，这取决于设备的期望功能。

在图4的实施例中，输入光的y偏振分量(在+x方向上传播)将不会受到第一单元(LC单元1)的影响。然而，输入光的z偏振分量将受到影响。实际上，该设备的LC单元1(图4)将聚焦输入光偏振的z分量(因为一对电极35和37定向成与y轴平行)。这将进一步展宽“水平”平面xz中的z分量。

然后，在穿过HWP 39之后，两个输入偏振分量(z和y)将被旋转90°(通过HWP 39)，并且原始z偏振分量将再次受到LC单元2的影响(在“竖直”平面xy中聚焦并展宽)。原始y偏振分量也将不会受到第二LC单元的影响。因此，该设备可以用于在两个平面(xz和xy)中展宽线性偏振(在z方向上)的光。此外，与现有技术的LC设备相比，当DS HWP 39在蓝光光谱中具有较差的HWP特性时(如本文图2和图3A至图3C所描述的)，颜色分离可能明显减少。然而，光的原始y分量将不会受到影响，并因此我们将观察到“光束中心的热点”，这通常是不期望的。

应当理解，如果LC光束展宽设备具有使红光比蓝光和绿光展宽更多的LC材料，则可以将HWP设计成有利于蓝光和绿光的偏振旋转，而减少红光的旋转，以导致相同的CCT稳定效果。

图5是包括中心DS HWP 39和两个垂直配向的液晶单元的示例性LC光束控制设备的另一实施例。该实施例是图4中呈现的实施例的替代装配，其中电极35、37对于两个LC单元来说处于同一定向。

在该实施例中，光的原始y偏振(在+x方向上传播)将不会受到第一LC单元的影响。然而，光的z偏振将受到第一LC单元的影响(在“水平”平面xz上聚焦并展宽)。然后，在穿过HWP 39之后，两个偏振将被HWP 39旋转90°。因此，原始z偏振现在将是竖直定向的，并将不会受到第二LC单元的影响，而原始y偏振分量将变得与z轴平行，并因此将被第二LC单元聚焦并展宽在同一“水平”平面xz中。因此，该实施例的LC设备可以用于在一个平面(xz)中拉伸(展宽)两个偏振光(允许用非偏振光源工作)。此外，与现有技术的LC设备相比，当DS HWP39在蓝光光谱中具有较差的HWP特性时，颜色分离可以明显减少。

本领域技术人员将理解，图4和图5中呈现的实施例描述了对于一个或两个偏振分量的光束展宽，并且可以使用LC单元基板上的不同电极布置来在一个或多个期望平面上展宽光束的一个或多个偏振。

图6示出了包括四个垂直配向的LC单元和中心DS HWP39的示例性LC光束控制设备的又一实施例。该LC光束控制设备配置的工作与图4和图5中所描述的类似，但允许在两个平面中展宽非偏振光。

在该实施例中，光的原始z偏振(在+x方向上传播)将受到单元1的影响(在平面xz中聚焦并展宽)，而光的原始y偏振将受到单元2的影响(在平面xy中聚焦并展宽)。因此，每个偏振分量将在一个特定的平面(由指状电极的定向限定)中展宽。

然后，在穿过HWP 39之后，两个偏振将被HWP 39旋转90°，并且光的原始z偏振分量将变得与y轴平行，并因此将受到单元4的影响(在xy平面中聚焦并展宽)。同时，原始y偏振分量现在与z轴平行，并因此将受到单元3的影响(在xz平面中聚焦并展宽)。

因此，该设备可以用于在两个平面(xz和/或xy)中拉伸(展宽)光的两个偏振(即，用非偏振光源工作)。显然，不同的电极对可以在不同的单元中以单独的方式被激活，因此允许LC设备执行更复杂的功能。

即，如果仅激活单元1的电极，则仅输入z偏振将在xz平面中受到影响并展宽。类似地，激活单元1和单元3的电极将导致两个输入偏振分量(沿y和z)在同一xz平面内的展宽。

可替代地，在xy平面中的光的展宽可以通过为单元2和单元4的电极供电来完成。这些电极是每个LC单元中仅有的工作电极，以及使用该设备可单独控制，这可以从圆形光束开始并产生各种形状(较大的圆形、线性、矩形等)。

与现有技术的平面对准情况(例如，图1A)相比，在设备中使用垂直配向的LC单元可以改善色散和散射，因为入射光具有普通的偏振，因此，色散特性以及散射降低。然而，如果使用适当的电极和驱动技术，则与自然弛豫(即，LC分子在电极循环回到非供电状态之后恢复到其初始对准的时间)相比，使用垂直配向的LC单元结构也可以帮助减少回到原始定向所需的时间。

即，图7是示例性LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括两个垂直配向的LC单元，每个垂直配向的LC单元均具有在一个基板上的叉指指状电极和在同一LC单元的相对侧的基板上的均匀透明电极41，并且该LC光束控制设备包括中心HWP。

因此，为了加快该弛豫过程，从而减少设备的工作时间，可以在每个LC单元的第二基板上增加均匀透明电极41，如图7的实施例所示。在这种情况下，在第一基板的电极35、37(U1＝U2＝Uh)上施加相同(例如，高U)的电势，且同时在第二基板的均匀透明电极41上施加不同的电势(例如，U＝Ul0)，允许LC单元迅速回到原始的垂直配向对准。尽管所获得的场可能不是完全均匀的，但这仍然有助于迫使LC的导向器回到垂直配向的定向。这导致了“受迫弛豫”，而不是自然弛豫，并提供显著的过渡时间优势。

申请人对自然弛豫与受迫弛豫之间的这种过渡时间差异进行了表征，并发现受迫弛豫对于相对中等的电压V＝Uh-Ul＝10Volts而言可以将过渡时间减少多达50％。例如，使用示例性LC光束控制设备(诸如图7所示的)，测试的结果是自然弛豫时间为0.46秒(即，当不使用均匀透明电极41时，并且电极35与37之间的电压被简单地移除)。相比较地，在电极35、37(具有相同电势)与均匀透明电极41之间施加电压导致过渡时间为0.24秒。本领域的技术人员将理解，通过使用更高的电压可以实现更低的过渡时间。

因此，在垂直配向的LC光束控制设备中，除了DS HWP 39之外，在相对的基板上使用均匀透明电极41作为电极35、37可以显著减少LC单元的过渡时间。

图8是与图7的实施例的设备类似的示例性LC光束控制设备的示意图。该实施例包括两个垂直配向的LC单元，在每个单元的两个基板上具有往复式电极35、37(而不是在一个基板上的均匀透明电极)，并且该实施例还包括中心HWP 39。

在该实施例中，为了加速“弛豫”，可以在单元的第一基板上的电极35、37(U1＝U2＝Uh)上施加相同(例如，高)的电势，且同时在相对基板(U3＝U4＝0)的两个电极35'、37'上施加不同的电势(例如，低，U＝0)。因此，所获得的电场在单元内将更加不均匀，但即使这样也有助于减少回到原始垂直配向对准所需的时间。一旦获得弛豫的主要部分，电场就可以完全被移除，以获得真正的基态。

此外，该实施例(图8的)允许单独控制每个基板的电极，以便执行特定的附加功能(例如，生成各种形式的展宽光束)。例如，仅在一个(例如xz或水平)平面上的光的展宽可以通过仅激活在每个LC单元的第二(或出口)基板上的电极对35'、37'来完成。在这种情况下，具有原始z偏振分量的输入光将在xz平面中被单元1展宽，然后被HWP 39旋转90度，并将不会受到单元2的影响。同时，原始y偏振分量将不会受到单元1的影响，将被HWP 39旋转90度，然后将在同一xz平面中被单元2的第二基板上的电极35'、37'的作用展宽。因此，输入光的两个偏振分量将在水平(xz)平面中被展宽(或成角度拉伸)。

可替代地，通过仅使用在两个单元的第一(或入口)基板上的电极35、37(图8)，可以在垂直方向(在竖直或xy平面)中实现类似的非偏振光的单平面展宽。

值得一提的是，如果我们同时激活或以移相激活所有的电极，诸如在入口基板处为0&180以及在出口基板上为90和270，情况将会不同。在这种情况下，输入光束的原始y(竖直)偏振分量将在竖直xy平面上被由单元1(由于电极35、37)的LC的入口片产生的透镜结构展宽，然后将逐渐旋转(大约90度)同时在单元1内传播，在到达出口基板(带有电极35'、37')之前，然后将在水平xz平面中被同一单元1的出口片展宽。因此，单元1将在两个平面中展宽原始y偏振分量。更进一步，该偏振分量(原始y)将被HWP 39旋转90度，并且同一展宽过程将由单元2执行。因此，原始y偏振分量将在两个平面中被展宽两次。相反，原始水平(或z)偏振分量将不会受到整个设备的明显影响。因此，我们将在传输光束的中心观察到强度热点。

因此，在垂直配向的LC光束控制设备中，除了DS HWP 39之外，在LC单元的每个(入口和出口)基板上使用电极不仅可以显著减少颜色分离，而且可以进一步减少LC单元的基态光散射和过渡时间。

如本文所描述的，使用垂直配向的LC单元结构有助于减少光束的基态散射。图9是示出了在整个可见光光谱中，现有技术设备与本申请中提出的设计之间的散射的减少的实验性图表。图9示出了“现有技术(经典S1)”和“所提出的设计(快速S1)”曲线。现有技术展示了如图1A所描述的配置中的用于现有技术LC光束控制设备的散射，而所提出的设计曲线示出了用于使用垂直配向的LC单元结构的设备的散射。从图中可以清楚地观察到，新设计的散射明显减少(在蓝光波长光谱中的散射减少多达10％)。此外，还可以进一步看到降低色散的效果(蓝光与红光之间的散射差异)，这在新设计中明显降低。

虽然上文描述的实施例都在传输模式下工作，但可以理解，可以用合适的四分之一波板39'代替HWP，并且可以用反射器代替第二LC单元，以提供在反射模式下的光束展宽。图10示出了反射模式的实施例。这种反射模式设备可以用于将源光束朝向期望的目标区域重新定向，同时提供光束展宽。在反射时，光束穿过四分之一波板传播两次，并因此获得具有上文描述的结果的HWP功能。

现在参考图11，图11是示例性LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括两个垂直配向的LC单元，每个垂直配向的LC单元均具有两个基板，该基板具有垂直指状(线性、叉指状)电极方向，该LC光束控制设备包括在两个垂直配向的LC单元之间的半波板39以及在第二垂直配向的LC单元的对准中的旋转。在这样的实施例中，与第一LC单元相比，第二LC单元可以旋转90°以上。附加旋转可以约为+/-2.5°，使得与第一LC单元相比，第二LC单元可以具有约92.5°的旋转。与本文所描述的其他实施例类似，每个LC单元基板可以具有叉指状线性电极和不同的垂直定向。例如，第一LC单元的第一基板可以具有大致竖直的叉指状电极35、37，而第一LC单元的第二基板可以具有大致水平(即，与第一基板上的电极垂直)的叉指状电极35'、37'。使单元的数量加倍可以增加光束调制，并且大约2.5度的旋转偏移可以减少光束伪影，即，提高光束强度曲线的平滑度。

第二LC单元可以具有与针对第一LC单元所描述的基板结构类似的基板结构。在图11的实施例中，在第一LC单元与第二LC单元之间可以包括HWP 39。因此，可以通过激活一些或所有电极来在任何方向上转向和/或展宽光束。

图12是由图11的示例性LC光束控制设备产生的不同方向上的光束展宽的综合视图。图12A示出了在两个方向上同样强的(即，10V)展宽，图12B示出了在Y方向上展宽(即，10V)和在X方向上无展宽，图12C示出了在X方向上施加5V，同时在Y方向上施加2.5V，图12D示出了在X方向上施加10V，并且在Y方向上施加0V，图12E示出了在两个方向上同样弱的展宽(即，3V)，并且图12F示出了在X方向上施加2.5V，并且在Y方向上施加5V。

现在参考图13，图13是示例性LC光束控制设备的示意图，该LC光束控制设备包括两个垂直配向的LC单元，每个垂直配向的LC单元均具有两个基板，该基板具有双垂直电极区，并且该LC光束控制设备包括在第一LC单元与第二LC单元之间的HWP。为了提高展宽或转向光束的对称性，可以使用具有一个以上活性区的基板。图13的实施例示出了连续的(contiguous)双区基板，其电极垂直地布置在这些区之间。此外，LC单元的第二基板也可以具有空间上匹配的双区，与第一基板上的匹配区相比，其具有垂直的电极定向(例如，在第一基板中的第一区可以具有水平电极，并且其在第二基板中的匹配第一区可以具有竖直电极)。如本文所描述的，电极可以是叉指状的，并且与第一LC单元相比，第二LC单元可以旋转90°以上(例如，其可以旋转约92.5°或87.5°)。

本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的教导的情况下，基板可以具有任意数量的区。

Claims (14)

1.一种液晶(LC)光束调制设备包括：

至少一个可调谐LC单元组件，所述至少一个可调谐LC单元组件具有LC材料，所述LC材料的折射率在可见光谱内是可变的，使得光束调制具有第一波长依赖性；以及

偏振旋转元件，所述偏振旋转元件具有旋转效率的第二波长依赖性，所述第二波长依赖性与所述第一波长依赖性相反。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏振旋转元件是半波板(HWP)，并且所述至少一个可调谐LC单元组件包括布置在所述HWP的相对侧上的至少两个可调谐LC单元。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，在所述HWP的每一侧上布置有两个可调谐LC单元。

4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的设备，其中，所述至少一个可调谐LC单元包含垂直配向对准的LC材料和当通电时导致所述LC材料改变其折射率的电极布置。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏振旋转元件是四分之一波板，还包括反射器，以用于将穿过所述四分之一波板的光反射回穿过所述四分之一波板，然后反射回穿过所述至少一个可调谐LC单元。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的设备，其中，所述至少两个可调谐LC单元中的两个以彼此之间约92.5或87.5度定向。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述至少一个可调谐LC单元组件包括至少两个相连区，所述至少两个相连区可操作成作用于至少两个不同的光极。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中，所述设备被配置成展宽光束。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备被配置成在一个方向上展宽所述光束。

10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备被配置成同时在两个方向上展宽所述光束。

11.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备被配置成在两个方向中的一个选定方向上展宽所述源光束。

12.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备被配置成仅展宽一个光偏振。

13.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备被配置成展宽两个光偏振。

14.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备被配置成通过在同一LC单元的两个基板之间施加电位差来动态切换每个电极对上的电位并加速返回过渡时间。

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