[发明专利]光束操纵装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于电操纵光束的装置。

背景技术

光束操纵装置被用在控制光束方向的照明装置中。这例如可以以半静态的方式完成以不时地改变房间的氛围，或者出于娱乐的目的动态地完成。与跟踪机制组合，光束操纵还可以用于照明移动的物体。

先前的光束操纵技术基于例如马达致动镜或透镜的机械装置。还已知有利用基于电可操纵液晶的相位阵列或波导的光束操纵装置。

US 5,151,814公开了一种包括基于液晶阵列的光束偏转元件的光束扫描器。该光束的偏转通过设置相位倾斜和相位偏移来实现。

发明内容

本发明的一个目的在于提供上述技术和现有技术的更加高效的替代方式。

更具体而言，本发明的一个目的在于提供电可控制的改进的光束操纵装置。

本发明的这些和其他目的借助具有独立权利要求1中所限定的特征的光束操纵装置来实现。本发明的各实施例以从属权利要求为特征。

出于描述本发明的目的，双折射材料是光学各向异性材料，即，其中材料对材料中传播的光束所具有的影响依赖于传播方向、材料的光学取向和光的偏振的材料。

单轴材料是双折射材料的特殊情况。单轴材料对光束的影响可以通过光轴来描述。具有垂直于光轴的偏振的光束经历正常折射率。具有平行于光轴的偏振的光束经历异常折射率。具有除了纯粹垂直或平行于光轴的偏振的光束经历正常折射率和异常折射率间的折射率。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于偏转光束的装置。该装置包括第一偏转元件，用于将光束的一部分偏转第一角度。第一偏转元件包括第一棱镜。第一棱镜包括第一光学元件和第二光学元件。第一光学元件产生第一折射率。第二光学元件是双折射的且具有电可控的光轴。所述光轴产生第二折射率。由第一偏转元件偏转的所述部分光束具有线性偏振，使得第一偏转角度与第一折射率和第二折射率之间的差值成比例。

本发明利用了以下理解：包括两个光学元件、其中至少一个是双折射的且具有可变的折射率的棱镜能够用于以受控的方式偏转光束。通过电控制所述光轴，并继而控制折射率，能够偏转穿过棱镜的光束。通过面向棱镜的表面上的对准层(例如经摩擦的聚酰亚胺层)和在棱镜上施加电场的组合，可以控制光轴。取决于电场强度，光轴改变取向。在棱镜的第一和第二光学元件之间的界面处的折射导致偏转。根据本发明的实施例的光束操纵装置的有利之处在于它不需要任何可移动的部件，这使得它牢固、安静和快速。已知的使用可移动部件的光束操纵设备固有的常见问题(例如有限的加速、振动、有限的寿命和相当大的空间要求)可以被避免或至少缓解。

根据本发明的实施例，所述装置还包括第二偏转元件，用于将光束的一部分偏转第二角度；以及旋转元件。旋转元件位于第一偏转元件和第二偏转元件之间。第二偏转元件包括第二棱镜。第二棱镜包括第一光学元件和第二光学元件。第一光学元件产生第一折射率。第二光学元件是双折射的并且具有电可控制的光轴。所述光轴产生第二折射率。由第二偏转元件偏转的所述部分光束具有线性偏振，使得第二偏转角度与第一折射率和第二折射率之间的差值成比例。所述旋转元件至少具有第一状态。所述旋转元件配置成用于当在其第一状态时将光束的偏振旋转90度。这有利之处在于光束的两个偏振分量都能够被偏转。首先，具有平行于第一棱镜的光轴的偏振的光束的部分被偏转，然后，当通过旋转元件时，光束的偏振被旋转90度。该旋转的效果是两个偏振分量被互换，即，原先具有平行于第一棱镜光轴的偏振的偏转的分量现在具有垂直于第一棱镜的光轴的偏振，以及由于第一和第二棱镜实际上具有相同的光学取向，所述偏转的分量的偏振还垂直于第二棱镜的光轴。最后，未被第一偏转元件偏转的具有平行于第二棱镜的光轴的偏振的光束分量，当通过第二偏转元件时被偏转第二角度。由此，光束的两个偏振分量均被偏转。第一角度和第二角度可彼此独立地操纵。如果第一角度和第二角度不同，则不同的偏振分量分开，即，所述光束操纵装置充当分束器。

根据本发明的实施例，第一棱镜和第二棱镜是微棱镜。使用多个微棱镜的有利之处在于可至少在一个维度上减少装置的尺寸。

根据本发明的实施例，第一棱镜的第二光学元件的光轴和第二棱镜的第二光学元件的光轴是联合电可控制的，使得第一角度和第二角度基本上相等。这有利之处在于两个偏振分量被偏转相同角度，并在穿过光束操纵装置后继续作为单一光束传播。