УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПУЧКОМ Российский патент 2015 года по МПК G02F1/29 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к устройствам для электрического управления пучком света.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Устройства для управления пучком используют в осветительных устройствах для регулирования направления пучка света. Это можно, например, осуществлять полустатическим образом - для периодического изменения атмосферы в комнате, или динамическим образом - в развлекательных целях. В сочетании с механизмом сопровождения управление пучком также можно использовать для освещения движущегося объекта.

Более ранние технологии управления пучком были созданы на основе механических устройств, таких как зеркала или линзы с приводом от двигателя. Также известны устройства управления пучком, в которых использованы электрически управляемые жидкокристаллические фазированные решетки или волноводы.

В Патенте США 5151814 раскрыт оптический сканер, в который встроена решетка жидкокристаллических преломляющих элементов. Преломление пучка осуществляется за счет установки фазового наклона поверхности и сдвига фаз.

В Европейском патенте EP 1542055 раскрыт модулятор света, включающий в себя подложку, прозрачную пластину, отделенную от пластины таким образом, что между прозрачной пластиной и подложкой образована полость, по меньшей мере, один электрод образован на подложке, прилегающей к полости, а жидкость имеет показатель преломления больший, чем показатель преломления внутри полости.

В Патенте США № 5253033 раскрыто оптическое устройство для управления пучком для использования в системе лазерного приемопередатчика с одним отверстием, которое обеспечивает отклонение передаваемых и принимаемых пучков по двум плоскостям, при поддержании отличительных признаков каждого канала, соответствующего их поляризациям. Использовано четыре однокоординатных устройства для отклонения пучков: два - для каждой взаимно перпендикулярной линейной поляризации двух каналов приемопередатчика, по одному - для каждой оси поворота. В дополнение, для удовлетворения требованиям поляризации этих устройств и каналов приемопередатчика в компоновку устройств для отклонения пучка включено устройство для поворота плоскости поляризации на 90° и четвертьволновая пластина.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение более эффективной альтернативы вышеупомянутым технологиям и уровню техники.

Точнее говоря, задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного электрически управляемого устройства управления пучком.

Эти и другие задачи по настоящему изобретению достигаются посредством устройства управления пучком, имеющего признаки, заданные в независимом пункте 1 формулы изобретения. Варианты воплощения изобретения характеризуются зависимыми пунктами формулы изобретения.

В целях описания настоящего изобретения двулучепреломляющий материал представляет собой оптически анизотропный материал, т.е. материал, в котором влияние материала на луч света, распространяющегося в материале, зависит от направления распространения, оптической ориентации материала и поляризации света.

Одноосный материал является частным случаем двулучепреломляющего материала. Влияние одноосного материала на луч света можно описать с использованием оптической оси. Лучи света с поляризацией, перпендикулярной оптической оси, претерпевают преломление с показателем преломления обыкновенной волны. Лучи света с поляризацией, параллельной оптической оси, претерпевают преломление с показателем преломления необыкновенной волны. Лучи света, обладающие поляризацией, отличной от чисто перпендикулярной или параллельной по отношению к оптической оси, претерпевают преломление с показателем преломления, находящимся между показателями преломления обыкновенной и необыкновенной волны.

Согласно аспекту настоящего изобретения обеспечено устройство для отклонения пучка света. Устройство содержит первый отклоняющий элемент для отклонения части пучка света на первый угол. Первый отклоняющий элемент содержит первую призму. Первая призма содержит первый оптический элемент и второй оптический элемент. Первый оптический элемент повышает первый показатель преломления. Второй оптический элемент является двулучепреломляющим и имеет электрически регулируемую оптическую ось. Оптическая ось повышает второй показатель преломления. Часть пучка света, которая отклоняется первым отклоняющим элементом, обладает линейной поляризацией, вследствие чего первый угол отклонения пропорционален разности между первым показателем преломления и вторым показателем преломления.

В настоящем изобретении использована идея о том, что призму, содержащую два оптических элемента, из которых, по меньшей мере, один является двулучепреломляющим и имеет переменный показатель преломления, можно использовать для отклонения пучка света регулируемым образом. Путем электрического регулирования оптической оси и, в свою очередь, показателя преломления, можно отклонять пучок света, проходящий сквозь призму. Оптическую ось можно регулировать путем сочетания ориентирующих слоев на поверхностях, обращенных к призме, например, полированных полиимидных слоев, и наложения электрического поля на призму. В зависимости от напряженности электрического поля оптическая ось изменяет ориентацию. Отклонение вызывается преломлением на границе между первым и вторым оптическим элементом призмы. Устройство для управления пучком согласно варианту воплощения изобретения выгодно тем, что оно не требует наличия каких-либо подвижных деталей, что делает его надежным в эксплуатации, бесшумным и быстрым. Общие проблемы, присущие известным устройствам для управления пучком, в которых используются подвижные детали, например, ограниченный разгон, вибрации, ограниченный срок службы и требования наличия довольно крупного пространства, можно избежать или, по меньшей мере, смягчить.

Согласно варианту воплощения изобретения устройство дополнительно содержит второй отклоняющий элемент для отклонения части пучка света на второй угол и поворотный элемент. Поворотный элемент помещают между первым отклоняющим элементом и вторым отклоняющим элементом. Второй отклоняющий элемент содержит вторую призму. Вторая призма содержит первый оптический элемент и второй оптический элемент. Первый оптический элемент повышает первый показатель преломления. Второй оптический элемент является двулучепреломляющим и имеет электрически регулируемую оптическую ось. Оптическая ось повышает второй показатель преломления. Часть пучка света, которая отклоняется вторым отклоняющим элементом, имеет линейную поляризацию, вследствие чего второй угол отклонения пропорционален разности между первым и вторым показателем преломления. Поворотный элемент имеет, по меньшей мере, первое состояние. Поворотный элемент для своего первого состояния сконструирован таким образом, чтобы можно было поворачивать поляризацию пучка света на 90 градусов. Преимущество состоит в том, что могут отклоняться обе компоненты поляризации пучка света. Сначала отклоняется часть пучка света, обладающая поляризацией, параллельной оптической оси первой призмы. Затем, при прохождении через поворотный элемент, поляризация пучка света поворачивается на 90 градусов. Эффект этого поворота состоит в том, что две компоненты поляризации становятся взаимозаменяемыми, т.е. отклоненная компонента, которая исходно имела поляризацию, параллельную оптической оси первой призмы, теперь имеет поляризацию, перпендикулярную оптической оси первой призмы, а также оптической оси второй призмы, поскольку обе призмы фактически обладают одинаковой оптической ориентацией. Наконец, компоненты пучка света с поляризацией, параллельной оптической оси второй призмы, которая не была отклонена первым отклоняющим элементом, отклоняется на второй угол при ее пропускании через второй отклоняющий элемент. Таким образом, отклоняются обе компоненты поляризации пучка света. Первый и второй угол можно регулировать независимо друг от друга. Если первый и второй углы различны, то различные компоненты поляризации разделяются, т.е. устройство для управления пучком действует как расщепитель пучка.

Согласно варианту воплощения изобретения первая призма и вторая призма представляют собой микропризмы. Использование нескольких микропризм имеет преимущество, состоящее в том, что размер устройства может быть уменьшен, по меньшей мере, в одном измерении.

Согласно варианту воплощения изобретения оптическую ось второго оптического элемента первой призмы и оптическую ось второго оптического элемента второй призмы можно совместно электрически регулировать таким образом, чтобы первый угол и второй угол были фактически равны. Это является благоприятным в том, что обе компоненты поляризации отклоняются на одинаковый угол и продолжают распространяться в виде одного пучка после прохождения через устройство для управления пучком.

Согласно варианту воплощения изобретения первый оптический элемент первой призмы и первый оптический элемент второй призмы изготовлены из полимера. Использование полимера является преимущественным, поскольку его можно формовать. В частности, если используется комплект микропризм, то призму с такой структурой можно формовать с образованием полимерной пленки. Таким способом можно изготавливать отклоняющий элемент, который является тонким - лишь несколько миллиметров толщиной, тогда как его поперечные размеры могут быть намного больше.

Согласно варианту воплощения изобретения второй оптический элемент первой призмы и второй оптический элемент второй призмы являются жидкокристаллическими.

Согласно варианту воплощения изобретения поворотный элемент дополнительно имеет второе состояние. Поворотный элемент, когда он находится в своем втором состоянии, сконструирован таким образом, чтобы поляризация пучка света оставляла его почти не подвергнутой воздействию. Поворотный элемент можно электрически переключать между его первым и вторым состоянием. Это является преимущественным в том, что поворот поляризации пучка света, т.е. взаимодействие двух компонент поляризации, можно активировать или не активировать. Таким образом, устройство для управления пучком согласно варианту воплощения изобретения можно использовать, по меньшей мере, в двух различных режимах. В первом режиме при активированном поворотном элементе можно отклонять обе компоненты поляризации пучка света, т.е. пучок отклоняется как одно целое. Во втором режиме при неактивированном поворотном элементе отклоняется только компонента, которая обладает поляризацией, параллельной оптическим осям первой и второй призмы. Поскольку оба поворотных элемента в этом случае отклоняют одну и ту же компоненту поляризации, можно получить больший угол отклонения. Это можно использовать, например, для отклонения поляризованного пучка света, такого как свет, испускаемый лазером.

Согласно варианту воплощения изобретения поворотный элемент создан на основе жидких кристаллов, например, нематических жидких кристаллов.

Согласно варианту воплощения изобретения устройство содержит множество устройств для управления пучком. Множество устройств для управления пучком скомпоновано в виде пикселей в матрице. Пикселями управляют по отдельности. Это является преимущественным, поскольку можно отклонять несколько пучков в разных направлениях. В частности, из одного источника света можно получить несколько пучков. Матрицу устройств для управления пучком можно использовать для формирования пучка и для создания световой картины.

Согласно варианту воплощения изобретения устройство дополнительно содержит телескопическое устройство для увеличения отклонения пучка. Использование телескопического устройства является преимущественным, поскольку можно увеличить максимальный угол отклонения данного устройства для управления пучком. Телескопическое устройство также может содержать отражающие детали.

Согласно другому варианту воплощения изобретения устройство дополнительно содержит сеть телескопических устройств для увеличения отклонения пучка.

Согласно варианту воплощения изобретения телескопическое устройство содержит первую линзу и вторую линзу. Первая линза имеет фокусное расстояние f₁. Вторая линза имеет фокусное расстояние f₂. Фокусные расстояния таковы, что f₁>f₂. Расстояние между первой линзой и второй линзой составляет f₁+f₂.

Согласно другому варианту воплощения изобретения телескопическое устройство содержит первое множество линз и второе множество линз. Первые линзы имеют фокусное расстояние f₁ и диаметр D₁ и установлены в матрице. Вторые линзы имеют фокусное расстояние f₂ и диаметр D₂ и установлены в матрице. Фокусные расстояния таковы, что f₁>f₂, а расстояние между первым множеством линз и вторым множеством линз составляет f₁+f₂. Использование матрицы линз, например микролинз, является преимущественным, поскольку линзы меньшего диаметра обычно обладают более короткими фокусными расстояниями, что приводит к получению телескопического устройства с меньшей протяженностью вдоль направления распространения света.

Согласно еще одному варианту воплощения изобретения телескопическое устройство дополнительно содержит третье множество линз. Третьи линзы имеют фокусное расстояние f₃ и диаметр D₃ и установлены в матрице и расположены между первым множеством линз и вторым множеством линз. Третье множество линз расположено на расстоянии f₁ от первого множества линз и на расстоянии f₂ от второго множества линз. Фокусные расстояния таковы, что l/f₃=l/f₁+l/f₂. Использование третьей матрицы линз является преимущественным в том, что угол приема, т.е. максимальный угол падения света по отношению к оптической оси телескопического устройства, может быть повышен. Кроме того, фокусные расстояния второй и третьей линз могут быть снижены за счет снижения диаметра соответствующих линз.

Согласно варианту воплощения изобретения устройство для управления пучком дополнительно содержит источник света. Является предпочтительным, чтобы источник света испускал коллимированный пучок света.

Дополнительные цели, признаки и преимущества, достигаемые с помощью настоящего изобретения, станут ясными при изучении следующего подробного раскрытия, чертежей и прилагаемой формулы изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные признаки настоящего изобретения можно комбинировать для создания вариантов воплощения, отличных от тех, которые описаны далее.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеупомянутые, а также дополнительные задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения будут лучше поняты из следующего иллюстративного и неограничивающего подробного описания вариантов воплощения настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 показывает устройство для управления пучком в соответствии с вариантом воплощения изобретения.

Фиг.2 показывает отклоняющий элемент в соответствии с вариантом воплощения изобретения.

Фиг.3 показывает устройство для управления пучком в соответствии с другим вариантом воплощения изобретения.

Фиг.4 показывает поворотный элемент в соответствии с вариантом воплощения изобретения.

Фиг.5 показывает устройство для управления пучком в соответствии с дополнительным вариантом воплощения изобретения.

Фиг.6 показывает устройство для управления пучком в соответствии с еще одним вариантом воплощения изобретения.

Фиг.7a-d показывают телескопические устройства в соответствии с вариантами воплощения изобретения.

Все фигуры являются схематическими и приведены необязательно в масштабе и обычно показывают только части, которые являются необходимыми для разъяснения изобретения, причем другие части могут быть опущены или лишь предложены.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Фиг.1 показывает устройство 100 для управления пучком в соответствии с вариантом воплощения изобретения. Устройство 100 для управления пучком содержит отклоняющий элемент 110. Отклоняющий элемент 110 представляет собой призму, содержащую два оптических элемента 111 и 112, которые образуют внутреннюю граничную поверхность 113 призмы. Первый оптический элемент 111 является оптически изотропным и может характеризоваться изотропным показателем преломления. Второй оптический элемент 112 представляет собой двулучепреломляющий материал, обладающий одноосной анизотропией, т.е. одиночной осью 114 анизотропии, также называемой оптической осью 114. Такой материал может характеризоваться показателем преломления обыкновенной волны, воздействующим на обыкновенный луч, обладающий поляризацией, перпендикулярной оптической оси 114, и показателем преломления необыкновенной волны, воздействующим на необыкновенный луч, обладающий поляризацией, параллельной оптической оси 114. Ориентацию оптической оси 114 можно регулировать путем приложения электрического поля к призме 110 и использования ориентирующих слоев, например, полированных полиимидных слоев. Изменяя ориентацию оптической оси 114, можно варьировать показатель преломления.

Хотя оптическая ось 114, проиллюстрированная на фиг.1, имеет определенную ориентацию, могут быть реализованы и другие ориентации оптической оси, например, путем использования ориентирующих слоев. Например, в случае микропризм становится легче осуществить ориентирование оптической оси вдоль края призм. В дальнейшем варианты воплощения изобретения будут описаны, исходя из ориентации оптической оси 114, как проиллюстрировано на фиг.1. Однако изобретение не ограничено этой определенной ориентацией.

Падающий свет, возникающий, например, из источника 101 света, проходящий через первый отклоняющий элемент 110, можно разложить на две компоненты поляризации, обладающие поляризациями, соответственно, перпендикулярной и параллельной оптической оси 114 призмы. В целях описания изобретения падающий свет проиллюстрирован в виде двух отдельных лучей 102 и 103, обладающих, соответственно, перпендикулярной 102' и параллельной 103' поляризацией.

Луч 102, обладающий поляризацией 102', перпендикулярной оптической оси 114, проходит через отклоняющий элемент 110 без отклонения. Луч 103, обладающий поляризацией 103', параллельной оптической оси 114 призмы, при прохождении через отклоняющий элемент 110 отклоняется на первый угол 104. Отклонение вызвано преломлением на внутренней граничной поверхности 113 из-за несовпадения между собой показателя преломления первого оптического элемента 111 и необыкновенного показателя преломления второго оптического элемента 112. Первый угол 104 пропорционален разности между двумя показателями преломления на любой стороне граничной поверхности 113.

Что касается фиг.1, если падающий свет линейно поляризован с поляризацией 103', параллельной оптической оси 114, т.е. компонента 102 является незначительной, то весь пучок света может быть отклонен. Если, с другой стороны, падающий свет содержит обе компоненты поляризации 102 и 103, то первый отклоняющий элемент 110 действует как расщепитель пучка, оставляя компоненту 102 не подверженной отклонению, при отклонении компоненты 103 на угол 104.

Первый оптический элемент 111 может быть создан на основе полимера, который может быть формованным. Второй оптический элемент 112 может быть жидкокристаллическим. В этом случае оптическую ось 114 второго элемента 112 можно изменять путем приложения электрического поля через второй элемент, по меньшей мере, через объем вблизи внутренней граничной поверхности 113, и эффект отклонения будет значительно больше, или через призму в целом.

Обычно при использовании полимера для первого оптического элемента 111 и жидкого кристалла для второго оптического элемента 112 показатель преломления первого оптического элемента 111 и обыкновенный показатель преломления второго оптического элемента 112 имеют значение примерно 1,5. Необыкновенный показатель преломления второго оптического элемента 112 устанавливают обычно на уровне 1,7, и он не зависит от электрического поля. Иными словами, при описываемом сочетании материалов пучок света, проходящий через устройство 100 для управления пучком, будет отклоняться, если никакое электрическое поле не приложено, а при приложении электрического поля угол отклонения может быть снижен. Однако другой режим работы, т.е. отсутствие отклонения при отсутствии приложенного электрического поля и наличие отклонения, пропорционального приложенному оптическому полю, может быть достигнут при надлежащем выборе материалов для первого оптического элемента 111 и второго оптического элемента 112. Первый оптический элемент 111 может быть изготовлен, например, из двулучепреломляющего материала.

Несмотря на то, что со ссылкой на фиг.1 первый отклоняющий элемент 110 был описан как содержащий одну призму, можно использовать и несколько призм, например, комплект микропризм. Что касается фиг.2, то здесь описан отклоняющий элемент 200, в соответствии с вариантом воплощения изобретения, содержащий микропризмы 210¹-210^N. Хотя на фиг.2 описано фиксированное количество призм, можно представить себе в своем распоряжении любое подходящее количество призм, пригодное для применения.

Микропризмы 210¹-210^N изготавливают в виде одномерной призматической структуры 211 и жидкокристаллического слоя 212. Для ограничения жидкого кристалла 212 и для закрепления структур призмы 210¹-210^N помещают между двумя стеклянными пластинами 213 и 214, которые поддерживают на расстоянии друг от друга с помощью распорок 215. В целях обеспечения приложения электрического поля к призмам 210¹-210^N стеклянные пластины 213 и 214 покрывают проводящими слоями, соответственно, 216 и 217, которые, предпочтительно, являются оптически прозрачными для света, проходящего через отклоняющий элемент 200. Проводящие слои 216 и 217 можно изготавливать, например, из оксида индия и олова (indium tin oxide, ITO). Для соединения проводящих слоев 216 и 217 с источником напряжения можно использовать провода 218. Одномерную призматическую структуру 211 можно, например, формовать с образованием полимерной пленки. Как правило, толщина полимерной пленки составляет примерно 100 мкм, а жидкокристаллический слой 212 имеет толщину примерно 50 мкм. Однако можно использовать любую толщину, то есть подходящую для наличного применения. Путем использования стандартной технологии воспроизведения можно получать тонкие отклоняющие элементы с толщиной примерно 1 мм и намного большими поперечными размерами.

Что касается фиг.3, то здесь описано устройство 300 для управления пучком согласно другому варианту воплощения изобретения. Устройство 300 для управления пучком содержит два отклоняющих элемента 310 и 330, а также поворотный элемент 320. Поворотный элемент 320 расположен между первым отклоняющим элементом 310 и вторым отклоняющим элементом 330. Второй оптический элемент первой призмы 310 и второй оптический элемент второй призмы 330 имеют одинаковую оптическую ориентацию, если никакого электрического поля не приложено.

Падающий свет, испускаемый источником света 301, то есть свет, проходящий через устройство 300 для управления пучком, т.е. первый отклоняющий элемент 310, поворотный элемент 320 и второй отклоняющий элемент 330 может быть разложен на две компоненты 302 и 303 поляризации, по аналогии с тем, что было описано со ссылкой на фиг.1. Луч 303, имеющий поляризацию 303', параллельную оптической оси 314, отклоняется на первый угол 304 при его пропускании через первый отклоняющий элемент 310. При прохождении через поворотный элемент 320 поляризация луча 303 поворачивается на 90 градусов таким образом, что поляризация теперь становится перпендикулярной 303" оптической оси 334. Поэтому луч 303 при прохождении через второй отклоняющий элемент 330 не отклоняется. Таким образом, при рассмотрении устройства 300 для управления пучком как единое целое, луч 303 при прохождении через устройство 300 отклоняется на первый угол 304.

Другая компонента поляризации падающего света, т.е. луч 302, обладающий поляризацией, перпендикулярной 302' оптической оси 314, не отклоняется при его пропускании через первый отклоняющий элемент 310. Поляризация луча 302, при его пропускании через поворотный элемент 320, поворачивается на 90 градусов таким образом, что она становится параллельной 302" оптической оси 334 при попадании во второй отклоняющий элемент 330. Поэтому луч 302 отклоняется на второй угол 305 при его пропускании через второй отклоняющий элемент 330. Таким образом, если рассматривать устройство для управления пучком 300 как единое целое, луч 302, при его пропускании через устройство 300, отклоняется на второй угол 305.

Если рассмотреть падающий луч, который является нелинейно поляризованным, с поляризацией, которая либо параллельна 303', либо перпендикулярна 302' оптической оси 314, но обладает поляризацией, которую можно описать в виде комбинации обеих компонент, то падающий свет при прохождении через устройство 300 для управления пучком может отклоняться целиком, если первый угол 304 и второй угол 305 выбраны равными. Если, с другой стороны, углы 304 и 305 выбраны различными, то устройство 300 для управления пучком можно использовать в качестве расщепителя пучка, который позволяет разделять падающий свет на две компоненты, обладающие, соответственно, параллельной 303' и перпендикулярной 302' поляризацией относительно оптической оси 314.

Отклоняющие элементы 310 и 330 устройства 300 для управления пучком, описанные со ссылкой на фиг.3, могут быть того же типа, что и отклоняющий элемент 200, описанный со ссылкой на фиг.2. Отклоняющие элементы 310 и 330 могут быть идентичными или различными. Наличие идентичных отклоняющих элементов 310 и 330 является преимущественным, если падающий пучок света отклоняется как единое целое, т.е. если первый угол 304 и второй угол 305 равны. Это может быть достигнуто путем приложения одинакового электрического поля к призмам в обоих отклоняющих элементах, т.е. путем приложения одинакового напряжения к проводящим слоям обоих отклоняющих элементов.

Что касается фиг.4, то здесь описан поворотный элемент 400 согласно варианту воплощения изобретения. Поворотный элемент 400 содержит две стеклянные пластины 401 и 402, разделенные распорками 403. Объем между стеклянными пластинами 401 и 402 заполняют скрученным не матическим жидким кристаллом 404. Выравнивание жидкого кристалла достигается с использованием полированного полиимидного ориентирующего слоя, покрывающего стороны стеклянных пластин 401 и 402, обращенных к жидкому кристаллу 404. Полированные полиимидные слои устанавливают таким образом, чтобы они были выровнены перпендикулярно друг относительно друга так, чтобы жидкий кристалл 404 был скручен, что приводит к повороту поляризации пучка света, проходящего через поворотный элемент 400, на 90 градусов.

Поворотный элемент 400, описанный со ссылкой на фиг.4, можно дополнительно устанавливать вместе с прозрачными проводящими слоями, покрывающими стеклянные пластины, обращенные к жидкому кристаллу. Таким образом, поворотный элемент 400 можно отключать, т.е. при приложении электрического поля к жидкому кристаллу 404 поляризация пучка света при прохождении через поворотный элемент 400 не подвергается воздействию. Этого можно достигнуть при приложении электрического напряжения к проводящим слоям. Проводящие слои можно изготавливать, например, из ITO. Что касается фиг.3, если поворотный элемент отключен, то отклоняется только компонента 303 поляризации пучка света, у которого есть поляризация 303', параллельная оптической оси 314, тогда как другая компонента 302 остается не подвергнутой воздействию. Устройство 300 для управления пучком с электрически переключаемым поворотным элементом является преимущественным, если необходимо отклонять линейно поляризованный пучок света, имеющий поляризацию, параллельную 303' оптической оси 314, поскольку максимальный угол отклонения повышается. Такое устройство можно использовать в качестве расщепителя пучка (необязательно).

На фиг.5 показано устройство 500 для управления пучком в соответствии с другим вариантом воплощения изобретения. Устройство 500 для управления пучком содержит множество пикселей 510 для индивидуального отклонения каждого пучка 502 из множества пучков. Падающий свет 501 может возникать из одиночного источника света, и в каждом случае свет разделяется на несколько пучков, или из нескольких источников света.

Что касается фиг.6, то здесь описано устройство 600 для управления пучком в соответствии с дополнительным вариантом воплощения изобретения. Устройство 600 для управления пучком содержит отклоняющий элемент 610 и телескопическое устройство 620. Отклоняющий элемент 610 может представлять собой одиночный отклоняющий элемент, такой как отклоняющий элемент 110, описанный со ссылкой на фиг.1, или пакет из двух отклоняющих элементов 310 и 330 и поворотного элемента 320, как описано применительно к фиг.3. Что касается фиг.6, то здесь падающий пучок света 601 при прохождении через отклоняющий элемент 610 отклоняется на угол 602. Отклонение пучка увеличивается после прохождения телескопического устройства 620, и угол отклонения теперь составляет 603. Иными словами, падающий пучок света при прохождении через устройство 600 для управления пучком, т.е. как через отклоняющий элемент 610, так и через телескопическое устройство 620, отклоняется на угол 603 целиком.

На Фиг.7a-d показаны телескопические устройства согласно вариантам воплощения изобретения. На фиг.7a показано телескопическое устройство 710, содержащее две линзы 711 и 712, обладающие фокусными расстояниями, соответственно f₁ и f₂. Линзы 711 и 712 установлены на расстоянии f₁+f₂ друг от друга. Если f₁ и f₂ выбраны таким образом, что f₁>f₂, то у падающего пучка света 713, имеющего угол падения 714, при прохождении через телескопическое устройство отклонение возрастет до угла 715.

В целях уменьшения фокусных расстояний f₁ и f₂, приводящих к небольшому телескопическому устройству, можно использовать матрицу линз. Фиг.7b показывает телескопическое устройство 720, содержащее две матрицы 721 и 722 линз, обладающих, соответственно, фокусными расстояниями f₁ и f₂ и диаметром D. Является предпочтительным, чтобы во избежание появления нежелательных вторичных лучей такие системы были сконструированы таким образом, чтобы свет, попадающий в линзу первой матрицы 721, проходил только через соответствующую линзу второй матрицы 722. Это условие удовлетворяется, если удовлетворяется следующее выражение для угла приема α_max, - максимального угла, который может иметь падающий пучок света:

tg $${\alpha }_{\max }<\frac{D}{2f_2}\frac{1}{M}\frac{M-1}{M+1}$$ , где M=f₁/f₂.

Фиг.7c показывает телескопическое устройство 730 согласно дополнительному варианту воплощения изобретения, причем телескопическое устройство 730 содержит две матрицы 731 и 732 линз, обладающих фокусными расстояниями f₁ и f₂ и диаметром D, и дополнительную матрицу 733 линз, обладающую фокусным расстоянием f₃ и диаметром D. Матрица 733 линз установлена на расстоянии f₁ от матрицы 731 линз и f₂ от матрицы 732 линз. В дополнение, каждая линза сконструирована таким образом, чтобы точка линзы, принадлежащей матрице 731 линз, была отображена на соответствующей линзе, принадлежащей матрице 732 линз. В таком телескопическом устройстве, если фокусное расстояние f₃ соответствует выражению 1/f₃,=1/f₁+1/f₂, обнаружено, что угол приема α_max повышен и соответствует выражению: tg α_max< $$\frac{D}{2f_1}$$ .

Фиг.7d показывает телескопическое устройство 740 согласно еще одному варианту воплощения изобретения. Телескопическое устройство 740 содержит три матрицы линз, аналогичное телескопическому устройству 730, описано со ссылкой на Фиг.7c. Однако в телескопическом устройстве 740 матрицы 741, 742, и 743 линз содержат линзы с различным диаметром, соответственно, D₁, D₂, и D₃. Путем снижения диаметров линз матриц 742 и 743, и, таким образом, чтобы соблюдалось соотношение D₂/f₂>D₁/f₁, можно добиться повышения угла приема α_max: tg α_max< $$\frac{D}{2f_1}$$ .

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничено вариантами воплощения, описанными выше. Напротив, в пределах объема прилагаемой формулы изобретения возможны многие модификации и видоизменения. Например, первый оптический элемент призмы также может быть двулучепреломляющим. Кроме того, могут быть комбинированы два отклоняющих элемента, или два пакета из двух отклоняющих элементов и поворотного элемента для обеспечения отклонения пучка света по двум направлениям. Кроме того, цилиндрические линзы можно использовать для усиления отклонения пучка света по одному направлению.

В заключение, следует отметить, что обеспечено устройство для управления пучком для отклонения пучка света. Устройство для управления пучком содержит первый отклоняющий элемент, поворотный элемент и второй отклоняющий элемент. Для входящего пучка света, имеющего компоненты с поляризацией, соответственно, параллельной и перпендикулярной оптической оси устройства для управления пучком, при прохождении через первый отклоняющий элемент параллельная компонента отклоняется на первый угол. При прохождении через поворотный элемент поляризация пучка света поворачивается на 90 градусов. При прохождении через второй отклоняющий элемент перпендикулярная компонента отклоняется на второй угол.

Изобретение относится к устройствам для электрического управления пучком света. Устройство (300) для управления пучком содержит первый отклоняющий элемент (310), поворотный элемент (320) и второй отклоняющий элемент (330). Для входящего пучка света, имеющего компоненты (303, 302) с поляризацией, соответственно, параллельной (303') и перпендикулярной (302') оптической оси (314, 334) устройства для управления пучком, параллельная компонента (303) при прохождении через первый отклоняющий элемент отклоняется на первый угол (304). При прохождении через поворотный элемент поляризация (303', 302') пучка света поворачивается на 90 градусов (303", 302"). При прохождении через второй отклоняющий элемент перпендикулярная компонента (302) отклоняется на второй угол (305). Технический результат - повышение надежности, уменьшение габаритов устройства. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство (100) для отклонения пучка света, причем упомянутое устройство содержит:
- первый отклоняющий элемент (110, 310) для отклонения части пучка света на первый угол, причем упомянутый первый отклоняющий элемент содержит первую призму, содержащую:
первый оптический элемент (111), являющийся оптически изотропным и повышающий первый показатель преломления упомянутой первой призмы, и
- второй оптический элемент (112) из двулучепреломляющего материала, обладающего одноосной анизотропией, причем второй оптический элемент имеет электрически регулируемую оптическую ось, повышающую второй показатель преломления упомянутой призмы,
причем часть пучка света имеет линейную поляризацию, вследствие чего упомянутый первый угол пропорционален разности между упомянутым первым показателем преломления упомянутой первой призмы и упомянутым вторым показателем преломления упомянутой первой призмы,
- второй отклоняющий элемент (330) для отклонения части пучка света на второй угол, причем упомянутый второй отклоняющий элемент содержит вторую призму, содержащую:
- дополнительный первый оптический элемент, являющийся оптически изотропным и повышающий первый показатель преломления упомянутой второй призмы, и
- дополнительный второй оптический элемент из двулучепреломляющего материала, обладающего одноосной анизотропией, причем второй оптический элемент имеет электрически регулируемую оптическую ось, повышающую второй показатель преломления упомянутой второй призмы, причем часть пучка света, имеющая линейную поляризацию, является параллельной, вследствие чего упомянутый второй угол пропорционален разности между упомянутым первым показателем преломления упомянутой второй призмы и упомянутым вторым показателем преломления упомянутой второй призмы, и
- поворотный элемент, имеющий, по меньшей мере, первое состояние, причем упомянутый поворотный элемент сконструирован таким образом, что когда он находится в первом состоянии для поворота поляризации пучка света на 90 градусов, упомянутый поворотный элемент расположен между упомянутым первым отклоняющим элементом и упомянутым вторым отклоняющим элементом.

2. Устройство по п. 1, в котором упомянутая первая призма и упомянутая вторая призма представляют собой микропризмы.

3. Устройство по п. 1, в котором оптическая ось упомянутого второго оптического элемента упомянутой первой призмы и оптическая ось упомянутого второго оптического элемента упомянутой второй призмы совместно электрически регулируются таким образом, чтобы упомянутый первый угол и упомянутый второй угол были по существу равны.

4. Устройство по п. 1, в котором упомянутые первые оптические элементы являются полимерными.

5. Устройство по п. 1, в котором упомянутые вторые оптические элементы являются жидкокристаллическими.

6. Устройство по п. 1, в котором упомянутый поворотный элемент дополнительно имеет второе состояние, причем упомянутый поворотный элемент сконструирован таким образом, чтобы, когда он находится во втором состоянии, поляризация пучка света оставалась почти не подвергнутой воздействию, и упомянутый поворотный элемент является электрически переключаемым между своим первым и вторым состоянием.

7. Устройство по п. 6, в котором упомянутый поворотный элемент является жидкокристаллическим.

8. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее телескопическое устройство для увеличения отклонения пучка.

9. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее сеть телескопических устройств для увеличения отклонения пучка.

10. Устройство по п. 8 или 9, причем упомянутые телескопические устройства содержат:
- первую линзу, обладающую фокусным расстоянием f₁ и
- вторую линзу, имеющую фокусное расстояние f₂,
причем f₁>f₂, а расстояние между упомянутой первой линзой и упомянутой второй линзой составляет f₁+f₂.

11. Устройство по п. 8 или 9, причем упомянутые телескопические устройства содержат:
- первое множество линз, обладающих фокусным расстоянием f₁ и диаметром D₁, причем упомянутое первое множество линз расположено в виде матрицы, и
- второе множество линз, обладающих фокусным расстоянием f₂ и диаметром D₂, причем упомянутое второе множество линз расположено в виде матрицы,
причем f₁>f₂, а расстояние между упомянутым первым множеством линз и упомянутым вторым множеством линз составляет f₁+f₂.

12. Устройство по п. 11, причем упомянутые телескопические устройства дополнительно содержат:
- третье множество линз, обладающих фокусным расстоянием f₃ и диаметром D₃, причем упомянутое третье множество линз расположено в виде матрицы и находится между упомянутым первым множеством линз и упомянутым вторым множеством линз на расстоянии f₁ от упомянутого первого множества линз и на расстоянии f₂ от упомянутого второго множества линз,
причем 1/f₃=1/f₁+1/f₂.

13. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее источник света.

14. Устройство для электрического управления пучком света, содержащее множество устройств по любому из пп. 1-12, причем упомянутое множество устройств скомпоновано в виде пикселей в матрице, в которой упомянутые пиксели являются индивидуально регулируемыми.

15. Устройство по п. 14, дополнительно содержащее источник света.