光控裝置和包含該光控裝置的燈具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及照明領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)光束的光學(xué)輸出特性的光控裝置，以及包含該光控裝置的燈具。
【背景技術(shù)】
[0002]在許多光學(xué)應(yīng)用中，需要控制從光源發(fā)出的光束的輸出特性，如光的偏轉(zhuǎn)、散射和透射光譜(如顏色)。光源包括燈具中的熒光燈或發(fā)光二極管(LED)、太陽、激光器等。為了達(dá)到可調(diào)的光學(xué)性能，各種現(xiàn)有技術(shù)采用了不同的調(diào)節(jié)機制。其中一種方法是使用液晶裝置，包括液晶光閥(原理類似液晶顯示器)和聚合物分散液晶(PDLC)。由場致液晶分子的重新取向使折射率、光學(xué)各向異性和光偏振性發(fā)生變化，而從達(dá)到光控目的。通過液晶裝置可以達(dá)到顯著的調(diào)光目的，但其不足在于:第一，與固體材料相比，液體材料在設(shè)計光學(xué)器件結(jié)構(gòu)時靈活性較差；第二，存在紫外線下穩(wěn)定性問題；第三，折射率的變化伴隨著較強的光學(xué)各向異性改變，這在某些應(yīng)用中并不希望出現(xiàn)。第二種方法是使用電致變色裝置，包括一種特殊的電致變色涂層，可以通過施加電壓使其在透明和高吸收率狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變，對比度非常高。但此方法用于照明時，由于其僅能改變光吸收度，只有光束的透射可調(diào)，而無法調(diào)節(jié)光束的散射或偏轉(zhuǎn)。另一種方法是使用懸浮顆粒裝置，將較小的深色導(dǎo)電顆粒分散在透明液體媒介中，在未施加電場時，顆粒均勻分布，懸浮液均勻不透光；施加電場后，顆粒在電極之間排成長列，光截面顯著減少，因此對于沿長列方向傳播的光，液體呈幾乎透明狀態(tài)，但該方法也僅對于光吸收強度可調(diào)。另外，一些固體電光材料也被應(yīng)用于光控裝置中，如一些單晶體或陶瓷體可以產(chǎn)生很強的電光效應(yīng)，例如，鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)和鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)單晶體，鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)透明陶瓷，這些材料已被用于制作光閥，但這些材料硬而易碎，難以制作成薄膜或共形幾何，也難以與其它結(jié)構(gòu)集成在一起，并且與液晶相比，這些材料由電場引發(fā)的折射率變化非常小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的一個目的在于提供一種可以動態(tài)控制光束的光學(xué)輸出特性的光控裝置。
[0004]本發(fā)明的光控裝置包括包括一個光學(xué)元件，該光學(xué)元件至少部分由一種透明或半透明的弛豫鐵電聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物組成，以下簡稱為PVDF基聚合物。該PVDF基聚合物在施加某種刺激時具有變化的折射率，在未施加所述刺激時具有一個基準(zhǔn)折射率。
[0005]本發(fā)明的光學(xué)元件所包含的PVDF基聚合物是一種光學(xué)上透明或半透明的弛豫鐵電聚合物。任何弛豫鐵電PVDF基聚合物均包括在內(nèi)，例如PVDF的共聚物。特別優(yōu)選的弛豫鐵電PVDF基聚合物包括偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯三聚物，即P(VDF-TrFE-CFE)。該PVDF基聚合物還可以包括PVDF的共聚物與其它聚合物的共混體系，如與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，的共混體系。
[0006]該PVDF基聚合物在無刺激施加時具有一個基準(zhǔn)折射率，其折射率在施加刺激時可發(fā)生動態(tài)變化。致使該PVDF基聚合物的折射率發(fā)生變化的刺激包括電場、溫度和機械壓力。優(yōu)選地，使用電場來驅(qū)動PVDF基聚合物的折射率變化。當(dāng)無電場施加時，PVDF基聚合物具有一個基準(zhǔn)折射率；當(dāng)施加電場時，PVDF基聚合物的折射率發(fā)生變化，并與電場強度形成函數(shù)關(guān)系。這是由于構(gòu)成PVDF基聚合物的分子的位置、取向或形狀在力的作用下發(fā)生改變所致。通常，有至少一種光學(xué)性能，如折射率，可通過電刺激來動態(tài)調(diào)節(jié)的材料被稱為電活性材料或電光材料。在本發(fā)明中，該光控裝置包含一種光學(xué)元件，該光學(xué)元件至少一部分由一種特殊的電活性材料構(gòu)成，即透明或半透明的弛豫鐵電PVDF基聚合物。
[0007]該光控裝置還包括至少一對位于所述光學(xué)元件兩側(cè)的電極，用于向所述光學(xué)元件施加電場刺激，從而改變所述PVDF基聚合物的折射率。
[0008]除PVDF基聚合物外，該光學(xué)元件還包括第二種材料，所述第二種材料是透明或半透明的，具有一個不隨所述刺激，如電場，而改變的恒定折射率。第二種材料可以是有機材料或無機材料。當(dāng)?shù)诙N材料為有機材料時，它的恒定折射率在1.35到1.80范圍內(nèi)，優(yōu)選地，1.35到1.45范圍內(nèi)，可選擇的有機材料包括聚硅氧烷(如聚二甲基硅氧烷，即PDMS)、聚丙烯酸酯類、聚碳酸酯、含氟聚合物(如乙烯-氯三氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯-氯三氟乙烯共聚物)中的一種或多種。當(dāng)?shù)诙N材料為無機材料時，它的恒定折射率在1.31到2.80范圍內(nèi)，可選擇的無機材料包括氟化物(如NaF，CaF2, AlF3)、氧化物(如Al2O3, MgO, CaO)、氮化物(如SiN，AlN)、硫化物中的一種或多種。作為本發(fā)明的一種實施方式，該第二種材料的恒定折射率與所述PVDF基聚合物的基準(zhǔn)折射率相同。
[0009]由PVDF基聚合物和第二種材料組成的光學(xué)元件，根據(jù)不同的光控需求，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，例如可以包括主客體散射結(jié)構(gòu)或多層反射結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，PVDF基聚合物在某種刺激下的折射率改變可以達(dá)到調(diào)節(jié)光束的光學(xué)輸出特性的目的。
[0010]作為本發(fā)明的第一實施方式，該光控裝置的光學(xué)元件包括一種主客體散射結(jié)構(gòu)，可用于可調(diào)的光散射器。該主客體結(jié)構(gòu)包括呈連續(xù)相分布的主體成分和嵌入在主體成分中的客體成分，例如以顆粒狀分布?？腕w成分的粒徑一般在10納米到500納米范圍內(nèi)。該主體成分包括PVDF基聚合物和第二種材料其中之一，該客體成分包括不同于主體成分的PVDF基聚合物和第二種材料其中之一，優(yōu)選地，主體成分包括PVDF基聚合物，客體成分包括第二種材料。第二種材料的恒定折射率與PVDF基聚合物的基準(zhǔn)折射率相同。當(dāng)施加一種刺激，如電場，到光學(xué)元件上時，由于PVDF基聚合物的折射率發(fā)生變化導(dǎo)致PVDF基聚合物的折射率與第二種材料的恒定折射率產(chǎn)生差值而不匹配，從而造成光的散射。光的散射角度可以通過改變電場的強度進行連續(xù)調(diào)節(jié)，并且可以通過優(yōu)化客體成分的大小、形狀、濃度和三維分布等參數(shù)，在兩種材料折射率差值一定的情況下，達(dá)到光的最大散射。具有主客體散射結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件可以制成薄膜，覆蓋在本體表面使用，通常薄膜的厚度在I微米到100微米范圍內(nèi)。本發(fā)明的光控裝置可以包括兩個或多個并列排布的上述薄膜狀光學(xué)元件，即該光控裝置包括一個層狀結(jié)構(gòu)。
[0011]作為本發(fā)明的第二實施方式，該光控裝置的光學(xué)元件包括一種多層反射結(jié)構(gòu)，可用于可調(diào)的光反射器。該多層反射結(jié)構(gòu)包括至少十層交替排列的PVDF基聚合物層和第二種材料層。任一 PVDF基聚合物層或第二種材料層的厚度在25納米到500納米范圍內(nèi)。該PVDF基聚合物具有一個基準(zhǔn)折射率，其折射率在某種刺激下會發(fā)生改變，而第二種材料具有一個與PVDF基聚合物的基準(zhǔn)折射率相同的恒定折射率。因此，當(dāng)無外界刺激施加時，該多層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出很高的透明度；當(dāng)施加某種刺激，如電場，到該光學(xué)元件時，該多層結(jié)構(gòu)對某些頻率范圍內(nèi)的光產(chǎn)生較強反射，因為電場導(dǎo)致PVDF基聚合物的折射率與第二種材料的折射率發(fā)生不匹配。產(chǎn)生反射的光的頻率范圍取決于多層結(jié)構(gòu)中每一層的厚度。為了在較寬的頻率范圍內(nèi)達(dá)到較強的反射，可設(shè)計多層結(jié)構(gòu)中交替各層有不同的厚度。該多層結(jié)構(gòu)中交替層的總層數(shù)、每一層的厚度以及總厚度等參數(shù)可以進行優(yōu)化，從而在兩種材料折射率差值一定的情況下，盡可能達(dá)到光的最強反射。
[0012]本發(fā)明還提供了一種燈具，包括至少一個可以產(chǎn)生光束的光源和一個光控裝置。該光控裝置作為一種光調(diào)節(jié)器，如散射器、反射器等，集成在燈具中。該光控裝置包括一個至少部分由透明或半透明的弛豫鐵電PVDF基聚合物構(gòu)成的光學(xué)元件，該PVDF基聚合物在某種刺激下，如電場，具有變化的折射率，特別優(yōu)選的PVDF基聚合物包括P (VDF-TrFE-CFE)。通過PVDF基聚合物在某種刺激驅(qū)動下折射率發(fā)生改變，可以精確調(diào)節(jié)透鏡和散射器的光束角度，散射/透射比，反射/透射比，或反射器的表面光亮度。通常，燈具中的光源包括至少一個固態(tài)光源，例如，LED。光控裝置和光源兩者可以連接在一起，或者兩者之間留有空氣層。
【附圖說明】
[0013]關(guān)于本發(fā)明的上述及其它方面、特征、優(yōu)點將通過結(jié)合附圖詳細(xì)說明。
[0014]圖1為P (VDF-TrFE-CFE)的折射率隨電場強度變化的關(guān)系圖；
[0015]圖2a為依據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的光控裝置的透明模