本發明專利技術涉及光控裝置和包含該光控裝置的燈具。其中的光控裝置，包括一個光學元件，該光學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基聚合物制成，該聚偏氟乙烯基聚合物在某種刺激下，如電場的改變，折射率會發生變化。可選地，該光學元件還包括一種折射率不隨上述刺激發生變化的第二種材料。根據不同的光控需要，聚偏氟乙烯基聚合物和第二種材料可形成不同的結構，如主客體結構、多層結構。該光控裝置可應用在燈具中，用于調節光束的光學輸出特性。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及照明領域，具體地，本專利技術涉及一種用于調節光束的光學輸出特性的光控裝置，以及包含該光控裝置的燈具。
技術介紹
在許多光學應用中，需要控制從光源發出的光束的輸出特性，如光的偏轉、散射和透射光譜(如顏色)。光源包括燈具中的熒光燈或發光二極管(LED)、太陽、激光器等。為了達到可調的光學性能，各種現有技術采用了不同的調節機制。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、光學各向異性和光偏振性發生變化，而從達到光控目的。通過液晶裝置可以達到顯著的調光目的，但其不足在于:第一，與固體材料相比，液體材料在設計光學器件結構時靈活性較差；第二，存在紫外線下穩定性問題；第三，折射率的變化伴隨著較強的光學各向異性改變，這在某些應用中并不希望出現。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之間轉變，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，而無法調節光束的散射或偏轉。另一種方法是使用懸浮顆粒裝置，將較小的深色導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，但該方法也僅對于光吸收強度可調。另外，一些固體電光材料也被應用于光控裝置中，如一些單晶體或陶瓷體可以產生很強的電光效應，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，也難以與其它結構集成在一起，并且與液晶相比，這些材料由電場引發的折射率變化非常小。
技術實現思路
本專利技術的一個目的在于提供一種可以動態控制光束的光學輸出特性的光控裝置。本專利技術的光控裝置包括包括一個光學元件，該光學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折射率。本專利技術的光學元件所包含的PVDF基聚合物是一種光學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，例如PVDF的共聚物。特別優選的弛豫鐵電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。該PVDF基聚合物在無刺激施加時具有一個基準折射率，其折射率在施加刺激時可發生動態變化。致使該PVDF基聚合物的折射率發生變化的刺激包括電場、溫度和機械壓力。優選地，使用電場來驅動PVDF基聚合物的折射率變化。當無電場施加時，PVDF基聚合物具有一個基準折射率；當施加電場時，PVDF基聚合物的折射率發生變化，并與電場強度形成函數關系。這是由于構成PVDF基聚合物的分子的位置、取向或形狀在力的作用下發生改變所致。通常，有至少一種光學性能，如折射率，可通過電刺激來動態調節的材料被稱為電活性材料或電光材料。在本專利技術中，該光控裝置包含一種光學元件，該光學元件至少一部分由一種特殊的電活性材料構成，即透明或半透明的弛豫鐵電PVDF基聚合物。該光控裝置還包括至少一對位于所述光學元件兩側的電極，用于向所述光學元件施加電場刺激，從而改變所述PVDF基聚合物的折射率。除PVDF基聚合物外，該光學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。當第二種材料為有機材料時，它的恒定折射率在1.35到1.80范圍內，優選地，1.35到1.45范圍內，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。當第二種材料為無機材料時，它的恒定折射率在1.31到2.80范圍內，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。作為本專利技術的一種實施方式，該第二種材料的恒定折射率與所述PVDF基聚合物的基準折射率相同。由PVDF基聚合物和第二種材料組成的光學元件，根據不同的光控需求，其內部結構不同，例如可以包括主客體散射結構或多層反射結構。在結構設計的基礎上，PVDF基聚合物在某種刺激下的折射率改變可以達到調節光束的光學輸出特性的目的。作為本專利技術的第一實施方式，該光控裝置的光學元件包括一種主客體散射結構，可用于可調的光散射器。該主客體結構包括呈連續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。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基聚合物的基準折射率相同。當施加一種刺激，如電場，到光學元件上時，由于PVDF基聚合物的折射率發生變化導致PVDF基聚合物的折射率與第二種材料的恒定折射率產生差值而不匹配，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調節，并且可以通過優化客體成分的大小、形狀、濃度和三維分布等參數，在兩種材料折射率差值一定的情況下，達到光的最大散射。具有主客體散射結構的光學元件可以制成薄膜，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。本專利技術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元件，即該光控裝置包括一個層狀結構。作為本專利技術的第二實施方式，該光控裝置的光學元件包括一種多層反射結構，可用于可調的光反射器。該多層反射結構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。該PVDF基聚合物具有一個基準折射率，其折射率在某種刺激下會發生改變，而第二種材料具有一個與PVDF基聚合物的基準折射率相同的恒定折射率。因此，當無外界刺激施加時，該多層結構表現出很高的透明度；當施加某種刺激，如電場，到該光學元件時，該多層結構對某些頻率范圍內的光產生較強反射，因為電場導致PVDF基聚合物的折射率與第二種材料的折射率發生不匹配。產生反射的光的頻率范圍取決于多層結構中每一層的厚度。為了在較寬的頻率范圍內達到較強的反射，可設計多層結構中交替各層有不同的厚度。該多層結構中交替層的總層數、每一層的厚度以及總厚度等參數可以進行優化，從而在兩種材料折射率差值一定的情況下，盡可能達到光的最強反射。本專利技術還提供了一種燈具，包括至少一個可以產生光束的光源和一個光控裝置。該光控裝置作為一種光調節器，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本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種光控裝置，包括一個光學元件，該光學元件包括一種透明或半透明的弛豫鐵電聚偏氟乙烯基聚合物，該聚偏氟乙烯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折射率。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：蔡登科，陳勤，李健，王志勇，周惠升，
申請(專利權)人：通用電氣照明解決方案有限公司，
類型：發明
國別省市：美國;US
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