[0037] 实施例的详细说明 [0038] 概述
[0039] 使用具有像素网格的电光学材料的电可调谐透镜原则上可以在局部折射率和像 素间距的可实现的范围极限内生成任何期望的相位调制分布图。然而，对于许多应用的实 际透镜的实现（诸如用于眼部使用）要求非常小的像素的大的可寻址的网格，例如，具有 50 μ m或更小的间距的至少400X400像素的阵列。
[0040] 在液晶演示器（IXD)面板中，像素通常布置在N行和M列的矩阵中。N*M像素中的 每个像素可以接收独立于所有其它像素的一组可能的值（灰度等级）。通过改变所施加到 液晶（LC)层的局部电压来获得不同的像素值。通常电压是时变的并且在符号（AC)中以比 LC响应时间更快的速率改变，并且只要平均电压高于一定的阈值，则LC响应于所施加电压 的有效均值。
[0041] 施加到IXD面板像素的有效电压由驱动电路控制。由于大的像素数，驱动电路通 常控制列电极和行电极的电压并且不直接控制在每个像素上的电压。该方案使驱动器能够 只控制N+M个电压值而不是N*M个电压值。由于需要独立地控制在每个像素上的有效电压， 在驱动器中使用分时技术以连续地更新像素的值。行电极通常被用来控制电压（选择活动 的行），而列电极用于施加数据依赖性电压，对应于在由行控制电压所选择的目前活动的行 中的像素所要求的值。一定的列所要求的像素值因此在列电压波形上被多路复用。
[0042] 例如，通过将晶体管放置在每个像素旁边，可以实现这种分时。晶体管将列电极连 接到像素电极，并且晶体管的导电率由对应的行电极控制。行因此是连续可寻址的，一次一 行。当一定的行（例如行号为k)将被更新时，第k行电极的电压被设置以打开该行的像素 的晶体管，而所有其他行电压被设置为关闭晶体管。根据将在行k中所显示的数据，然后更 新列电极电压。虽然这种面板能够实现透镜，但是由于晶体管引起的相对低的像素填充系 数，故产生限制透镜质量的衍射效应。
[0043] 还可以不借助于晶体管而实现分时。在该被称为时分多路复用的方案中，LC层被 放置在平行电极的定向为正交的两个阵列之间。X轴电极被放置在LC的一侧上，并且正交 于X轴电极的Y轴电极被放置在LC的另一侧上。每个像素上的电压因此是它的行电极和 列电极的电压波形之间的差。为了达到所期望的相位调制分布图，所有行电极（除了要被 更新的行之外）的电压都被设置为V偏压的值，该值被选择以确保V偏压和列电极电压之 间的电压差低于LC响应阈值电压。只有要被更新的行中的像素接收大于LC阈值电压的电 压并因此而更新。然而，该方案不能支持大像素数，并且因此不能用于实现高质量的透镜。
[0044] 在本文所描述的本发明的实施例通过提供新颖的电可调谐的光学装置来克服上 述限制，该新颖的电可调谐的光学装置能够达到比本领域已知的装置更细的间距和更灵活 的寻址能力。例如，公开的装置可以被配置为起到圆柱形透镜（其中沿着一个轴聚焦，使用 条纹电极的阵列）的作用或模拟具有双轴聚焦的球形透镜。可以通过应用合适的控制电压 来自由地和快速地改变焦度和光轴的位置（即，以这种方式定义的有效的中心点和透镜的 轴）两者。
[0045] -般而言，所公开的装置可以被配置为应用任何可分离的相位调制分布 图。二维相位分布图e i<Hx'y)是可分离的，如果它可以被分解为两个一维函数的乘积， = 。换句话说，这些装置能够应用定义为可分离为沿着各自的相互正交 的轴而变化的两个分量函数的函数的任何相位调制分布图，并且该相位调制分布图然后将 包括由于第一分量函数和第二分量函数引起的各自的相位偏移的总和。（因为相位是具有 周期2 π的循环函数，术语"总和"应该在上下文中理解为包括具有模为2 π的模的总和。）
[0046] 在公开的实施例中的一些实施例中，光学装置包括如上面所解释的电光学层，意 味着在该层的活动区内的任何给定位置处的局部有效的折射率由施加在在邻近该位置的 层两端的电压所确定。通常，电光学层包括液晶，可能是偏振无关液晶层（诸如胆留型LC 层），虽然其他类型的电光学材料可以被代替使用。公共电极被放置在电光学层的一侧上的 活动区上。包括导电材料的平行条纹的激励电极阵列在电光学层的相对侧上的活动区上延 伸。
[0047] 为了驱动和修改电光学层的相位调制分布图，控制电路将各自的控制电压施加到 激励电极。通常，每个条纹（即，每个激励电极）被单独的连接到控制电路并由控制电路控 制，使得可以同时修改施加到激励电极的中的几个或者甚至全部激励电极的电压波形。该 配置提供具有仅由电光学层的条纹和厚度之间的距离限定的分辨率的、任意的、可调谐的 一维分布图的光学元件（例如圆柱形透镜）。可以以仅由控制电路的速度和电光学层的响 应时间所限制的速率来修改该装置的相位调制特性。
[0048] 该类型的两个装置可以在直角处被重叠，其中一个装置中的激励电极在正交于另 一个装置中的那些激励电极的方向上定向，以便提供能够在近轴近似下模拟球形透镜的仪 器。
[0049] 在其它实施例中，光学装置包括电光学层，该电光学层具有在该层相对侧上的激 励电极的第一阵列和第二阵列。阵列中的每个阵列包括在活动区上延伸的导电材料的平行 条纹，其中第二阵列在正交于第一阵列的方向上定向。控制电路将各自的控制电压波形施 加到两个阵列中的电极并且能够修改施加到在电光学层的两侧上的多个激励电极（并且 可能是全部激励电极）的控制电压。控制电路可以同时修改施加到在第一阵列和第二阵 列两者中的激励电极的各自的控制电压波形，以便在电光学层中生成指定的相位调制分布 图。
[0050] 在这些实施例中，不要求时分多路复用方案，并且行电压波形和列电压波形两者 都是数据依赖性的。选择电压波形以在电光学材料中创建线性相位响应。正式声明，使 用的与施加到LC的电压波形有关的术语"线性相位响应"意味着当对应于第一预定义的 组的相位值二的一组电压波形(Of1被施加到第一组电极时，并且对应于第二 预定义的组的相位值(矣二的一组电压波形(Fy A)Pi被施加到第二组电极时，其中第 二组电极与第一组电极正交地放置，然后对于每个i = 1...Ν和j = 1...Μ，当将电压 波形V(t)施加到电光学层时，针对通过电光学层的光的相位调制分布图UV(t)}将是 - IjKO = 在实际的实施例中，发明人已找到成 组的16个或更多的相位值（即N，M > 16)，在光学性能方面给出良好的结果。
[0051] 例如，球形透镜是具有传递函数&y)的光学元件，其中f和λ分别是焦 距和波长。T(x，y)是可分离的，T^)=e；f x;+￡/i^，并且总的波长响应可以表示为在X轴中 的相位贡献和y轴中的相位贡献的总和。具有孔半径R的透镜的最大相位迟延。相 位调制范围可以被分为N个量化等级，為t。
[0052] 在本发明的一些实施例中，线性相位响应电压被定义为对应于这些相位值。然 后针对每个电极计算所要求的相位调制值。例如，电极放置于X = ^处，要求相位 ? Xe)2，其中&是透镜的中心点。该相位值被量化为最接近于预定义的量化等级。 最接近的量化等级由私_xd)-表示，施加到X = X1处的电极的电 压波形将是V5u (t)。通过适当的选择线性相位响应电压波形，在每个像素处的相位调制将 是对应于在X轴和Y轴上的电极电压波形的相位调制的总和，因此形成透镜。
[0053] 因此，与本领域中已知的IXD面板的区别在于，用数据依赖性的电压波形来驱动X 轴电极和Y轴电极，并且所有电极可以被同时地和独立地驱动。如在上下文中所使用的术 语"同时地"意味着在没有时分多路复用的情况下将驱动波形同时施加到由电极所定义的 阵列的不同行和列中的多个像素。术语"独立地"意味着不同的、数据依赖性的波形可以沿 着X轴和Y轴被施加到每个电极。控制电路可以将在不同幅度的和/或具有时序波形（通 常具有不同的占空比）的各自的电压施加到电极中的不同的电极。
[0054] 在本领域中已知的IXD装置中，与液晶层的厚度相比，像素的间距要大，以便于保 持区别于它们的邻居和最小化串扰的像素。相对于液晶层厚度，邻接的电极之间的距离是 同样大的。相比之下，在本发明的一些实施例中，电极间间距（其可以是恒定的或是可变 的）小于四倍的电光学层的层厚度，或可能是小于层厚度的两倍或甚至小于层厚度本身。 电极条纹之间的距离同样可以小于电光学层的层厚度。电极之间的小的电极间距和窄缝增 强可调谐光学装置的所期望的精细分辨率。另外，由细的电极几何形状引起的相邻像素之 间的串扰可以实际上在平滑相位分布图时是有益的，其中相位分布图在光学装置的区域上 生成。
[0055] 系统说明
[0056] 图1是根据本发明的实施例的光学系统20的示意性的侧视图。在图示的实施例 中，系统20被配置为起到镜片的作用，其对用户的眼睛22的视力提供动态的矫正。然而， 该实施例是本发明原则上的可能应用的一个非限制性的例子。
[0057] 系统20包括两个电可调谐光学装置24和26,其被串行布置并被配置为起到可调 节的圆柱形透镜的作用。在图2A-2C中示出了这种装置。凭借在装置24和26中的激励电 极的定向，两个装置的各自的圆柱轴相互垂直，使得装置24例如具有垂直焦线，而装置26 具有水平焦线。为了清楚起见，虽然装置24和26被示出为单独的单元，但是两个装置可以 可选地共享一个公共的基板。
[0058] 作为另外的选择，其在图1中示出，装置24和26可以与常规透镜28结合使用。该 透镜提供系统20的基准屈光力，通过操作装置24和26来动态地调节该基准屈光力。
[0059] 控制单元（未示出）控制光学装置24和26以便对它们的各自的光学功率和对准 进行调谐。例如，各自的光学功率可以被增加或减少以调节距离，在该距离处眼睛22试图 聚焦。装置24和26可以设置为具有相同的光学功率，以便模拟可能添加有非球形组件的 球形透镜。可代替的是，装置24和26可以具有不同的光学功率，以便起到非球形透镜的作 用。
[0060] 作为图1中示出的另一个例子，装置24和26的光学中心线可以横向偏移，使得系 统20的光轴从基准轴30偏移至偏离轴32。这种轴偏移可以可能结合对眼镜的追踪而进行 应用，以随着用户的凝视角动态调整系统的光轴。
[0061] 更一般来说，可以通过将适合的控制电压施加到装置24和26来控制系统20,以大 体上