电容耦合电场控制装置的制造方法
【专利说明】电容耦合电场控制装置
[0001]相关申请
[0002]本申请的优先权文件是美国临时申请US 61/725，021，其发明名称与本申请相同，申请日是2012年11月11日，本申请引用该优先权文件全文。
技术领域
[0003]本申请的技术方案涉及液晶光学器件，特别是液晶光学器件的控制电极。
【背景技术】
[0004]液晶(LC)显示器(LCD)和液晶透镜(LCL)在本领域中是已知的。在大部分使用液晶的情况下，形成一个电可变的梯度折射率(称为GRIN)光学透镜，并通过控制装置的光通孔(Clear Aperture,CA)内空间的液晶分子的相对取向梯度来控制该透镜。而该液晶分子的取向是对电场敏感的，梯度(对应于LCL的光学倍率)可以通过改变电驱动参数(电压、频率或他们的组合)来控制，而没有任何宏观的机械运动或形变。
[0005]对应于空间非均匀的电场用于控制液晶分子的取向，各种液晶透镜的设计已经被提出，例如，佐藤进的“可变聚焦透镜的液晶设备”(Applicat1ns of Liquid Crystals toVariable-Focusing Lenses, OPTICAL REVIEW Vol.6，N0.6 (1999) 471-485)。其中公开了一种使用多个电极排列(如在液晶显示器中使用的那种)以产生一种类似透镜的电场空间分布的方法。然而，其制造和动态控制的复杂性降低了它的吸引力和工业价值。
[0006]佐藤进所描述的另一种方法100是结合使用的孔状电极(HPE) 102和均匀透明电极(TUE) 104(在底部基板105上)，如图1A所示(以下，液晶单元中的液晶取向层和其他标准元素将被省略，以简化附图。此外，各种设计和实施例的示意性横截面视图中也会如此简化)。在两个电极102和104之间的电压差106会生成一个空间非均匀电场(在ACB各点之间，如图1B中示意性地示出)。因此，如果电压(以及相应的电场)具有适当的空间分布，那么相应的重新定向的液晶分子108和装置100的光通孔(CA) 110内的折射率调制，可以实现所需的球面型(或者非球面，下同)，从而形成质量好的透镜100。这样的透镜的光学倍率(以屈光度为单位，0P)可表示为:0P = 2LAn/r2,(在球面型波形的情况下)
[0007]其中L是液晶层112的厚度，Δ η是透镜100的中心(C点周围)和外围(Α和B点周围)的折射率差和r是光通孔110的半径。焦点距离F(单位为米)是光学倍率OP的倒数，F=1/0P。这样的设计实现了更简单的制造，但仍然有一些重要的缺点。即，HPE 102和TUE 104之间的距离(由液晶的厚度为L和顶部基板的厚度H决定)必须是比较大的，以确保液晶层112内平滑的电场空间分布(150)。此电极间距L+H必然会增加控制的液晶透镜100所需的电压(几十伏特)。
[0008]在A.F.Naumov等人发表的一篇题为“液晶自适应镜片与莫代尔控制”的文章(“Liquid-Crystal Adaptive Lenses with Modal Control”，OPTICS LETTERS/Vo1.23，N0.13/July 1,1998)中，提出了一个液晶透镜200的设计(如图2所示)，它使用的HPE 202设置在液晶单元内(佐藤进设计的顶部基板101，如图1A中所示，被倒置翻转了 180度)。在这种情况下，ΗΡΕ 202和TUE 104非常接近(只有液晶层212的厚度L间隔)和几伏(小于5V)电压206足够控制液晶透镜200的光学倍率。然而，该设计会留下一个问题:液晶层212内的电场分布将有一个突变的特性。为了解决在电场中的突变，一个高电阻率或弱导电性层(WCL) 214被设置到HPE 202表面，该高电阻率或弱导电性层由于一个非常高的薄层电阻Rs而使上述电场分布更加平滑，薄层电阻Rs被定义为R = (d σ ) _\其中d是WCL层214的厚度，σ是WCL层214的导电性。这一平滑的概念可以理解为:电压从HPE 202的周边向中心衰减的情况，在一个经典的RC电路中，两个电极TUE 104和HPE 202之间互相重叠部分形成电容的衰减，其中在两个电极上覆盖有WCL材料214，电极之间含有绝缘的液晶层212。同时，WCL 214的薄层电阻Rs主要起到电阻R的作用。
[0009]由于微型照相机的“RC因子”(其光通孔110的尺寸范围为1.5?2毫米)和厚度为L的LC层212的介电常数ε w使得WCL 214的薄层电阻Rs大概为几十M Ω / □，以实现一个平滑的电场分布。由于薄片电阻的明显变化导致制造参数的变化，这种薄膜的制造是困难的。
[0010]此外，消费产品的摄像头都应该适用于非偏振光线。这需要使用两个LC层212(在垂直的平面上使液晶分子取向的取向表面结构被预取向，如图3所示)来处理非偏振光线的两个正交的偏振方向。要使两个这样的“半”透镜200以同样的方式聚焦，需要两个WCL具有相同的Rs (误差在3%内)。这使偏振无关的完整的透镜300的制造具有特定的条件。这种方法的另一个缺点是:电压的衰减(从HPE 202的外周，即点A或B，朝透镜的中心点C的衰减)，是RC电路的物理性质所决定的，这一衰减使得，难以获得不同的非球面分布，而非球面分布有时是得到良好的光学图像质量的条件。最后，所有具有适当的Rs值的材料(迄今已知的)都是对温度变化敏感的。
[0011]已知发展了几个替代办法以解决，至少一部分Naumov构造中的问题。其中之一是LensVector提出的W02009/153764，在此引入作为参考，其中使用一个单一 WCL 314以消除严格的生产可重复性的要求，如图4示出。在此配置300中，HPE 302和WCL 314被设置在两个基板105 (几乎是对称的)之间，基板作为两个正交偏振的LC层312的底部和顶部基板。因此，同一组的控制电极结构(HPE 302和WCL 314)用来控制两个相同的液晶层312。
[0012]另一种方法400，如图5Α和5Β所示，Wang等人所发表的“具有低驱动电压的薄液晶透镜，，(B.Wang，M.Ye，M.Yamaguchi，and S.Sato, aThin Liquid Crystal Lens with LowDriving Voltages，，，Japanese Journal of Applied Physics 48 (2009) 098004)。在这种构造中，在WCL层414靠近LC层412，同时在H PE 402的中间有一个额外的电连接的圆盘形电极(DSE) 416，DSE和HPE都被设置在液晶单元400的外侧。尽管这种方法有助于避免短暂的分子取向缺陷(被称为向错)，也可以实现更好的控制电场分布500，但它仍然有几个缺点，其中包括WCL 414的制造问题。这是因为，仍然需要两个WCL(每个LC层各设一个)，或只使用一个WCL 414和控制电极(HPE 402，DSE416)，但WCL必须设置在相对远离TU E 104的位置，因为现在两个LC层412必须由相同的HPE 402和DSE 416电场控制结构进行控制。此外，需要有两个独立的连续可变的电压V1106和V2406来驱动液晶透镜400。因此，接地的TUE 104和HPE 402上的施加电压VJ06可能会产生一个空间非均匀的电压分布和相应的光学倍率(示意性地如图5B中的实线500示出)。同时，在DSE 416上施加电压V2406，可能会产生一个均匀的电压(如图5B所示的由实线和虚线的水平线)，从而避免了向错的出现或允许光学倍率的连续控制和防止透镜400的像差。电压106或406的绝对值也仍然高于Naumov的方法中使用的电压206 (由于顶部电极101的高度H造成的电极104/402间的额外距离)。最后一个方法由Ye等人发表的“低电压驱动液晶透镜”(“Low-Voltage-DrivingLiquid Crystal Lens，，，Japanese Journal of Applied Physics 49 (2010) 100204，RAPIDCOMMUNICAT1N)所公开，其中上下翻转顶部基板101，在电极上涂覆I μ m的SiCV薄膜，并使用(如WCL 414)高电阻性的水性热固性涂料薄膜(TWH-1，三菱材料电子化学的产品)。最后，在双电压106/406的控制方案中仍然有一些明显的波阵面像差问题。
[0013]为了解决存在的像差(波阵面)问题，在本申请的背景文献W02012/079178中，LensVector提出了另一种方法600，其中在Naumov的的设计的一对半液晶透镜200的两个正交偏振的液晶层212之间设置一个透明的浮置(非连接)导电层(一般圆盘型)，如图6所示的完整透镜结构600。浮置导电层618的使用明显地改善了波阵面轮廓(相对于佐藤进和Naumov的设计方案)和使用该LC透镜600的相机的调制转换函数(MTF)。此外，透镜600所需的唯一驱动电压206非常低，透镜600是频率控制的。
[0014]其他方法也被提出来以解决所有这三个问题(较差的WCL 214的生产重复性，高电压106/406和不合适的波阵面)。其中之一是桥本在“液晶光学元件及其制造方法”中提出的如图7所示的结构700，美国专利号US7619713B2，公开日:2009年11月17日。与Naumov的方法相比，这种设计的基本不同是不使用WCL 214。事实上，桥本提出了使用光学透明的多个同心环形电极718 (CRSE)，通过高电阻率的“桥”720相互关联(如图7所示的侧视图和图8所示的顶视图)。这个“电阻桥”结构起着与WCL(214)同样的作用，用于在光圈上创造一个电压空间分布。这种方法的优点是，电阻桥720中的多个电阻值(R1，R2等)可以进行分别调整，以获得所需的波阵面。此外，需