具有高级电场控制能力的液晶光学设备的制造方法
【专利说明】具有高级电场控制能力的液晶光学设备
[0001]相关串请
[0002]本申请是非临时申请，优先权文件是美国临时申请US61/738，533，优先权日是2012年12月18日，本申请引用该优先权文件全文。
技术领域
[0003]本发明涉及液晶光学设备，具体为其控制电极。
【背景技术】
[0004]液晶(LC)透镜和一些其他液晶光学设备是本领域已知的技术。在玻璃或塑料板之间的单元内设置一个平面结构的液晶。在一个相对较小的厚度之内，可实现可用的光学变焦能力。
[0005]本领域已经提出了各种液晶透镜的设计方案，通过电场以控制液晶分子的取向。
[0006]一种方案已被应用，在液晶层的上方一定距离处放置一个环形电极，在液晶层的下方放置一个均匀的平面透明电极，可以形成一个可以空间调制电场控制的液晶透镜。
[0007]一个GRIN透镜可以通过控制LC分子的相对方向，而产生LC材料在一个光通孔中光折射的折射率的空间变化来创建。
[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 I, 1998)中，如图1中所示的透镜，使用一个液晶层10，其设置在顶层玻璃基板11附近的孔状电极14和底部玻璃基板16附近的光学透明的平面铟锡氧化物电极12之间。液晶取向层18位于液晶层10的任一侧。图1的透镜的工作原理是电压的衰减，及其带来的在透镜的中心与电极14的孔的附近的液晶层边缘之间的(在环形电极通孔上)相应的电场强度的减小。由于典型的液晶层10的厚度大约是0.05毫米，而典型的常用光学孔径是2毫米左右，即40倍大，因而未解决的问题是，液晶层10的径向的电场强度的下降是急剧的(快速下降)。一个高电阻率层19沉积在孔状电极14的中央部分。通过高电阻率层19与系统其余部分形成的分布式RC电路，“软化”了由于电信号衰减而带来的电场强度的下降。其中高电阻率层19主要作为电阻，液晶层10主要作为电容。
[0009]图1中所示的GRIN透镜有一些很好的性能，但也具有一些显着的缺点。特别是，透镜的运用对层状结构的几何结构和材料参数极其敏感。其中最重要的是高电阻率层19的薄层电阻Rs，被定义为R= (do) \其中d是高电阻率层19的厚度，σ是其导电率。这极大地复杂化了偏振无关的可调液晶透镜(TLCL)基于这种技术的制造:
[0010]液晶是一种双折射材料，光线通过液晶镜片后被转化为两个偏振方向。图1中的单个LC透镜的液晶层10将聚焦光线的一个偏振方向，而基本上不影响光线的其他偏振方向，因此如在现有技术使用的单个LC透镜层10，整体液晶透镜光学元件是偏振相关的。出于这个原因，图1的单个LC层几何结构一般被称为半LC透镜。
[0011]自然光(例如阳光或灯光)包含各个方向混乱的偏振(其可以被转化为两个正交偏振方向的总和)。为形成一个偏振无关的液晶透镜，一种方式是使用两个半液晶透镜，其中每个液晶层具有互相正交的偏振方向平面。
[0012]两个平面的半液晶透镜，它们分别作用于不同的偏振方向，其意图是将光线聚焦到一个共同的焦平面。然而在实践中，制造两个相对于图像传感器在光学性能上完全相同的两个不同偏振方向的液晶镜片是很困难的。在两个液晶层之间设置一个大空间就会造成整个透镜太厚，其结果是在不同的偏振方向的焦平面之间形成一个大的间距，在自然光的条件下，由于不同的偏振方向上的聚焦情况的不同，在单个平面光传感器上无法聚焦成清晰的图像。此外，当透镜的形状和/或两个透镜的光学倍率是不相同的，每个半透镜的效果是不同的，即使两个液晶层彼此很接近。这种不同的效果可能会增大，由于液晶层厚度的差异或两层用于实现各个方向的偏振互相独立折射的高电阻率层的薄层电阻的互相叠加。
[0013]为移动设备设计的小尺寸的镜头带来了镜头设计和透镜性能的非常困难和严格的要求。因此，透镜设计必须仔细优化，以兼顾尺寸和制造成本的考虑。在晶片的规模生产中，一个晶片含有大量的液晶单元，两个这样的晶片连接在一起，以形成各个方向的偏振互相独立的液晶光学设备。然而，对于这样利用晶片制造的镜片，两个晶片相互连接，为了使两层镜片具有相同的光学倍率和透镜形状，两个晶片必须具有相同的属性。在一定程度上可以通过控制间隔物来控制液晶层的厚度，而对薄层电阻的控制则困难的多(图3):
[0014]图2示出了 PCT申请TO2009/153764的一种解决方案200，本申请引用该申请，其描述了两个正交取向的LC层210a和210b，以聚焦光的正交偏振，分别设置在共同的电场控制结构326的上面和下面，结构326具有至少一个中间环形电极214 (a，b)，其被涂覆有高电阻率材料219(a，b)。使用单个(未示出)中间环形电极214提供了一个空间调制电场，同时作用于上部LC层210b与下部LC层210a，以使两个LC层的每个作用于入射光的不同的偏振方向。结果表明，这样的几何结构的两个LC透镜，使自然光以基本上相同的方式上成像到相同的成像平面上，例如图像传感器。电场的空间分布，光学倍率和像差，在上部210b和下部210a液晶层中，被证明是基本上相同的。在制造中，下部LC层210a中具有置于顶部的环形电极214a，而上部LC层210b要么是制造在(中间电极结构326的)顶部或分开制造(以虚线所示)，然后粘合到下部LC层210a和环形电极214a的组合上。在图2中其他的2xx的系列层，对应于在图1中如上所述的类似层，上部的半LC透镜层镜面对称于下部的半LC透镜层。虽然未示出，每个LC层210a和210b位于两个液晶取向膜之间(参照图1中的18)。光学透明导电层212a和212b位于取向层和一个对应的(支撑)基板216a和216b之间。
[0015]使用环形电极214，其采用高电阻材料层19，设置在光通孔附近，材料的薄层电阻Rs在确定电场的形状和透镜效应性质上有重要的作用，并且这种电阻特性对于精确控制LC层10内部的电场的形状是非常重要的。控制一薄层半导体材料19在晶片上的电阻，用于2mm的光通孔内的透镜操作是一个挑战。
[0016]另外，软件程序如条形码读取，需要自动聚焦能力，这意味着一个(电或其他方式)可变透镜必须用于改变整个相机的光学倍率。这种可变光学设备被称为可调LC透镜(TLCL)。此自动聚焦能力使得透镜设计优化不稳定，引入了一个调制传递函数(输入光图像到输出光学像的转换)的劣化，这可能是非常严重的(不可接受的)。
【发明内容】
[0017]已经认识到，在一个液晶透镜中，波阵面通常在一个有限的方式，以单调方式从LC光学设备的光通孔的中心到周边受到影响。参照图3中的实线，通过环形电极产生的典型波阵面具有扁平顶部并朝向光学设备光通孔的周边的高斯下降。根据液晶透镜的材料特性和几何结构参数，如环形电极的直径之比，电极间距，中介层的厚度等，在某些情况下，该液晶透镜的调制传递函数(MTF)仅提供中央的对焦区域的清晰光通孔，或在其他情况下，仅提供周边的对焦区域的清晰光通孔。这些畸变限制了对清晰光通孔扩大(毫米大小)时，采用液晶透镜的相机的整体MTF显著下降。
[0018]限制TLCL的清晰光通孔的直径的因素之一是在何种程度上覆盖TLCL光通孔的电场分布下降曲线逼近于(或不)一个产生图3中虚线所示的球形波阵面分布的电场分布曲线。
[0019]在本领域中一般的知识是采用具有大量电场控制的几何结构(也称为像素)，以补偿所需的分布产生的偏差。例如，在Yung-Yuan Kao,Paul C.-P.Chao和Chieh-Wen Hsueh的“具有宽度不等的多个环形电极新型低电压驱动的GRIN液晶透镜”(光学快报，18卷，第18号，2010年8月30日)中，完全专注于一个控制参数，并描述了通过增加大量的嵌套的控制结构或像素对期望值的高阶偏差的计算。虽然已经实现一些成果，这样的实验性尝试具有实验室上的好奇心，因为这样的像素结构受到低光传输率的影响，并由于成品率非常低，特别是由于在超小尺寸的材料性能的变化，导致相应复杂的制造需求，从而进一步受制于需要复杂的辅助控制元件。实践证明，由于复杂的制造和复杂的控制要求，增加控制结构的数目会减少制造成品率。
[0020]回到图2，在一些实施例中，可以将不同的控制信号应用于平面电极212a和212b，用于产生平面电极212a和212b之间的相应的电场，而中心控制结构(环形电极)326使用双控制信号生成电路，以实现对每个极性方向的独立的波阵面调节控制。不限制本发明，中间电极结构326可具有两个环形电极214a和214b，在公共基板211的一边一个，而环形电极214a和214b分别配合有弱导电材料(WCL)层219a和219b (如图所示)。从制造的角度来看，对于LC全透镜偏振无关的几何结构，中间基板211可以被实现为两个分开的基板，例如由一薄层粘合剂粘结。本发明并不局限于这种相同的厚度的分离式的中间基板。
[0021]在其他实施例中，偏振无关的TLCL由单个电驱动器驱动。当一个单独的控制信号驱动电路作用于两个LC单元，不仅层的必需的数量减小，而且控制信号数量和所采用的辅助控制元件的复杂性也被降低了。例如，控制信号可以作用于环形电极214a和214b及电极212a和212b之间。不限制本发明，无论是电极214或212可以具有共同的电连接。
[0022]为了实现对应于电场形状的所需的特性，同时约需TLCL要薄且以低电压操作，WCL层219a和219b包括具有半导体和绝缘体之间特性的高电阻率材料。该材料的特性是在一个范围内材料电导率(和极化)的基本机制遭受急剧变化(有时称为渗透区)。在这种渗透区，层电导率的变化显着，而WCL材料体积变化小，形态结构/几何结构变化小，这严重限制重复生产弱导电层。在硅半导体工业中，薄层电阻的控制效率仍然是在±10%的数量级，而使用磷化铟新兴技术则更不准确。因此，WCL材料的沉积层的导电性能在不同晶片之间变化很大。使用常规沉积技术制造图2所示的WCL层219a和21%是一个挑战，以生产一种材料组合物，形态和板厚，其提供了所需的导电性能(包括薄层电阻)。对于电路旨在使