形成和电调谐空间非均匀光反射的方法和装置的制造方法
【专利摘要】用于控制反射光的特性的可变光学装置被公开。该装置包括光反射面，动态可控材料层以及用于产生作用于所述动态可控材料层上的激励场的激励源。电驱动信号施加于激励源，以产生动态可控材料层中的光学特性的变化，以提供光反射的空间变化，其具有所期望的相位弯曲的至少一个和所期望的振幅调制的分布。
【专利说明】形成和电调谐空间非均匀光反射的方法和装置
[0001]相关申请
[0002]本申请是常规申请，优先权文件是美国临时申请US61/926，309，优先权日是2014年I月11日，本申请引用该优先权文件全文。
技术领域
[0003]本发明涉及电调谐的光反射装置的领域。更具体地，所提出的解决方案是利用液晶材料，形成和电调谐空间非均匀光反射的方法和装置。
【背景技术】
[0004]在许多光电应用设备中，需要控制光束的发散。已知，光属性可以在传输模式和反射模式这两种模式下改变，后者在例如可调谐激光腔、稳定的全息系统等应用设备中是特别重要的。
[0005]传统解决方案主要是根据一个反射镜的位置的机械移动(例如，使用一个压电元件)，或者反射镜的曲率的机械变化(弯曲，扭转等)。
[0006]图1A示出了现有技术的固定的曲面镜，它提供光反射，以产生固定相位曲率。如图所示，入射光束2具有平面的入射相位平面3和相对于镜面法线5的入射角6，在曲面镜I被反射。反射光束4的特征在于，具有弯曲的反射相位平面7。在这种情况下，反射镜I的位置必须改变以改变整个系统的光学参数。不幸的是，这种机械运动可能在系统的整体功能是有问题的(例如，振动、运动稳定时间、后退等方面)。
[0007]作为另一个例子，图1Ba)至IBe)示出了各种现有技术的激光腔的设置，其具有固定的曲率的反射器(两个具有曲率R1,2的反射镜，放置为相距一个距离L)，其中，反射镜的曲率和它们的反射率分布被固定并且其作用在于在稳定或不稳定的模式操作激光。在这种情况下，反射镜的运动可能导致腔被移入或移出所对应的稳定区域。图中的稳定区域包括:a)平行平面，b)同心(球)，c)共焦，d)半球形和e)凹凸形。
[0008]在此几种方法已经被探索过，不使用机械地移动反射镜的方法，而是改变反射镜的曲率。一种现有技术的解决方案是使用多个微电子机械系统(MEMS)元件111，其分布在反射装置I的表面上，如图1C提供可变表面曲率的光反射。不幸的是，这种解决方案是昂贵的，脆弱的，并不能提供一个空间连续操作和控制;提供代替的像素化的操作和控制。此解决方案还是基于机械运动，这是不太理想的。
[0009]其他机械的解决方案也已被提出，例如使用的可变形膜。
[0010]然而，运动少(或无运动)的解决方案具有的优点使它们更具吸引力。无运动电控(动态可变)均匀反射是已知的，并在液晶显示器(IXD)技术中大量使用，如L.M.Blinov，V.G.Chigrinov在“在液晶材料的电光效应”(Electro-optic effects in Liquid CrystalMaterials)中所述，施普林格出版社，纽约，459页，1994年。图2示出了现有技术的可调谐反射型LCD的例子。每个反射型液晶显示器的像素(或单元)包括一层动态可控材料8，其沿X轴是均匀的(例如，液晶或聚合物复合材料)，以及高反射率的一个固定镜9，其也沿X轴均匀。这种动态可变反射镜的一个重要的区分特点是每个液晶像素的反射均匀特性。也就是说，每个像素的反射光的波前曲率(或强度分布)不针对给定的象素进行调制。调制可以只在更大的LCD面板上实现，通过使用应用到多个像素的不同电压，而这又引入了空间不连续的操作(粒度问题)，这样制造成本高，并增加了控制的复杂性(例如对每一个像素的单独的控制)。
[0011]另一现有技术的解决方案使用多个(2个以上)透明电极，例如氧化铟锡(ITO)设置在一个LC单元基板上，如S.T.Kowel，P.G.Kornreich和D.S.CleverIy公开的“适应性液晶透镜”，美国专利号4，572，616，1986年(1982年8月申请)，和由1厶.1^23，]\1.(:.06几16在“三终端适应性向列液晶透镜装置”(Three-terminal adaptive nematic liquid-crystal lensdevice)，光学快报，19，1013-1015页，1994年。虽然这些方案中无运动，但仍然是有限制的，因为它的粒度问题(在空间上不连续操作)和控制的复杂性(多个电极的分别单独控制的驱动器)。使用两个或更少的(而不是多个)电极可显著减少设备的成本和复杂性。
[0012]不幸的是，所有这些现有技术解决方案都有性能和/或制造上的问题，部分原因是由于这样的设计最初仅用在传输模式的操作中。
【发明内容】
[0013]与现有技术的解决方案相反，所提出的解决方案提供了用于电控制可变光学反射器的方法和装置，其使用非均匀激励场，而不是使用多个像素分别控制元件。在一个具体的例子，一个空间非均匀激励场，其可以为例如电场或磁场，是由两个电极产生和用来控制光学特性如动态可控材料层的折射率或吸收率，例如所述光学反射装置内的向列液晶层。
[0014]所提出的解决方案还提供了用于电控制可变光学反射器的方法和装置，其使用非像素化平面(标准)液晶单元或复合聚合物膜，例如位于一个全内反射元件的表面上。
[0015]本申请还描述了使用这样的电控可变光反射装置，以产生反射的相位和振幅的电光调谐/控制，实现低的损失和一个简单的结构和/或制造工艺。
[0016]根据提出的解决方案的一个方面，提供了一种可变光学装置，用于控制反射光的属性，该装置包括:光反射结构;连续的非像素化动态可控材料层;和用于产生激励场作用于所述动态可控材料的激励源，其中施加到所述激励源的电驱动信号引起所述动态可控材料层的光学特性的变化，以提供光反射的空间可调谐的变化，其具有所希望的相位的曲率和所希望的振幅分布中的至少一个。
[0017]根据提出的解决方案的另一个方面，提供了一个装置，其中所述的动态可控材料层夹在一对取向层之间，并且包括向列液晶材料。
[0018]根据提出的解决方案的另一个方面，提供了一个装置，其中所述一对取向层的每个具有一个排列方向，所述一对取向层的取向是相同的或相反的。
[0019]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了一种装置，其中所述电极系统形成的所述激励场在空间上是非均匀的，其中通过获取在电极系统几何形状的组合的横向电压衰减，和获得相邻的材料的电学和光学性质，而无需采用对多个像素的单独控制，所述空间非均匀电极系统被配置为产生空间非均匀场。
[0020]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了一种装置，其中所述电极系统具有第一组电极是非均匀的或分段的和所述第二电极组是均匀的，其中所述第一组非均匀电极包括一个环形电极和弱导电层。
[0021]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了一种装置，其中所述动态可控材料是液晶混合物或聚合物复合材料，它对于所述激励场敏感。
[0022]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了一种装置，其中所述液晶混合物或聚合物复合材料包含聚合物稳定的向列液晶层。
[0023]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了一种装置，其中所述液晶混合物层的特征在于以下之一:空间非均匀的液晶单元取向和空间均匀液晶单元取向。
[0024]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了一种装置，其中所述光反射结构为金属反射镜，介电反射镜，多个介电层和一个全内反射界面中的一个。
[0025]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了用于控制反射光的特性的一种可调谐的光学装置，所述装置具有可变的光反射相位曲率，基本上通过电驱动信号控制。
[0026]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了一种可调谐的光学装置，还包括激活的偏振旋转器，其被配置为在光的两种偏振之间进行选择。
[0027]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了用于控制反射光的特性的一种可调谐的光学装置，所述装置具有可变的光反射振幅空间分布，基本上通过电驱动信号控制。
[0028]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了一种可调谐的光学装置，其结合额外的光学器件以在相对方向传播，共同传播和成角度的(如，交叉)传播的几何形状中形成入射和反射光束。
[0029]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了一个至少2个可控的非均匀反光装置和附加光学器件的组合，其包括一个图像传感器，以形成便携式相机中的光学变焦系统、自动聚焦系统和图像稳定系统中的一个。
[0030]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了可控制的非均匀反射装置与额外的光学器件的组合的阵列，诸如折叠透镜，以形成光学变焦系统和自动聚焦系统的一个，其中，所述阵列是下列之一:周期性的，非周期性的，同心的和线性的。
[0031]根据提出的解决方案的另一个方面，提供了一种用于增强视力的隐形眼镜透镜或眼内透镜，该透镜包括:可控制的非均匀反射装置与额外的光学器件的组合的阵列，诸如折叠透镜;具有所述折叠透镜的中央区域上方的第一偏振方向的第一集成偏振层;具有所述折叠透镜的周边区域上方的第二偏振方向的第二集成偏振层;和位于通过所述第一和第二偏振层的入射光的组合光路的集成偏振旋转层，所述偏振旋转层被设置为对应于正常的和缩放的视力的选择，而进行的中央区域视力和周边视力之间进行选择。
[0032]根据提出的解决方案的又一方面，提供了一种透镜，其中，所述非均匀的反射装置的至少一个包含一组在横向平面上的分段电极，其被设置为操纵眼睛内部的反射光，以改变所述眼睛的视网膜上的成像区。
[0033]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了可变光学器件，其中反射光的相位和振幅中的一个被使用布置在交叉取向的两个液晶材料层来控制，从而提供偏振无关的操作。
[0034]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了可变光学器件，其中反射光的相位和振幅中的一个被使用在单一层中的液晶材料和双折射板的组合来控制，从而提供偏振无关的操作。
[0035]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了可控制的非均匀反射装置与至少一个光伏电池的组合的阵列，构造成引导太阳能入射光以补偿太阳的运动。
[0036]根据提出的解决方案的进一步的方面，提供了可控制的非均匀反射装置的阵列，进一步被配置以聚焦所述太阳光入射到所述光伏电池。
【附图说明】
[0037]本发明将通过参照所附的附图详细描述实施例，以更好的理解本发明的实施方式，其中:
[0038]图1A是现有技术的弯曲的固定镜和其反射特性的示意图；
[0039]图1Ba)到IBe)说明了各种现有技术的激光腔结构及相关的激光腔的稳定区域；
[0040]图1C是现有技术的采用MEMS元件和它的反射特性的弯曲可调谐反射镜的示意图；
[0041]图2是现有技术的传统反射式LCD中的动态可变均匀镜的配置的示意图，其使用对多个像素的每一个进行单独控制；
[0042]图3A是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了(在横截面中)动态可变的空间非均匀反射镜构造，其使用了初始均匀可控材料和非均匀激励源；
[0043]图3B示出了用于在图3A中示出的反射镜的动态可控材料的折射率的空间变化的激励源；
[0044]图3C示出了用于在图3A中示出的反射镜的光的相位调制的空间变化的激励源；
[0045]图3D是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了动态可变的空间非均匀反射镜构造，其使用了均匀激励源和非均匀可控材料；
[0046]图4A和4B是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示意性地分别表示了一个动态可变的非均匀液晶镜的操作的几何结构和原理；
[0047]图5A至5G是一个非限制性实施例，示出了用于图4A所示的液晶镜的非均匀的“背面”电极的配置；
[0048]图6是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了使用两层交叉取向的液晶层(LCLs)的一个偏振无关反射镜；
[0049]图7是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了使用一个LCL和四分之一波延迟层的一个偏振无关反射镜；
[0050]图8A和SB是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了一个高透明性和高光学倍率抗性的调谐液晶镜；
[0051]图SC示意性的示出了，正面视图中，根据提出的解决方案的分段环形电极的几何形状；
[0052]图9是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了使用一个共同的浮动导电层的一个偏振无关的LC反射镜，以校正光的波前；
[0053]图1OA是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了偏振相关的LC镜，其使用多个透明同心环形电极12，其中部分通过电阻电桥耦合，其余连接到电源上；
[0054]图1OB是根据所提出的解决方案的图1OA的电极结构12的平面图；
[0055]图1OC是一个分段电极结构12的平面图，其根据提出的解决方案，用于如图1OA和1B中所示用于控制LC调谐镜结构的像差；
[0056]图1IA是不出了所提出的方案的另一实施例的不意图；
[0057]图1IB是不出了所提出的方案的另一实施例的不意图；
[0058]图12A和12B根据提出的解决方案的另一实施例，分别示意性地示出了双极性液晶可调谐反射镜结构的顶视图和剖视图；
[0059]图13根据提出的解决方案的另一实施例，示意性地示出了另一双极性液晶可调谐反射镜的结构；
[0060]图14A是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了一个成角度反射可调谐镜的结构，允许反射光的双通道通过所述可控材料；
[0061]图14B是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了一个成角度反射可调谐镜的结构，允许可变减弱(部分)的或全部的反射光通过所述可控材料；
[0062]图15A至图15C是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示意性地示出了成角度反射可调谐镜的3个可变的组成方式；
[0063]图16A到16E是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示意性地示出了可调谐反射镜的不同的应用；
[0064]图16F是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示意性示出了光学系统的三维透视图，其中使用可调谐反射镜同时提供光学变焦和图像稳定功能；
[0065]图16G是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示意性示出了光学系统，其中使用可调谐反射镜，以提供光源(例如LED，激光等)的光转向和聚焦；
[0066]图16H是根据提出的解决方案的另一个非限制性实施例，示意性示出了光学系统，其中使用可调谐反射镜，以提供入射光(例如来自太阳等)的光转向和聚焦；
[0067]图17是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示意性示出了使用可调谐反射元件以构建一个动态可变的非均匀针孔；
[0068]图18A示意性地示出，部分切开的图示中，“折叠”型透镜的现有技术，和图18B的横截面，根据所提出的解决方案的一个实施例，其中一个或多个可调谐的反射元件被用于构建具有自动聚焦或光学变焦特性的电可变平面成像长焦透镜；
[0069]图19a)至19c)示意性地示出了现有技术中的隐形眼镜，其配置为选择性地提供低光视力增强和/或视力调节功能；
[0070]图20根据提出的解决方案的一个实施例，示意性地示出了配置成提高中心视力的集成可调谐隐形眼镜；
[0071]图21根据提出的解决方案的一个实施例，示意性地示出了配置成重定向入射光到视网膜的可用部分的可调谐隐形眼镜；
[0072]图22根据提出的解决方案的一个实施例，示意性地示出了配置成提供变焦功能的可调谐隐形眼镜；
[0073]图23根据提出的解决方案的一个实施例，示意性地示出了配置成在中央视力和周边视力之间切换的集成可调谐隐形眼镜；
[0074]其中，各个图中类似的特征使用相同的标号。
具体实施例
[0075]所提出的解决方案是涉及降低光通量损耗和降低可变光学反射空间连续(非像素化)装置的成本，该装置是使用一个空间非均匀激励场(电场，磁场，热，声等)或非均匀可控材料层，例如液晶单元或复合聚合物，进行电控制的。这种装置可用于可调谐反射，衍射，转向等。
[0076]与上述讨论的现有技术的解决方案、仅用于传输模式的操作设计不同的是，反射模式的电可控设备根据所提出的方案被描述。采用反射几何允许其使用于更广泛的范围内:激励方法;电极(包括不透光性的)；电磁，声学或热激励源，其中至少一些可以改进控制能力和显著促进它们的制造，同时降低成本。相对于已知的现有技术的电可控反射装置，实现改进的性能和制造优势。例如，在此处描述的某些实施方式中，光路不穿过电极层，其改善了这种装置的(输出)发送和高光学倍率抗性(可靠性)。作为另一示例，通过将一个控制电极结构放置在可调谐反射镜的反射表面的后面，电极，电极的形式，并且电极材料组合物都获得更大的选择余地，可以降低制造的约束。
[0077]为简单起见，下面的描述概括了折射结构，而同样可以使用其它类型的结构(例如，衍射)或更复杂的元件组合。同样地，实施例被描述为使用静态或电光材料，应该理解，其他材料可以用来代替，以获得相同的目标，以降低成本，降低光损失，并且提高了操作的效率。
[0078]图3A是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示意性地示出了一个动态可变的非均匀反射镜几何形状(结构)。镜11几何结构包括动态可控均匀的材料层8，例如，一个均匀的液晶(LC)层，一个反射面9(例如固定镜，全内反射棱镜，电介质多层结构等)和空间非均匀激励场10的源(如电，磁，热，声等)，这是沿X轴在空间上可变的，且是动态可变的。例如，使用这种构造，可以使用两个电极产生在其间的电场以产生反射的梯度场。例如，折射的梯度可以通过使用含有向列液晶的液晶层来提供。两个电极中的一个，所述激励源10，是常见的至少部分地隐藏在反射面9后面(这相对于激励场是至少部分透明的)，例如产生动态可控均匀材料8，例如(向列)液晶层的，非均匀的激励场(线性，圆形或其它类型的梯度场)。单个第二电极在所用的反射面(未示出)的前面被使用，但不一定在光路中，以提供上述的激励场。镜11是可调谐的，如其光反射4的相位曲率一样可调谐(和在一些情况下，反射光的振幅也可调谐)。
[0079]图3B和3C是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示意性地示出了通过空间可变动态激励场，实现LC镜的弯曲相位的操作原理。图3B示出了可控材料(8)的折射率η根据激励源(10)提供激励而产生的空间变化(沿X轴)。激励之前动态可控均匀材料(8)的折射率分布31由虚线示出，而在激励期间，材料(8)的折射率分布71由实线示出。图3C示出了在激励期间入射光束的相位分布3和反射光束4的光相位调制7( △ Φ )。
[0080]可替代地，该激励源产生一个动态可控材料8的均匀激励，在可变的镜面结构上产生反射的梯度，其是空间非均匀的(如透镜)，如图3D所示。按照一个具体的非限制性例子，一个均匀的电场或磁场被施加到使用一个反射面9的空间非均匀LC层，提供了具有相似性能的反射镜11，如图3Α所示，其中所述激励源10是空间上可变的，其中该向列型液晶层取向逐渐变化。空间非均匀动态可控的材料的例子在US7218375，US7667818，US8031323中被描述，所有美国专利均要求优先权为美国临时专利申请60/475，900申请日2003-06-05，所有这些专利文件都通过引用并入本文。一个非限制性的示例为，空间非均匀动态可控材料包括(一层)在聚合物基质中的聚合物稳定向列液晶。
[0081]图4A和4B是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示意性地示出了LC镜和非均匀激励源产生的弯曲相位的动态可变的非均匀LC镜的操作原理。
[0082]在这个例子中，可调谐反射镜11的几何结构(配置)包括一对电极，特别是一个背面电极10，它是空间非均匀(例如具有在X方向上有限程度的在反射镜11的有效工作区域内)，以及正面电极12，它是均匀的和光学透明的。电场的示意图被示出为电场线13。光学镜9相对于激励场(13)的作用是(至少部分)透明的。方向矢量η示出向列液晶长分子轴的平均±取向，r是反射镜的半径。如图4Β所示，反射光束4的相位延迟分布可以在空间上由空间调制矢量η的取向进行调制，这个被电场线吸引和/或排斥。
[0083]图5Α至5G是一个非限制性实施例，示出了背面电极，其可为如图4Α和4Β所示的LC镜结构提供非均匀激励场。图5Α示出了包括空间变化的电阻电极的电极100的正视图(在所述可控材料的平面的平行平面上)。图5Β示出了一个环形14电极100或一个局部15电极(例如如图4Α所示的点电极)的正视图。图5C示出了电极100的侧视图，作为弯曲表面17的凹电极16。在图5D中，在侧视图中示出的电极100，具有平面电极18，其与空间非均匀介质层或半导体19和20相结合。在图5Ε(侧视图)中，背面电极100包括在凹曲面17的凹电极16。在图5F(侧视图)中，背面电极100是弯曲电极16，例如凹面镜。在图5G(正视图)中，背面电极100是对线性交错电极151和152的组合。
[0084]为清楚起见，许多其他类型的激励源10，包括一些在形式上或功能上动态可变的，可以在上述应用中使用。可以肯定，本发明并不限于这些实施例，可以使用其他类型的电极，包括分段电极(图8Β，图8C，图10C)，并置的电极，耦合电极(图12Α，图12Β，图13)等。
[0085]应当指出的是，在LC镜11中，反射器9可以被去除，激励源(“电极”100)它本身可以起到光的反射器的作用(例如，图5Α到5G中元件10，15，16，18)。
[0086]图6是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了两层液晶层的一个偏振无关镜。在这种情况下，利用在光学反射装置11内部的两个交叉(取向位于互相垂直的平面内，并且每个都垂直于法线5)的LC层8和81，由间隔件基板130分离，使得装置形成偏振无关。液晶层81取向方向是垂直于液晶层8的取向方向。
[0087]图7是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了单层液晶层的一个偏振无关镜11。在这种情况下，在单个液晶层8与反射镜层9之间采用了宽频带四分之一波延迟层41。不管在层8的液晶分子取向的取向方向，入射光束2分成:不受影响地穿过液晶层8、射向宽频带四分之一波延迟层41的普通偏振入射光束，和垂直于普通偏振入射光束的特殊偏振光入射光束。当特殊入射光束通过液晶层8、射向四分之一波延迟层41时被空间调制。普通入射光束和特殊的入射光束在入射方向上，通过经过四分之一波延迟层41，被施加四分之一波的相对相位延迟。
[0088]普通入射光束和特殊入射光束都被反射层9反射到一个相应的普通的反射光束和特殊反射光束。当普通的反射光束和特殊反射光束第二次经过四分之一波延迟层41，两个反射光束都受到第二次四分之一波的相对相位延迟。这样形成的整个半波的相对相位延迟引起的结果是每个偏振光束的方向被改变到另一个偏振面，其相对于相应的入射偏振平面(垂直)。经过反射，原始的普通偏振光束第二次穿过液晶层8(作为特殊的偏振光束)，它在空间上由液晶层8调制，而经过反射，原始特殊的偏振光束(作为普通偏振光束)不受影响地第二次穿过液晶层8。这两个空间调制后的反射光束形成了空间调制的反射光束4。更一般的，层41是在第一次和第二次通过LC层8之间、使普通和特殊光束的偏振方向(对应于非偏振光束在第一次通过LC层8时非偏振入射光束的第一分裂)交换的偏振旋转器。
[0089]根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，使用单一的液晶层8与光学反射装置11中的双折射板41提供了偏振无关的操作。双折射板41相对于液晶层8的取向具有一个角度α。它的作用是当第二次通过相同的LC时对光提供改变的偏振(相对于第一次通过，例如被旋转90°);这使得整体设备11的偏振无关的操作。
[0090]图8Α和SB是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了上述LC镜11的重要的替代方案，其提供可调谐相位曲率，其中在光路(接近于ζ轴)中没有电极(12)的材料。示出了可调谐LC镜11具有高透明度和高光学倍率抗性。在这种结构中，入射光束2和反射光束4不经过任何电极(12)层的材料，因此装置11的清晰光学孔径是环形电极12的孔一样大。在一个变型中，双折射板41可以被一个交叉取向的LC层81代替，四分之一波长延迟层或者可以完全被去除(导致形成偏振相关的LC镜11，如果这是可接受的或期望的)。背面电极10可以选择不同的形式，包括如图5Α到5G所示的那些(100)。正面电极12可以形成为一个，两段或多个段，用于倾斜和角度控制的;在图SB中示出两个环形段121和122的一个例子。两个环形段121和122耦合到控制器，可以被配置为不仅聚焦反射光束4，而且使反射光束4转向。图SC在平面图中示出了，分割成小段的正面电极12和引导光转向和图像稳定控制器110，设置为操作可调谐反射镜11，不仅要控制反射光束4的聚焦和转向，而且以校正像差例如彗差，像散等。而如图示出了四个段，但本发明不限于此，六个，八个或更多的段，可以用以提供光学图像稳定和像差控制。一适当的光学图像稳定控制器110响应于通过LC镜11传递的光电场的图像特性，并提供给相应的信号驱动器(未示出)以针对每个段的控制命令。进一步的描述在美国专利申请US2012/0257131，其要求优先权为美国临时专利申请序列号61/289,995，优先权日为2009年12月23日，其全部通过引用并入本文。
[0091 ] 要解决像差(波前)的问题，PCT国际公开W02012/079178，其通过引用并入本文，引入了一个几何结构600，其中一个透明的浮动(未连接)导电层(一般为圆盘的形式)618被引入到一对半LC透镜200的两个交叉取向的LC层8之间(每个半透镜是偏振相关的操作)，在一个偏振无关的可调谐镜几何结构600中使用，如图9所示。浮动导电层618的存在显著改善了(相对于现有技术的设计)使用这样的LC镜600的设备的波前分布和调制传递函数(MTF)t^b夕卜，用于驱动该可调谐反射镜600所需要的独特的控制信号是非常低(功率/信号幅度)和设备600基本上通过频率控制工作。在这种几何结构中，一个弱导电层(WCL)214可以接近液晶层8被使用，以对应于环形电极(ΗΡΕ)12。层101和105对应于在其上制造几何结构的基板。层101可以是电介质。顶部基板105是透明的，而底部基板105可以是在反射表面9的后面(不一定透明)。顶部的“背面”电极10是透明的，例如由铟锡氧化物(ITO)制成，而底部的“背面”电极10可以是金属的，例如高反射的铝，金等，根据设备11(600)的不同的(光频率)频带而选择。如果底部背面电极10是高反射的，则反射层9本身可以省略。每个LC层8的LC分子取向108如图所示，相对于彼此交叉的取向。
[0092]另一种方法也被N.桥本提出来以解决较差的WCL 214的生产重复性和不希望的波阵面像差的问题，“液晶光学元件及其制造方法”中提出的如图1OA所示的可调谐反射镜几何形状700，美国专利号US7619713B2，【公开日】:2009年11月17日。这种几何形状700相对于如图9所示的结构600的基本差异，是没有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702(CRSE)，通过高电阻率的“桥”720相互关联(如图1OA所示的侧视图和图1OB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，需要使用两个小的电压Vl(206)和V2(706)，应用于中心712和外部的环形电极12，(分别)与电极10接地以驱动可调谐反射镜700。再次“背面”电极10可以是金属的，例如高反射的铝，金等，根据设备11(700)的不同的(光频率)频带而选择。如果底部背面电极10是高反射的，则反射层9本身可以省略。图1OC是一个非限制性的分段电极结构12的平面图，用于控制如图1OA和1B中所示的液晶可调谐反射镜11的几何形状700的像差，其中CRSE1712分段(每圈702少于或多于四段可以根据控制的改变而调整。)
[0093]根据所提出的方案的另一实施例，图1lA示出了双液晶透镜偏振无关可调谐LC镜11结构，其采用两个偏振无关的LC透镜，但不限制本发明，例如每个都具有在图1OA中示出的层几何形状700，其中与每个偏振无关的LC透镜对应的LC层8具有相对方向的取向方向
(108)。
[0094]除了使每个偏振无关的LC透镜的光学倍率加倍，整体几何结构还提供了如在美国专利申请公开2011/0090415中描述的光的两个偏振之间影像分裂的减少，其要求优先权为美国临时专利申请61/074,651，优先权日2008-06-06，其全部通过引用并入本文。而如图1IA所示的可调谐LC镜11的几何结构包括双重的LC透镜层状几何形状的厚度加倍，如图1IB所示层叠体整体几何形状的减小是可能的。如图1IB所示，偏振无关的LC镜11层状结构采用了例如如图1OA所示的相同的电极结构，来驱动两个相邻的具有相对取向方向(108)的LC层
8。经摩擦或拉伸的膜1870作为相邻的液晶层8之间的取向层。根据提出的解决方案的另一个实施方案中，影像分裂的减少，也可以通过在一个偏振无关的LC透镜几何结构中的每个偏振相关的LC透镜进行移位来实现，例如图1OA所示，以抵消两个图像之间的偏移，如在PCT国际专利申请公开W02014/138974，申请日为2014年3月12日中描述的，其要求优先权为美国临时专利申请61/800，620，优先权日2013-03-15，其全部通过引用并入本文。
[0095]不限制本发明，在上述实施例中可调谐的LC镜11的光学倍率的可变性是单极的，即或者负光学倍率或正光学倍率。
[0096]在所提出的解决方案的另一个实施例中，采用多个CRSE702的LC调谐反射镜1100的光学倍率调整范围可以通过使用和分割顶部均匀控制电极(UCE)为一个孔状电极(HPE2)1732和一个控制圆盘电极(CDE) 1734，可以基本上被加倍，其中两者可以设于相同基板
(101)表面，如图12A和12B所示，HPE2 1732和CDE 1736也可以设于不同的基板表面，如图13所示。透明间隔层1007用于分隔。进一步的描述在美国专利申请13/371,352中提供，其要求优先权为美国临时专利申请61/441，647，优先权日2011-02-10和国际专利申请W02014/071530，申请日是2013-11-12，要求优先权为美国临时专利申请61/725，021，优先权日2012-11-11，其全部通过引用并入本文。这些几何形状的液晶透镜1100具有双极功能，可以具有由负转变为正的光学倍率，反之亦然。HPE2 1732的直径小于HPEl 12的直径。该驱动方法包括:
[0097]对于正光学倍率的调谐，V_CDE = V_HPE2，均小于V_HPE1 ；
[0098]对于负光学倍率的调谐，V_CDE大于V_HPE1，并且V_HPE2保持浮置或具有偏置电压V_HPE2，且V_HPEI彡 V_HPE2彡 V_CDE。
[0099]应当指出的是，在上述实施例中所示的反射镜的配置，反射器9可去除和底部背面电极10自身可起到反射器9的作用。在使用非均匀电极作为背面电极10的情况下(如图5A至5G中的元件1，15，16，18等)，该电极的电功能和反射的光学功能应彼此和谐(一致)。额外的电介质或半导体材料，或它们的组合可以，至少部分地分离这些功能，使得其执行和使用更容易。例如，这两种功能:光反射和产生非均匀激励场的结合，不限制本发明于此，可以通过使用可以形成一个非均勾电场(13)的凹形金属结构，和一些电介质层可被沉积在凹金属电极进行反射，来实现解耦。
[0100]应当指出的是，在上述结构中，LC材料(及其电光激励)可通过组合的液体或聚合物复合物来代替(伴以热，声或机械激励)，并仍然提供相同的反射镜的性能。
[0101]还应当指出的是，在上述结构中，所用的激励模式(机制)可以是不同的，如电，磁，热，压电，声等。
[0102]图14A是根据提出的解决方案的一个非限制性实施例，示出了一个成角度反射可调谐镜11的结构(配置)。更具体地，其中示出了倾斜入射光的反射器24具有可调谐相位曲率，包括适当的几何参数α1，α2和α3和适当的光学材料(例如折射率)制成的棱柱状主体21;一对调节光学元件22，23;和一个可调谐反射镜结构11相邻于棱柱状结构21的背面。主反射面M位于可调谐反射镜11的动态可控材料(8)的“背面”的后面，使反射光两次穿过该材料(8)。在一个具体的例子，可调谐元件11的背面M(暴露于空气或其它低折射率元件/介质)可以由如本文所述的功能被用作反射面(9)(由机制)，或通过全内反射，除去了用于在元件11的背面使用固定镜(9)的需要。
[0103]在一个变型实施例中，棱镜21本身的表面(在棱镜和可调谐反射镜11的可控材料
(8)之间的界面，如LC或复合聚合物等)可提供全内反射，如图14Β所示。在这种情况下，可控材料(8)的非均匀激励(例如，LC或聚合物层，例如O)放置在棱镜21表面的附近，可以用来产生电可控的非均匀的全内反射。反射区域M实质上是动态可控材料(8)的“进入”的表面，使该反射光逐步渗透到该材料(8)中。这和之前的设置可以提供反射光的空间非均匀和动态可控相位和幅度调制。
[0104]在一个具体的实施方案中，激励的梯度和相应的折射率的梯度是，例如，圆形，(从上面提到的结构的)反射光强度可以在径向方向调制，以提供在反射几何结构中的动态可调谐光圈功能。这是因为全内反射取决于界面M两侧的折射率的差。在一侧非折射率提供反射的非均匀振幅(强度)。
[0105]需要注意的是在图14Α和图14Β中所不两种结构的情况下，液晶层(8)总是可以选择为均匀的，平面的，倾斜的，混合的或LC取向方向(108)为其它设置的。
[0106]图15Α至图15C示出了不同的非限制性实例，具有倾斜入射可调谐反射装置24，241的配置，其具有如图15Α的反向传播25，图15Β的共同传播26和图15C的交叉传播27入射光束2和反射光束4。
[0107]图16Α至16Ε示出了如上所述的可调谐反射设备(11，24)的各种非限制性实施例的应用。例如，这样的可调谐反射装置(11，24)可以用来建立光子(光学)器件。例如，可调谐激光谐振器用于对光束分布28整形，在图16Α中示意性地示出。反射装置11被用来调谐反射光的曲率和/或强度的径向分布。成像系统是另一个例子，其中具有图像传感器或观察板29的可调谐自聚焦(24)成像系统被示意性地示于图16Β。具有可调谐反射器24及241(例如产生交叉传播方向)、图像传感器或被设置在适当的距离30和31的观察平面29组成的光学变焦系统，在图16C中示意性地示出。波导或光纤激光器32在图16D中示意性地示出。并且，用于控制光从输入光纤32反射到输出光纤33的可变光衰减器也在图16E中示意性地示出。(典型地，从SMF28光发散是±6°)可选的光电检测器34可加在部分反射可调谐镜11的背面。
[0108]图16F示出了光学系统的透视图，其中同时提供光学变焦和图像稳定功能。一个“无运动”的光学变焦和图像稳定装置可以通过使用两个可调谐的反射镜24，241集成在反射面BHGC和AIBIFIGI上来实现，相应的反射臂上的每个可调谐反射镜具有如图1OC所示的控制电极(I 2)的形式。输入面是BEFC ο图像传感器29可以在表面DI ClFlGl被集成。可调谐反射镜24，241必须间隔开，且以预定的方式取向，它们(它们中的至少一个)必须使用横向分段电极(151，152)来使光转向。这可以是一个易于组装、无运动、紧凑的光学变焦和防抖装置。可选地，可调谐液晶透镜可加在BEFC或EFGH表面上。
[0109]图16G示出了一光束通过转向光学器件的剖面图。可调谐反射镜11可以用于从一个源，例如一个发光二极管或激光引导光转向。各种操作模式是可能的。原始入射光线(2)可在一个法线的对准方向(4)，倾斜/转向对准方向(4 ’)或具有降低的或增加的发散方向4”，和其他方向被反射。
[0110]图16H示出了一个光源跟踪装置的剖视图，例如用于太阳能聚光器的角度跟踪装置。可调谐反射镜11可以被用于优化光伏太阳能聚光结合反射聚焦和转向功能的操作和成本。
[0111]图17示出一个使用可调谐反射元件而构建一个动态可变反射针孔或光栅的例子。更具体地，示出了一个动态可变的和空间非均匀反射镜使用偏振相关可调谐反射镜11和偏振敏感的光学元件132，诸如各向异性吸收，散射，折射或反射的材料或元件，偏振光束分离器，倾斜或角度修正界面(例如，玻璃板或活性介质的界面等)。镜11的光轴5具有相对于支撑该偏振敏感材料132的各向异性轴线z的预定角度。反射光束4的直径134可相对于入射光束2的直径133可控地减小。相位曲率和幅度/直径都受到影响。
[0112]图18A和18B示出了使用可调谐反射元件11，与折叠状透镜/相机组合来构建，例如，光学自动对焦及/或变焦功能的电可变平面成像远摄透镜系统的一个例子。如图1SBK示，可调谐镜11的阵列可形成折叠透镜的“背”侧。而图18A示出了这样一个折叠透镜的成像应用，但本发明不限于此。相同的折叠透镜示于图18A和图18B可以形成被配置为代替眼睛的天然晶状体、提供增强视力的眼内假体的一部分(例如，视力受损的个体)。可以肯定，环形周边区域222(输入孔)比眼睛的中央瞳孔面积大，因而聚集并递送至视网膜更多的光束。而这样的植入物(假体)将在所有条件下提供更多的光束，但是本发明不限于此:
[0113]图19a)至19c)示意性示出了一个眼睛的隐形眼镜的假体224，
[0114]构造为选择性提供低光增加视觉和/或可伸缩的功能，由E.特伦布莱(Tremblay)等人，在“切换伸缩隐形眼镜”(Switchable Telescopic Contact Lens)，光学快报，第21卷，第13期，第15980-15986页，2013年所公开。中央开口 302被设置为允许入射光304通过的通道，而它通常会通过角膜306并且通过眼睛瞳孔308。值得注意的是，特伦布莱示出和描述的内容并不代表一个作为附加外部开关元件311的可工作的集成解决方案(例如像在3D影院)是必需的，以使图19a)和图19b)的操作之间的切换。
[0115]根据提出的解决方案，图20示出了具有一个环形的可调谐反射镜11和集成偏振器51，71的装置224的协调操作与瞳孔的操作的集成解决方案。瞳孔308具有在充足的光通量(日光)条件下的小直径，和环形可调谐反射镜11可以被用来将周边环形环222上的入射光转移到通过瞳孔308的光304投射到的同一视网膜区域，以增加光通量(对于视觉障碍人士)，以便加强中央视力。如图21所示，相同的几何形状也可以用于将结构周边222上的入射光，从视网膜的损坏部分改向到视网膜的可用部分。在图20和图21中示出这种设计，也可以采用(可变)可调谐环形镜11将入射光222自动聚焦到视网膜上。根据提出的解决方案的实施例的另一实现，环形可调谐镜11使用分段电极(例如参见图SB，图SC和图10C)，能够实现角度转向，例如将入射光222从视网膜的疤痕区域重定向到可用视网膜区域。
[0116]如图22所示，所提出的解决方案的实施中，采用在隐形透镜224的第二环形可调谐反射镜11，可调谐反射镜的组合也可以提供上述的功能外的伸缩变焦功能。
[0117]而在图20至22的实施方式中，入射到装置224的周边222的光被重定向到视网膜，同时光304入射到装置(224)的中心，根据提出的解决方案的另一实施方式中，在所有光路上增加偏振器(51，71)和可切换偏振旋转器(81)(如扭曲向列液晶单元)，以提供中央320和周边420光线(圆环)视力之间的分别单独控制。例如，正交定向的偏振器51和71设置于入射侧，而偏振器61的偏振方向被取向为与偏振器51或偏振器71之一相同。可转换的偏振旋转器81配置成在不工作状态下，光线通过不受影响(没有偏振旋转)，而当用在偏振器61的前面、工作状态下产生90°的偏振旋转。例如，如果偏振器51和61具有相同的偏振取向，如果偏振旋转器81是不工作的，周边420光线被消除，而佩戴者只看到中央光线。当偏振旋转器81是工作的，偏振的90°转动将消除中心320的光线，只允许周边420的光线的传输。
[0118]例如，偏振旋转器81可以在昏暗的光线条件下被激活，当瞳孔308被放大，聚焦和重定向入射到(眼内/隐形眼镜)透镜224的周边环形区域222的光线，投射到视网膜上，因此具有更大的面积，以增强视力。
[0119]可以肯定，在图20至23中所示的几何形状也可以用在一个标准的可透气隐形眼镜224，以盘状和/或离散的环结构(多个)的形式来实现，以使隐形眼镜(224)获得一些气体扩散穿过。
[0120]可以肯定，在图20至23中所示的几何形状也可以在眼内假体置换或增强眼睛的天然晶状体。(未示出的是电源和调节(控制)系统(多个))
[0121]它可以被理解的是，提供这样的集成和独立地操作的可调谐隐形眼镜224和眼内透镜植入(来自许多分立元件)使使用者更好适应，因此可以放宽制造公差。
[0122]可以理解的，不同的材料组分，不同的可控材料层(例如，LC，聚合物，液体，复合材料等)，不同的电极，不同的定向器取向，不同的几何形式等，可以被用于制造相同的器件，其为光波提供〃隐藏〃状态以及为低频电场的提供非常强的介电常数对比度。
[0123]要注意的是上述提出的解决方案的实施例，是出于说明的目的，其他的变型和修改是可能的并且不应该被从权利要求的范围中排除。
[0124]还可以理解的，不同的光学器件可以使用我们上面描述的器件的一个或多个组合来开发。
【主权项】
1.一种可变光学装置，用于控制反射光的属性，该装置包括: 光反射结构； 连续的非像素化动态可控材料层，其包括液晶混合物和聚合物复合材料中的一个;和用于产生激励场作用于感应于所述激励场、具有动态折射率的所述动态可控材料层的激励源， 其中施加到所述激励源的电驱动信号引起所述动态可控材料层的光学特性的变化，以提供光反射的空间可调谐的变化，其具有所希望的相位的曲率和所希望的振幅分布中的至少一个。2.如权利要求1所述的装置，其中所述动态可控材料层是平面的。3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述动态可控材料层具有在空间上可变的折射率。4.如权利要求3所述的装置，其中所述动态可控材料层包括散布在空间上非均匀的聚合物稳定化基质中的向列液晶材料。5.如权利要求1或2所述的装置，其中所述动态可控材料层包括夹在一对取向层之间的向列液晶材料。6.如权利要求5所述的装置，其中所述一对取向层的每个具有一个排列方向，所述一对取向层的取向是互相相同的或互相相反的。7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述激励源包括电极系统，设置为产生所述激励场。8.如权利要求7所述的装置，其中所述电极系统包括布置于所述动态可控材料层的相对的两侧的第一组电极和第二组电极。9.如权利要求7或8所述的装置，其中由所述电极系统产生的所述激励场是空间非均匀的。10.如权利要求9所述的装置，其中所述空间上非均匀的电极系统被设置为形成空间上非均匀的激励场，获取电极系统几何形状的组合的横向电压衰减，和获得相邻的材料的电学和光学性质，而无需采用对多个像素的单独控制。11.如权利要求7至10中任一项所述的装置，其中用于调制所述激励场的所述电驱动信号是随时间变化的，所述电信号具有时变振幅和时变频率中的一个。12.如权利要求8至9中任一项所述的装置，其中所述第一组电极是非均匀的和分段的中的至少一个，而所述第二电极组是均匀的。13.如权利要求12所述的装置，其中所述第一组非均匀电极包括环形电极和弱导电层。14.如权利要求7至13中任一项所述的装置，其中所述激励场是下列之一:电场、磁场和热激励。15.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述激励场包括声学激励。16.如权利要求5至14中任一项所述的装置，其中所述液晶混合物层的特征在于以下之一:空间非均匀的液晶单元取向和空间均匀液晶单元取向。17.如权利要求1至16中任一项所述的装置，其中所述光反射结构为金属反射镜、介电反射镜、多个介电层和全内反射界面中的一个。18.—种可调谐的光学装置，用于控制反射光的特性，所述装置具有可变的光反射相位曲率，基本上通过电驱动信号控制。19.如权利要求19所述的装置，还包括激活的偏振旋转器，其被配置为在光的两种偏振之间进行选择。20.—种可调谐的光学装置，用于控制反射光的特性，所述装置具有可变的光反射振幅空间分布，基本上通过电驱动信号控制。21.如权利要求1至20中任一项所述的装置，其结合额外的光学器件以在相对方向传播，共同传播和成角度的(如，交叉)传播的几何形状中形成入射和反射光束。22.至少两个如权利要求1到21中任一项所述的可控的非均匀反光装置和附加光学器件的组合，其包括图像传感器，以形成便携式相机中的光学变焦系统、自动聚焦系统和图像稳定系统中的一个。23.如权利要求1到21中任一项所述的可控的非均匀反射装置与额外的光学器件的组合的阵列，诸如折叠透镜，以形成光学变焦系统和自动聚焦系统的一个，其中，所述阵列是下列之一:周期性的、非周期性的、同心的和线性的。24.一种用于增强视力的隐形眼镜透镜或眼内透镜，该透镜包括: 如权利要求23所述的可控的非均匀反射装置与额外的光学器件的组合的阵列，诸如折叠透镜； 具有所述折叠透镜的中央区域上方的第一偏振方向的第一集成偏振层； 具有所述折叠透镜的周边区域上方的第二偏振方向的第二集成偏振层;和 位于通过所述第一和第二偏振层的入射光的组合光路的集成偏振旋转层，所述偏振旋转层被设置为对应于正常的和缩放的视力的选择，而进行的中央区域视力和周边视力之间进行选择。25.如权利要求24所述的透镜，其中，所述非均匀的反射装置的至少一个包含一组在横向平面上的分段电极，其被设置为操纵眼睛内部的反射光，以改变所述眼睛的视网膜上的成像区。26.如权利要求7至25中任一项所述的装置，其中，所述激励源包括一对电极，其中之一是反射性的，并为所述装置提供所述光反射面。27.如权利要求1至26中任一项所述的装置，其中，反射光的振幅的期望空间分布也被控制。28.如权利要求1至27中任一项所述的装置，其中反射光的相位和振幅中的一个被布置在交叉取向方向的两个液晶材料层来控制，从而提供偏振无关的操作。29.如权利要求1至27中任一项所述的装置，其中反射光的相位和振幅中的一个被在单一层中的液晶材料和双折射板的组合来控制，从而提供偏振无关的操作。30.如权利要求1到21中任一项所述的可控的非均匀反射装置与至少一个光伏电池的组合的阵列，构造成引导太阳能入射光以补偿太阳的运动。31.如权利要求30所述的阵列，其中进一步被配置以聚焦所述太阳光入射到所述光伏电池。
【文档编号】G02F1/19GK105900000SQ201580004134
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月12日
【发明人】迪格兰·加尔斯蒂安
【申请人】拉瓦勒大学