专利名称：光学元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件，特别涉及包括可变折射系数的流体材料 的光学元件，流体材料尤其但不局限于液晶材料。
背景技术：
具有可变焦距的光学聚焦系统广泛地用在光学系统中。为了避免使 用机械单元改变焦距，已经提出了可变焦距的非机械光学元件，例如液
晶(LC )透镜。
美国专利4，466，703描述了一种具有夹在两个电极之间的液晶(LC )的可变焦距透镜，其中一个电极由多个同心环状电极构成。电源为每 个环形透明电极施加不同的电势并给液晶施加了斜强度分布的电场，由 此导致液晶产生具有透镜作用的折射系数分布。通过改变施加的电场可 以改变所述透镜作用的焦距。然而，这种结构使透镜的制造变得更复杂
另 一种选择是使LC透镜由LC材料的凹层以及设置在连接到电源的 两个电极的之间的固态聚合物材料的相应凸状村底构成，如在美国专利 6，469，683中描述的。这种结构也可以设置成这样，使得使凹形由固体聚 合物材料形成并且对应的凸形由液晶材料形成。通过改变施加在电极之 间的电场强度来改变液晶材料的折射系数，从而改变透镜的焦距。
使用不得不在大焦距范围上操作的液晶透镜所产生的问题在于，液 晶材料从一个焦距到另一焦距的转换速度不能满足例如对照像机的要求 。液晶材料的切换速度与液晶层的厚度有关。实际上，转换速度随着层 的厚度二次方地增加，以致对于5jam的液晶透镜，转换速度通常为 10ms,而对于50pm的液晶透镜转换速度通常为l秒。
美国专利6,469,683也描述了使用菲涅耳透镜结构。这样减小了液晶 层的厚度并且由此改善了液晶材料调节到所期望焦距的响应时间。这些 菲涅耳透镜具有小而深的槽，如果不是不可能，其即使使用金刚石车削 也很难制造。并且，菲涅耳透镜仅仅设计用作特殊的波长。因此，在使 用具有不同波长的光的场合中，例如照相机重的自然光时，不希望使用这 样的透镜。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种具有光轴的光学元件，所述元件包
括具有根据施加场的变化而可变的折射系数的流体材料，其中所述流体
材料设置在第一表面和笫二表面之间，所述第一表面和所述第二表面分 别具有笫一和第二横断剖面，其中以平行于所述光轴测量，跨所述第一表
面，所述第一横断剖面高度变化；
特征在于以平行于所述光轴测量，跨所述第二表面，所述第二横断剖 面高度也变化。
通过使用本发明，以平行于光学元件的光轴测量，跨过流体材料的 层厚的差别能够得以减小。这具有使横跨流体材料的电场更加均匀的优 点，由此使得更加均匀的转换，导致在整个元件表面上具有均匀的折射 系数以及改善流体材料从一个状态到另一状态的转换速度。
转换性能由横跨流体材料层施加的电场的分布确定。对于在电极上 施加的恒定电压，如果横跨流体材料的层厚差别减小，就改善了横跨流 体材料层施加场的均匀性。
并且，通过除菲涅耳透镜之外的装置减小液晶层的厚度，本发明的 光学元件能用在使用具有不同波长的光的场合。并且，通过避免在变化 高度的单个表面上制造菲涅耳透镜的小而深的槽，高度变化的两个模制 表面的使用能用来改善可制造性。
虽然形状不同，第一和第二表面优选地基本上匹配。 一方面，剖面 优选为，在高度上逐渐变化的折射剖面，其通过一个具有在高度上分立 台阶的剖面近似。
从下面本发明的优选实施例的描述，其参考附图，将更加清楚本发明 的进一步的特征和优点，这些实施例仅以示例的方式给出.
图l是根据本发明的光学元件的一个实施例的放大截面图。 图2是根据本发明的光学元件的第二实施例的放大截面图。 图3是根据本发明的光学元件的第三实施例的放大截面图。 图4是根据本发明的光学元件的第四实施例的放大截面图。
具体实施例方式
图1是根据本发明的光学元件的一个实施例的放大截面图。在这个 实施例中，光学元件120包括两个透明板100、 102，以及两个透明电极 114、 116，它们分别设置成垂直于用虚线表示的光轴。电极连接到电源V 并且通过绝缘隔板122、 124结合。两个电极可以由例如氧化铟锡(ITO) 涂层玻璃形成，并且通常通过蒸发或溅射涂敷在透明板100、 102的内侧 面上。光学元件也包括流体材料104，其具有根据在电极之间施加的电压 可变的折射系数，施加的电压优选为AC电压。在这个实施例中，元件 是液晶(LC)透镜，流体材料是液晶材料。薄层材料104夹在第一表面 106和第二表面108之间，其中笫一表面具有透镜形状的第一横断剖面， 即球面或非球面，第二表面具有与第一表面不同的第二横断剖面，其包 括多个台阶。以平行于光轴测量，分别^T跨第一和第二表面，第一和第二 剖面在高度上变化。第二剖面的每个台阶由基本上平行于光轴的第一表 面部分107和基本上垂直于光轴的第二表面部分109形成。优选地，第 二剖面的第一和第二表面部分107、 109分别以最大±20。的公差平行于 和垂直于光轴，甚至更优选的最大公差为± 10° 。以平行于光轴测量，横 跨第二表面，多个台阶具有基本恒定的高度以及减小的宽度.在第一纵 剖面是具有两个或更多半径的非球面透镜剖面的情况下，为了使它们的 高度基本恒定，第二纵剖面的台阶将具有变化的宽度。
以一个或多个模制衬底构成的表面的形式提供第一和第二表面，该 衬底更精确为两个指定并由透明材料优选聚合物材料形成的110和112 。下面将描述形成模制衬底的工艺。
在这个实施例中，在垂直于光轴的衬底110的台阶109的部分上涂 敷对准层(alignment layer)126，也在衬底106的非球面表面上施加对准层 128。对准层确定在材料104中产生的液晶分子取向。对准层例如可以由 聚酰亚胺形成。在使用聚酰亚胺的情况下，在高温(例如90° )下干燥 后溶液可以例如被旋涂和利用织物刮擦。液晶材料104限定在衬底110 和112和它们相关的对准层126和128之间，由此形成薄的LC透镜。
当光束穿过光学元件时，在LC透镜的球面或非球面表面处会发生 折射，然而多个台阶将仅仅对LC透镜的功能起有限的影响。
本发明该实施例的优点在于，由于两个剖面即使形状不同基本上是 匹配的，从LC透镜的中心到LC透镜的外侧液晶厚度的差别不会显著变 化。因此，得到了横跨液晶层的电场更好的均匀性，由此导致更好的转 换速度和更好的转换均匀性，其使光学元件从一个焦距到另一焦距的光 学质量改善。例如如果折射表面是非球面透镜形状的，那么虽然取决于
可变折射系数介质的转换状态，得到的光学形状也应该是类似的形状， 以及不同的光强。
衬底110和112的聚合体可以使用包括单体光聚合的光复制工艺从 分布在模型中的单体分别形成。可以很容易地制造获得衬底形状的模型 形状，优选通过金刚石车削得到。
可以用很多不同的方法进行聚合单体的步骤。 一 个特殊的方法是使 用光聚合工艺。聚合所述单体的步骤包括在电磁辐射中曝光所述单体。 电磁辐射优选为紫外光，并且单体可以包括加速光聚合过程的光引发剂
可替换地，或组合地，为了单体的二次硬化，聚合步骤包括加热单 体到超过30° ，优选超过120° 。需要的具体温度主要取决于所涉及单 体的类型以及所使用的引发剂的类型。
在曝光于电磁辐射和热处理结合的情况下，将单体曝光于电磁辐射 中可以具有设定透镜形状的主要作用，使透镜从其模具释放出来。然而， 使用电磁辐射的单体聚合不可能达到100%,因为单体的凝胶化和/或玻 璃化会减小反应基团的移动性。由此优先采用在所示范围内或高于所示 范围的高温下的二次硬化步骤，以暂时增加移动性并且由此使聚合达到 100%。
然而，当曝光于电磁辐射时，单体可能已经被加热了，聚合期间辐 射引发聚合和热引发的移动性的联立效应对聚合率有协同效应(synergy effect),由此使聚合接近100%。
在光学元件的制造期间，村底110和112被分别模制然后对准.
图2是根据本发明的光学元件的第二实施例的放大截面图。第二实 施例类似于第一实施例，其中光学元件220包括板200和202、两个透明 电极214和216、和夹在第一和第二表面206、 208之间的液晶材料204， 该第一和第二表面206、208具有两个模制村底210和212的表面的形式， 由此形成薄的LC透镜。第一表面206具有为球面或非球面的第一横断剖 面，第二表面208具有与第一表面不同但大致匹配的第二横断剖面，其 包括多个台阶。以平行于光轴测量时，分别横跨第一和第二表面，第一 和第二剖面高度上有变化。然而，在该第二实施例中，第二表面208的 第二表面部分209具有基本上垂直于光轴的透镜横断剖面。
图3是根据本发明的光学元件的第三实施例的放大截面图。第三实
施例与第一实施例类似，其中光学元件320包括板300和302、两个透明 电极314和316、 以及夹在第一和第二表面306和308之间的液晶材料 304,该第一和第二表面306和308具有两个模制衬底310和312的表面 的形式，由此形成薄的LC透镜。然而，在第三实施例中，第一和第二表 面的剖面已经被倒置了，以使第一表面306具有属于球面或非球面的横 断剖面，第二表面308具有包括多个台阶的横断剖面。两个剖面都大致 匹配以使液晶的厚度从中心到LC透镜的外侧不发生显著的变化。
根据图1到图3说明的实施例之一设置的光学元件，当与图象传感 器相关时，例如可用在数字照相机中，以获得可调节焦距或焦平面。并 且，能实现变焦功能。可以组合一个或多个固定焦距透镜使用以在聚焦 功能上提供所希望的可变性。
图4是根据本发明的光学元件的第四实施例的放大截面图。在这个 实施例中，第一表面406是相对于光轴倾斜的平面，然而第二表面408 具有包括多个台阶的横断剖面。液晶材料404夹在第一和笫二表面之间， 该第一和第二表面具有两个模制的村底410和412的表面的形式，由此 形成薄的LC栅格。
以上实施例仅理解为本发明的说明示例。可以设想本发明的其它实 施例。例如，本发明也可以用在需要自适应光学功能的任意应用中。光 学元件可以用在移动电话照相机、密钥环照相机、数码相机、摄像机、 内窥镜、胶嚢内窺镜和关节镜中.也可以使用替换横截剖面，例如与具 有仅一个台阶的剖面匹配的非球面剖面。根据本发明也可以使用其它的 具有可变折射系数的流体材料。例如，可以使用包括带电取代基的分子， 当受到在两个电极之间施加的电势差产生的电流时该取代基会旋转。并 且，当考虑仅对某些极化是可控的极化敏感LC透镜时，可以叠加具有可 变折射系数的流体材料的两个光学元件，其中分子取向垂直。由于所有 的穿过该对的光都会被两个光学元件中的一个并且仅仅一个影响，这样 会产生极化独立的透镜。
应当理解的是任意一个实施例相关描述的任何部件可以单独使用， 或与其它所述步骤结合使用，并且也可以结合其它实施例的一个或多个 部件使用，或结合其它实施例的组合而使用。并且，在不脱离由所述权 利要求限定的本发明范围的情况下，也可以使用以上没有描述的等价物 和修改。
权利要求
1.一种具有光轴的光学元件(120；220；320；420)，所述元件包括具有可变折射系数的流体材料(104；204；304；404)，该折射系数根据所施加场的变化而变化，其中所述流体材料设置在第一表面(106；206；306；406)和第二表面(108；208；308；408)之间，所述第一表面和所述第二表面分别具有第一和第二横断剖面，其中以平行于所述光轴测量，横跨所述第一表面，所述第一横断剖面高度上有变化；其特征在于以平行于所述光轴测量，横跨所述第二表面，所述第二横断剖面也在高度上有变化。
2. 根据权利要求l的光学元件，其中第一和第二剖面是不同的。
3. 根据权利要求1或2的光学元件，其中所述第二表面(108; 208 ;308; 408)具有基本平行于所述光轴的第一表面部分(107; 207; 307 ;407)和基本垂直于所述光轴的第二表面部分(109; 209; 309; 409)， 所述笫一和第二表面部分在所述第二剖面中形成台阶。
4. 根据权利要求3的光学元件，其中所述第二剖面包括多个台阶。
5. 根据权利要求4的光学元件，其中对准层(126; 226; 326; 426)位 于所述台阶的第二表面部分(109; 209; 309; 409)上'
6. 根据权利要求4或5的光学元件，其中所述多个台阶具有基本不 变的高度。
7. 根据权利要求4到6的任一项的光学元件，其中所述多个台阶具 有横跨所述第二表面(108; 208; 308)变化的宽度。
8. 根据权利要求7的光学元件，其中所述多个台阶具有横跨所述第 二表面(108; 208; 308)减小的宽度。
9. 根据前述权利要求的任一项的光学元件，其中所述第一表面(106 ;206; 306)是透镜表面。
10. 根据权利要求1到6的光学元件，其中所述第一表面是相对于所 述光轴倾斜的平面(406)。
11. 根据前述权利要求的任一项的光学元件，包括各垂直于所述光轴 的两个电极(114, 116; 214， 216; 314, 316; 414， 416)，其中通过在 所述电极之间施加电压(V)可改变所述流体材料(104; 204; 304; 404 )的折射系数。
12. 根据前述权利要求的任一项的光学元件，其中所述流体材料(104 ;204; 304; 404)是液晶材料。
13. 根据前述权利要求的任一项的光学元件，其中所述第一和第二表 面具有一个或多个模制村底(110， 112; 210， 212; 310, 312; 410， 412 )的表面的形式。
全文摘要
一种光学元件(120；220；320；420)包括设置在第一表面(106；206；306；406)和第二表面(108；208；308；408)之间并且具有根据施加场的变化可变的折射系数的流体材料(104；204；304；404)。第一表面和所述第二表面具有各自的第一和第二横断剖面，分别跨该第一和第二表面，以平行于光学元件的光轴测量，该第一和第二横断剖面高度变化。
文档编号G02F1/29GK101099111SQ200580046046
公开日2008年1月2日 申请日期2005年12月23日 优先权日2005年1月5日
发明者E·J·K·弗斯特根 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司