专利名称：用于空间调制的电场的生成以及使用液晶的电光调谐的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子可控光学器件，尤其是，涉及一种用于空间非均 匀电场的产生以及其在使用液晶(LC)的折射和衍射光学元件的光学 属性的电光调谐中使用的方法和设备。
背景技术：
在本领域中众所周知的，智能(自调节)光学成像系统的成功实 现需要能够可控地改变它们的光学属性的器件。需要是可调节的最重 要的光学功能之一是聚焦能力和聚焦距离。这些属性对于，例如，制 造高质量的手机照相机，储存/读取系统，可调的接触式玻璃以及其他 的视觉系统来说是基本的。
在现代的高性能光学成像系统中，光学变焦通过机械移动的使用 获得。这意味着那些成像系统相对地大(为了容纳，例如，步进电机)， 重且一般具有较慢的变焦(在秒的数量级)。
若干方法已经被开发出以代替电机械变焦。使用改变孔径的液体 变焦透镜已经被示出H.Ren， S-T Wu， Variable-focus liquid lens by changing aperture, Appl. Phys. Lett" v.86,211107,2005。导电不混溶液 体的电润湿作用也已被用于获得聚焦调谐S.Kuiper, B.H.W.Hendriks，Variable-focus liquid lens for miniature cameras ， Appl.Phys丄etters， V.85，No.7，1128,2004。然而在两种方法中，传递到 单元的可变电压，引起形状的机械改变。因此，即使，如果没有自由 空间明显移动部件，聚焦变化仍然基于机械移动。这是人们非常不期 望的，因为这样的系统的操作对于环境振动和气温改变是脆弱的。 众所周知，液晶可以提供巨大的电子控制折射率改变L.M.Blinov， V.G.Chigrinov， Electrooptic effects in Liquid Crystal Materials, Springer-Verlag,N.Y.459页，1994。然而，聚焦调谐(其为光学变焦 的需要)需要在液晶中空间变化的折射率改变的生成。这，依次地， 通常需要空间非均匀的液晶层(例如，浸没在液晶单元中的透镜或者 梯度聚合物网络稳定的的液晶V.V. Presnyakov， K.E.Asatryan和 T.Galstian, A.Tork， Tunable polymer- stabilized liquid crystal microlens, Optics Express,Vol.lO,No.l7，8月26日，第865-870页，2002)或者空间 地变化电场。
空间非均匀的LC层的示意性表示被示于图la (现有技术)中， L.G.Commander, S.E.Day,D.R.Selviah， Variable focal length microlenses, Optics Communications, V. 177,第157-170页，2000其中
LC层(1)被夹在两个由均匀透明的电极(4)覆盖的透明的玻璃衬底 (2)之间。衬底(2)被厚度为d的被LC填充的空隙分隔。在LC单元 内部，有半球的外形的折射率为iv的透明的光学材料(3) 。 LC的有效 折射率neff (由其定向器n的取向定义，定向器n是长的分子轴的平均方 向)可以通过跨过LC层施加的电压V来相应于iv改变。相对对比度 neff{V)- tim可以因此被改变，导致整个系统的焦距F(V)的改变。然而， LC的取向典型地通过机械摩擦获得，该方法很难在工业制造中应用。 同样，向错线容易出现在电压的施加上。这就是我们为什么不能进一 步分析这些解决方案的原因。
获得非均匀的LC取向的另一个方法是引入稳定的LC矩阵的非均 匀聚合物网络T.Galstian,V.Presniakov, A.Tork,K.Asatryan, Electrically variable focus polymer-stabilized liquid crystal lens,美国专禾U申请公开 20050018127-A1。然而，相对高的光散射(由于小尺寸的非均匀LC 重取向)使得该方法较少引起实际应用的兴趣。
获取空间变化电场的最简单的(不是从制造的观点来看)方法是
使用多重(2个以上)分布在LC单元衬底上的透明电极(例如铟锡氧化
物/ITO)的使用S.T.Kowel， P,G.Kornreich， D.S.Cleverly, Adaptive liquid crystal lens，美国专利4572616，1986(1982年8月申请)以及N.A.Riza， M.C. DeJule, Three-terminal adaptive nematic liquid-crystal lens device, Opt.Lett. 19,第1013-1015页，1994。然而，这种结构的制作需要亚微 米精度，它们的电子驱动需要相当复杂的电子微加工，它们的操作被 光衍射和散射退化了。
平面电极和弯曲电极的组合在参考文献[Liquid Crystal Lens with Spherical Electrode, B.Wang, M.Ye, M.Honma， T.Nose， S.Sato， Jpn丄Appl.Phys.Vo1.41(2002)，第1232-1233页，第2部分，No.llA, ll月 l日中被描述，其允许使用标准(透明的)电极和具有两个平面内表 面的LC单元(图lb，现有技术)。由于被上电极(4)包覆的外部弯曲 表面的几何形状的类透镜形式(31)，因此获得非均匀(中心对称) 电场。事实上，平面LC (1)层被夹在两个玻璃衬底(2)之间。平面 的ITO电极在一个衬底的底(板)表面上被包覆，而第二电极在弯曲区 域(31)的顶部制作。这种结构难于制作，且具有0电压透镜化属性(我 们称其为"0电压作用")，如果意外的电压失败发生，其可以引发问 题。
O电压透镜化可以通过使用额外的聚合物层来消除，所述聚合物层 被置于弯曲的，ITO被包覆的表面之上，并且其具有扁平的上表面H.Ren，Y.H.Fan， S.Gauza, S.T.Wu， Tunable-focus flat liquid crystal spherical lens， Applied Phys丄ett" V.84，No.23,第4789-4791页)。i亥方
法，事实上，允许永久地"隐藏"0电压透镜化效果(提供"0电压无 作用")，而其制作仍复杂且成本高。
类似的解决方案在参考文献US专利6，859，333:H.Ren，Y.H.Fan, S,T. Wu "Adaptive liquid crystal" 2005年2月，2004年1月申请中被描
述，用于衍射的可调谐透镜的制作。这是自适应光学透镜器件，由至
少两个平面衬底以及至少一个同性向列相液晶层(NLC)组成。 一个 平面衬底其中具有球形或环形的环形菲涅耳槽的透明电极，另一个平
面衬底在其内表面上具有被包覆的透明电极。NLC层的厚度是均匀的。 当电压被施加跨过LC层，LC层内的折射率的中心对称的梯度分布发生 了。因此，LC层引起光聚焦。通过控制施加的电压，透镜的焦距连续 的可调谐。
LC单元的扁平内表面容易制作，但外表面的复杂的弯曲的几何形 状以及沉积在这些表面上的电极造成了这些透镜的制作很困难。
各种几何形状的解决方案已经被提出，以避免多重和复杂的电极 的使用。其中之一是基于电极的2维几何形式的使用。例如，洞图形化 的电极在下述参考文献中被使用M.Ye， S.Sato， Jpn丄Appl.Phys.， V.41， (2002), L571;美国专利6，768，536: D.Okuwaki, S.Sato "Liquid crystal microlens " 2004年7月，2002年11月申请以及参考文献B.Wang，M.Ye，S.Sato,Liquid-crystal lens with stacked structure of liquid-crystal layers, Optics Communications, 250(2005),第266-273页。 该方法的基本思路在图2a(现有技术)中被描述。这是相当标准的单元， 其带有被夹在两个衬底(2)之间的LC (1)， 一个衬底(底下的那个) 被ITO (4)包覆。然而，在上电极(41)中有一个洞(5)。在(4) 和(41)之间的电压的施加生成中心对称的电场(42)，其以空间非 均匀(中心对称)方式重取向LC的定向器n。这，依次地，生成具有在
空间X中相应的形式的neff(V，X)。该结构的主要缺点是必须使用非常厚的
LC层(大的d)以能够在LC层中获得期望的电场的空间外形，并保持 透镜的好的光学质量(尤其是避免光学像差)。
该方法的改进版本(B.Wang，M.Ye,S.Sato,Liquid-crystal lens with stacked structure of liquid-crystal layers, Optics Communications,250(2005),第266-273页，见图2b，现有技术)包括多 重透明衬底(2)，提供在上衬底(40)的下表面和下衬底(4)的上表面的均匀的透明电极对。带有圆洞(5)的中间电极(41)被引入到 这些电极(4)之间。为了获得一个可以接受的类透镜的折射率梯度(为 了低像差)和自由向错LC重取向，洞图形化的电极(41)与均匀电极4 之间的距离必须大于500-1300um (对于直径4-5mm的透镜)，其导致 高电压的必要性。当第一高的和固定的辅助电压Vo (在150V的数量级) 时，LC生成类透镜的结构，然后控制电压Ve (在175V的数量级)同时 被施加(分别在电极4和电极40以及电极4和41之间)。然后，在一定 的最优延迟T之后，控制电压Ve减小到期望值)。所需要的高电压和复 杂的动态使得该方法在实际中非常难实现。基于同样的方法的复杂的 多重单元的解决方案增加了制造成本和驱动复杂性。
被称为"模态控制"的液晶透镜在以下参考文献中被示出A.F.Naumov, M.Yu丄oktev, I.R.Guralnik， G.Vdovin, "Liquid-crystal adaptive lenses with modal control，， ，Opt丄ett.23,第992-994页，1998; G.D丄ove,A.F.Naumov， " Modalliquidcrystallenses " ， Liq.Cryst.Today，lO(l)， 第 l-4 页 ， 2000 ;
M.Yu丄oktev,V.N.Belopukhov，F.L.Vladimirov, G.V.Vdovin, G.D丄ove, A.F.Naumov，Wave front control systems based on modal liquid crystal lenses,， Review of Scientific Instruments, V.71,No.9,第3290曙3297页，
(2000).。高电阻环形电极(40)在这里被使用(图2c，现有技术) 与之前的洞图形化电极形成对比。电压被施加在下衬底的均匀电极(4) 和上衬底的环形电极(40)之间。由于由高电阻电极(40)和LC层(1) 形成的复杂的阻抗，跨过单元的均方根电压(和相应的控制场(42) 和(43))的分布是中心对称但是不均匀的(其中心和电极40的中心 重合)。场(42)和(43)通过贝塞尔函数描述，电压光阻依赖性近 似地是反对数函数。该方法的问题是高电阻电极(40)的强的光吸收， 光学像差(由于，如果任意大小和相位的电压被施加到所述单元，那 么最终的相位分布将远离抛物线)和电控制的复杂性(电压和频率)。
与所有之前的例子相反(其中非均匀电场是通过被弯曲的或洞图
形化的电极的几何形式的使用或者通过阻抗诱导梯度获得的)，提出 了漂亮的解决方案，其在低频(例如，1kHz)电场(此处称为"DC" 以标记驱动电场)使用材料的介电常数&c的梯度。g卩，中间层(3) 被插入到两个控制电极(4)之间以生成期望的驱动电场的梯度
B.Wang，M.Ye，S.Sato，Lens of electrically controllable focal length made by a glass lens and liquid crystal layers, Applied Optics，V.43,No.l7,第 3420-3425页，2004.，图3 (现有技术)。事实上中间层(3)由玻璃
(s(s) r)组成，并且具有空间非均匀厚度。中间空间的保留部分(7) 被空气^V^填满。由于中间介质的介电常数的非均匀，卢V^^c， 低频电压(通过电极4)的施加在LC单元内部生成空间非均匀电场。在 所述单元的中间部分的电场43将因此与接近边界的电场42不同(较 弱)。在图3 (现有技术)所示的特殊情况中，两个LC单元被用来增强 效果。该方法的优点是期望的空间形式(梯度)可以通过适当形式(例 如透镜)的中间材料的使用来获得。
然而，3个主要的问题在该方法中仍然需要解决。其中之一是固有 的0电压透镜化效果("0电压作用")。第二个问题是涉及具有多重 抗反射包覆来避免这种几何形状的的高光损失的必要性，所述高光损 失是由于在多个玻璃-空气表面上的菲涅尔折射(由于在光学频率下， 折射率非常不同，玻璃 ^L5，空气"。al)造成的。最终，因为最大 可实现的^g、c (其依赖于玻璃的类型可以在3.8到14.5之间变化)和 浐、cd (事实上，可以使用高n材料的透镜，但是将生成严重的菲涅 尔损失)之间的对比度，电场的可实现的对比度(以及neff(V,X)的对比 度)是严重受限制的。
因此，低损失，有效的和电子可调焦光学器件仍然是迫切需要的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法和设备用于使用均匀电极和 平面的(标准的)LC单元产生空间非均匀电场，以及其使用液晶(LC)
生成折射和衍射光学元件的聚焦属性的电光调谐的使用，其中，所述 器件具有低损耗，且简单的结构和/或制造。在一些实施例中，提供了 用于产生这些具有有效的控制并允许"0电压无作用"的操作器件的方 法和设备。
在本发明的第一方面中，我们提出一种体系结构，其第一眼，看 上去是不合逻辑的。为了示出我们的命题的创造性，我们仅作为实例 将使用之前的如图4)的几何形状。
我们提出(在实验中实现我们的建议，见后)用特定的材料(71)
填充剩余空间(在LC单元和中间玻璃3之间)。这样的材料的例子可以 是带有低频介电常数^ c和高(光学的)频折射率ns的水基溶液。在
本领域中众所周知，由于特定的偶极分子特性，水有巨大的^ c (数
量级为78)，同时，相当低的ns (数量级为1.33)。因此，通过使用具 有"(3)="$的中间材料，还可以提供"0电压无作用"属性。这种材料的
例子可以是适当的几何形状形式和尺寸的(见后)含氟聚合物(典型 地具有非常低的np)。因此，在光学频率上，将有提供"0电压无作用" 的平面的均匀性。此外，将没有额外的菲涅尔折射和光学损耗。同时， 在低频场(用于控制)将有超出一般的大的介电常数的对比度。
本发明的进一步的特征和优点将通过下面的结合附图的详细说明 变得明显，其中
图la示意性示出现有技术中使用非均匀LC层的可调谐透镜的主要
元件；
图lb示意性地示出现有技术中使用均匀LC层的可调谐透镜的主 要元件，而非均匀外部衬底带有O电压透镜化效果；
图2a，2b，2c示意性地示出现有技术中使用均匀LC层和均匀衬底的 可调谐透镜的主要元件，而非均匀洞图形化的(a) 2个和(b) 3个控制 电极以及(c)圆形控制电极；
图3示意性地示出现有技术中使用均匀LC层和均匀衬底的可调谐 透镜的主要元件，而非均匀中间物体(电极之间)用于产生低频介电 常数的梯度；
图4A示意性地示出隐藏结构(a)以及可调谐透镜(b)中的主要 元件，所述隐藏结构允许空间的非均匀电场的生成，所述可调谐透镜 使用均匀LC层和均匀衬底，允许高效，"0电压无作用"以及低损失操 作。
图4B示出复杂的，非球面形状的隐藏层。
图4C示出具有带有核心透镜结构以及周围液体电场调制层的可变 聚焦液晶透镜，所述周围液体导致电场线的取向朝向透镜的中间。
图4D示出具有带有核心透镜结构以及周围液体电场调制层的可变 聚焦液晶透镜，所述周围液体导致电场线的取向离开透镜的中间。
图5示出构建起来以显示图4所示的可调谐透镜的实验样品的主要元件。
图6A示出使用图5的样品实验地获得分子重取向的空间非均匀延迟。
图6B示意性地示出作为电压的函数的液晶取向的改变导致相应的 光功率的改变。
图6C示出作为电压函数的可调谐透镜的光功率的图表，图形地表 达图6B的信息。
图7示出使用图5的样品，在3个所选电压0， 17.4和67V，实验地获 得空间非均匀相位延迟环的显微照相。
图8示出使用图5的样品，实验地获取图像平面的位移的照相。 图9示意性地示出使用均匀LC层和均匀电极，而有衍射中间物体
的可调谐衍射透镜的主要元件；
图IO示意性地示出使用均匀LC层和均匀电极，而还有非均匀中间
物体的可调谐光束转向器件的主要元件；
图11示意性地示出使用两个均匀LC层和置于均匀电极之间的中
间非均匀元件的偏振不灵敏的可调谐透镜的主要元件；
图12示意性地示出进行光束转向和可变聚焦的透镜系统的主要元
件；
图13示出依据本发明的一个实施例的整合可变聚焦液晶透镜的移
动电话的侧面剖视图，其中所述照相机系统的CCD或CMOS成像芯片安 装在电路板上，并且所述液晶透镜，其它的固定透镜和外部外壳被显 示；以及
图14示出根据图13的包括可调谐液晶透镜的移动电话。
具体实施例方式
本发明提供一种方法用于通过均匀电极来生成空间非均匀电场， 以及使用该方法用于控制光的传播的器件。本发明的器件可以用于可 调谐的聚焦，衍射，转向等。
为了简洁起见，下面的描述关注简单的折射和衍射结构，而其他 类型的结构和更复杂的元件的组合可以同样被使用。类似地，使用静 态或电光材料的实施例将被说明，应理解其它材料可以被替代地使用 以获得同样的目标，即低损失，高效操作，在一些实施例中，还有"0 电压无作用"属性。
参考图la，我们示出了现有技术的透镜，其中LC(1)被夹在两个 带有透明电极(4)的玻璃衬底(2)之间。非均匀外形元件(3)被陷 在LC层中以获得器件折射率的空间均匀调制。我们相信很难产生并控 制这样一个可调透镜。
参考图lb，我们示出了现有技术的透镜，其中LC (1)被夹在两 个带有透明电极(4)的玻璃衬底(2)之间。与之前的情况相反，这 里使用了均匀的LC层。然而非均匀外形元件(31)在上衬底上被使用， 其被沉积在弯曲表面(31)上的透明电极覆盖。这允许获得所述器件 的折射率的空间均匀调制。然而，我们相信很难产生并控制这样一个 可调透镜，而且，除此之外，这样的器件有强制性的"0电压作用"操 作。
参考图2a，'我们示出了现有技术的透镜，其中均匀的LC层(1)被 夹在两个被以距离d分隔的玻璃衬底(2)之间。两个透明电极被使用 来驱动所述器件。下电极(4)是均匀的，而上电极(41)在直径(5) 中间有一个洞。均匀的和非均匀的电极的组合允许生成空间非均匀电 场，所述空间非均匀电场在边界(42)与在单元的中间部分(43)是 不同的。这生成了相应的空间非均匀定向器重取向以及光聚焦。然而 为了避免强的像差，非常厚的LC层必须被使用，其显著地增加了驱动 电压和开关时间(IO秒钟)。
参考图2b，我们示出了现有技术的透镜，其中之前的方法(图2a) 被修改，以避免厚LC层的使用。额外的均匀电极(40)被用于在洞图 形化的电极(41)的顶部上。这些电极由额外的中间玻璃层(2)彼此 隔离。同样地，额外的玻璃层厚度(6)在洞图形化的电极(41)和LC 层(1)之间被引入，这在所述LC层中提供了所需要的场的形式。然而， 为了避免强的向错，非常复杂的动态激励被使用(首先在电极(4)和 (41)之间施加电压，然后在电极(4)和(40)之间施加另一个张力)。 这强烈地复杂化了控制电路，并且所需的电压非常高U50 170V)。
参考图2c，我们示出了现有技术的透镜，其中LC(1)被夹在两个 带有透明电极(4)和(40)的玻璃衬底(2)之间。该方法的特殊之 处在于带有直径(5)的上电极(4)的圆形式(与之前情况中使用的 洞图形化的电极相反)。同样地，高电阻材料和电极(40)的参数被 选择以提供(与LC层(1)组合)强的电阻抗，所述强的电阻抗强烈地 削弱LC (1)层中的电场，并在外围(42)场和中心(43)场之间引入 强烈的差。这生成了空间非均匀LC重取向和光聚焦。这样的器件由于 高电阻上电极，其控制(频率和振幅)非常难，且光损失非常高。
参考图3，我们示出了现有技术的透镜，其中使用均匀的LC层(1) 和沉积在上下衬底(2)的均匀电极(4)呈现可调谐透镜。中间的类
透镜的玻璃结构(3)以及带有空气(7)的自由空间，其通过中间衬
底(2)与LC层(1)分隔。均匀电极(4)之间的电压的施加生成了与器 件的外围(42)和中心部分(43)不同的电场，因此生成非均匀定向 器重取向和光聚焦。
该方法有若干缺点。首先，当有意料不到的施加的电压失败时， 它是透镜化效应("0电压作用")。这涉及不可避免的玻璃透镜(3) 和空气(7)之间的对比度，这需要在LC层(1)中生成非均匀电场。
该方法的第二个缺点是菲涅尔折射损失。这需要在层(3)的上表 面上以及中间衬底(2)的下表面使用抗折射的涂层，这无论如何都将 增加生产成本。
该方法的第三个缺点是所述电场受限制的空间调制。这是因为玻 璃/空气介电常数比率非常受限制(通常是^)Dc/fWzxr")。因此，为 了获得强的电场空间调制，玻璃(3)的剖面必须是强烈弯曲的，这使 得第一个问题更加严重。
在一些实施例中，我们提出允许我们获得没有上述三个缺点的器 件的材料组合。为了成功，我们使用材料介电常数M衣赖于电场频率v 的基本属性。
让我们首先分析之前的现有技术透镜的操作，还有这种方法的缺 点的源头。由于在低频电场(v 0.5-100kHz,由标记"DC"表示)中 玻璃和空气的介电常数差异(s(g)DC*s( 0 ，获得非均匀电场。事实 上，之前的方法的第三个缺点是相对小的比率s(^c/^ c (在低驱动 频率下)。同时，之前方法的第一和第二缺点的源头在于下述事实， 在高(光的)频下玻璃和水的介电极化率(被简单地标记为^、'和 ￡(。；)非常不同。
然而，依赖于材料的特性(电介质，半导体，金属)及其几何形 式的依赖性e(v)可以有不同的形式。我们因此提出找到材料(3)和(7) 的组合来解决上述提到的全部三个缺点。
因此，在本发明的第一个实施例中，如图4A所示，我们提出(并 在实验中实现了我们的建议，见后)隐藏结构，其是光学均匀的，但
是对于用于驱动LC取向的低频电场是强烈的不均匀的。事实上，材料 3和71特定地被选择，以允许当被插入在两个不同电势的均匀电极4 之间(图4A)时，强烈地聚焦，而没有电压情况下则没有聚焦属性。 使用图4A的隐藏结构的效果是用特定的材料(71)填充剩余的空气空 间(在图4A的LC单元和中间玻璃(3)之间)。这样的材料的例子 可以是带有特定的低频介电常数s( c和高(光的)频介电常数^)—的 水基溶液(让我们回忆该材料的光折射率被定义为ns=[^)。p']°5)。由 于非常独特的偶极分子特性，水有巨大的fW^ (数量级为78)，同时， 很低的ns (数量级为1.3)。
因此，通过使用(如元件(71))水基溶液(f( c"8， ns 1.3)
和具有非常低的光折射率n^和s(3)。c:的中间材料(3)的组合，我们可
以解决全部三个问题。这样的材料的例子可以是含氟聚合物(典型地
具有非常低值的np。产1.3， ^)dc*3)。因此，在光学频率下，由于对
于光波(np。，ns)，结构(3)被"隐藏"，所以将有平面的均匀性和
0电压非透镜化。此外，将没有额外的菲涅尔折射和光损失(npQl ns)。
同时，在低频场将有超出寻常的大的介电常数的对比度 s")dc-^° c 75 (与之前的情况一)dc-s( c《5.53相反)。这种对比
度将允许容易地生成空间非均匀电场以及LC定向器的重取向，其中 LC定向器的重取向当仅需要时，才被要求聚焦光波。
将了解，水只是唯一的有高低频介电常数的液体的例子。 一般的 极性液体和凝胶有高的介电值。甘油被发现是所期望的，由于其在可 见光谱中是透明的，且其在很宽的温度范围内保留液体状态，同时具
有期望的折射率值。
在一些实施例中，0电压透镜化是所期望的，且Ilp。一lV例如，
是成像光学的部分的固定透镜，能够通过(3)和(71)的组合而被提 供。在这种情况下，它还可能将结构(3)整合到中间玻璃层(2)中去。
在一些实施例中，电场可以适当的在强度上被调制，并且通过电
场调制层(3， 71)的设计而取向。图4B示出了具有复杂的，非球面 的形状的隐藏层。在图4C中， 一个可变聚焦液晶透镜具有带有核心 透镜结构和周围液体的电场调制层，其中所述周围液体由于7 1的低 介电常数和3的高介电常数，导致电场线的取向朝向透镜中心。而在 图4 D中，所述可变聚焦液晶透镜具有带有核心透镜结构和周围液体 的电场调制层，其中所述周围液体由于7 l的低介电常数和3的高介 电常数，导致电场线的方向离开透镜中心。将了解，如果7 l的介电 常数远大于3的介电常数，那么图4 D中的实施例中的电的整个外形 将更好，就像在图4 C中的。
参考图5，我们示出了这样的可调谐透镜的具体的实例，其遵循 上述的方法被构建，并且使用了水作为材料(71)，并且聚合物可 以是含氟聚合物或者任何其它匹配所述液体的折射率的且具有与元件 (3)的低频介电常数非常不同的介电常数的材料。
图5的平面结构是优点有很多原因。如本领域众公知的，包含液 晶且组成液晶层的扁平的透明的板是简单的以准备接收液晶。由于液 晶响应电场，当电极之间的距离较小时，电场较大，扁平的几何形状 在保持结构紧凑中可以是有用的。在一些实施例中，透明板之一可以 被整合到邻接电场调制层的部件中。
当具有"隐藏结构"，即提供光学折射率的电场调制层(3， 7
1 )，在很多情况下都是期望的时，将了解，令电场调制层提供一些 级别的光传播的静态控制也能够是优点，例如，透镜系统中的一些聚 焦功率。在这些情况下，可以有在共同形成电场调制层的两种材料之 间的折射率差，或者具有被组合到所述光学系统中的一些光学属性或 效果的单独的材料之间的折射率差。
在单一材料的情况下，所述材料是极性液体或凝胶，所述液体或 凝胶在光包络中被封装。例如，甘油的水泡可以提供期望的电场的形 状，并且其在形成图像上的光学效果可以被补偿/整合到整个透镜系 统中，即其它的透镜部件可以补充水泡的光学成像效果以在图像平面 中提供正确的图像。
还存在其它类型的固体材料，可以被利用，用于调制所述电场。 众所周知，不同的高介电常数陶瓷材料，诸如钙钛矿(钛酸锶钡)，
基于(Ba,Sr) Ti03或者基于CaCu3Ti4012或者(Li，Ti)掺杂NiO或者 Cai—xLaxMnO3(x<=0.03)的薄膜或者陶瓷聚合物纳米复合材料等具有低 频介电常数值103到106的材料。这样的材料可以被单独作为固体，或 者作为透明塑料，凝胶或液体的添加剂使用，来获得期望的高介电常 数材料。当单独使用时，获得电场的显著调制所需要的厚度是最小的， 因此，聚焦(或者像差)效果可以是最小的或者可忽略的。
图6A示出了通过使用上述透镜获得的实验数据。可调谐透镜(带 有定向器被取向在45度)被置于交叉的偏光器和分析器之间，其中偏 光器和分析器被分别地取向在在水平方向和垂直方向上。均匀电压的 施加产生了 LC层中的空间非均匀电场，因此生成相应的定向器重取 向。该重取向通过探针束(小直径)被检测，其在透镜中心部分(表 示为"没有水"，虚线曲线，图6A)测试重取向，然后在外围部分(表 示为"有水"，实线曲线，图6A)测试重取向。如能看到的，LC的 重取向在空间中是强烈非均匀的。
图6B示出了电场变化在液晶取向上的效果，以及在可变焦透镜情 况下光功率上因而产生的效果。如能看到的，随着电压从0增加，电 场引起在透镜的图像形成部分上的取向中的空间可变的改变。然而， 在一定的电压下，在所述透镜的中心部分，获得了液晶的取向的完全 改变，电压的进一步提高只引起饱和，并且随着电压的持续升高，透 镜最终丢失了，因为整个图像形成部分到达了在方向上的完全改变并
且这样到达了用于折射率的相同值。图形地，在图6C中示出了作为电
压的函数的绘出的光功率。
在图7中表现了获得的LC重取向的圆形对称特性，其中，呈现 了依赖于所提供的电压的环形结构。每个环对应LC层中的在寻常"o" 波和非寻常"e"波传播之间的2"差分相移。因此，环随电压的演化 显示了 LC层的非寻常的折射率ne的有效的空间曲率的演化。
图8示出了图像平面的电子的可调谐位移。所述光学系统由被校 准的白光，固定透镜和图5中的所述可调谐透镜组成。
在本发明的另一个实施例中，参考图9，我们示意地示出使用在 本发明中提出的基本原理的可调谐衍射结构，所述结构由两个材料系 统的组合组成， 一个材料系统(3)带有特定的几何形式以及包含第一 个材料系统的另一个材料系统(71)。在本情况中，元件3具有空间 的周期的形式。它可以是平面周期的或者圆形周期的形式，提供例如， 可切换的菲涅尔透镜操作。均匀电压对所述均匀电极(4)的施加将在 所述LC层(1)中生成周期调制的电场。这生成周期地调制的定向器 重取向以及衍射结构的形成。
在本发明的一个实施例中，衍射结构可以具有对称正弦，正方形 或三角形剖面，也可以具有不对称的(例如，倾斜的和不对称的，诸 如"闪耀"光栅)剖面，以提供不对称的衍射图形。
在本发明的另一个实施例中，参考图10，中间结构(3)可以具 有空间非均匀性，不对称除了非周期形式，诸如，线性或非线性改变 厚度(例如，楔形)。在这种情况下，到电极(4)的均匀电压的施加 将生成一个空间非均匀电场(通过结构(3)的所述几何形式影响)， 所述非均匀电场将生成一个相应的空间中的折射率变化。这将提供一 个电的可变的光的传播。在楔形结构的情况下，电压的施加将生成LC
层(1)的空间改变折射率调制，其将允许获得可调谐楔形以及相应的
可调谐光束偏离(转向)。以这种方式，光束8将偏离进入依赖于施 加的电压的光束(81)。
仍然在本发明的另一个实施例中，参考图11，两个元件(3) + (71) 组合的同样的原理可以被用于获得偏振独立器件。因此，另一个LC层
(11)可以被用于添加到第一 LC层(1)上，以这种方式使这些层的 定向器交叉(例如，所述层(1)的定向器在图的平面内，而层(11) 的定向器垂直于所述平面)。所述组合结构被插入到两个层(1 )和(11 ) 之间。在制造中，它可以简单地被夹在两个LC单元之间，每个LC单 元只具有一个电极；例如，只有一个电极(4)沉积在较高的单元的上 衬底的底部，另一个电极(41)在较低的单元的下衬底的顶部。结构
(3)的形式(如(51)示意地表现)可以是空间非均匀的，对称的， 周期的等。以这种方式，电极(4)和(41)之间的电压的施加将在较 高的和较低的LC单元中都生成空间非均匀电场(通过形式(51)影响)。 这，依次，将生成定向器重取向以及在两个交叉的方向上相应的折射 率改变，因此影响两者的光学偏振。
在上述情况中，材料组分元件(3)和(71)可以以用于获得对于 高(光的)频波获取空间均匀组合结构(3) + (71)的方式而被选择。 结构(3)在这种情况下因此被"隐藏"。显然，器件的其余部分(玻 璃衬底(2) ， LC层(1)和电极(4)也可以被选择以被横向统一)。 在这种情况下，整个器件将表现为没有光偏离或聚焦("O电压无作用") 的空间(横向，如果需要，也可以是纵向)均匀器件。
同时，为了一些特定的应用，材料组分的选择和形式可以以一种 对于0电压情况("0电压作用")获取特定光学功能(透镜化，衍射， 偏离等)的方式来进行，其中0电压的情况可以随后通过施加电压来 修改。
图12示意地说明了进行光束转向和可变聚焦两个操作的透镜系 统的主要元件。透镜10是可变聚焦的，透镜12是折射的，可变转向
光学器件，而透镜14是在一个单独的步骤中以固定角度改变转向的衍
射转向器件(它是工作状态或者非工作状态的)。将了解，对于所期 望的不同方向和范围，云台全方位(上下，左右)移动及镜头变倍变
焦(PTZ)照相机透镜系统可以通过组合这样的可调谐光学器件来获得。
衍射器件能够在光功率或转向角度上提供显著的改变，而折射器件是
可调的。整个透镜系统厚度可以通过在LC层之间共享电极和/或透明 板来减少。
图13示出了一个结合照相机和透镜组件15的移动或蜂窝电话的 分解图。可调LC透镜IO被整合到固定透镜光学系统组件中。图14示 出了在移动电话中的组件15。
只有本器件的电控制机制被详细地描述。然而，同样的原理可以 被用于其他的激励机制中(例如磁，热等)，同样地来驱动器件或改
变其属性。例如，仍然在本发明的另一个实施方式中，加热(通过单 元电极或通过额外的装置生成的)可以用于改变组合结构(3) + (71) 的材料属性，使它在0电压情况下"隐藏"或"显示"。例如，两种 材料(3)和(71)的折射率温度变化系数dn/dT可以通过下述方式被 选择，即在一个给定温度To下，它们的折射率是相等的n3=n71，然而 如果条件dn3/dT=dn71/dT不能被满足，对于其它温度将不是这种情况，。 因此，通过所述材料的适当的选择，我们能够通过简单的加热控制隐 藏条件。这可以允许额外的透镜化效果的产生，例如，控制整个透镜
的像差。
读者可了解，不同的材料组分，不同的LC层，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， 在本发明中所声明的有作为关键元件的元件(3)和(71)的组合，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。
读者还可了解，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。
上文描述的本发明的实施例仅意在于示例。本发明的范围从而意 在通过所附的权利要求书的范围单独地限制。
权利要求
1. 一种用于控制光的传播的可变光学器件，所述光学器件包括液晶层；电极，被布置以生成作用在所述液晶层上的电场；以及电场调制层，被布置在所述电极之间，并邻近所述液晶层，用于以控制经过所述光学器件的光的传播的方式空间调制所述电场；其特征在于所述电场调制层包括下列之一基本上空间均匀的光学折射率；极性液体或凝胶；以及很高的低频介电常数的材料，所述材料具有大于20，优选地大于1000的介电常数。
2. 如权利要求l所述的器件，其中所述调制层包括具有第一低频 介电常数的固体，所述固体的形状被选择以给予期望的所述电场的调 帝IJ，以及围绕或邻接所述固体的第二低频介电常数材料，使得所述固 体和所述第二材料形成几何构型层。
3. 如权利要求2所述的器件，其中所述电场调制层包括基本上空 间均匀的光学折射率。
4. 如权利要求2或3所述的器件，其中所述第二材料是极性液体或 凝胶。
5. 如权利要求4所述的器件，其中所述极性液体或凝胶是甘油。
6. 如权利要求1至5中任一权利要求所述的器件，其中所述液晶层 具有带有两个包含液晶的透明板的平面几何形状。
7. 如权利要求6所述的器件，其中所述电场调制层具有至少一个 与所述板之一整合的部件。
8. 如权利要求1至7中任一权利要求所述的器件，其中所述液晶层 改变其作为所述电场的函数的折射率。
9. 如权利要求8所述的器件，其中所述电场调制层提供所述电场的周期空间阶梯调制，使得所述器件是衍射光学器件，其可控制在工 作状态和非工作状态下。
10. 如权利要求8所述的器件，其中所述电场调制层提供所述电场 的周期空间可变调制，使得所述器件是一种可变地可调谐的折射光学 器件。
11. 如权利要求IO所述的器件，其中所述器件是可变聚焦透镜。
12. 如权利要求IO所述的器件，其中所述器件是光束转向器件。
13. 如权利要求IO所述的器件，其中所述器件既是可变聚焦透镜 也是光束转向器件。
14. 如权利要求1-13中任一权利要求所述的器件，其中所述器件 包括至少两个具有不同偏振的所述液晶层，使得光传播的控制具有最 小偏振依赖性。
15. 如权利要求1-14中任一权利要求所述的器件，其中所述电场 调制层具有固定的低频电介质的空间分布，而所述电场通过调制施加 到所述电极的电压而被调制。
16. —种具有包括成像透镜的照相机的移动电话，其特征在于， 所述成像透镜包括如权利要求1-15中任一权利要求所述的可变光学器件。
全文摘要
一种用于控制光传播的可变光学器件具有液晶层(1)，被布置的电极(4)以生成作用于所述液晶层上的电场，以及被布置在所述电极之间并且邻近所述液晶层的电场调制层(3，71)，用于以控制经过所述光学器件的光的传播的方式空间调制所述电场。所述电场调制层具有基本上空间均匀的光学折射率，或者极性液体或凝胶，或者有大于20，优选地大于1000的介电常数的非常高的低频介电常数的材料。
文档编号G02F1/13GK101395523SQ200780007525
公开日2009年3月25日 申请日期2007年3月2日 优先权日2006年3月3日
发明者凯瑞·阿萨特尔阳, 威拉迪摩·普雷斯尼亚科维, 提格兰·噶尔斯蒂安 申请人:拉瓦尔大学