进行电场控制的多单元液晶光学装置制造方法

进行电场控制的多单元液晶光学装置制造方法
【专利摘要】一种液晶光学装置，其包括一个可控的根据光学性质决定光通过的液晶单元，其具有：一个液晶层，所述液晶层一侧的平面电极，位于液晶层另一侧的电场控制结构，和波阵面调整结构，其被配置为提供光学相位波阵面调整。在一些实施例中，波阵面调整结构是导电性浮置电极。在其它实施例中，波阵面调整结构是一种弱导电性的结构，具有随空间变化的薄层电阻。在其它实施例中，薄层电阻具有随频率而变的特性。
【专利说明】进行电场控制的多单元液晶光学装置
[0001]相关申请
[0002]本申请的优先权文件是美国临时申请US61/424，115，其发明名称是“进行电场控制的多单元液晶光学装置”，申请日是2010年12月17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装置，以及其控制电极。
【背景技术】
[0004]液晶(LC)透镜和其他液晶光学装置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。一种电可变梯度折射率(称为GRIN)透镜，可以通过控制液晶分子间的相对方向，在设备的孔内，创建一个折射率随空间变化的液晶层。以这种方式，在一个相对较小的厚度之内，可实现很好的光学变焦能力。
[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。大多数液晶透镜的设计方案是在空间上调整作用于上述液晶层的电场来创建一个有效的GRIN透镜。在这一领域，已经存在了几种方法。一种方案已被应用，使用比较大的电压，在液晶单元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平面电极，可以形成一个GRIN透镜。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/Vol.23,N0.13/Julyl，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。由于这种现有技术的透镜使用一个单一的液晶层10，该透镜将是偏振性的。
[0006]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，液晶层10的径向的电场强度的下降是急剧的。出于这个原因，一个高电阻率(或弱导电性)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，高电阻层19 “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)。
[0007]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=(Clo)-1,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独立的可调液晶透镜(TLCL)基于这种技术的制造:
[0008]透镜的液晶层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: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。自然光(例如阳光或灯光)包含各个方向混乱的偏振，因此，最好是使用至少两个液晶层，其中每个液晶层具有不同的偏振方向(正交)，使所有的光(各个方向偏振)通过透镜后以同样的方式被聚焦。常规的方法是使用一个简单的两个液晶镜片的组合，每个液晶镜片分别具有在相互正交的平面中的分子取向。因此，设置两个平面的液晶透镜，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。透镜设计时，在两个液晶层之间设置一个大空间就会造成透镜太厚，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，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(屈光率)是不相同的，每个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19的薄层电阻的互相叠加。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):
[0009]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装置。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。
[0010]环形电极采用高电阻层19设置在光圈周围，其材料的薄层电阻Rs在该电极和透镜的性能上起着重要的作用。在透镜的功能限定下，在晶片上控制薄片材料的电阻值是非常困难的，并且对于频率控制的电极，这些电阻特性是非常重要的。
[0011]在PCT专利申请W02009/153764提出了一种方案，两个正交取向的液晶层，分别设置一个通用的、中间的环形电极的上方和下方，该环形电极的表面涂覆有一层用于同时控制上下两个液晶层的高电阻率材料。这个单个中间电极用于提供一个空间调制电场以控制上下两个液晶层，用以作用于光的两个偏振方向。事实证明，在这种情况下，这两个透镜的自然光图像以基本上类似的方式成像到相同的成象平面或图像传感器上。所示的上层和下层的电场空间分布(和相应的光学倍率)是相同的。在制造过程中，下层的液晶层设置一个中间电极在它的顶面(图2)，然后上层的液晶层制作在中间电极的顶部，或单独制造上层的液晶层，然后接合到下层液晶层/中间电极的组合上。在晶片规模制造这种中间电极结构时，中间电极的一个很小的位置差异，会对各透镜的光学特性产生很大的差异。

【发明内容】

[0012]针对上述背景而提出的解决方案(图4)，利用电场形成液晶光学装置，设置两个靠近的弱导电层，利用其电耦合作用的影响，以减少它们之间的薄层电阻不匹配的不利影响。第一液晶单元具有一个液晶层，液晶层的第一侧上的平面电极和相对第二侧上的孔状电极。第一液晶单元还包括孔状电极附近的弱导电层。第二液晶单元也具有一个液晶层，平面电极和孔状电极，分别设置液晶层的两侧(与第一液晶单元相反的顺序)。第二液晶单元也包括孔状电极附近的弱导电层。在本发明的一个示例性实施例中，两个液晶单元中的弱导电层的位置设置为，一个单一的由一个或多个设备的电极产生的电场同时受到两个弱导电层的影响。例如，第一弱导电层和第二弱导电层设置为下列情况之一:相互接触；设置在相互分离的下列结构之中:一个高介电常数的基板，和一个具有有限的、较小的、选择性绝缘的基板。
[0013]在一个实施例中，两个弱导电层有明显不同的薄层电阻值，两个弱导电层在电场中的集体效应相当于一个单一弱导电层上的效应，而该单一弱导电层的薄层电阻值为两个弱导电层的薄层电阻之间的一个值。根据不同的薄层电阻值，这种等效值可以是这两个薄层电阻值的平均(图3)。因此，可以选择两个弱导电层形成一个联合效果，即使它们有明显不同的薄层电阻值。以这种方式，弱导电层的制造误差要求不会太严格。
[0014]在一个特定实施例中，液晶光学装置是一个可调谐液晶透镜，其具有两个液晶单元，每个单元具有一个弱导电层。如果两个弱导电层的距离小于临界距离时，所述第一单元的环形电极结合有其弱导电层，而且还与所述第二单元的弱导电层连接(可选地，所述第二单元也可能有一个环形电极)(图5)。如果两个弱导电层的薄层电阻之间的差异更大，则形成上述“耦合”效果的临界距离更小。然而，如果在弱导电层之间的距离小于临界距离，耦合作用将使两个液晶单元的电场分布大致相同。实际的“耦合”的公共层的薄层电阻值，将在单独的两个弱导电层的薄层电阻之间的一个值(图3 )。
[0015]这种能够结合两个弱导电层的效果，可提高产量，因为可以使晶片中在容许范围内、但具有不同薄层电阻(厚度或导电性)的弱导电层，通过结合两个弱导电层从而形成等效值，如所建议的解决方案，实现一个有效层的性能接近到所需的值。
[0016]在所建议的解决方案的另一个实施例中，弱导电性材料被用作中间电极结构的一部分，以实现两个偏振方向的液晶层的共同控制。中间电极可以是一个环形电极，其结合位于液晶单元的相反侧的平面电极，可以形成电场。所述第二液晶单元可以
[0017]具有环形电极，而只有一个均匀的平面电极，设置在第二液晶单元的液晶层的、与第一液晶单元相反的一侧上。环形电极的正确定位和两个液晶单元之间适当的间距，第一液晶单元的环形电极也可以结合位于第二液晶单元的平面电极，形成需要的电场。因此，一个单一的控制信号可以被用来同步控制两个液晶单元。这是特别可取的，在两个液晶单元中同步的方式控制光的两个正交偏振方向，一起形成一个偏振无关的液晶装置。可以设置一个具有合适的间距的两个液晶单元，例如，通过使用间隔元件，如垫珠；两个液晶单元被连接在一起的同时，保持稳定的间距。
[0018]在另一个实施例所建议的解决方案中，两个液晶单元的每一个都具有一个平面电极，一个环形电极和一个弱导电层，两个液晶单兀共享一个位于第一液晶层和第二液晶层之间的共同基板。在本实施例中，两个液晶单元的每一个弱导电层可以位于共同基板上，且彼此间设定预定距离。两个液晶单元的每一个环形电极也可以设置在共同基板上。在本实施例一种变形中，该共同基板可以用弱导电性材料制成，并可以作为两个液晶单元的弱导电层。弱导电层也可以是位于由弱导电性材料制成的共同基板上的不连续的层。制造该共同基板时，可以使用独立的两个基板，每个对应于一个液晶单元，将它们连接在一起形成公共基板。
[0019]除了针对前述现有技术中发现的问题，本发明还认识到，在整个液晶层中的电场强度的径向快速下降会导致波形分布偏离所希望的波阵面(例如，球形或其他)。可调液晶透镜(TLCL)使用弱导电层，将入射光转换为非球面波阵面，该波阵面在某一光学倍率范围内趋于具有一个扁平的顶部和高斯型快速下降。已经发现，一个浮置的非接触式电极(图15)可用于重塑波阵面，或者可以用一个环形电极和弱导电层的组合来实现。根据层状结构的几何形状和材料性能，可以采用圆盘，细环和粗环形浮置电极中的至少一个可以用来重塑波阵面，或可以用一个环形电极和弱导电层的组合来实现一个球形波阵面。
[0020]所建议的解决方案的一个方面，提供一个液晶光学装置，它包括:一个液晶单元，其控制通过光的光学性质，该单元具有一个液晶层、位于该液晶层第一侧的平面电极和位于液晶层的相反的第二侧的电场控制结构；波阵面调整结构，其被配置以提供光的相位波阵面调整。在一些实施例中，波阵面调整结构是导电的浮置电极，在其它实施例中，波阵面调整结构是一种弱导电性的结构，其具有随空间变化的薄层电阻。
[0021]所建议的解决方案的另一个方面，提供了一种液晶光学装置，具有至少一个设置在涂有取向层的基板之间的液晶层，和一个环形电极，其具有弱导电性材料设置在其光圈内，以提供空间调制的电场，其特征在于:环形电极设置为在液晶层中改变一个波阵面，其具有一个或多个如下结构:布置在光圈的环形电极外的浮置电极结构和弱导电性材料的空间非均匀层。
[0022]所建议的解决方案的另一个方面，提供了液晶光学装置的制造方法，该方法包括:制造多个液晶单元，每个具有平面电极、环形电极和弱导电性层；和设置所述多个液晶单元相互关联，一个或多个所述装置的电极受到每一个弱导电层的影响，产生单个有效的电场。
【专利附图】

【附图说明】
[0023]本发明将通过参照所附的附图详细描述实施例，其中:
[0024]图1是示意性地表示了现有技术中，液晶透镜使用一个环形电极，其采用“模态的方式控制”;
[0025]图2是示意性地表示了偏振依赖性的液晶透镜，根据所建议的解决方案，在顶基板的顶部具有环形电极，其上设置有弱导电层；
[0026]图3是一个典型的弱导电层的薄层电阻的概率分布图；
[0027]图4是偏振无关的液晶透镜，结合了两种偏振方向的取向层的液晶单元(如图2的示意性表示的)，互相设置为90度角，该透镜具备互相连接的两个弱导电层，其间具有足够小的间距；
[0028]图5是两个“半”可调液晶透镜(TLCL)用于组成不同的弱导电层(WCL层)对，而两个弱导电层(WCL层)之间的间距尺寸与其中心电压差之间的关系图；
[0029]图6是耦合的光学装置中的两个“半”可调液晶透镜之间的光学倍率比值与两个“半”TLCL之间的WCL层的间距尺寸的关系图；
[0030]图7是示意性地表示了具有两个常规驱动的液晶单元的液晶透镜，其中下方的液晶单元具有一个顶部环形电极和弱导电层，而上方的液晶单元不具有环形电极或弱导电层；
[0031]图8是两个不同的“半”透镜之间的耦合作用，根据所建议的解决方案，光学倍率的变化相对于每个“半透镜”和透镜“组合”的控制频率的关系图；
[0032]图9是示意性地表示了液晶透镜，根据建议的解决方案，其具备两个液晶单元和两个常规驱动的弱导电层，其中两个液晶单元共用一个共同的具有高介电常数的基板；
[0033]图10是类似图9的液晶透镜的示意性表示，但共同的基板包括弱导电性的材料，根据所建议的解决方案，而该基板本身作为弱导电层；[0034]图11是类似图9的液晶透镜的示意性表示，但共同的基板是弱导电性材料的，也有单独的，离散的弱导电层位于基板上；
[0035]图12表示了光学倍率随着偏振无关的可调谐液晶透镜的多层弱导电层之间不同的薄层电阻的比值而变化的关系图，该透镜具有环形电极，该电极孔径为2毫米；
[0036]图13表示了光学倍率随着偏振无关的可调谐液晶透镜的具有不同薄层电阻的多层弱导电层之间的间距d变化而变化的关系图，该透镜具有环形电极，该电极孔径为1.8毫米;
[0037]图14是一个由环形电极和弱导电层所产生的以夸张形式表示的非球面波阵面畸变，虚线所表示的是所期望的波阵面形状；
[0038]图15是一个液晶透镜的不意图，根据所建议的解决方案，其具有两个液晶单兀和两个常规驱动的弱导电层和一个共同的浮置电极在一个共享的共同基板中；
[0039]图16是一个具有分层的几何机构的液晶透镜的波阵面调整的曲线图，该液晶透镜如图15所示，根据所建议的解决方案，采用导电性的圆盘状浮置电极；
[0040]图17A是一个几何形状如图15所示的液晶透镜的波阵面调整效果的实验曲线图；
[0041]图17B是一个几何形状如图15所示的液晶透镜的波阵面调整效果的模拟曲线图；
[0042]图18是使用相同的圆盘形浮置电极，保持不同的光学倍率时，波阵面轮廓圆化情况的曲线图；
[0043]图19示意性地表示了偏振无关的全透镜的层状结构，根据所建议的解决方案的，采用一个单一的中央开孔的环形电极和一个单一的弱导电层以同步操作两个液晶半透镜;
[0044]图20是一个几何形状如图19的液晶透镜，经过二次拟合而实验得到的波阵面轮廓圆化的曲线图；
[0045]图21是用于提供如图20所示的二次拟合的波阵面调整的薄层电阻分布的曲线图；
[0046]图22是与图19相同的几何形状的液晶透镜，采用了相同的电压振幅、而信号频率为21kHz的驱动信号，以确认波阵面轮廓圆化效果的曲线图；
[0047]图23是根据所建议的解决方案的另一种实施方式，示出了偏振无关的全透镜采用弱导电环的层状结构；
[0048]图24是根据所建议的解决方案，使用图23中示出的弱导电环实现波阵面的圆化的不意图；
[0049]图25是根据所建议的解决方案，使用图23中示出的半液晶透镜的几何形状模拟波阵面圆化的畸变的示意图
[0050]其中，各个图中类似的特征使用类似的标号。“顶部”和“底部”在本说明书中的限定，仅仅是用于参考附图中的方向，并不意味着任何绝对的空间方向。
【具体实施方式】
[0051]耦合光学装置的结构和操作[0052]在共同转让的国际专利申请PCT/IB2009/052658中，该说明书的内容在此引入作为参考，其中公开了可调谐液晶透镜(TLCL)，由环形电极靠近放置在一个均匀的电极上以产生一个期望形状的电场。据所建议的解决方案，在图2中示出的横截面的结构提出了一种类似的设置，使用弱导电层(WCL层)24设置在层状结构的外表面，与环形电极26相临近(优选，接触并位于顶部)。这个特定的位置设置使该透镜结构的WCL层和第二液晶单元的WCL层可以被耦合在一起，以这样的方式第一单元的WCL层与第二单元的WCL层同步起作用。因而，在一起的两个单元形成偏振无关的液晶透镜(能聚焦非偏振光)，可以用一个单一的驱动电信号来驱动。
[0053]在图2中所示的实施例具有位于两个液晶取向层30之间的液晶层28，这在本领域中是已知的。一个位于底部的光学透明的导电层32位于取向层30和底基板34之间。一个顶基板36将环形电极26与一个取向层30分隔开。弱导电层WCL层24位于相邻的环形电极26的顶部，这样就是该液晶单元非常适合与另一个类似的单元结合。
[0054]为了使液晶单元可以很薄且能在低电压下运作，根据电场的形状而具有所需要的光学属性，弱导电层24采用了高电阻率材料制成，其性能介于半导体和绝缘体之间。弱导电层的材料特点是在一定范围内，材料的电导率和偏振的基本性质产生急剧的变化(有时称为渗流区)。渗流区是一个范围，在此范围内，弱导电层材料的体积形态结构/几何形状的很小的变化就会引起层的导电性的剧烈变化，这严重限制了弱导电层的可重复性制造。在硅半导体行业中，薄层电阻的效率控制仍然是±10%的级别上，使用磷化铟的新兴技术则更加精确。
[0055]如图2所示的弱导电层24具有材料组合物，形态和片材的厚度，提供了所需的导电性能(薄层电阻)，然而这对常规的沉积技术来说，生产工艺是很难的。如图3中所示的，在每一个不同的晶片上，所沉积的WCL层材料层的导电性能会有所不同，而且性能的分布也比较散。对于意在利用预定范围的频率、控制透镜的运作的电路，可接受的薄层电阻的范围被限制到一个标称的薄层电阻Rtl和一个范围非常小的误差土 δ R (在图3中由虚线表示)。
[0056]图4中所示的实施例中，其中使用两个如图2中所示的TLCL单元，而两层弱导电层24a和24b被以形成电耦合的方式接合在一起。两个弱导电层的这种耦合或“同步”，使它们能够充当一个有效控制层，用于交叉双方向的TLCL。而这两层的结合配合于两个环形电极26a和26b,两个这样的电极的使用是可选的，也可以使用一个单一的环形电极,就足够形成这种“耦合”的效果。
[0057]在图4的配置中，第一液晶单元包括两个取向层30a之间的液晶层28a。相邻于一个取向层30a的光学透明的平面电极层32a由基板34a支持。另一个取向层30a位于液晶层28a和基板36a之间，而基板36a的另一侧是环形电极26a和WCL层24a。在图4所示的结构中，第二 TLCL和第一 TLCL本质上是相同的,但具有液晶分子相对于偏振方向是垂直于所述第一单元的。该第二单元的液晶层28b位于两个取向层30b中，其中的第一个取向层靠近光学透明平板电极32b和基板34b。另一个取向层30b位于基板36b和液晶层28b之间，基板36b靠近环形电极26b和WCL层24b。图4中，示出了 WCL层24a和24b之间的间隔距离de。
[0058]正如上文所述，制造精确的薄层电阻的电阻层是困难的，这限制了高效率的生产单个TLCL单元。然而根据所建议的解决方案，如图4中示出了使用两个不同WCL层，其电阻值的效果耦合在一起，可以形成一个双单元系统。在这种情况下，两个WCL层的每个都可以超出单个使用时的正常公差范围，但当它们一起使用时，其组合的薄层电阻等效值可以满足公差要求。因此，参照图3，可以用两个具有相应的薄层电阻约为R0-AR和RfAR的WCL层相结合，形成一个有效的WCL层具有薄层电阻约为％。这使得TLCL的生产成品率大大提高，并允许单个TLCL使用组合的WCL层薄层电阻，以达到非常接近所希望的名义Rtl值。
[0059]现有技术中，偏振无关的TLCL典型的是两个常规的单个单元的TLCL的组合。然而，在这种现有技术的结构中不存在WCL层耦合。然而，在图4中所示的实施例中，一个单元的WCL层靠近，也可以接触，另一个单元的WCL层。在这种情况下，WCL层之间的耦合效应是依赖于它们之间的间距和间距材料的介电常数。特别是，当WCL层之间的间距的大小增加时，两个透镜之间的光学倍率的差异也会变大。图5中示出了这种关系，其中两个WCL层之间的间距与多组具有不同比例的WCL层薄层电阻，相应的每组样品具有两个TLCL的中心的电压差。对于相同值的薄层电阻(即R2A1=I)的情况，无论WCL层之间的间距如何变化，两个透镜的电压差总是零。但是，对于较高的薄层电阻之间的差异，随着间距的增加，电压差的增加速率更快速。
[0060]如图5中所示的，两个具有比较大的区别的薄层电阻的WCL层，仍然可以被用来产生一个准确的与偏振无关的TLCL。例如，两个液晶透镜单元结构中分别具有相应的薄层电阻值R1和R2的WCL层，其中R2A1=L 5，如果两个WCL层之间的间距足够小，仍然可以被布置成产生一个合理的准确的偏振无关的透镜(两个方向的透镜的光学倍率差小于0.2屈光度)。图6示出了上述这一具体的例子(1.5倍)中WCL层之间的间距与光学倍率差距(屈光度D)的变化关系。可以看出，间距小于20微米时，可以产生光学倍率的差异小于0.2D的两个半透镜，尽管WCL层薄层电阻值具有很大的差异(1.5倍)。虽然我们期望实现无(零)差异的光学倍率，但是某些设备可以承受两个偏振方向的两个半透镜的光学倍率的不匹配，高达约1.2D (或±0.6D)。
[0061]在所建议的解决方案的另一实施例中，在一个偏振无关的TLCL中采用了不同的耦合，其中只使用一个单一的WCL层和一个单一的环形电极。在图7中所示的结构使用两个TLCL单元。在此实施例中，下部单元与图4中所示的下部单元基本上是相同的，而在图7中下部单元的附图标记也是与图4中下部单元的附图标记相同。然而，不同于图4的实施例，在图7中的上部单元没有环形电极，也没有WCL层。相反，在本实施例中，应用使用同一个环形电极形成电场，与平面电极32b和32c的配合共同驱动两个单元。因此，上部单元内的液晶层28c位于两个取向层30c之间。基板36c位于较低的取向层30c和下部单元之间，同时，在液晶单兀的另一侧，有一个平面的导电性电极层32c和另一基板34c。
[0062]图7的实施例中提供了分别针对两个相互垂直的偏振方向聚焦的两个单元，与图4中的液晶透镜单元类似，但是图7中电极的控制信号不是独立分开的。相反，用于控制下部单元的液晶层28b的电场是由环形电极26b和底部电极32b，与WCL层24b结合而形成的。然而，上部单元的液晶层28c，也是使用下部单元的环形电极26b和WCL层24b，结合平面电极32c形成的电场来控制的。本领域技术人员将理解，使用一个单一的控制信号相对两个信号，用于驱动两个独立的单元，在所需层的数目和控制信号的数量上都是有利的。然而，当需要各个单元的独立控制时，使用如图4中所示的耦合WCL层的等效薄层电阻值，以实现更好的独立控制的优点。[0063]图7所示的实施例中采用了单一的上部和下部之间的中间电极作用于两个不同的偏振方向的单元。一种特殊的情况，先前描述的方法中，将其中一个WCL层的薄层电阻值(非常高/无限)超出电(信号)驱动的可能范围，这样就形成了一个中间电极的情况。(在实践中，总有一定的电流通过，因此不是严格意义上的无限的薄层电阻，因此，平均值是有限的)。在这里，上部单元的底部基板36c的厚度被设计为比下部单元的上基板36b薄。同一个WCL层24b用于控制两个TLCL的两个互相垂直方向的液晶层28b、28c。在这种情况下，如果单一 WCL层24b和两个相对的ITO电极32b、32c (和液晶层28b、28c)上之间的单位面积电容基本上是相同的(即，两个电容值之间的差值小于某一临界值)，在这两个互相垂直方向的液晶单元28b和28c上的电压分布和它们的光学倍率可以被同步地驱动控制。这可以通过适当地选择两个TLCL之间的间距de，基板36b和36c的相应厚度，以及这三种材料(介质)的介电常数ε，即这两个基板和两个TLCL之间的间距。如果两个单元的其它参数是相同的(液晶层28b、28c具有相同的厚度，也有类似的液晶材料的介电常数等)，该结构的控制关系是d2/ ε 2+dG/ ε ^d1/ ε !，其中Clpd2和de分别是基板36b、36c的厚度和间距，而ε 1；￡2和为每个这些材料(介质)的相应的介电常数(在液晶驱动频率下的)。这是另一种使两个偏振方向互相垂直的TLCL实现同步操作，形成相同的焦点(并使用相同的驱动器电路)的“耦合”。
[0064]图8是如图4中所示的解决方案的实验曲线图。两个独立的透镜，透镜I和透镜2(每个只有一个液晶层和涂覆有WCL层的控制电极)，都简称为半透镜，首先被构建和实验记录。可以看出，它们的光传递能力，即其上的驱动信号的控制频率和光学倍率的依赖关系，有很大的不同。例如，透镜I的最大光学倍率在约35千赫的驱动频率下达到，同时实现透镜2的最大光学倍率是在驱动频率约为150千赫时。这种差异取决于两个“半”透镜的WCL层36a、36b的薄层电阻值Rs的不同。然而，当这两个透镜一起使用时，根据所建议的解决方案，由于前述的比临界距离小的间距的两个WCL层之间的耦合，这两个透镜的光传递能力“融合”在一起。其结果是 一个组合的“完整”透镜，并且如图8中示出的组合透镜的光传递能力基本上受控于相同的控制频率，使两个“半”透镜一致地操作，并提供相同的光学倍率。因此，以同样的方式，只需要一个信号驱动器可用于聚焦自然光中的两个偏振分量。
[0065]所建议的解决方案的上部和下部单元之间的间距可以设置为间隔的小珠或控制量的粘接剂。在一些实施例中，可以测量单元的实际厚度和电容特性，以确定两个TLCL之间的间距de。
[0066]本发明并不仅限于这里示出的液晶透镜层状结构，如图中所示的特定的WCL层，当后续提到的对比文件中的WCL层，该对比文件中主要描述了薄层电阻的主要材料，可变的导电性，频率依赖的特性材料等，例如，PCT申请PCT/IB2009/052658，2009年6月21日提交的题为“光电设备使用动态配置有效的电极结构”，和PCT申请PCT/CA2011/050651，2011年10月14日提交的题为“在飞行中自动对焦方法和可调液态晶体光学元件”，其要求了 2010年12月20日提交的美国临时专利申请61/424，946的优先权，这两者是WCL层的对比文件；而对于液晶层，可以参考PCT申请PCT/IB2009/052658，2009年6月21日提交的题为“光电设备使用动态配置有效的电极结构”。
[0067]图9所示的是另一个实施例的方案中，其中中间基板40位于两个液晶层42、44之间。液晶层42的另一侧的顶基板46,液晶层44的另一侧的底基板48。每一个基板46、48都具有平面透明电极50和52，分别涂敷形成基板46、48的面对中间基板40的侧面上。中间基板40的两侧上设有中间电极结构，是两个环形电极54、56，并且两边各有一个WCL层58和60,分别位于中间基板和两个环形电极54、56之间。
[0068]在图9的实施例中，两个平面电极50和52具有一个共同的电连接，并且两个环形电极54、56也具有一个共同的电连接。在平面电极和环形电极之间施加的电信号产生的电场分别作用于每个液晶层42、44。液晶单兀内部设置的环形电极54、56和WCL层58、60，可以允许使用具有明显更低的电压(信号振幅)的驱动信号。在实施例中如上所述，两个WCL层58、60将形成一个(同步)组合以控制液晶层42、44，由于像这样的层叠结构制造的耦合电场的影响，使得两个WCL层58、60的薄层电阻Rs的差异可能比较大。然而，这些差异可以通过减少中间基板40的d/ ε比从而减少不利影响。
[0069]如图9所示的偏振无关的全透镜的实施例，针对由于Rs的不匹配所产生的半透镜的光学倍率之间的不匹配的实验说明，该不匹配不仅依赖于中间基板40的介电常数和厚度，而且依赖于透镜的几何结构(设计)。图12以图形显示:光学倍率不匹配随着WCL层58、60之间的Rs的不匹配而变化，其中偏振无关的可调液晶透镜光学装置具有环形电极54、56，其光圈孔(环形孔)的直径(ARD)为2mm。图13以图形显示:光学倍率不匹配随着WCL层58、60之间的间距而变化，其中偏振无关的可调液晶透镜光学装置具有环形电极54、56，其光圈孔(环形孔)的直径(ARD)为1.8mm。
[0070]图11中示出本实施例的另一种变化。在该实施例中，也具有WCL层58、60，但是中间基板62具有一个非零的电导率，其也涉及WCL层58、60的耦合。与本实施例中，可以使用较低的驱动电压，而电场的形成不仅受到WCL层58、60的影响，也受到中间基板62弱导电性的特性的影响。在本实施例中，需要WCL层58、60的薄层电阻远低于l/do，其中d是两个WCL层58、60之间的间距而σ是中间基板62的导电性。
[0071]图10示出了图9的实施例进一步的变化，其中WCL层58、60直接相邻，接触或熔合在中间基板上(基本上独立的WCL层58、60不存在)。相反，中间基板62所选用的材料是具有所需的弱导电性的特征，并 且起到两个单独WCL层的功能，因此，基本上与耦合WCL层等效。如同图9的实施例，图10的分层结构允许使用一个较低的驱动电压，这两个电场受到中间基板62的弱导电性的特性的影响。然而，图9实施例中的中间基板40是不导电的，而图10的中间基板62具有一个非零的导电性，起到耦合作用。
[0072]例如，这样的材料包括:
[0073]
光学材料电tt能
玻璃:D263T (块状)f尸6.7
玻璃:AF32 (块状)ε=5.1
ε k于5的玻璃(例如，肖特玻璃ε=13) ε>5
掺杂玻璃(块状)ε>15
碳化硅(SiC)(薄膜)ε=10.2
硫系玻璃(块状或薄膜)导电性的或可变t火于IO
导电玻璃(块状)导电性的
[0074]非结晶固体杂志112期(1989)第318-322页
[0075]
【权利要求】
1.一种液晶光学装置，其具有设置在带有取向层的基板之间的至少一个液晶层，和一个带孔的电极，该电极的孔中设置有弱导电性材料，以提供空间调制的电场，其特征在于:该带孔的电极具有以下一个或多个结构，以调整上述液晶层中的波前相位: 所述带孔的电极的外部、所述孔的上部设置浮置电极；和 在空间上非均匀的弱导电性材料层。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置是一个透镜，所述孔基本上是圆的，所述浮置电极具有位于所述空的上方中心的导电圆盘。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述带孔的电极紧靠在所述基板的取向层上，所述导电圆盘设置在所述基板上、与上述圆环形电极对面的一侧上。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置是一个透镜，所述孔基本上是圆的，而在空间上非均匀的所述层包括设置在所述孔中的一圈弱导电性材料。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述一圈弱导电性材料沉积在一层基本上均匀的弱导电材料层上。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述带孔的电极紧靠在所述基板的取向层上。
7.如权利要求1-6之任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括: 两个所述液晶层，其各自的取向层的方向基本上处于正交；和 至少一个所述弱导电层。
8.如权利要求1-7之任一项 所述的装置，其特征在于，所述装置包括两个所述弱导电层，每个弱导电层对应于一个所述液晶层；所述的两个弱导电层彼此接触或彼此靠近。
9.一种液晶光学装置，包括: 第一液晶层，其作用于第一偏振方向，设置在带有取向层的基板之间，具有第一平面电极、第一带孔的电极和至少一个第一弱导电层邻接于所述第一带孔的电极； 第二液晶层，其作用于第二偏振方向，设置在带有取向层的基板之间，具有第二平面电极、第二带孔的电极和至少一个第二弱导电层邻接于所述第二带孔的电极； 所述第一弱导电层和所述第二弱导电层设置为如下之一的情况: 彼此接触设置； 邻近设置，而被如下之一的间隔件分隔: 一个具有高介电常数的基板；和 一种具有有限导电性的基板； 由一个或多个所述的电极所产生的所述第一和第二液晶层中的电场，该电场受到两个弱导电层之间的电耦合作用的影响。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一弱导电层和所述第二弱导电层彼此接触，在薄层电阻、导电性或依赖频率上有明显不同的性能值。
11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，在至少一个所述的电场上，所述第一弱导电层和所述第二弱导电层相当于一个单独的第三弱导电层，其薄层电阻值大致等于所述第一弱导电层和所述第二弱导电层的薄层电阻的平均值。
12.如权利要求9-11之任一项所述的装置，其特征在于，每个所述第一弱导电层和所述第二弱导电层邻接于所述的相应的带孔的电极，还包括如下结构中的一个:所述弱导电层与所述带孔的电极相互接触，而该弱导电层与相对应的所述液晶层分隔开； 所述弱导电层与所述带孔的电极相互接触，而该弱导电层与相对应的所述液晶层相互接近；和 一个掺杂的液晶层。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，每个所述第一弱导电层和所述第二弱导电层接触所述的相应的带孔的电极，而每个所述弱导电层与相对应的所述液晶层分隔开，两个所述的弱导电层直接相邻。
14.如权利要求9-13之任一项所述的装置，其特征在于，所述第一和第二弱导电层是如下结构之一 : 所述第一和第二弱导电层之间的间距与该间隔材料的介电常数成反比；和 所述第一和第二弱导电层互相接触。
15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，两个所述液晶层的一炔基板互相邻近，在所述邻近的两个基板上的两个所述带孔的电极基本上是彼此接触的，而两个所述带孔的电极至少包括一个弱导电层与之接触。
16.如权利要求9-15之任一项所述的装置，其特征在于，所述第一液晶单元和所述第二液晶单元共享一个共同的基板，该基板位于所述第一液晶层和所述第二液晶层之间。
17.如权利要求9-16之任一项所述的装置，其特征在于，所述第一和第二弱导电层都位于所述共同的基板上。
18.如权利要求9-16之任一项所述的装置，其特征在于，所述第一和第二带孔的电极都位于所述共同的基板上。
19.如权利要求9-16之任一项所述的装置，其特征在于，所述共同的基板包括有弱导电性的材料。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述共同的基板作为所述第一和第二弱导电层。
21.如权利要求9-20之任一项所述的装置，其特征在于，在所述第一和第二液晶层上的所述产生的电场具有基本相同的值。
22.如权利要求9-16之任一项所述的装置，其特征在于，所述共同的基板包括制成的一对基板，所述一对基板连接在一起。
23.如权利要求9-22之任一项所述的装置，其特征在于，至少一个带孔的电极还包括一个分段的带孔的电极，用于非对称的成像，进行光的倾斜，光学防抖和亚像素移位补点能力。
【文档编号】G02F1/1343GK103492935SQ201280008702
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年1月30日 优先权日:2010年12月17日
【发明者】阿尔门·佐哈拉拜亚恩, 卡伦·阿萨特里安, 迪格兰·加尔斯蒂安, 弗拉底米尔·普雷尼亚科夫, 阿米尔·图尔克, 阿拉姆·巴格拉姆亚恩 申请人:兰斯维克托公司