具有液晶取向的光学装置的制作方法
本公开涉及光学装置，特别地涉及包括液体的光学装置。
背景技术：
老花眼是众所周知的眼睛失去其近距离聚焦的能力的疾病，影响了全世界超过20亿患者。经典解决方案包括被动镜片，例如阅读眼镜、渐进式镜片或多焦点隐形眼镜。然而，这些被动镜片通常具有有限的视场、降低的对比度或长的适应时间。
因此，透镜的一部分的焦距可以被改变的可再聚焦透镜在该领域中吸引了很多关注，因为它们将消除许多已知的问题。尽管存在一些光机械解决方案，但是由于电-光解决方案更容易重新配置，具有更快的响应时间并且在机械上更稳健，因此优选电-光解决方案。大多数电光解决方案需要填充有一种或更多种液体的腔，并且通常使用基于液晶的实现方式。虽然液晶显示技术非常成熟，但是找到将可再聚焦液晶透镜集成到眼科透镜中的方法已经证明是困难的，这主要是因为眼科透镜通常具有弯月面形状。
例如，在us7,728,949中描述了现有的可再聚焦液晶透镜。该专利公开了由两个塑料透镜半体组成的透镜：具有衍射/折射光学结构的第一弯曲透镜半体；和第二透镜半体。在两个透镜半体上沉积透明电极。透镜半体利用uv可固化粘合剂跨除光学结构的区域之外的整个表面粘合在一起。在光学结构的位置处，液晶材料填充两个透镜半体之间的间隙。在关断状态下，液晶具有与透镜半体的塑料基板相同的折射率。然后它隐藏衍射/折射结构并且没有透镜作用。通过在透镜半体之间施加电场，液晶材料的折射率被调制，并且它变得不同于下面的衍射/折射光学结构，从而导致透镜作用。
在两个相对厚(>1mm)的透镜半体上直接制造液晶透镜的上述方法具有一系列缺点。由于电极层在衍射/折射光学结构的弯曲表面上的保形沉积难以实现并且可能导致产生可靠性问题，因此非常难以大量制造。由于使用最先进的单滴填充处理获得成本有效且美观清洁的密封在超薄透镜中难以实现，因此阻碍了该方法的大量生产。衍射/折射光学结构可以具有平坦表面，但是这限制了典型薄透镜设计中的最大直径，在典型薄透镜设计中平坦透镜需要以某种方式集成在弯曲后表面与弯曲前表面之间。衍射/折射光学结构可以弯曲，但是在处理期间液晶可能会溢出，从而导致表面污染和胶的不良粘附。在粘附之后填充腔是另一种选项，但是可能留下通道，通过该通道填充透镜，该通道是可见的并且损害透镜的美观性。必须单独制造每个透镜坯料，这限制了生产量。
如在us7728949中所观察到的，要求电激活透镜必须对其打算聚焦的光的偏振不敏感。然而，这是复杂的，由于大多数液晶材料是双折射的并且因此是偏振敏感的事实。已知两种基本解决方案：需要使用具有向列型液晶的多层透镜结构，例如对于两种偏振具有正交取向的两层，或者使用例如us7728949中所提出的与胆甾型液晶组合的单层。该方法使得真正难以产生多层透镜结构，迫使使用胆甾型液晶来构建仅具有仅一层的偏振无关透镜。然而，本领域技术人员已知，由于旋转位移线和胆甾型层的大内部能量，很难控制胆甾型层特别是厚层的混浊。为了避免胆甾型液晶的混浊，必须减小液晶层的厚度，但是这限制了闪耀高度，迫使在光学衍射/折射结构中使用较短间距的闪耀，从而增加了色差。
根据us2013/0128334a1已知具有向列型晶体的透镜结构的一个示例。该透镜包括在菲涅尔透镜结构与顶部基板之间的液晶材料。电极层在菲涅尔透镜结构下方以及在顶部基板上。此外，取向层存在于顶部基板(覆盖电极层并面向液晶材料)上以及菲涅尔透镜结构上。取向层通常由聚酰亚胺材料构成，并且例如通过摩擦进行预处理以获得取向方向。当液晶与取向层接触时，分子优先位于基板的平面中并且沿取向方向取向。如关于图6所指定的，液晶分子沿方位方向即平行于取向层取向。取向的方向也指示为预倾。当在透镜上施加足够强的电场时，液晶分子将垂直于取向层定向。分子的取向决定材料的总折射率以及由此决定可见度。这允许对透镜的可见度的调谐。如果不可见，则总屈光强度将不同于当透镜可见时的情况。观察到根据us2013/0128334a1已知的结构包括所谓的可变波前分量(包括上述透镜结构)和旨在校正波前部分之间的相位不连续性的相位补偿分量。
如所述的，在关断状态下使用平面液晶的多层透镜可能导致具有较少混浊的偏振无关透镜，但是所提出的方法将导致具有大厚度和许多处理问题的透镜。特别地，当限定光学装置使得液晶在该装置关断时位于平面方向时，期望菲涅尔透镜结构的折射率基本上等于分子在平面方向上的折射率。这通常约为1.7，而平行方向上的折射率约为1.5。当期望制造基于沿正交方向布置的两个堆叠透镜结构的偏振无关透镜时，发明人在得到本发明的研究中观察到，相当难以防止鬼影图像的生成。可以选择使用在关断状态下垂直于取向方向布置的垂直配向(homeotropic)液晶。然而，这是有问题的，因为菲涅尔结构的表面不平坦。因此，垂直于菲涅尔透镜表面取向的液晶分子获得各种定向。
技术实现要素：
因此，需要一种具有电可调谐相位分布例如焦距变化的光学装置，由此该装置可以以可靠的光学特性被大量制造。
此外，还需要一种包括第一光学装置和第二光学装置的堆叠的偏振无关可调谐透镜，其中，可以很好地实现不同焦点的第一状态与第二状态之间的转变，并且其中防止或至少相当大地抑制了双图像的出现。
还需要一种包括这样的偏振无关可调谐透镜的眼镜镜片。
此外，还需要一种制造这样的光学装置和/或偏振无关可调谐透镜中包括的第一光学装置和第二光学装置的堆叠的方法。
根据第一方面，本发明涉及包括第一光学装置和第二光学装置的偏振无关可调谐透镜，其中，第一光学装置包括第一电极层和设置在距第一电极层一定距离处的第二电极层，其中，第一电极层和第二电极层是光透射的。第一光学装置在第一电极层与第二电极层中间还包括衍射光学结构，该衍射光学结构与第一电极层相邻并且是菲涅尔透镜结构，该菲涅尔透镜结构包括在菲涅尔透镜结构的中心的第一倾斜表面，该第一倾斜表面被多个成角度的另外的倾斜表面围绕。这些第一倾斜表面和另外的倾斜表面各自具有相对于第一电极层的至少一个倾斜角并且被第一取向层覆盖。另外的取向层被布置在与第二电极相邻的空间的一侧处。液晶材料填充至少一个倾斜表面的取向层与第二电极层处的取向层之间的空间，并且包括在第一光学装置的关断状态下垂直取向的液晶(lc)分子。根据本发明，lc分子已经被预处理以在单个取向方向上施加预倾(α)，该预倾(α)大于与各个lc分子在倾斜表面上的位置对应的所述倾斜角，并且由此通过定向所述lc分子以在导通状态下取向来补偿至少一个倾斜表面的倾斜角，使得液晶材料中的lc分子在第一电极层上的投影(npxy)包括横向于取向方向在60度的范围(θ)内的角度。
根据另一方面，提供了一种包括本发明的可调谐透镜的眼镜镜片。
根据又一方面，提供了一种制造包括第一光学装置和第二光学装置的堆叠的偏振无关可调谐透镜的方法，该方法包括在单个取向方向上施加预倾，该预倾(α)大于与各个lc分子在倾斜表面上的位置对应的所述倾斜角，并且由此通过定向所述lc分子以在导通状态下取向来补偿至少一个倾斜表面的倾斜角，使得液晶材料中的lc分子在第一电极层上的投影(npxy)包括横向于取向方向在60度的范围(θ)内的角度。可调谐透镜更特别地是本发明的可调谐透镜。
本发明的发明人已经观察到，尽管在菲涅尔透镜结构的倾斜表面上施加液晶材料，但是使用垂直取向液晶材料对实现偏振无关可调谐透镜是可行的。为了防止伪像，可以施加预倾。然而，仅预倾并不能防止双图像的生成。这样的双图像是由旋转位移、即lc分子及其固有的偶极子在不期望的方向上的定向而引起。通常，这导致lc分子局部地不在取向方向上取向，而是朝相反方向弯曲。此外，导通状态下的旋转位移可以看作通过液晶从第一取向层到另外的取向层的局部扭曲，其中，平行于第一电极层的有效定向随着到第一取向层的距离而改变：发生旋转。然而，当施加大于倾斜表面(在其上存在lc分子)的倾斜角的预倾并且此外以相对于取向方向的投影横向角不太大的方式时，则该问题被充分抑制。仍然发生的任何旋转位移都存在于中心之外，并且朝向边缘。此外，当堆叠两个相同的光学装置以获得偏振无关可调谐透镜时，一个光学装置中的这种旋转位移被另一个光学装置放大的风险变得相当小。
通过在取向方向上补偿至少一个倾斜表面的倾斜角，避免了大部分这样的旋转位移。由于倾斜被补偿，因此lc分子倾向于在预定的取向方向上定向。这显著降低了光学故障并改善了装置的光学可靠性。为了清楚起见，观察到至少一个倾斜表面相对于至少第一电极层倾斜。对于球形倾斜表面，倾斜角在第一电极层的边缘处最大。倾角相对于lc分子在倾斜表面上的位置的法线被定义，并且是由于取向层的预处理而施加的倾角。液晶分子的垂直于第一电极层的定向也被指定为绝对倾角β，并且是倾斜角和所施加的预倾角α的组合。绝对倾角β在第一电极层上的投影包括相对于取向方向小于60度的横向角θ。由于预倾在取向方向上被定义，因此倾斜角也在取向方向上被定义。如参照附图将理解的，相对于取向方向小于60度的横向角θ因此具有在-60度与+60度之间的值。
优选地，通过所选择的预倾，所述预倾补偿倾斜，使得液晶材料中的分子在第一电极层上的投影位于与取向方向成45度的范围内，更优选地位于与取向方向成30度的范围内。所述范围限定了绝对角度，因此高达60度的范围相对于取向方向从-60度至+60度。更优选地，后者在光学装置的关断状态下测量。这意味着当lc分子垂直取向时，它们的矢量示出垂直分量以及取向方向上的分量和垂直于取向方向的分量。至少在优选实施方式中，取向方向上的该分量大于垂直分量，使得分子的投影位于距取向方向的上述范围内。
在激活了电场时，取向方向限定了大多数分子的预期定向。然而，分子是否在该方向上定向与它们相对于电极层的定向有关。因此，当分子在第一电极层上形成投影时，可以确定当投影位于距取向方向的上述范围内时，分子在期望的方向上定向。当满足该条件时，分子在场被激活时将倾向于在取向方向上定向。这给出了分子的可预测的并且因此可靠的反应，从而可以达到期望的光学效果。
在优选实施方式中，这样的单个倾斜表面上的lc分子被给予均匀的预倾。观察到，菲涅尔透镜结构的中心处的倾斜表面可以具有比围绕其的任何成角度的倾斜表面更小(最大)倾斜角。因此，对于这种成角度的倾斜表面，预倾角可以比对于中心的预倾角更大。然而，在另一实施方式中，预倾在光学装置上基本上均匀。提供基本上恒定的预倾角相当容易实现和控制。观察到，在包括取向方向和垂直于第一电极层的方向的平面中测量所述倾斜角。
可替选地，可以取决于光学装置上的位置选择性地调谐预倾角(例如，使用光敏性材料)。在另一实施方式中，可以确保绝对倾角——lc分子相对于平面第一电极层的定向——跨装置在公差范围内是相同的。为了改变预倾，可以例如增加表面被摩擦的强度(stohr等人，‘microscopicoriginofliquidcrystalalignmentonrubbedpolymersurfaces’)，或者使用光敏性取向材料(yaroshchuk等人，‘photoalignmentofliquidcrystals:basicsandcurrenttrends’)。
技术人员将认识到，当如本发明那样提供像菲涅尔的衍射结构时，倾斜表面与使相邻倾斜表面互联的连接表面交替。连接表面基本上垂直于倾斜表面或基本上垂直于电极层定向。这样，这样的连接表面与连接表面构成被称为闪耀(blaze)的直立结构。
当取向层在这样的连接表面上延伸并且被预处理以对lc分子提供预倾时，lc分子可以在关断状态下获得与第一电极层基本平行的定向。该效果在本文中被认为是较小的影响。然而，在一个有利的实施方式中，可以根据预定图案施加第一取向层，使得直到闪耀尖端的这种连接表面保持没有取向层。通常基于聚酰亚胺的第一取向层的图案化施加可以借助于喷墨印刷、丝网印刷、光刻掩模的使用(在施加聚酰亚胺层之前或之后)和/或用光敏性聚酰亚胺层的涂覆和随后的辐照(用uv)以及该层的未固化部分的去除来实现。
根据另一实现方式，菲涅尔透镜结构设置有第一段和第二段，其中，第一段中的预倾(α)小于第二段中的预倾。所述段适当地布置成使得第一段中的一个或更多个倾斜表面的倾斜角小于第二段中的一个或更多个倾斜表面的至少一个倾斜角。所述段可以例如实施为条或环。由此，可以补偿倾斜角的差异，使得绝对倾角β对于光学装置在公差范围内是均匀的。
在另一实施方式中，倾斜表面上的取向层在至少一个内段和外段中被分段，所述段随所述取向方向取向，其中，外段具有比至少一个内段的预倾角更大的预倾角α。在该更具体的实施方式中，不仅在不同段中不同地预处理取向层，而且施加单独的取向层。
优选地，衍射光学结构具有椭圆体形状，使得所述至少一个倾斜表面包括具有相反倾斜定向的倾斜表面段。椭圆体形状通常用于光学目的并且产生相对的倾斜表面，使得在没有预倾补偿的情况下，lc分子将不可避免地沿相反方向定向，从而产生上述旋转位移。优选地，当使用椭圆体形状作为衍射光学结构时，取向方向被选择为与椭圆体的最短轴平行。这意味着预倾平行于该最短轴。在该方向上，衍射光学结构的倾斜角可以用最小预倾来补偿。在该方向上，抑制了引起旋转位移的倾斜。
优选地，第一电极层基本上平行于第二电极层延伸。优选地，在倾斜表面与第二电极层之间设置多个间隔件。所述间隔件使所述层彼此保持预定距离，从而允许所述层基本上平行延伸。在表面区域上适当地分隔间隔件，以便在不干扰光学性能的情况下提供机械稳定性。
在一个实施方式中，偏振无关可调谐透镜的第二光学装置是偏振器。所得的可调谐透镜可以用于太阳镜。此外，它适当地组装在没有偏振器的常规太阳镜上，所述太阳镜可选地具有屈光度。如技术人员所公知的，将在考虑可见光的第二正交偏振方向的方向上提供偏振器。
在另一优选实施方式中，第二光学装置是另一透镜，其相对于第一光学装置影响光在第二正交方向上的偏振。更优选地，第二光学装置对应于第一光学装置，因为它包括菲涅尔透镜结构、第一取向层、液晶材料和第一电极层与第二电极层之间的另外的取向层的组合。这种偏振无关可调谐透镜本身再次被组装到眼镜上，优选地在具有任何合适的屈光度的第一眼镜透镜与第二眼镜透镜中间。本发明可调谐透镜的优点在于，它可以被配置成在关断状态下不可见(零屈光度)，因为与关断状态下的液晶的折射率(通常为1.5)匹配的材料通常能够获得。因此，当主动使用透镜(即，使透镜聚焦)时，仅使用电。
在又一实现方式中，优选的是，这种第一光学装置和第二光学装置基本上或完全相同。这有利于制造。此外，认为优选的是，第一光学装置和第二光学装置以反定向被组装，使得与第一电极相比，第二电极彼此更靠近；换句话说，第一电极更位于组件的外侧，其中，第二电极位于组件的内侧。当使用垂直配向液晶材料时，发现这产生最好的性能。
特别是考虑到期望集成到眼镜中，优选的是，由菲涅尔透镜结构限定的透镜具有15mm至35mm的直径，例如20mm至30mm。这是相当宽的透镜。关于具有这样的直径的透镜，特别观察到导致本发明的问题。以更大的直径也是可用的，但是双图像可能无法被充分抑制。
优选地，第一电极层基本上平行于第二电极层延伸。这是优选的，以便获得稳定的装置，其中，电极之间的距离和因此场强在整个宽度上相同。此外，由于第一电极和第二电极各自被施加到基板上，并且此后将具有电极层和任何另外的层(例如，菲涅尔透镜结构和取向层)的基板组装在一起，因此可以实现这样的平行延伸。
在又一实现方式中，在倾斜表面与第二电极层之间设置多个间隔件。多个间隔件被适当地分布以便不干扰光学性能。偏振无关可调谐透镜的屈光度适合在0与4之间的范围内，优选地在+0.5与+3.0之间的范围内，例如在+1.0与+2.5之间的范围内。
如技术人员所公知的，所使用的菲涅尔透镜结构可以具有不同的阶数，其中，菲涅尔透镜结构的高度随着阶数增加。较高阶给出较好的光学质量，但是切换较慢。此外，看起来具有双图像的问题对于较高阶透镜比对于较低阶透镜更明显。已经制造了三阶透镜和六阶透镜。
为了制造光学装置，优选地执行以下步骤：
-提供具有第一电极、菲涅尔透镜结构和第一取向层的第一基板；
-在单个取向方向上将预倾施加到第一取向层；
-提供具有第二电极和另外的取向层的第二基板，并且在使得预倾在第一基板和第二基板的组装之后与第一取向方向反平行的方向上将预倾施加到另外的取向层；
-组装第一基板和第二基板并且提供液晶材料，使得在第一取向层与另外的取向层之间在进行组装时形成的空间被所述液晶材料填充。
为了清楚起见，观察到需要对另外的取向层进行预处理，使得lc分子在存在lc材料的空间的顶侧和底侧被定向到所需的定向。施加到另外的取向层的所得预倾角不需要等于施加到第一取向层的预倾角。当第二电极层是平面时，这是优选的情况，另外的取向层的预倾角可以小于第一取向层的预倾角。适当地，第一取向层处的预倾角在4度至8度的范围内，例如在5度至7度的范围内，例如约6度。为了清楚起见，观察到另外的取向层的预倾的反平行方向是指所生成的装置中的情况。
在又一方面中，本发明涉及一种制造光学装置的方法：
-提供具有光透射的第一电极层(8)和与第一电极层相邻的衍射光学结构(4)的第一基板，所述衍射光学结构是菲涅尔透镜结构，该菲涅尔透镜结构包括位于菲涅尔透镜结构的中心的第一倾斜表面(11)，该第一倾斜表面被多个成角度的另外的倾斜表面围绕，第一倾斜表面和另外的倾斜表面各自具有相对于第一电极层(8)的倾斜角；
-在所述第一倾斜表面和另外的倾斜表面上施加至少一个取向层，并且处理所述至少一个取向层，以便将预定的预倾角施加到与其相邻的液晶(lc)分子；
-提供具有光透射的第二电极层和在其上的另外的取向层的第二基板，所述另外的取向层被处理以便将预定的预倾角施加到与其相邻的液晶(lc)分子；
-组装第一基板和第二基板，使得第二电极层设置在距第一电极层一定距离(d)处，其中取向层彼此面对，并且产生取向层中间的空间，所述取向层中间的空间被液晶材料填充，其中，所述至少一个取向层的施加和/或处理被配置成提供多个段，这些段具有不同的取向方向和/或不同的预倾角(α)。
根据该方面，第一取向层被细分为具有不同取向方向和/或不同预倾角的多个段。由此，可以布置预倾以匹配下面的菲涅尔透镜结构的倾斜。这是有利的，以便确保lc分子全部正确地取向。适当地，由此实现了处于导通状态的lc分子当被投射到第一电极层上时的定向包括相对于取向方向的至多45度或甚至至多30度的横向角。将取向层细分为段被认为是减少双图像问题的有效方法。优选地，提供预倾的步骤包括在所述取向方向上摩擦光学装置和/或使用光敏性取向材料中的一种。
在本发明的优选实施方式中，提供了第一取向层，该第一取向层在第一取向方向上的第一段中以及在与第一取向方向平行且相反的取向方向上的第二段中被处理。在本文中，在更优选的实现方式中，第一段和第二段被布置成使得第一段覆盖倾斜表面的位于菲涅尔透镜结构在第一取向方向上的中心的下游的第一部分并且第二段覆盖同一倾斜表面的位于在第一取向方向上的所述中心的上游的第二部分。在该实施方式中，第一段和第二段被赋予相反的取向方向。第一段与第二段之间的边界可以穿过菲涅尔透镜结构的中心。可替选地，这样的边界可以至少部分地与从一个倾斜表面到随后的倾斜表面的过渡重合。本发明的优点在于，在中心的倾斜表面中看不到线，该倾斜表面对于用户是最主要的表面。最优选地，当将第一取向层细分为具有相反取向方向的段时，在另外的取向层中施加相应的段，以确保填充有液晶材料的腔的底侧和顶侧上的取向的匹配。
在另一实现方式中，这样的第一段和第二段可以被具有相同取向方向但不同预倾角的另外的段划分或者更确切地说伴随。例如，其中，所述第一段和第二段是内段，并且还存在与第一段和第二段中的每一个相邻的外段，其中，内段和外段被布置成与第一取向方向平行，优选地具有与第一取向方向平行的相互界面，并且其中外段具有与内段的预倾角不同的预倾角。
在可以与前述实施方式组合的另一实施方式中，根据与第一段对应的预定图案施加第一取向层，并且根据与第二段对应的预定图案施加第二取向层，所述第一取向层和第二取向层具有不同的预倾角(α)。第一取向层和第二取向层在本文中可以包括光敏性材料，该光敏性材料通过辐照进行处理以限定预倾角。例如，聚酰亚胺与多面体低聚倍半硅氧烷纳米颗粒的掺杂可以用于生成具有取决于纳米颗粒浓度的不同预倾角的材料，如s-cjeng等人，“controllingthealignmentofpolyimideforliquidcrystaldevices”在highperformancepolymers-polyimidebased-fromchemistrytoapplications(intech，2012)中第5章，第87至104页特别是第88至89页和95页所公开的。可替选地或另外地，施加包括光敏性材料的第一取向层，并且其中通过所述光敏性材料的处理来提供所述段，其中，对所述段中的至少第一段和第二段的处理是不同的，以便提供相互不同的预倾角和/或相互不同的取向方向。
虽然该技术本身是已知的，但是在本发明的上下文中结合菲涅尔透镜结构以防止或减少双图像问题的应用在现有技术中是未知的或没有解决的。
在又一实施方式中，成角度的倾斜表面各自从自第一电极层突出的闪耀延伸，所述闪耀还具有基本上横向于第一电极层(8)延伸的侧壁，其中，根据预定图案提供第一取向层，使得闪耀的侧壁保持自由并且保持没有取向层。
根据又一方面，本发明涉及根据上述制造方法可获得的光学装置。所得装置是光学装置，其设置有：第一电极层；设置在距第一电极层一定距离(d)处的第二电极层，该第一电极层和第二电极层是光透射的，并且在第一电极层与第二电极层中间存在：与第一电极层相邻并且是菲涅尔透镜结构的衍射光学结构，该菲涅尔透镜结构包括位于菲涅尔透镜结构的中心的第一倾斜表面，该第一倾斜表面被多个成角度的另外的倾斜表面围绕，所述第一倾斜表面和另外的倾斜表面各自具有相对于第一电极层的倾斜角，并且被第一取向层覆盖；液晶材料，其填充至少一个倾斜表面上的所述第一取向层与第二电极层之间的空间并且包括在关断状态下垂直取向的液晶(lc)分子；以及布置在与第二电极相邻的空间的一侧的另外的取向层。与所述第一取向层的界面处的lc分子在单个取向方向上具有预倾(α)，其中，第一取向层设置有多个段，以具有不同的取向方向和/或不同的预倾角。当第一段和第二段具有不同且相反的取向方向时，另外的取向层相应地设置有具有相反取向方向的第一段和第二段。
本发明还涉及一种包括第一光学装置和第二光学装置的堆叠的偏振无关可调谐透镜，其中，至少第一光学装置和优选地还有第二光学装置是根据前述方面的，以及/或者根据所指定的方法可获得。该方面的光学装置可以用本发明的方法制造，并且当应用于偏振无关可调谐透镜时，允许减少双图像问题。在一个合适的实施方式中，偏振无关可调谐透镜是弯曲的。优选地，对第一光学装置和第二光学装置的组件进行处理以便施加预定曲率。更优选地，所述预定曲率与来自眼镜的玻璃的曲率匹配，偏振无关可调谐透镜或者通过附接到这种玻璃的一侧或者更优选地通过集成在这种眼镜玻璃的两个透镜半体之间被集成到该眼镜中。已经发现曲率的施加对lc分子的取向特性没有负面影响。
使用该方法，可以制造具有如上所述的可靠光学特性的光学装置。技术人员将认识到，可以使用多种技术以及根据所使用的技术在制造过程的不同阶段提供预倾。除非明显地矛盾，否则上文针对一个方面论述的任何实施方式或实现方式也适用于任何其他方面。
附图说明
现在将参照示出本发明的一些优选实施方式的附图更详细地描述本发明。在附图中：
图1示出了根据本发明的实施方式的光学装置的横截面；
图2示出了在装置的导通和关断状态下的预期lc定向；
图3示出了取向方向对倾斜表面的影响；
图4示出了对倾斜表面进行补偿的预倾；
图5示出了透镜表面的一部分的视图，其中，预倾角对lc分子的影响被示出在透镜表面的多个位置处；
图6示出了透镜表面的透视图，其中该表面被分段并且其中不同的预倾角被施加到这些段；以及
图7示出了用于向透镜表面施加预倾角的多个选项。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记被分配给相同或类似的元件。
将关于特定实施方式并参照某些附图来描述本公开，但是本公开不限于此。所描述的附图仅仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，一些元件的尺寸可能被放大并且没有按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定与实践本公开的实际减少对应。
此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于在类似元件之间进行区分，而不一定用于描述先后顺序或时间顺序。这些术语在适当的情况下是可互换的，并且本公开的实施方式可以以不同于本文所描述或说明的其他顺序操作。
此外，说明书和权利要求书中的术语顶部、底部、在……上、在……下等用于描述性目的，而不一定用于描述相对位置。如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文所描述的公开内容的实施方式可以以不同于本文所描述或说明的其他方向操作。
权利要求书中使用的术语“包括”不应被解释为限于其后列出的方式；它不排除其他元件或步骤。其需要被解释为指定所提及的所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤或部件或其者群组的存在或添加。因此，表述“包括设备(means)a和b的装置”的范围不应当限于仅由部件a和b组成的装置。这意味着关于本公开，装置的仅相关部件是a和b。在权利要求书中使用的术语“至少一个”应当被解释为指定所提及的所陈述的特征、整数、步骤或部件中的一个或更多个的存在，由此代替表述和/或。因此，a和b中的至少一个应当被解释为a和/或b。在权利要求书中使用的术语“其中之一”应当被解释为指定所提及的所陈述的特征、整数、步骤或部件中的单个特征、整数、步骤或部件的存在，由此代替表述或。因此，a和b之一应当被解释为a或b。
热塑性或热软化塑料是在高于特定温度时变得柔韧或可模制而在冷却时固化的塑料材料、聚合物。优选地，这些热塑性层由如下光学透明的聚合物制成：即，在例如400nm至700nm的可见光谱中具有在5％与100％之间的光透射效率。示例是用于制造眼镜诸如三井mr8的聚对苯二甲酸乙二醇酯、三乙酸纤维素、透明聚氨酯聚碳酸酯或硫代氨基甲酸酯材料。由这些材料制成的膜可以具有在5μm与1000μm之间变化的厚度并且通常承受高达3mm的弯曲半径。
衍射光学元件可以包括衍射结构，例如闪耀光栅、菲涅尔透镜、菲涅尔轴棱镜或引起透射光中的预定相位分布的其他结构。
填充腔7的流体材料是液晶材料。优选地，至少对于液晶材料的状态之一来说，填充腔的液晶材料的折射率与衍射光学元件4、边界6和粘合剂的折射率匹配。例如，公知的液晶e7的正常折射率等于uv胶noa74。液晶材料在关断状态下垂直取向。垂直取向的液晶材料是其中液晶自然垂直取向到取向表面的材料。换句话说，当在光学装置的关断状态下没有施加电压时，液晶保持基本上垂直于取向表面。这种材料还已知具有负介电各向异性(ε)并且本身是已知的。所得液晶材料也称为垂直配向。在光学装置的下部，取向表面主要由衍射结构的倾斜表面形成。在光学装置的上部，取向表面由第二电极层或包括第二电极的层形成。上取向层和下取向层形成来自光学装置的腔的底壁和顶壁。在实施方式中，下取向表面和上取向表面不平行，但是示出了与倾斜表面对应的倾斜段。
已经观察到，垂直取向的液晶材料中的晶体在其关断状态下相对于作为取向表面的接触表面而不是相对于电极层倾向于处于基本上垂直的位置。本发明的光学装置中这种行为的结果是，至少一部分晶体在其关断状态下相对于第一电极层处于倾斜的位置。该倾角与衍射结构中的至少一个倾斜表面的倾斜直接相关。因此，该倾角相对于电极层在光学装置上通常是不连续的。在另外的描述中，lc分子相对于第一电极层的法线的倾角被称为有效倾角。在图4中，用参考标记β示出了有效倾角。
预倾的概念对于lc材料是已知的。在文献中，术语“预倾”通常根据情况可能具有稍微不同的定义。在本公开中，使用垂直取向的液晶材料，并且取向层是不连续的，示出了相对于电极层的不同倾斜方向和/或角度。预倾在本文中被定义为：在装置的关断状态下与lc晶体和取向材料的表面法线之间的角度相关。取向材料是与lc分子接触的材料。在图4中，用参考标记α示出了预倾。根据该定义，清楚的是，当取向表面平行于第一电极层时，有效倾角β和预倾α是相同的。这在图4中在图的中间部分被示出。而且，根据该定义，当未给出预倾时，lc分子基本上垂直于取向表面延伸。
文献中描述了多种技术以提供对lc分子的预倾。这些技术中的许多技术旨在将lc分子指向预定方向。这影响lc分子在切换到导通状态时定向的方向。对于大多数光学系统，优选的是，这些lc分子沿单一方向定向。这也清楚地表明，在许多情况下预倾不仅限定了角度，而且限定了该角度定向的方向。例如，当通过摩擦实现预倾时，摩擦方向确定预倾方向并且摩擦强度确定预倾角。
为了完整性，说明了光学装置中lc材料的光学效应，包括被称为漏光的效应。为了确保整个衍射结构上对一个偏振的均匀光学响应，向列型lc分子应当在所有状态下保持单轴取向。以这种方式，由双折射分子引起的延迟将不会影响线性偏振光在两个特定垂直方向上的偏振。当透射光的相位分布随后受到例如衍射结构在不同位置处的高度影响时，可以对其仔细地管理以表现出特定行为例如聚焦到点中。平行于单轴方向的线性偏振光将保持线性偏振但具有变化的相位分布，而垂直方向保持不受影响。然后，可以通过将线性偏振器以校正方向放置在lc单元前面(以降低总光透射为代价)，或者通过以90度角放置两个相同的单元来构造具有期望响应的光学装置，从而得到偏振无关的装置。
然而，如果分子方向例如由于衍射结构的表面而偏离单轴配置，则产生位置相关延迟。因此，偏振中的位置相关变化将发生，并且局部相位分布将变成两个状态的叠加。与理想的单轴方向不同，线性偏振器不能消除整个装置上不期望的相位分布，并且因此将产生位置相关双图像。类似地，两个这种相同的装置将得到位置相关双图像。这种效应被称为漏光并且通过本发明被最小化。
优选地，底基板包括第一光学透明热塑性层2，并且包括第一光学透明电极8。上基板包括第二光学透明热塑性层3，并且包括第二光学透明电极9。层2和层3以固定距离d设置，优选地由衍射光学元件4顶部上设置的多个间隔件5设定。距离d优选地进一步由边界6保持。如由图1所示，衍射光学元件4、间隔件5和边界6定位在层2与层3中间以及电极层8与电极层9中间。距离d可以在10纳米(nm)与100微米(μm)之间，通常在50nm与50μm之间。
在优选实施方式中，边界6、间隔件5和衍射光学元件4具有相同的材料成分。例如，间隔件5、衍射光学元件4和边界6可以由诸如双酚氟二丙烯酸酯的高折射率单体或诸如noa1625或noa164的高折射率uv胶制成，noa1625或noa164可从诺兰德产品公司商购获得，如诺兰德光学粘合剂(noa)。
如下所公开的，边界6、间隔件5和衍射光学元件4可以使用纳米压印技术由存在于底基板上的具有上述材料成分的相同层来形成。
与半导体和平板制造技术中使用的光刻图案化相比，纳米压印技术是更简单、成本更低和高生产量的图案化技术。如在2014年nanoscaleresearchletters中由kooy等人尤其在‘areviewofroll-to-rollnanoimprintlithography’中所公开的，该文献通过引用并入在此，纳米压印光刻涉及使用包含所需图案的反面的预制模具。将该模具压入涂覆有聚合物的基板中，由此通过其机械变形将图案复制到聚合物中。在变形之后，使用热处理将图案固定在变形的聚合物上或者通过将变形的聚合物暴露于uv光下来固定图案，从而使纳米压印图案硬化。然后取出模具。反面图案可以对应于要形成的单个结构。然后，在聚合物中形成结构阵列需要根据所需结构数量的许多倍来重复纳米压印工艺。如果模具包含反面图案的阵列，则可以增加生产量，由此在单个纳米压印期间，在同一聚合物中同时形成所需数量的结构。
优选地，衍射光学元件4的朝向第二热塑性层3定向的表面包含被配置为液晶材料的取向层的亚微米槽。当形成衍射光学元件4时，可以通过如前面段落中所讨论的纳米压印来产生这些槽。在纳米压印工艺中使用的模具不仅包含边界6、间隔件5和衍射光学元件4的负面形状，而且其内表面至少在衍射光学元件4的形状的位置处包含例如以圆形或矩形图案方式的槽。该方法允许以整体方式形成这些特征。y.j.liu等人公开了使用‘nanoimprintedultrafinelineandspacenanogratingsforliquidcrystalalignment’中的纳米压印技术来形成这样的取向图案，如r.lin等人在‘molecular-scalesoftimprintlithographyforalignment’中也使用纳米压印技术来形成这样的取向图案。
液晶材料的取向特性不仅由槽本身的几何形状决定，而且由构成其中形成槽的衍射光学元件4的材料决定。如果另一种材料用于同一配置的槽，则可以在这些槽上形成附加的保形取向层以提供不同的材料取向特性。例如，如果衍射光学元件的材料使液晶分子以平面方式取向，则可以涂覆垂直配向取向层，覆盖了槽中的至少一些槽。该保形取向层可以覆盖衍射光学元件4的整个开槽表面。替选地，该开槽表面的仅一部分可以被该附加的保形取向层覆盖，从而允许利用附加的保形取向层与衍射光学元件4之间的材料取向特性的差异。
可以在衍射光学元件4顶部上的腔7内存在一层平面化材料。取向层也可以通过在平面化层的表面中形成的槽而存在于腔7的底部，该平面化层表面朝向第二热塑性层3定向。在装置1的操作期间，这些槽有助于定向腔7中存在的液晶。优选地，另一取向层也存在于腔7的邻近第二光学透明电极3的一侧，从而面向开槽表面。
衍射光学元件4和平面化层各自的材料至少在它们的界面处可以具有相同的折射率。此外，这些材料在低频电场(例如，1hz至10khz)下的介电常数可以不同。该平面化材料还可以用于形成边界6的上部。如果存在槽口16，则其在该平面化材料中形成。
光学透明电极可以由诸如铟锡氧化物(ito)、clear
在本公开的第二方面中，如先前方面中所公开的光学装置1用于光学仪器中。当被插入光学仪器中时，光学装置1被配置成调谐朝向眼睛的光的相位分布。
这样的光学仪器可以是透镜，其中，光学装置用作透镜插入件。在考虑眼科应用时，透镜可能是眼镜镜片、隐形眼镜或人工晶体。由于眼镜镜片和隐形眼镜通常都具有弯月面形状，因此当光学装置1也以与其需要嵌入的透镜的曲率大致相同的曲率弯曲时，光学装置可以更容易地集成在透镜中。通常，光学装置然后将在两个正交方向上弯曲。对于人工晶体，可以嵌入平面或弯曲光学装置。
这样的光学仪器可以包含多于一个光学装置1。可以堆叠多个这些光学装置1。通过堆叠多个光学装置，可以结合单个光学装置的电光特性。例如，填充有向列型液晶但具有正交取向的两个装置可以得到偏振无关的可调谐透镜。
图2示出了lc分子10的用于在导通/关断状态之间产生良好可控的折射率差的预期行为。这种可控的差导致光学装置的期望的可靠光学特性。在图中，处于关断状态的lc分子用10a表示，并且处于导通状态的lc分子用10b表示。在关断状态下，lc分子垂直取向。
包括lc分子的光学装置通过液晶在其导通状态和关断状态下的折射率差来操作。这是lc分子的定向变化的结果，并且如果不对其进行仔细地控制，则透镜行为错误。特别地，期望大多数分子，优选地所有分子在关断状态下朝上指。在这种状态下，液晶的折射率与透镜的树脂材料的折射率基本匹配。这意味着所使用的液晶混合物的一般折射率ne与透镜材料的折射率大致相同。该匹配对于可见光的所有波长以足够的方式完成。因此，用于制造透镜的树脂材料被制备有与液晶混合物的色散曲线非常相似的折射率色散曲线，使得两者的折射率不偏离超过0.05。
当电场被施加时，期望大多数lc分子，优选地所有lc分子基本上水平地取向，所有lc分子基本上平行于预定轴延伸，更优选地指向基本上相同的方向。以这种方式，仅针对一个偏振存在光焦度(opticalpower)，并且顶部取向层和底部取向层都以协调方式工作。为了使该光焦度具有实际用途，一般折射率和非常规折射率的差应当足够大，通常>0.15。
图1示出了本发明的光学装置的横截面，并且示出了衍射结构包括多个倾斜表面11的典型情况，其中，该倾斜具有不同的倾斜方向和/或不同的倾斜角。菲涅尔透镜示出高度对称性。因此，倾斜表面11可以具有不同的倾斜角。用11a表示在优选取向方向12的方向上倾斜的倾斜表面。用11b表示在与优选取向方向12相反的方向上倾斜的倾斜表面。图4还示出了平坦表面11c。为了在具有这样的衍射结构的光学装置中获得如图2所示的行为，根据本发明，改变lc分子的预倾。在不改变预倾的情况下，lc材料的行为在图3中示出。
优选地，在聚酰亚胺中以优选取向方向12形成光学装置。这确保了光的一个偏振方向的光焦度(power)被聚焦，而另一个偏振方向的光焦度未改变。根据实施方式，这通过在反平行方向上摩擦两个透镜层表面上和无透镜层表面上的聚酰亚胺层来实现。注意，也可以使用实现相同结果的其他技术。
在测试期间，观察到，这种产生优选取向方向的技术对于具有低光焦度的透镜适当地起作用。换句话说，当使用具有中等结构或低结构的衍射结构时，该技术适当地起作用。然而，对于较高光焦度的透镜，当场被接通时，这导致大量的旋转位移。
本发明至少部分地基于以下认识：表面形貌使lc分子额外地倾斜，并且因此当场被接通时，这可以使lc分子(及其固有的偶极子)在透镜的相对侧沿相反方向定向。这导致特别是在如下侧处发生旋转位移：其中，顶表面和底表面的lc偶极子沿相反方向定向。在图3中示出并且在下文中更详细地说明这种不希望的行为。透镜中的小平面的倾斜越高或者因此透镜的光焦度和直径越大，这种不希望的效果就变得越明显。注意，这些旋转位移通常在外部最陡闪耀处在透镜的同一侧发生。
图3示出了这样的情况。图3中被示出在图的中心的光学装置被处理为具有朝向图的右手侧的优选取向方向12。光学装置中的衍射结构是菲涅尔透镜。在图的左手侧，横截面被示出为光学装置的左手侧的倾斜段11a。在图的右手侧，横截面被示出为光学装置的右手侧的另一倾斜段11b。根据图，清楚的是，这些倾斜段具有相对倾斜定向。
图3还在两侧示出了上情况和下情况。上情况对应于lc分子处于其直立状态10a，而下情况对应于lc分子处于其平躺状态10b。直立状态是当在电极层之间没有产生显著电场时lc分子采取的状态。平躺状态是当在电极层之间产生预定电场时lc分子采取的状态。
由于如图3所示的优选取向方向，大多数lc分子在平躺状态10b下倾向于向右定向。然而，如附图标记10bb所示，图的右手侧处的倾斜角造成位于倾斜表面附近的lc分子向左定向。位于右手侧且下情况处的图示出了lc分子的一部分引向左10bb，而lc分子的另一部分引向右10b。在该上下文中，注意，这是腔的侧面处的分子的取向到大量lc单元中的抽象延伸。通常，大量分子将表现出额外的扭曲以补偿大量单元中的定向失配。这干扰了通过lc分子透射的光，使得光学误差在光学装置中是可见的。
为了解决该问题，改变lc材料相对于取向材料的表面的预倾α以补偿由表面形貌设定的倾角。该预倾是lc材料的已知特性，表示lc分子与取向材料11的表面法线之间的角度α。为了简单起见，可以理解，如果可以将lc的预倾增加超过倾斜，则所有lc分子将沿相同方向定向并且可以实现预期的取向行为。这在图4中示出。图4示出了预倾的原理。该图示出了具有不同倾斜角的表面上的表面法线与lc分子之间的角度α。
根据图4，清楚的是，可以选择预倾，使得lc分子10a的在图中以角度β示出的绝对倾角与优选取向方向12相符合。换句话说，基本上所有lc分子10a在直立状态下定向为具有相同方向的绝对倾角β。为了实现这一点，预倾被选择为具有角度α，该角度比最陡的相对倾斜表面角度大。这在图4的右手部分中示出，倾斜表面11b具有表面法线，示出了与预倾方向相比沿相反方向相对于直立轴线的角度。预倾角α大于表面法线与直立方向之间的角度，使得所得的绝对倾角β处于所需方向。当通过接通电场激活lc分子时，所有lc分子将朝右手侧定向，从而避免图3所示的情况并获得可靠的光学特性。
为了改变预倾，可以增加表面被摩擦的强度(stohr等人，‘microscopicoriginofliquidcrystalalignmentonrubbedpolymersurfaces’)，或者使用光敏性取向材料(yaroshchuk等人，‘photoalignmentofliquidcrystals:basicsandcurrenttrends’)或垂直和水平取向的lc的混合物(wu等人，‘controllingpretiltanglesofliquidcrystalusingmixedpolyimidealignmentlayer’)或文献中说明的其他方法。注意，可以取决于透镜上的位置选择性地调谐预倾角(例如，使用光敏性材料)，确保绝对倾角在整个菲涅尔透镜上相同。
另一种方法是限制小平面的倾斜。这可以通过使用针对特定透镜光焦度的透镜的更非球面的设计来完成，或者可替选地，去除其中倾斜高于预倾的透镜半部的外部部分(例如，制成椭圆形透镜)。
图5a示出了透镜表面的一部分的透视图。该部分可以是如上所述的衍射光学元件4的中间部分。在该图中，表面法线被绘制在透镜表面的多个位置处。该表面法线被绘制为具有不间断的线的箭头，并且用附图标记n表示。如上所述，关断状态下的lc定向是表面法线和预倾角的组合。示出lc定向的矢量也被绘制在透镜表面的这些多个位置处，并且用附图标记np表示。该lc定向矢量用间断虚线表示。该lc定向矢量是直接相关的，并旨在示出lc分子在关断状态下的定向。预倾角被示为角度α，是表面法线n与lc定向矢量np之间的角度。
有效倾角β在上面定义为第一电极层的表面法线与lc定向之间的角度。在图5中，第一电极层的表面法线被示出并用附图标记13表示。有效倾角β被示为lc分子与表面法线13之间的角度。
当透镜被激活时，有效倾角β确定lc分子的定向的方向。通过将lc定向矢量np投影到与第一电极层平行的表面上，可以最好地说明有效倾角β对lc分子的定向的方向的影响。注意，取向方向12通常被定义为与第一电极层平行。lc定向矢量np在该表面上的投影在图5中示出并且用参考标记npxy表示。投影npxy包括平行于取向方向12的分量和横向于取向方向12的分量。注意，横向分量取决于透镜表面上的位置可能为0。特别地，当倾斜表面在横向于取向方向的方向上不倾斜时，投影npxy的横向分量为0。
在图5中，角度θ用于说明投影npxy与取向方向12之间的角度。测试已经表明，当在基本上整个取向表面上θ小于60度、更优选地小于45度、最优选地小于30度时，可以保证透镜装置的可靠且可预测的操作。基于上述说明和相应附图，技术人员将认识到，可以通过增加预倾和/或通过减小倾斜角来使角度θ更小。
图5b在俯视图中示出了与第一电极层平行的同一透镜表面，并且示出了图5a所示的相同箭头。由此，图5b示出lc分子在第一电极层上的投影npxy。图5b还示出了表面法线n。在图5b中，可以清楚地看到角度θ。对于透镜中心线上所示的投影，角度θ为0。对于透镜底部上的投影，角度θ约为30度。
图5c在侧视图中示出了同一透镜表面，还示出了图5a和图5b所示的相同箭头。根据图5c，清楚的是，有效倾角β使得所有lc定向矢量np指向该图的右手侧。因此，所有lc定向矢量np在取向方向上具有正矢量分量。技术人员将直接认识到，均指向该图的右手侧的这些矢量的效果是当lc分子被激活时它们将朝向右手侧定向。这产生lc分子当被激活时的均匀反应，这如上所述是有利的。
图6示出了类似于图5a的图，但是其中透镜表面包括两段。图6中的箭头类似于上述图5中的箭头。预倾在两段中是不同的，使得一段的取向方向平行于另一段的取向方向并且与另一段的取向方向相反。特别地，图6的透镜表面的右手侧处的取向方向12a指向右。图6的透镜表面的左手侧处的取向方向12b指向左。当lc分子被激活时，透镜表面的右手侧上的lc分子将向右定向，而透镜表面的左手侧上的lc分子将向左定向。效果如上所述。当透镜表面被分段时，绝对预倾可以显著减小，以补偿透镜表面的倾斜角。根据图6，技术人员将清楚的是，大部分表面法线将在取向方向上示出至少矢量分量。预倾主要目的在于补偿矢量分量在取向方向以外的其他方向上的影响，以便它们的影响在激活lc分子时得以减小。
图7示出了用于透镜表面的多个分割选项，其中，多个取向方向和/或预倾可以被分配给多个段。在图7中，箭头示出取向方向，而间断线示出透镜的分割。图7a示出了仅具有单个段的透镜表面，因此仅具有单个取向方向。图7a对应于图5所示的实施方式。图7b示出了与图6的实施方式对应的具有两段的透镜表面。这两段具有相反的取向方向。
当考虑透镜表面中的多个段时，邻近具有平行但相反取向的两段，其他配置也是可能的。例如，在中心对称衍射菲涅尔透镜结构与具有优选单向取向的液晶组合的情况下，由于局部倾斜，透镜侧面的段中的分子(参见图5a和图5b)相对于取向方向具有最大的横向分量。为了减小角度θ，参见图5和图6，在不影响透镜中部的光学质量的情况下，外段可以具有更大的预倾角。这可能以在关断状态下较差的折射率匹配为代价，但是将导致在导通状态下较好的光学性能。内段与外段之间的边界可以具有除与取向方向的平行线之外的更复杂的形状，并且可以根据特定的期望光学质量测量进行设计。这样的分割在图7c中示出。
这样的配置甚至可以与具有平行但相反的取向方向的中心分割进一步组合。这样的配置的示例在图7d中示出。以这种方式，通过设计施加了大的中心旋转位移线，但是离轴偏差在侧面处被最小化，而有效倾角和预倾角基本上在同一方向上。
以复杂性为代价，可以实现甚至更精细的分割，从而进一步优化光学质量。
基于附图和说明书，技术人员将能够理解本发明的操作和优点及其不同的实施方式。然而，注意，说明书和附图仅旨在理解本发明，而不是将本发明限制于其中所使用的某些实施方式或示例。因此，要强调的是，本发明的范围将仅在权利要求书中限定。
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