具有电活性透镜的光学装置的制作方法

本公开内容涉及用于眼镜的光学装置，该光学装置包括用于可调谐光透射的第一电活性透镜。本公开内容还涉及包括这样的光学装置的透镜单元，涉及包括设置有光学装置的框架的成副眼镜以及操作光学装置的方法。

背景技术：

1、包括作为电活性透镜的一部分的液晶(lc)层和菲涅尔透镜结构的光学装置可以从其中lc在透镜的光轴方向上的折射率与透镜的折射率匹配的状态切换到其中在垂直于光轴的方向上的折射率与透镜的折射率不匹配的状态。在该后一种状态下，透镜对于偏振角取决于lc配向的偏振光是导通的。液晶透镜可以是完全地由液晶制成的透镜，或者是由填充有液晶的各向同性的材料制成的透镜。

2、为了使这样的透镜适用于非偏振光例如自然光，已经提出了若干方法：

3、1.将两个相似的透镜堆叠在彼此的顶部上，其中每个透镜中的液晶的配向彼此垂直(us201715787082)。

4、2.将透镜与具有某些取向的线偏振器组合使用(us4190330a)。

5、一些关于液晶可调谐透镜的专利文献描述了透镜堆叠，但是倾向于使用平面配向，并且没有考虑lc腔中的菲涅尔透镜结构如何相对于彼此定向。即使有考虑，菲涅尔透镜结构也通常堆叠为表面定向在相同方向上。例如参见us20070216851a1、us9448456b2、us9690116b2、us10863949、us201715787082或us4190330a。

6、本公开内容涉及由与垂直配向的液晶组合的各向同性的聚合物材料制成的电活性透镜。例如从us 8 587 734中已知这种类型的电活性透镜。这些已知的电活性透镜具有许多缺点。例如，在垂直于光轴的平面上的取向受光学装置中的透镜的结构的影响。这种取向在光学装置的不同部分中是不同的。因此，在以上提及的方法中，装置将在某些部分中不仅透射放大图像，而且还透射未放大图像。这导致双图像。

7、当垂直配向定向的液晶的倾斜角较小并且离轴(相对于单向倾斜取向)局部透镜表面倾斜度较大时，在电活性单元的导通状态下出现双图像。

8、从us 8 587 734中已知由各向同性的聚合物透镜和应用的垂直配向液晶组成的可切换透镜。透镜是通过在一个基板上压印聚合物层而制成的。在此过程中，也形成了间隔件，以使第二基板与透镜保持一定距离。覆盖有透明电极的基板之间的腔填充有液晶。沿着基板，液晶的取向由若干因素确定。在关断状态下的取向是由用作配向层的聚酰亚胺层控制的。通常，该层使液晶指向矢(其中，液晶指向矢被定义为液晶分子的长分子轴的平均方向)均匀地垂直于表面定向，也称为垂直配向。如果然后将电压施加在电极上，则液晶将沿着表面在平面上随机地重新定向。在基板上摩擦配向层，例如摩擦聚酰亚胺覆盖的基板，导致在关断状态下指向矢与垂直取向的小的偏离。wo 2019/038439 a1中提供了通过在电活性透镜中的配向层上摩擦(或类似技术，例如光配向)而包括预倾斜的概念的附加描述，其内容通过引用并入本文中。

9、指向矢的偏离与摩擦方向有关并且被称为预倾斜。当施加电压时，在与透镜相对的基板上的取向仅由摩擦方向确定。在具有透镜的基板上，情况更为复杂。液晶指向矢的取向受摩擦方向以及透镜表面的几何形状的影响。由于透镜表面的取向在不同位置处是不同的，因此液晶指向矢在透镜基板上也是不均匀的。这就是为什么在某些部分中，指向矢的取向对于顶部基板和底部基板是不同的并且将发生指向矢的扭曲。注意，可以通过光配向技术实现类似的配向(即，适当的预倾斜的施加)。

技术实现思路

1、本公开内容的目的是提供包括至少一个可调谐电活性透镜的光学装置，所述至少一个可调谐电活性透镜提供改进的光学质量和/或降低的双图像发生风险。

2、另一目的是在要由电活性透镜聚焦或色散的光是非偏振光的情况下改进光学质量并且降低诸如双图像的光学伪像的发生。

3、根据第一方面，提供了一种用于眼镜的光学装置，其中，光学装置包括用于可调谐光聚焦或色散的第一电活性透镜，该电活性透镜包括：

4、-第一光学透明基板和第二光学透明基板，其中，第一光学透明基板和第二光学透明基板彼此大致平行地延伸并且限定轴向(z)方向和横向(x，y)方向；

5、-衍射透镜结构，比如菲涅尔透镜结构，该衍射透镜结构被布置在第一光学透明基板与第二光学透明基板之间在第二光学透明基板侧；

6、-形成在第一光学透明基板上的第一光学透明电极和形成在第二光学透明基板上或衍射透镜结构上的第二光学透明电极；

7、-在第一光学透明基板与第二光学透明基板之间的密封腔(108)，其中，在该密封腔中布置有衍射透镜结构和向列液晶(lc)材料的至少一个lc层，并且其中，使向列液晶(lc)材料中的液晶在关断状态下大致轴向配向；

8、其中，第一光学透明电极包括配向层，该配向层具有与lc层接触的接触表面并且被配置成通过在关断状态下引入预倾斜而使向列液晶材料中的液晶在导通状态下在第一水平方向上线性配向。

9、偏振元件，该偏振元件被配置用于调整具有沿垂直于第一水平方向的第二水平方向的偏振的光；

10、其中，向列液晶材料的lc层具有在衍射透镜结构的最靠近第一光学透明电极的部分与第一光学透明电极上的配向层的接触表面之间测量的厚度(d)，并且

11、其中，厚度(d)被选择为满足条件no是lc层的寻常折射率，ne是lc层的非寻常折射率，是lc层的液晶指向矢的扭曲角，以及λ是光的波长，并且波长λ范围在350nm到750nm之间。

12、扭曲角的范围可以从0度到180度。

13、由配向层和下文中讨论的其他配向层(如果存在)引起的预倾斜提供完美轴向配向的相对较小的偏离。在本公开内容的实施方式中，预倾斜(其定义与完美轴向(垂直)配向的小的偏离)通常相对于轴向(z)方向在1度到6度之间变化。还参考由相同发明人提交的wo2019/038439 a1，其中，还提供了关于包括小的预倾斜可以如何帮助lc材料在关断状态和导通状态下的正确配向的说明。

14、当满足条件时，液晶层的液晶很好地处于mauguin状态中，使得在液晶层中发生波导。这使得可以保持行进穿过光学装置的光的线偏振。此外，由于可以通过使用第一光学透明电极的配向层对第一光学透明电极应用特定的线性配向方向，因此可以实现光学装置在光学装置表面上均匀的适当响应。另外，通过保持线偏振，可以滤除诸如双图像的任何不想要的伪像。在某些实施方式中，可以通过在光学装置中包括线偏振器来实现滤除，而在其他实施方式中，通过提供堆叠在第一电活性元件的顶部上的第二电活性透镜来实现滤除，如将在下文中说明的。例如，在本公开内容的实施方式中，以上提及的偏振元件包括偏振器(优选地，线偏振器)，该偏振器被配置成允许具有第一线偏振的光通过并且基本阻挡具有垂直于第一线偏振的第二线偏振的光。替选地或另外地，在本公开内容的其他实施方式中，以上提及的偏振元件包括堆叠在第一电活性透镜上的第二电活性透镜，优选地类似于第一电活性透镜。

15、如本文所限定的光学装置可以包括第一基板和第二基板和/或第一配向层或第二配向层，所述第一基板和第二基板和/或第一配向层或第二配向层基本平坦并且被布置成彼此大致平行地延伸。在这些实施方式中，当平坦基板和/或平坦配向层被布置成在水平方向上延伸时，轴向配向对应于垂直配向。在其他实施方式中，第一基板和第二基板和/或第一配向层或第二配向层可以是弯曲元件，其中，这些弯曲元件被布置成仍然彼此大致平行地延伸。在这些实施方式中，向列液晶(lc)材料的轴向配向限定在局部垂直于面向密封腔的基板/配向层的表面的方向上的配向。换句话说，可以在表面的每个位置处限定轴向方向，该轴向方向是垂直于基板/配向层的表面的局部取向的方向。该方向对于表面上的不同位置通常是不同的。因此，在具有弯曲基板和配向层的实施方式中，优选是指“轴向配向”而不是“垂直配向”。

16、虽然通常在衍射透镜结构上需要配向层以使液晶在关断状态下轴向(垂直)配向，但是引入定向预倾斜不是严格需要的。在导通状态下，在衍射透镜结构处将存在不均匀的指向矢轮廓，导致变化的扭曲角，该扭曲角高度依赖于局部衍射透镜结构。然而，在与第一光学透明电极上的配向层的线性配向方向相同的横向(水平)方向上引入预倾斜通常将减小扭曲角值并且因此增加mauguin条件值。这将导致更好的光学性能。

17、贯穿本公开内容，当提及通常轴向配向的向列液晶(lc)材料中的液晶时，意味着使液晶的主要部分在单轴方向上配向。

18、根据本公开内容的实施方式，布置在第一光学透明基板与第二光学透明基板之间在第二光学透明基板侧的衍射透镜结构被布置在第二光学透明层处。第二光学透明电极可以形成在衍射透镜结构上。根据本公开内容的实施方式，布置在第一光学透明基板与第二光学透明基板之间在第二光学透明基板侧的衍射透镜结构被布置在第二光学透明电极处，其中，第二光学透明电极被布置在第二光学透明基板上。

19、根据本公开内容的实施方式，偏振元件包括堆叠在第一电活性透镜上的第二电活性透镜。第一电活性透镜的第一光学透明层包括配向层，该配向层具有与lc层接触的接触表面并且被配置成使向列液晶材料中的液晶在导通状态下在第一水平方向上线性配向，而第二电活性透镜的第一光学透明层包括配向层，该配向层具有与lc层接触的接触表面并且被配置成使向列液晶材料中的液晶在导通状态下在第二水平方向上线性配向，其中，第一方向垂直于第二水平方向。以此方式，光学装置能够以改进的准确度通过电活性透镜透射(即，色散或聚焦)非偏振光，从而避免或至少减少出现双图像的可能性。

20、优选地，第一电活性透镜的光焦度对应于第二电活性透镜的光焦度，使得在光学装置的导通状态下，由光学装置对于第一线偏振方向提供的透镜作用对应于用于第二线偏振方向(第二方向与第一方向正交)的透镜作用。

21、第一电活性透镜和第二电活性透镜可以是相同的，考虑到制造成本这可能是有利的。然而，第一电活性透镜和第二电活性透镜也可以不同。例如，在两个电活性透镜的衍射透镜元件是菲涅尔透镜结构的实施方式中，第一电活性透镜的菲涅尔透镜结构的闪耀(blaze)轴向高度和/或闪耀横向位置可以至少部分地不同于第二电活性透镜的菲涅尔透镜结构的闪耀轴向高度和/或闪耀横向位置。这有助于例如在从倾斜方向观察的情况下减小视差效应和莫尔效应(moire-effect)。

22、另外地或替选地，第一电活性透镜的向列液晶材料可以不同于第二电活性透镜的向列液晶材料。在从倾斜方向观察的情况下，使用不同的向列液晶材料可以帮助减少视差效应和莫尔效应。此外，对向列液晶材料的选择可能影响衍射结构的闪耀的所需位置和/或可以减少色差的出现。

23、在第一电活性透镜和第二电活性透镜堆叠的实施方式中，将第一电活性透镜的第一光学透明基板和第二电活性透镜的第一光学透明基板组合成单个公共的光学透明基板。电活性透镜的堆叠于是可以仅具有三个基板。

24、代替将两个电活性透镜堆叠在彼此的顶部上，单个电活性透镜可以设置有至少一个线偏振器。线偏振器被配置成允许具有第一线偏振的光通过并且基本阻挡具有与第一线偏振垂直的第二线偏振的光。此外，优选地使偏振器在第一光学透明层的侧处配向，使得第一线偏振基本平行于液晶层中第一电极附近的位置处的液晶的配向。换句话说，偏振器轴可以在导通状态下与第一电活性透镜的向列液晶(lc)材料中的液晶指向矢的方向配向。以此方式，入射的非偏振光(当光学装置处于导通状态时)将产生源自沿第一线性配向方向的第一偏振的光的放大图像和源自垂直于第一方向的第二偏振的光的未放大图像。此时，可以通过适当的偏振器容易地过滤未放大图像。

25、在优选实施方式中，线偏振器包括附接至第一基板和/或第一光学透明电极的一个或更多个偏振层，更优选地，线偏振器包括附接至配向层并且配向到配向层的配向方向的偏振层。注意，配向方向可以以不同的方式实现，并且可以对应于当配向层已经经受摩擦操作时的摩擦方向或对应于当配向层已经经受光配向处理时的光配向方向。

26、在另一实施方式中，光学装置包括形成在衍射透镜结构的面向lc层的表面上的至少一个偏振层，其中，至少一个其他偏振层的偏振指向矢在衍射透镜结构的不同区域中被调谐以使其与透镜表面上的局部液晶指向矢匹配。

27、光学装置可以是其中至少一个电活性透镜被配置成通过在向光学透明电极施加电压时改变lc层中的液晶的配向来调谐光的聚焦或色散的类型。如本领域技术人员将认识到的，可以以不同的方式施加电压。在wo 2019/101966a1中描述了将一个或多个电活性透镜的电极附接至电源(例如，布置在一副眼镜的框架的不同部分中的电池)的一个具体示例。此外，电活性透镜的光学透明电极可以电连接以用于同时切换第一电活性透镜和第二电活性透镜。通过在向光学透明电极施加电压时改变lc层在横向方向上的折射率，光的聚焦或色散的调谐可能会引起电活性透镜的光焦度的变化，因为这会重新定向朝向横向方向的lc指向矢。

28、光学装置可以被配置成使至少一个电活性透镜从以下状态切换：至少一个电活性透镜基本不表现出透镜作用的关断状态，以及至少一个电活性透镜在向至少一个电活性透镜的光学透明电极施加电压时表现出透镜作用的导通状态。取决于衍射透镜元件的类型，透镜作用可以包括放大入射图像。

29、在关断状态下，向列液晶材料中的液晶被定向成使得lc层在横向方向上的折射率基本匹配衍射结构的折射率，以及/或者其中，在导通状态下，倾斜液晶的取向使得取向变得平行于配向层的配向方向。

30、光学装置可以包括布置在液晶层中的多个间隔件，所述多个间隔件在与其中第二电极延伸的平面垂直的方向上延伸，间隔件优选地形成在衍射透镜结构上。间隔件确保可以准确地实现所需的lc层的最小和最大厚度。在特定实施方式中，间隔件被配置成提供从衍射透镜结构的最靠近第二基板的部分测量的附加高度，该附加高度在1μm到20μm之间，优选地在2μm到12μm之间。

31、lc层的液晶材料优选地选择成具有在0.15到0.40的范围内的双折射率δn。

32、根据另一方面，提供了一种用于眼镜的透镜单元，该透镜单元包括第一透镜部、第二透镜部以及如本文所限定的光学装置，其中，电活性透镜被布置在第一透镜部与第二透镜部之间，优选地夹在第一透镜部与第二透镜部之间。

33、根据另一方面，提供了一副眼镜，其中，眼镜包括安装有如本文所限定的第一透镜单元和第二透镜单元或第一光学装置和第二光学装置的框架。

34、根据又一方面，提供了一种操作包括如本文所限定的第一电活性透镜和第二电活性透镜的光学装置的方法，其中，将交流电压施加到第一电活性透镜的第一电极和第二电极以及堆叠在第一电活性透镜上的第二电活性透镜的第一电极和第二电极上，以使液晶在基本垂直于第一基板和第二基板的方向上配向。本公开内容还涉及如本文所限定的眼镜、透镜单元和/或光学装置的应用。

35、一般描述

36、作为单轴材料，液晶具有双折射特性。这意味着从液晶层中总是射出具有一定的相位延迟的两条光线：

37、

38、其中d是层的厚度，λ是入射光的波长，以及ne-no＝δn是双折射率，其中ne是非寻常折射率以及no是寻常折射率。下面的角度指示液晶指向矢的扭曲角并且随沿z方向的距离d(即，lc层的厚度)线性变化。在以下情况下满足mauguin条件：

39、

40、当满足mauguin条件时发生输入偏振的波导。然后，非寻常波和寻常波二者遵循光轴的旋转并且液晶用作偏振旋转器。

41、在液晶透镜中，透镜材料的折射率可以与液晶的折射率之一(即ne或no)匹配。这意味着在匹配的折射率的方向上对于线偏振光没有透镜作用。对于与其垂直的偏振光，所有的光将被透镜折射。如果可以分解为两个正交偏振方向的非偏振光将被透射，则一半光将遇到透镜作用并且一半光将不会遇到透镜作用。因此将透射双图像。为了使所有光遇到透镜作用，一种解决方案是添加第二液晶透镜，其中该液晶透镜垂直于第一液晶透镜。这也在us7724347和us201715787082中提出。然而，在两个专利中，液晶布置与本公开内容的不同之处在于堆叠两个液晶层的方式。

42、在本公开内容的情况下，液晶指向矢在具有菲涅尔透镜结构的基板上不均匀地定向，而在对向(counter)基板(没有菲涅尔透镜结构)上均匀地定向。当堆叠两个透镜时，如果将具有菲涅尔透镜结构的基板与另一透镜相对放置，则不可能使液晶指向矢垂直于其在透镜的每一部分中接触的第二透镜上的基板。这仅在两个透镜堆叠在一起且对向基板彼此面向时才是可能的。

43、制造适合于非偏振光的电活性透镜的另一解决方案是将偏振器添加至透镜。在这种情况下，偏振器轴应当与液晶指向矢配向。由于液晶指向矢仅在透镜的对向基板上是均匀的，因此(线)偏振器应当附接至该基板并且配向到液晶(＝摩擦或光配向)方向。

44、在另一解决方案中，也将偏振器添加至电活性透镜。然而，在这种情况下，该偏振器是一种特殊类型的偏振器，其中偏振器指向矢在透镜的不同区域中被调谐，使得其与透镜表面上的局部液晶指向矢匹配。该偏振器附接至透镜基板。这种偏振器可以通过光配向来制作(例如参见：v.g.chigrinov等的photoalignment of liquid crystal materials:physics and applications)。

45、如前所提及的，为了将原光分割成用于放大图像的一种偏振和用于未放大图像的一种偏振，液晶扭曲应当在波导状态下得到大的扩展。这意味着应当满足mauguin条件，为了清楚起见在此将其重写为：0.5pδn＞＞λ，其中λ是光的波长，p是螺旋距(等于)以及δn是双折射率。距(pitch)是长度，其中液晶的指向矢扭曲360度。

46、例如，在条件下，λ是光的波长，通常为0.5微米。δn是沿寻常轴和非寻常轴的折射率差(通常为0.2)以及p是螺旋距。这意味着为了满足mauguin条件，考虑到配向几何形状，螺旋距p应当远大于0.5/(0.5×0.2)＝5微米。

47、电活性透镜中的扭曲量取决于透镜结构改变液晶接触的两个表面之间的指向矢的方向的程度，在本公开内容的情况下，电活性透镜中的扭曲量取决于透镜结构改变透镜表面与相对基板(对向基板)之间的指向矢的方向的程度。

48、发明人应用有限元数值计算来确定电活性透镜中液晶的扭曲行为并且发现该扭曲行为取决于透镜表面上液晶的预倾角。该预倾角可以受配向材料、摩擦或照明条件以及聚合物(菲涅尔)透镜相对于其所在基板的表面角的影响。一般地，对于越小的预倾斜，扭曲变得越大。例如，在与配向方向垂直定向的3度角的表面上的87度的预倾斜导致45度的总扭曲。

49、考虑到垂直于配向表面的电活性透镜的截面，扭曲值随着方位角的改变而变化。当截面的侧与摩擦方向一致时，透镜与对向基板之间的扭曲应当为0度。然而，扭曲角值随着方位角的改变而增加并且理论上可以达到180度的值。在这种情况下，菲涅尔透镜表面和对向基板上的指向矢被彼此平行地定向，而且不是指向矢选择扭曲的弯曲变形。当系统试图达到平衡并且总体最小能量状态对应于180度的扭曲时，这种选择发生。对于大的扭曲值，两个基板之间的距离应当大于2.5微米。为此，应用比具有1.5屈光度透镜焦度的透镜(直径21mm，δn＝0.2)的闪耀的顶部高至少4微米的间隔件。

50、取决于透镜焦度和直径，应当优化透镜的顶部上的间隔件高度以满足整个透镜表面上的mauguin状态。

51、如果满足波导/mauguin状态的条件，则光的线偏振与液晶分子的扭曲一致。发明人已发现此效果可用于改进电活性透镜的质量。

52、在此，如果通过透镜盒保持线偏振，并且将线性配向方向应用于对向基板，则对该表面存在均匀的光学响应。更特别地，将存在沿着线性配向方向的放大图像和与其垂直的未放大图像。因此，如果将线偏振器放置在该侧上，则可以无问题地滤除未放大图像。此外，于是还可以通过在第一电活性透镜上堆叠类似的电活性透镜来制造偏振无关的可切换透镜，条件是两个对向基板朝向彼此定向并且以90度角放置。