CN100489599C - 液晶透镜 - Google Patents

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Abstract

通过在光学元件中进行电控制，可以极大地改变焦距。该光学元件包括：第一基板(111)，具有第一电极(21)；第二基板(112)；第二电极(22)，设置在第二基板之外；以及液晶层(311)，设置在第一基板和第二基板之间并且由取向的液晶分子构成。将第一电压(Vo)施加在第一电极和第二电极之间，由此控制液晶分子的取向，借此操作该光学元件。第三电极(23)设置在绝缘层之上以及第二电极之外。与第一电压(Vo)无关的第二电压(Vc)施加到第三电极，从而改变光学特性。

Description

液晶透镜
技术领域
本发明涉及一种光学元件，其中在构成液晶单元的基板上设置的电极和该基板外侧设置的电极之间施加两种不同的电压，从而控制液晶分子的取向，并且可以容易地调节特定的光学特性。
背景技术
液晶具有与液体一样的流动性并且呈现电光性能的各向异性。液晶分子的取向可以以多种方式控制。近年来，已经利用液晶的性能，开发薄且重量轻、平面型的显示装置已经有了显著进展。如果对两个构成液晶元件并且具有透明导电薄膜的玻璃板进行表面处理，并且如果从外部施加电压，则可以容易地控制液晶分子的取向。任何这类液晶元件的折射率可以在其呈现出非寻常光的值到其呈现出寻常光的值之间连续变化。这是其它光学材料所不能呈现的卓越特性。
已经提出了可变焦点的透镜，其中每一个的有效折射率会变化(参见专利文献1和非专利文献1和2)。通过利用向列液晶的电光效应，可以弯曲具有透明电极的玻璃基板。因此，液晶层如透镜一样成形，而不像普通液晶显示器中所包括的元件结构中的那样。电压施加在电极上，以控制液晶分子的取向。从而，改变该透镜的有效折射率。
可利用这样一种方法，其中将折射率的空间分布赋予光学介质，从而获得一种透镜效果。这种称为SELFOC(GRIN)透镜的光学介质可以从市场上获得。在向列液晶单元中，液晶分子沿电场方向取向。已经公布了提供呈现空间分布的折射率的液晶透镜的方法(参见专利文献2、专利文献3以及非专利文献3和4)。在这些方法中，使用具有圆形图案的电极，产生轴对称的非均匀电场，并且通过利用液晶分子取向的效果来获得这种液晶透镜。
正如专利文献4公开了一种在液晶中的网状高分子网络，以便改善液晶的性能。将这种使用液晶的透镜修改为微型透镜阵列比较容易，该微型透镜阵列包括多个以二维设置的微小、所谓的微型透镜，由此形成平板。
已经提出，在液晶微型透镜中，一对电极应当设置在圆形图案的电极的外侧，以便提高透镜的性能(参见非专利文献5)。此外，已经提出了一种方法，其中绝缘层插在液晶层和具有圆形图案的电极之间，并且减轻了圆形图案的直径与液晶层厚度的比应该为2：1到大约3：1以便将最佳性能赋予微型透镜的要求(参见非专利文献6和7)。
另一方面，已经提出了一种光学装置，其使用液晶元件代替透镜反射镜(lens mirror)(参见专利文献5)。在该装置中，成像设备检测由具有聚焦单元的光学系统所获得的光学图像，该聚焦单元具有像差改正机制，并且利用成像设备所产生的信号来确定像差。产生用于改正像差的信号，由此改正由于大气摆动而出现在光学系统中的像差，以便提供一种没有失真的光学图像。而且，已经提出了一种电场控制、折射率为椭圆分布的变形液晶透镜作为利用液晶光学元件的透镜(参见非专利文献8)。
不像作为无源元件的普通光学元件，这些使用液晶的光学元件可以提供能够调节诸如焦距和光学系统的像差等性能的透镜。
可以使用聚合可固化的液晶作为液晶材料。在这种情况下，液晶聚合，并由此固化，在对焦距调节后，提供一种聚合体透镜(参见专利文献6)。
专利文献1：日本专利申请KOKAI公报No.54-151854
专利文献2：日本专利申请KOKAI公报No.11-109303
专利文献3：日本专利申请KOKAI公报No.11-109304
专利文献4：日本专利申请KOKAI公报No.10-239676
专利文献5：日本专利申请KOKAI公报No.03-265819
专利文献6：日本专利申请KOKAI公报No.09-005695
非专利文献1：S.Sato，“Liquid-crystal lens-cell with variable focallength”，Japanese Journal of Applied Physics，1979，第18卷，第1679-1683页
非专利文献2：S.Sato，“Liquid crystals and application thereof”，Sangyo Tosho Co.，Ltd.，1984年10月14日，第204-206页
非专利文献3：T.Nose和S.Sato，“A liquid-crystal micro lensobtained with a non uniform electric field”，Liquid Crystals，1989，第1425-1433页
非专利文献4：S.Sato，“The World of liquid crystal”，Sangyo ToshoCo.，Ltd.，1994年4月15日，第186-189页
非专利文献5：M.Honma，T.Nose和S.Sato，“Enhancement ofnumerical aperture of liquid crystal microlenses using a stacked electrodestructure”，Japanese Journal of Applied Physics，2000年8月，第39卷，No.8，第4799-4802页
非专利文献6：M.Ye和S.Sato，“Optical properties of liquid crystallens of any size”，Preliminary reports，49th meeting of the AppliedPhysics Society，2002年3月，28p-X-10，第1277页
非专利文献7：M.Ye和S.Sato，“Optical properties of liquid crystallens of any size”，Japanese Journal of Applied Physics，2002年5月，第41卷，No.5，第L571-L573页
非专利文献8：Y.Yokoyama，M.Ye和S.Sato，“Electricallycontrollable liquid crystal anamorphic lens”，2004 preliminary reports，meeting of the Society of Liquid Crystal，日本，2004年9月26日
发明内容
上面所述的所有内容：具有透镜形液晶层的液晶透镜；利用液晶分子的空间折射率分布的液晶微透镜，这通过轴对称的非均匀电场获得并且通过圆形图案的电极所产生；一种如非专利文献5所提出的方法，其中将一对电极设置在圆形图案电极的外侧；以及如非专利文献6和7所提出的一种结构，其中绝缘层设置在液晶层和圆形图案电极之间，这些都能够获得良好的光学特性。然而，它们都存在问题。它们几乎不能在所施加的宽电压范围上获得良好的性能。
因此，本发明一个实施例的目的是提供一种具有良好光学特性的光学元件，可以在保持的同时容易且极大地改变该光学特性。
本发明另一实施例的目的是提供一种焦点能够以三维方式移动的光学元件。
本发明另一实施例的目的是提供象这种可以控制为用于凸透镜或凹透镜的光学特性。
为了解决上述问题，根据本发明的光学元件主要包括具有第一电极的第一基板、第二基板、设置在第二基板的外侧并且具有孔的第二电极以及液晶层，其中该液晶层设置在第一基板和第二基板之间并且由沿一个方向取向的液晶分子组成。第一电压施加在第一电极和第二电极之间，控制液晶分子的取向，借此操作该光学元件。在该光学元件中，第三电极设置在第二电极的外侧并且设置在绝缘层之上，并且将与第一电压无关的第二电压施加到第三电极，由此控制该光学特性。
根据本发明的第一方面，提供一种液晶透镜，其包括：第一基板，具有第一电极；平行地面对所述第一基板的第一电极的第二基板；第二电极，设置在该第二基板之外侧并且具有孔，其中该外侧是面对所述第一基板的一侧的相反侧；以及液晶层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间并且由取向的液晶分子构成，并且其中在所述第一电极和所述第二电极之间由第一电压施加单元施加第一电压以控制所述液晶分子的取向，其特征在于，第三电极设置在所述第二电极之外侧，其中在该第三电极与所述第二电极之间设置有绝缘层，并且配置成接收由第二电压施加单元施加的与所述第一电压无关的第二电压，其中所述第一电压具有将最优的第一级光学特性赋予所述液晶透镜的固定值，并且改变所述第二电压以使所述液晶透镜的第二级光学特性变化。
根据本发明的第二方面，提供一种液晶透镜，其包括：第一基板，具有第一电极；平行地面对所述第一基板的第一电极的第二基板；第二电极，设置在该第二基板之外侧并且具有孔，其中该外侧是面对所述第一基板的一侧的相反侧；以及液晶层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间并且由取向的液晶分子构成，并且其中在所述第一电极和所述第二电极之间由第一电压施加单元施加第一电压以控制所述液晶分子的取向，其特征在于，第三电极设置在所述第二电极之外侧，其中在该第三电极与所述第二电极之间设置有绝缘层，并且配置成接收由第二电压施加单元施加的与所述第一电压无关的第二电压，所述第二电压具有将最优的第一级光学特性赋予所述液晶透镜的固定值，并且改变所述第一电压以使所述液晶透镜的第二级光学特性变化。
根据本发明的第三方面，提供一种液晶透镜，其特征在于包括：
第一基板，具有位于内表面上的第一电极；
第二基板，平行地面向所述第一基板的所述内表面；
第二电极，设置在所述第二基板之外侧并且具有孔，其中该外侧是面对所述第一基板的一侧的相反侧；
第一液晶层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间并且由液晶分子构成；
第三电极，设置在所述第二基板的所述外侧并且与所述第二电极绝缘；
第三基板，设置为关于所述第二和第三电极与所述第二基板对称；
第二液晶层，设置在所述第三基板和第四基板之间，并且关于所述第二基板、所述第二和第三电极以及所述第三基板与所述第一液晶层对称；
第四基板，设置为关于所述第一液晶层、所述第二基板、所述第二和第三电极、所述第三基板以及第二液晶层与所述第一基板对称，其中该第四基板的面对所述第二液晶层的一侧具有第四电极；以及
用于在所述第一和第二电极之间以及在所述第二和第四电极之间施加第一电压并且用于将与所述第一电压无关的第二电压施加到所述第三电极的装置。
根据本发明的第四方面，提供一种液晶透镜，其包括：第一基板，具有第一电极；平行地面对所述第一基板的第一电极的第二基板；第二电极，设置在该第二基板之外侧并且具有孔，其中该外侧是面对所述第一基板的一侧的相反侧；以及液晶层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间并且由取向的液晶分子构成，其中在所述第一电极和所述第二电极之间施加第一电压以控制所述液晶分子的取向，
其中，第三电极设置在所述第二电极之外侧，其中在该第三电极与所述第二电极之间设置有绝缘层，并且配置成接收与所述第一电压无关的第二电压；提供改变所述第二电压的电路，同时该电路使所述第一电压保持为固定值，从而控制光学特性以使所述液晶透镜起凸透镜的作用；并且提供改变所述第一电压的电路，同时该电路使所述第二电压保持为固定值，从而控制所述特性以使所述液晶透镜起凹透镜的作用。
根据本发明的第五方面，提供一种液晶透镜，其包括：第一基板，具有第一电极；平行地面对所述第一基板的第一电极的第二基板；第二电极，设置在该第二基板之外侧并且具有孔，其中该外侧是面对所述第一基板的一侧的相反侧；以及液晶层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间并且由取向的液晶分子构成，其中在所述第一电极和所述第二电极之间施加第一电压以控制所述液晶分子的取向，
其中，第三电极设置在所述第二电极之外侧，其中在该第三电极与所述第二电极之间设置有绝缘层，并且配置成接收与所述第一电压无关的第二电压；提供第一电路，其使所述第一电压保持为固定值，从而基于所述第一电压优化第一态光学特性，并且改变所述第二电压，从而优化第二级光学特性；提供第二电路，其使所述第二电压保持为固定值，从而基于所述第二电压优化第三态光学特性，并且改变所述第一电压，从而优化第四级光学特性；并且提供开关，该开关执行在所述第一电路和所述第二电路之间的切换。
由于上述装置，焦点位置能够通过电控制进行很大地改变，而不用像传统光学元件那样机械地前后移动透镜。
附图说明
图1A是示出根据本发明的光学元件的实施例的结构的截面图；
图1B是示出根据本发明的光学元件的实施例的结构的平面图；
图2是示出该元件中的电势分布的视图，并由此说明了根据本发明的光学元件的功能；
图3A是示出其中电势分布在根据本发明的光学元件中变化的第一实例的视图，并由此说明了该光学元件的功能；
图3B是示出其中电势分布在根据本发明的光学元件中变化的第二实例的视图，并由此说明了该光学元件的功能；
图4是示出如沿光学元件的光轴所观察的穿过根据本发明的光学元件的光波的光相位如何变化的视图；
图5是示出穿过根据本发明的光学元件的光波的光相位如何变化的视图，并由此说明了该光学元件的功能；
图6是示出焦距如何随控制电压变化的视图，并由此说明了该光学元件的功能；
图7是示出根据本发明的光学元件的另一实施例的结构的截面图；
图8A是示出根据本发明的光学元件的另一实施例的结构的截面图；
图8B是示出根据本发明的光学元件的另一实施例的结构的平面图；
图9A是示出根据本发明的光学元件的另一实施例的结构的截面图；
图9B是示出根据本发明的光学元件的其它实施例的结构的平面图；
图10A是说明图9所示的控制单元的具体结构的视图；
图10B是说明液晶透镜的焦点如何在图9所示的控制单元中移动的视图；
图11是示出实际所测量的施加到图10所示的分割电极(splitelectrode)的电势以及该焦点沿x方向的移动的视图；
图12是示出实际所测量的施加到图10所示的分割电极的电势以及该焦点沿y方向的移动的视图；
图13是示出施加到图10所示的分割电极的电势以及该焦点沿与x方向和y方向成一定角度的方向的移动的视图，该电势和该移动一直都是实际所测量的；
图14A是示出根据本发明的光学元件的另一实施例的结构的截面图；
图14B是示出根据本发明的光学元件的另一实施例的结构的平面图；
图15是示出图14A和图14B的光学元件中的电势分布的视图，并由此说明了该光学元件的功能；
图16A是示出其中电势分布在图14A和图14B的光学元件中变化的第一实例的视图，并由此说明了该光学元件的功能；
图16B是示出其中电势分布在图14A和图14B的光学元件中变化的第二实例的视图，并由此说明了该光学元件的功能；
图17是示出穿过图14的光学元件的光波的光相位如何改变的视图，并由此说明了该光学元件的功能；
图18是示出焦距如何随控制电压变化的视图，并由此说明了图14所示的光学元件的功能；以及
图19是示出了根据本发明的光学元件的另一实施例的结构的视图。
具体实施方式
将参考附图详细描述本发明的实施例。图1A和图1B，数字111指示第一基板(透明玻璃板)。第一电极21(由ITO制成)在第一基板111的内表面上形成。在第一电极21的一侧，第二基板112(透明玻璃板)设置成面向第一电极21并平行其延伸。在第二基板112的外侧，形成第二电极22(由铝制成)。如图1B所示，第二电极22具有圆形孔222(例如，直径为4.5mm)。
液晶层311(例如，厚度为130μm)在第一电极21和第二基板112之间形成，第一电极21形成在第一基板111上。附图标记41和42表示限定液晶层311的间隔物(spacer)。
此外，绝缘层113(例如，如70μm薄的玻璃层)位于第二电极22的上表面，而第三电极23(由ITO制成)形成在该绝缘层113上。保护层114(由玻璃制成)设置在第三电极23的上表面。使用聚酰亚胺对第一和第二基板的那些接触液晶层的表面进行涂层并且沿x轴方向对其进行摩擦。
为了使光学元件起液晶透镜的作用，将第一电压Vo施加在第一电极21和第二电极22之间。为了施加第一电压Vo，将第二电压Vc初始设置为0V并且将第一电压Vo设置为一个适当值。电压施加单元51施加电压Vo。该电压设置成这样一个值，该值将最佳光学特性(以下称为第一级光学特性)赋予透镜。接下来，将与第一电压Vo无关的第二电压Vc施加在第一电极21和第三电极23之间。电压施加单元52输出第二电压Vc。如果第二电压Vc变化，则可以控制透镜的光学特性(以下称为第二级光学特性)。应该注意，Vo和Vc在频率和相位上完全相同。
在本发明中，第二级光学特性从焦距非常短的值变化到焦距无限长或几乎无限长的值。焦距可以在很宽的范围上变化。因此，本发明在实际中是颇有价值的并且可以应用于各种应用中。
图2示出了在第一和第二电极之间的空间中的电势分布，这是当在第一电极21和第二电极22之间施加Vo＝70V(用于最佳性能的固定值)并且将第二电压(控制电压)Vc＝10V施加到第三电极23时所观察到的。在图2中，z是光轴方向，y是与光轴以直角相交的方向。应该注意，z、y和x与图1中所示的z、y和x完全相同。如果等势线定义陡的梯度，则透镜的焦距短。如果它们定义缓的梯度，则透镜的焦距长。
图3A和图3B示出了其它的电势分布，即可以在液晶层中观察到的两个电势分布。图3A示出了当在第一电极21和第二电极22之间施加Vo＝70V(用于最佳性能的固定值)并且在第一电极21和第三电极23之间施加第二电压(控制电压)Vc＝10V时所观察到的电势分布。图3B示出了当控制电压变化并且施加第二电压(控制电压)Vc＝20V时所观察到的电势分布。电势分布的这种变化对应于液晶分子的倾角以及对应于光的折射角。图3B状态下的焦距比图3A状态下的焦距长。
在图4中，A、B、C和D示出了在根据本发明的光学元件的光轴观察到的光波相位是如何分布的。更确切地说，A、B、C和D示出了：当施加到第三电极23的控制电压Vc变化为0V、20V、40V和60V时，而将固定电压Vo＝70V施加到第一电极21和第二电极22时，光波的相位分布如何变化。正如从图4中的A到D所看到的，控制电压Vc越高，干涉条纹之间的间隔越长。干涉条纹之间的间隔越长，光的折射就越不显著，并由此焦距越长。
图5示出了穿过液晶透镜的光波如何达到具有光相位延迟φ。基本上，该光具有平方分布特性。因此，其相位延迟逐渐从y轴向外降低。当控制电压(第二电压)增加时，透镜中心和其外围之间的相位差减小。因此，Vc＝50V时的焦距比Vc＝10V时的焦距长。
图6表示根据本发明的光学元件的焦距变化和上述控制电压Vc之间的关系。当控制电压Vc改变时，焦距也发生变化。本发明不限于上述实施例。
图7示出了本发明另一实施例的结构。与图1所示部件相同的部件由相同的附图标记表示。该实施例与第一实施例的不同之处在于液晶层311的结构。在本实施例中，液晶层311包括第一液晶层311a、第二液晶层311b以及绝缘层312(由透明玻璃制成)。第一和第二液晶层311a和311b由插在它们之间的绝缘层312隔开。
如此配置，液晶层311可以以极高的速度响应。任何液晶层的响应速度与该层厚度的平方成反比。因此，该层311响应控制信号可以比图1的元件快四倍，这是因为其包括两个液晶层，即第一层311a和第二层311b。
由于具有两层结构，液晶层311能够获得以下优点。如果已经以同一方向摩擦液晶层311a和311b，则液晶分子在两层311a和311b中取向为同一方向。结果，该透镜获得的放大率可以是单层透镜的放大率的两倍。换句话说，当两个透镜结合到一起时，其能够获得相同的效果，并因此得到较短的焦距。
此外，如果一直沿两个以直角相交的方向分别摩擦液晶层311a和311b，则该透镜可以用作没有偏振片的液晶元件。
图8A和图8B示出了本发明的另一实施例。该光学元件包括两个与图7所示的元件相同的元件。其是具有彼此对称的上部单元和下部单元的双单元结构。与图7所示部件相同的部件(第一元件单元)由相同的附图标记表示。第一和第二元件单元共用第二和第三电极22和23。第二元件单元位于第一元件单元之上。第二元件单元具有基板111-2和112-2、电极21-2、第一液晶层311a-1、第二液晶层311b-2、绝缘层312-2、公共第二电极22以及公共第三电极23。在本实施例中，间隙G位于第二电极22和第三电极23之间，这是因为这些电极22和23位于同一平面。第二电极22具有切口23a，该切口23a从其孔延伸到其一侧。从第三电极23引导外引线(lead line)23a穿过切口23a。通过外引线23a施加控制电压Vc。
彼此对称的上液晶层和下液晶层每个可以包括两个或多个层。如果是这样的话，则将进一步提高该透镜能力和响应速度。
在本发明中，液晶层可以由双频率驱动类型的材料制成，即当由高频信号(十几千赫兹)驱动时起N型作用而当以低频信号(大约100Hz)驱动时起P型作用。如果该液晶层由这种材料制成，则可以提高液晶分子的取向操作的响应速度。
图9A和图9B示出了本发明的另一实施例。在图1A和图1B所示的实施例中，固定电压施加到第二电极22。在本实施例中，第二电极22被分为两段或多段，例如，如图9B所示的四个电极段22a到22d。可以由控制单元55对施加到这些电极上的电压进行微小的改变。在其它方面，本实施例与图1A和图1B的实施例相同。
图10A示出了控制单元55的结构。图10B说明当控制单元55控制焦点位置时焦点如何移动。
施加到电极段22a的电压来自于可变电阻器55a的滑动头。它的值在电压+V到电压—V的范围内变动。类似地，施加到电极22b的电压来自于可变电阻器55b的滑动头并且在电压+V到电压—V的范围内变动；施加到电极22c的电压来自于可变电阻器55c的滑动头并且在电压+V到电压—V的范围内变动；以及施加到电极22d的电压来自于可变电阻器55d的滑动头并且在电压+V到电压—V的范围内变动。
当施加到电极段22a到22d的电压发生细微地变化时，焦点能够沿x轴方向或y轴方向或者这两个方向移动。另外，焦点能够沿z轴方向移动。因此，焦点的位置可以以三维方式控制。
在图11中，A和B示出了通过调节电压Vc，如何沿x轴方向控制焦点位置同时将其固定在焦平面内。更确切地说，图11中的A示出了当施加到第二电极22的电压变化时焦点如何在空间中移动。图11中的B示出了焦点在焦平面内所处的位置。
在图12中，A和B示出了如何沿y轴方向控制焦点位置。更确切地说，图12中的A示出了当施加到第二电极22的电压变化时焦点如何在空间中移动。图12中的B示出了焦点移动的距离。
在图13中，A和B示出了如何沿x轴方向和y轴方向控制焦点位置。即，图13中的A示出了施加到第二电极22的电压，而图13中的B示出了焦点移动的距离。
本发明不限于上述实施例。在这些实施例中，液晶透镜起凸透镜的作用。但是，根据本发明，也可以容易地使该液晶透镜作为凹透镜工作。
图14A和图14B示出了其中液晶透镜起凹透镜作用的实施例。在这种情况下，电压施加单元61在第一电极21和第三电极23之间施加恒定AC电压Vo，并且电压施加单元62在第一电极21和第二电极22之间施加电压Vc。电压Vc可以变化。在其它任何方面，本实施例与图1A和1B所示的实施例相同。
图15描述了一种电势分布，这是当在第一电极21和第三电极23之间施加电压Vo＝60V(即，用于获得光学特性的固定值)并且在第一电极21和第二电极22之间施加第二电压(控制电压)Vc＝10V时所观察到的电势分布。在图15中，z是光轴延伸的方向，而y是以直角与该光轴相交的方向。应该注意，z、y和x与图1A和图1B所示的它们的等价物相同。电势分布与图2所示的分布相反。这意味着该液晶透镜用作凹透镜。
图16A和图16B示出了不同的电势分布。图16A示出了当在第一电极21和第三电极23之间施加Vo＝60V(用于获得光学特性的固定值)并且将第二电压(控制电压)Vc＝5V施加到第二电极22时所观察到的电势分布。图16B示出了当将第二电压(控制电压)Vc改变为20V并且施加时所观察到的电势分布。该电势差的变化对应于液晶分子的倾角并且也对应于光的折射角。图16A和图16B所示的电势分布与图3A和图3B所示的电势分布相反。这意味着该液晶透镜用作凹透镜。
图17示出了在光穿过液晶透镜时如何具有光相位延迟φ。基本上，该光波的相位延迟具有平方分布特性。因此，其相位延迟逐渐从y轴向外降低。当控制电压(第二电压)改变时，透镜中心和其外围之间的相位差被控制。也即，该凹透镜特性可以变化。
图18是示出了焦距如何随上述控制电压Vc而变化。当控制电压Vc变化时，焦距也发生变化。
本发明不限于上述其中液晶透镜是凸透镜或凹透镜的实施例，。在本发明中，凸透镜和凹透镜可以结合使用。
图19示出了一种多功能透镜，其是图1A和1B的实施例(即，用作凸透镜的实施例)和图9A和9B的实施例(即，焦点位置可以以三维方式控制的实施例)以及图14A和14B的实施例(即，用作凹透镜的实施例)的结合。该透镜的功能可以由开关64和65在凸透镜功能和凹透镜功能之间切换。当该透镜用作凸透镜时，可以彼此独立地微调施加到第二电极的各段的电压，由此以三维方式调节焦点。当该透镜用作凹透镜时，可以彼此独立地控制施加到第二电极的各段的电压。
本发明不限于上述实施例。在不脱离本发明精神或范围的情况下，可以以各种方式修改任一实施例的部件，以使本发明应用于实际中。此外，如果必要，可以以各种方式结合上述任一实施例的部件，以得出不同的发明。例如，可以不使用任一实施例的某些部件。而且，可以以任何期望的方式结合不同实施例的部件。第三电极的形状可以由正弦波函数、正弦波函数的叠加函数或者任何幂函数限定。在上述实施例中，具有一个液晶透镜。但是，可以设置多个液晶透镜，以形成线性阵列或者二维阵列。
工业实用性
可以以各种方式使用根据本发明的光学元件。它们可以用作放大透镜或者用于机器人所用的视觉单元中。

Claims (5)

1、一种液晶透镜，其包括：第一基板，具有第一电极；平行地面对所述第一基板的第一电极的第二基板；第二电极，设置在该第二基板之外侧并且具有孔，其中该外侧是面对所述第一基板的一侧的相反侧；以及液晶层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间并且由取向的液晶分子构成，并且其中在所述第一电极和所述第二电极之间由第一电压施加单元施加第一电压以控制所述液晶分子的取向，
其特征在于，第三电极设置在所述第二电极之外侧，其中在该第三电极与所述第二电极之间设置有绝缘层，并且配置成接收由第二电压施加单元施加的与所述第一电压无关的第二电压，其中所述第一电压具有将最优的第一级光学特性赋予所述液晶透镜的固定值，并且改变所述第二电压以使所述液晶透镜的第二级光学特性变化。
2、一种液晶透镜，其包括：第一基板，具有第一电极；平行地面对所述第一基板的第一电极的第二基板；第二电极，设置在该第二基板之外侧并且具有孔，其中该外侧是面对所述第一基板的一侧的相反侧；以及液晶层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间并且由取向的液晶分子构成，并且其中在所述第一电极和所述第二电极之间由第一电压施加单元施加第一电压以控制所述液晶分子的取向，
其特征在于，第三电极设置在所述第二电极之外侧，其中在该第三电极与所述第二电极之间设置有绝缘层，并且配置成接收由第二电压施加单元施加的与所述第一电压无关的第二电压，所述第二电压具有将最优的第一级光学特性赋予所述液晶透镜的固定值，并且改变所述第一电压以使所述液晶透镜的第二级光学特性变化。
3、一种液晶透镜，其特征在于包括：
第一基板，具有位于内表面上的第一电极；
第二基板，平行地面向所述第一基板的所述内表面；
第二电极，设置在所述第二基板之外侧并且具有孔，其中该外侧是面对所述第一基板的一侧的相反侧；
第一液晶层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间并且由液晶分子构成；
第三电极，设置在所述第二基板的所述外侧并且与所述第二电极绝缘；
第三基板，设置为关于所述第二和第三电极与所述第二基板对称；
第二液晶层，设置在所述第三基板和第四基板之间，并且关于所述第二基板、所述第二和第三电极以及所述第三基板与所述第一液晶层对称；
第四基板，设置为关于所述第一液晶层、所述第二基板、所述第二和第三电极、所述第三基板以及第二液晶层与所述第一基板对称，其中该第四基板的面对所述第二液晶层的一侧具有第四电极；以及
用于在所述第一和第二电极之间以及在所述第二和第四电极之间施加第一电压并且用于将与所述第一电压无关的第二电压施加到所述第三电极的装置。
4、一种液晶透镜，其包括：第一基板，具有第一电极；平行地面对所述第一基板的第一电极的第二基板；第二电极，设置在该第二基板之外侧并且具有孔，其中该外侧是面对所述第一基板的一侧的相反侧；以及液晶层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间并且由取向的液晶分子构成，其中在所述第一电极和所述第二电极之间施加第一电压以控制所述液晶分子的取向，
其中，第三电极设置在所述第二电极之外侧，其中在该第三电极与所述第二电极之间设置有绝缘层，并且配置成接收与所述第一电压无关的第二电压；提供改变所述第二电压的电路，同时该电路使所述第一电压保持为固定值，从而控制光学特性以使所述液晶透镜起凸透镜的作用；并且提供改变所述第一电压的电路，同时该电路使所述第二电压保持为固定值，从而控制所述特性以使所述液晶透镜起凹透镜的作用。
5、一种液晶透镜，其包括：第一基板，具有第一电极；平行地面对所述第一基板的第一电极的第二基板；第二电极，设置在该第二基板之外侧并且具有孔，其中该外侧是面对所述第一基板的一侧的相反侧；以及液晶层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间并且由取向的液晶分子构成，其中在所述第一电极和所述第二电极之间施加第一电压以控制所述液晶分子的取向，
其中，第三电极设置在所述第二电极之外侧，其中在该第三电极与所述第二电极之间设置有绝缘层，并且配置成接收与所述第一电压无关的第二电压；提供第一电路，其使所述第一电压保持为固定值，从而基于所述第一电压优化第一态光学特性，并且改变所述第二电压，从而优化第二级光学特性；提供第二电路，其使所述第二电压保持为固定值，从而基于所述第二电压优化第三态光学特性，并且改变所述第一电压，从而优化第四级光学特性；并且提供开关，该开关执行在所述第一电路和所述第二电路之间的切换。
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