CN102067242A - 使用有效电极结构的动态重构的电光学装置 - Google Patents

使用有效电极结构的动态重构的电光学装置 Download PDF

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Abstract

一种用于控制通过液晶层的光的传播的可变液晶装置，使用频率依赖材料以在该装置中动态地重构有效电极结构。在该装置中产生电场的驱动信号的频率是可变的，且该频率依赖材料对于不同的频率具有不同的电荷迁移率。在低电荷迁移率的情况下，该频率依赖材料对于现存的电极结构具有轻微的效应。然而，在高电荷迁移率的情况下，该频率依赖材料表现为所述固定电极的延伸，且可用于改变该有效电极结构从而改变该电场的空间分布。这又改变了液晶的光学特性，从而使得该光学装置为可频率控制的。

Description

使用有效电极结构的动态重构的电光学装置
技术领域
本发明涉及电可调光学装置的领域，尤其涉及使用液晶的电可调光学装置。
背景技术
可调液晶(LC)光学装置，如透镜、光束偏转装置及光闸(shutter)，是本领域所熟知的技术。虽然一些可调液晶透镜是配合均匀的电控场或磁控场来操作，但是大部分是使用空间调制场。在电场的情况中，一些现有技术被用于空间调制电场。空间不均匀介电层已用于衰减电场，以使得该电场具有期望的空间分布。将电极成形为球状以提供期望的电场空间分布。空间调制电场的另一种方法是使用平面电极，该平面电极的阻抗性质使得当将交流驱动电流施加于该电极时，该电极上的电压降导致空间调制的电场。
如图1所示，一种常规LC单元通过如下制得：将液晶102夹在两个基板104、106之间，每个所述基板首先被涂覆透明电极108、110，所述透明电极可能为例如铟锡氧化物(ITO)的材料层，然后每个所述基板被涂覆聚合物层112(通常为聚酰亚胺)，且该聚合物层112在预定方向上被摩擦以在没有控制电场的情况下将LC分子对准为基态。施加电压至两个ITO产生均匀的电场和相对应的均匀LC再取向(以及相对应的均匀折射率分布)。在这样的装置中，在纵向上的分子折射率不同于横向方向上的分子折射率。
图2示出现有技术的LC单元结构，其中，使用高电阻率材料的盘形区205周围的低电阻率的孔状构图的电极环204通过其强烈“共振”衰减用于产生电场梯度。该几何形状的优势在于非常薄(此为关键需求，例如，对于蜂窝电话应用而言)和仅使用两个电极(因此仅需要一个控制电压)。然而，产生具有高光学透明度的高电阻率材料的所需厚度和具有良好均匀度的LC单元是困难的，且该制造方法通常具有低产率。不同透镜将具有稍微不同的电极电阻值，结合模态控制(modal control)也与精确的单元厚度非常相关，意味着必须分别校正每一个单独透镜。另外，模态透镜(modal lens)的最小直径限于约2毫米-在此尺寸之下，该ITO层所需的电阻率超过10MΩ/sq。最后，这样的(称作“模态控制”)透镜必须总是为正的或者负的。无法于发散和收敛透镜之间进行切换。
图3示出另一个现有技术的产生电场梯度的LC单元结构，其中使用三个不同电极304、305、307(其中两个位于形成在相同平面上的孔间图案中)和两个电压V1、V2以及额外不同的弱导电层(WCL)306。该外部孔状构图的电极304(其上施加有电压V1)的作用是产生类透镜的电场分布，而该中心盘形电极305(其上施加有电压V2)的作用是避免向错和控制梯度值(例如：消除该透镜)。
WCL306的作用是减弱由V1所产生的分布，并且使得该透镜的整体厚度减小。然而，该顶部电极的复杂图案、必须使用两个不同电压、以及分离的WCL使得难以制造且妨碍该方法的实用性。例如，使用该方法以建立偏振独立的透镜将会需要使用6至7片厚玻璃，这是困难的工作。
发明内容
根据本发明的内容，提供一种可变光学装置，用于控制通过其的光传播，其中，该装置使用频率依赖材料和在多个不同频率产生驱动信号的电信号产生器。该装置包括可通过光的液晶(LC)层，且该LC层控制该光传播。还提供一种电极系统，该电极系统连接至电信号产生器，并且被设置成用于产生作用于该LC层上的电场以改变其光学特性。该电信号产生器在多个不同频率产生驱动信号，并且将该驱动信号供应至电极系统，以产生电场。频率依赖材料位于该装置中，使得该频率依赖材料与电场交互作用。该材料具有取决于该驱动信号的频率的电荷迁移率，使得该电场的空间分布随着该驱动信号频率变化，以改变该LC层的性质。由于“导电率”可能被理解为描述电子的平均自由路径，因此使用“电荷迁移率”取代“导电率”以描述该频率依赖材料的性质。在低频率时，表现高电荷迁移率的一些频率依赖材料实际上可能比在较高频率时具有较低的导电率(也就是，较短的电子平均自由路径)，然而，由于在低频时电荷在该频率依赖材料中流动的时间较长，这可能造成较少的电荷流。同样地，在较高频率时，一些材料中的电子平均自由路径可能较长，然而，如果在每一个正向或负向循环中获得电位的时间缩短，可能大幅地降低所造成的电荷流。因此，“电荷迁移率”用于表示在所施加的交替电信号的约束下频率依赖材料中电荷流动的整体能力。在一些实施例中，该电极系统包括连接至该频率依赖材料体的固定导体电极。该电场可能具有基本由该固定导体电极限定的部分，以及由该频率依赖材料限定的部分。该电场也可能基本由该频率依赖材料限定。该电极系统能够具有固定导体电极，且该固定导体电极的电场由该频率依赖材料体成形，且该频率依赖材料并未连接至该固定导体电极。在一些实施例中，使用具有基本平坦的层几何形状的元件制作该电极系统。
该电极系统基本也可能为光学隐藏的，而因此可能不会干扰透过该光学装置的光传播。
在一些实施例中，该电极系统包括与该频率依赖材料的层接触的构图的电极。
在一些实施例中，该装置是可调聚焦透镜。该透镜能够折射或衍射。
在一些实施例中，该装置包括可变频率控制信号电路，该电路被配置为使得该装置根据控制信号频率控制光传播。
频率依赖材料和不同频率的驱动信号的使用允许该光学装置的各种不同实施例。一些变化实例是电极的数量、形状和结构、不同频率依赖材料的数量和其相对于该电极和彼此的位置、施加不同驱动信号频率和电压、以及在该光学装置结构中使用额外的材料。在一个实施例中，该驱动信号包括单个频率信号，其中，该频率用于改变该装置的光学特性。这可以实现而不需信号电压的任何显著变化，或者也可包括改变信号振幅。在另一实施例中，将多个频率混合在一起并同时施加以产生与该频率依赖层的特定交互作用，并且相应地产生所期望的电场分布。
本发明的基本构思是使用频率依赖材料结合不同驱动信号频率以改变该光学装置中的有效电极结构。该电极结构确定该电场的分布，而该电场又确定该LC层的光学特性。可以选定该频率依赖材料以在不同频率下表现不同的电荷迁移率，使得在不同频率下，该频率依赖材料可以表现为导电材料或者是不导电材料。对于该频率依赖材料表现为导体的频率，该频率依赖材料可产生与所述固定电极中的一个的位置不同的有效电极结构。然而，对于该频率依赖材料中电荷迁移率相对低的频率而言，该频率依赖材料未表现为导体，且该有效电极结构由该固定电极的实际位置确定。因此，通过适当设置频率依赖材料以及选择不同的驱动频率，可改变该有效导体结构，并且动态地改变该LC层的光学特性。
在一组实施例中，频率依赖材料与构图的电极一起使用，其在缺少不同电极结构的情形下，会在空间中产生非均匀的电场。这样的结构可用于在该LC层中通过该电场所造成的LC分子的非均匀再取向而产生特定特性(如透镜结构)。然而，在这样的实施例中，也可期望在空间中产生出均匀的电场，以便提供所有LC分子的初始共同对准倾向(例如：避免向错)。在本发明的该实施例中，可放置该频率依赖材料，使得当选定在该频率依赖材料中提供高度电荷迁移率(使得电荷能够行进较远的距离)的驱动信号的频率时，产生有效电极结构，使得该电场的空间分布成为基本均匀的分布。例如，该构图的电极可为环形电极，且该电极的中心空间填充有该频率依赖材料。在此种情况中，施加第一频率(如相对的高频率)的驱动信号，其使得频率依赖材料中的电荷迁移率很小(即，电荷行进相对短的距离)，导致该电极表面没有有效延伸，并且基于该电极的环形结构产生非均匀的电场。然而，改变频率(如相对的低频率)，使得该频率依赖材料具有较高的电荷迁移率的量，使得该材料表现为该环形电极的延伸，且该有效电极结构变成为平面的。因此，从而产生基本均匀的电场。在前述的实施例中，可使用其它形状作为该固定电极(如盘形)，且该频率依赖材料可形成这样的层，所述层在该层的顶部或底部附近、或在相同平面围绕该层设置有固定电极。
在本发明的另一实施例中，该可变光学装置包括位于两个LC层之间的中心层。所述液晶层的每一个可具有不同的LC取向。该驱动信号所施加至的一对电极被分别放置为邻接每一个LC层，且被置于远离中心层的一侧。该中心层包括固定电极(如孔状构图的电极)和频率依赖材料的特定几何形状配置，且通过以对称方式成形每一个LC层所见的电场而用作梯度控制层。该电场成形取决于该驱动信号的频率，且该驱动信号的频率确定该频率依赖层的电荷迁移率的程度。在对应于低电荷迁移率的频率下，该梯度控制层根据该固定中心层电极的形状来成形该电场。然而，在对应于高电荷迁移率的频率下，该频率依赖层产生有效电极表面，且该梯度控制层根据从该电极和该频率依赖层共同造成的整体电极几何形状来成形该电场。在本发明的另一实施例中，该光学装置具有在特定频率下具有不同电荷迁移率的量的多个频率依赖材料。可以将这些材料以特定几何形状结构被设置在一起，以产生可动态调节的有效电极形状。例如，可将该两种材料放置于共同层，该材料中的一个具有类透镜的形状并且被另一个材料围绕。通过将该层和LC层一起放置于两个平面电极之间，可通过改变该驱动电压的频率来改变该电场分布，并且从而改变该有效电极结构是否采纳由该频率依赖材料所产生的形状，例如可能沿着该两种材料之间的边缘而产生。如果需要，为了更好的光学效率，该不同的材料也可被设置有垂直于该装置的光轴的表面，而且也可将不导电材料与其它材料一起使用，以构成所期望的有效电极形状。
本发明的另一个变化使用具有频率依赖电荷迁移率的频率依赖层，且该频率依赖电荷迁移率沿着通过该层的梯度变化。因此，相比于该层的其它部分，该层的一部分表现出更高程度的电荷迁移率以响应第一频率。因此，对于施加至该装置的驱动电压的频率，调节该频率改变表现为导体的该层的部分。因此，该层中的梯度形状可用于产生随着改变驱动信号频率而变化的有效电极形状。这种类型的层也可与不同的固定电极结构组合(包括构图的电极)以产生更复杂的有效电极形状。
所述频率依赖材料可由各种不同的可能材料所组成。在一个实施例中，该材料是热可聚合导电材料，而在另一实施例中，该材料是光可聚合导电材料。其它可能性包括真空(或者，例如，溶液-凝胶)沉积薄膜、高介电常数液体、电解质凝胶、导电离子液体、电子传导聚合物或具有电子传导纳米粒子的材料。该材料的关键特征是其具有频率依赖的电荷迁移率。当该频率依赖材料是热或光可聚合导电材料时，该材料可包括：具有至少一个烯化(ethylenically)不饱和双键的可聚合单体化合物；为紫外-可见光(UV-Vis)、近红外光(NIR)敏感或者是热敏分子的组合的引发剂；用于改变混合物的介电常数的添加剂，其中，该添加剂选自有机离子化合物和无机离子化合物；以及，用于改变该混合物的粘性的填料。该材料也可包括选自如下的粘合剂：对紫外-可见光敏感的粘合剂、对近红外光敏感的粘合剂及使用热引发剂而聚合的粘合剂。也可包括光学弹性体(optical elastomer)。
当该频率依赖材料是高介电常数液体时，可包括在较低频率具有在2.0和180.0之间的ε(epsilon)的透明液体材料，其允许电荷能够以频率依赖的方式移动。
当该频率依赖材料是电解质凝胶材料时，可包括：聚合物材料；离子成分；以及离子迁移体。
当该频率依赖材料是导电离子液体时，可包括选自如下的离子形式：氯酸盐、高氯酸盐、硼酸盐、磷酸盐以及碳酸盐。
本发明的各个实施例还包括在信号频率上可变化的驱动信号。驱动信号产生器可输出可改变频率的单个频率信号、作为不同单独频率的混合信号的信号、或者是频率成分可变的一些其它信号形式。在一个实施例中，该驱动信号产生器产生可变化占空系数的脉宽调制信号。在这样的情况中，可改变该占空系数以改变该信号的高频内容的量。在另一实施例中，该驱动信号产生器在其基模中或者在通过第二频率信号调制第一频率信号的模式中，产生振幅调制信号。在又一实施例中，该驱动信号产生器产生作为数个不同单独频率信号的组合的驱动信号，所述不同单独频率信号具有预定的相对频率和振幅。可考虑特定电极和特定应用的频率依赖层结构作为适当驱动信号的选择。
在本发明的特定组的实施例中，使用包括具有非平坦几何形状的固定导体电极的电极系统。也可使用具有非平坦几何形状的频率依赖材料作为替代，或者与该非平坦固定电极组合。将此实施例中的结构性结构变化，并且可包括固定导体电极，该固定导体电极包括被涂覆在类透镜的聚合物结构的顶上的弯曲导电材料层。在另一实施例中，该固定导体电极是被涂覆在平坦孔径聚合物结构的顶上的多水平(multi-level)平坦表面导电材料层。该频率依赖材料也可为位于该LC层和该固定导体电极之间的平坦材料层。在一个变化实施例中，平坦表面的聚合物结构可由具有相对且匹配弯曲表面的一对类透镜的聚合物结构形成。该弯曲的频率依赖材料层也可包括将所述匹配弯曲表面附接在一起的光学透明粘胶层。
在本发明的再一实施例中，可变光学装置包括本身具有频率依赖电荷迁移率的LC层。在此实施例的一个版本中，当该LC层本身的电荷迁移率程度随着驱动频率改变而改变时，不需要外部的频率依赖材料。因此，与该LC层互相作用的电场的空间分布可为频率依赖的，导致可通过改变该驱动信号的频率成分而改变该LC层的光学特性。在此实施例的一个版本中，该电极组件在空间中产生非均匀的电场，且当产生在该LC层中导致高度电荷迁移率的频率时，可将该电场改变成在空间中较均匀的电场。在另一个变化实施例中，该电极系统包括在该电极的中心区中具有光学透明材料的孔状构图的电极。
本领域技术人员可理解，可将本文中所描述的各种原理和实施例混合和匹配，以产生具有各种电场产生特性的光学装置。不同形状和结构的电极、不同类型、形状及位置的频率依赖材料、不同驱动信号产生器、以及本文中所描述的其它所有变化均可组合在一起，以产生具有特定特性的光学装置。所述装置也可为频率控制的、电压控制的，或者是两者的组合。
例如，可使用具有低角度预倾对准层的LC层，并且可施加第一频率使得该有效电极结构是均匀的。在此频率下，可然后将电压增至所有LC分子均在均匀倾斜下具有初始再取向的水平。可然后改变该电压的频率以改变该有效电压结构，并且将非均匀度引入该电场，以便改变该液晶的光学特性(如形成透镜结构)。通过在引入电场非均匀度前对该液晶施加初始均匀电场强度，可避免该LC层中的向错。也可施加该驱动信号，以便避免所述液晶停留在基态附近，从而降低图像像差。在另一实例中，可使用频率控制以改变LC透镜的光焦度，但是在不同光焦度之下将该驱动信号的电压由一个水平切换至另一个水平，以便改善该透镜的性能。也可使用许多其它类似的控制实例。
附图说明
图1为现有技术的可调液晶(LC)透镜结构的示意图；
图2为现有技术的具有孔状构图的电极的可调LC透镜结构的示意图；
图3是现有技术的具有三个分段的顶部电极的可调LC透镜结构的示意图；
图4A是具有频率依赖材料层和位于该层顶部附近的盘形顶部电极的可调LC透镜结构的示意图；
图4B是具有频率依赖材料层和位于该层底部附近的盘形顶部电极的可调LC透镜结构的示意图；
图5A是具有频率依赖材料层和位于该层顶部附近的孔状构图的顶部电极的可调LC透镜结构的示意图；
图5B是具有频率依赖材料层和位于该层底部附近的孔状构图的顶部电极的可调LC透镜结构的示意图；
图6示出当使用具有较高频率的驱动信号时的图5A的结构的等电位面；
图7示出当使用具有较低频率的驱动信号时的图5A的结构的等电位面；
图8示出当使用具有较高频率的驱动信号时的图5B的结构的等电位面；
图9示出当使用具有较低频率的驱动信号时的图5B的结构的等电位面；
图10A至10E示出类似图5A的结构的可调透镜效应；
图11A示出图5A的结构的光焦度对RMS电压的图形实验数据；
图11B示出类似图5A的结构的RMS像差对RMS电压的图形实验数据；
图12A示出类似图5A的结构的光焦度对频率的图形实验数据；
图12B示出类似图5A的结构的光焦度对频率图形实验数据以及对相同频率范围的像差的相应表示；
图13示出根据本发明的结构，其中在两个LC单元之间夹有梯度控制结构，该梯度控制结构具有孔状构图的电极和频率依赖材料；
图14示出其中在具有非平面几何形状的共同层中设置两个不同频率依赖材料的结构；
图15示出其中频率依赖材料具有频率依赖特性的梯度的结构；
图16示出组合梯度频率依赖层和构图的电极的结构；
图17示出具有多个具有位于共同层中的平坦表面的频率依赖材料的结构；
图18示出使用成形上部电极和具有不导电区域的频率依赖层的结构；
图19A示出当使用具有较高频率的驱动信号时的图18的结构的等电位面；
图19B示出当使用具有较低频率的驱动信号时的图18的结构的等电位面；
图20示出具有孔状构图的上部电极和位于电极的孔下面的频率依赖材料的结构；
图21A示出当使用具有较高频率的驱动信号时的图20的结构的等电位面；
图21B示出当使用具有较低频率的驱动信号时的图20的结构的等电位面；
图22为示出脉宽调制信号的参数的图形视图；
图23为示出脉宽调制信号的频率域特性的图形视图；
图24A为示出以三个不同频率驱动的LC透镜的传输功能(光焦度对RMS电压)的图形视图；
图24B为示出对于三个不同控制电压的频率可调LC透镜的光焦度对频率的传输功能的图形视图；
图25示出具有频率可调LC透镜的摄像机；
图26为示出如何一起使用不同频率的三个控制信号成形频率可调LC透镜的电场分布的图形视图；
图27A示出具有成形的顶部电极、透镜状聚合物结构和频率依赖层的结构；
图27B是示出当使用具有较高频率的驱动信号时的图27A的结构的等电位面的图形视图；
图27C是示出当使用具有较低频率的驱动信号时的图27A的结构的等电位面的图形视图；
图28A示出类似于图27A的结构，但是其中的成形顶部电极具有倒转的形状以提供相反的可调性；
图28B示出具有顶部电极和平坦孔径聚合物结构的结构，其中顶部电极为具有全部平坦表面的形状；
图28C为类似于图28B的结构，但是其中的平坦表面的位置被倒转以提供相反的可调性；
图29A示出具有顶部电极的结构，所述顶部电极具有弯曲的频率依赖材料层，其被包围在顶部聚合物材料层中；
图29B示出当以较高频率驱动时的图29A的透镜结构的LC分子再取向的最大角度；
图29C示出当以较低频率驱动时的29A的透镜结构的LC分子再取向的最大角度；
图30A示出“pi”类型LC单元的示意图；
图30B示出“螺旋(twist)”类型LC单元的示意图；
图31A示出用于控制光的两个正交偏振的LC单元结构的示意图；
图31B示出类似图31A的LC单元结构的示意图，但是单个组合的可变电极结构控制所述LC单元；
图31C示出类似图31B的LC单元结构的示意图，但是组合的可变电极结构位于两个交叉取向的LC单元之间；
图32A示出使用本身具有频率依赖性质的LC层的结构示意图；
图32B示出类似图32A的结构示意图，但是未使用中间层；
图33示出当使用弱导电的频率依赖层时的图32A的结构的等电位面的图形视图；以及
图34示出使用具有弱导电的频率依赖特性的液晶的一般性表示的示意图。
具体实施方式
本发明涉及可调液晶(LC)透镜，其使用频率依赖材料通过频率调节以改变该电场的空间分布。因此，能够频率控制对该透镜的调节。本发明的所述装置可用于可调聚焦、衍射、偏转等。本发明的所述装置还可用于控制固定的LC光学装置。图4A示意地示出使用具有频率依赖特性的材料层406的可调LC透镜。例如，此材料可为高介电常数材料，或者弱导电性材料，且为了简洁起见，在下文中称其为“频率依赖材料”。就功能上而言，该材料具有允许通过该材料的有限度的电荷迁移率的特性，且电荷迁移率的程度取决于施加至该装置的电信号的频率。因此，对于给定的频率依赖材料而言，较低频的电信号可能在该材料中导致高度的电荷移动(传输距离)，而较高频的电信号可能导致较低程度的电荷迁移率。当将该频率依赖材料结合响应于所施加的驱动信号而产生电场的电极对一起使用时，电荷迁移率的程度确定电荷穿入该材料中的深度，且因此根据电场形成，该材料的部分表现为“良好”导电层，以及部分表现为“劣”导体。因此，利用高度的电荷迁移率，较大的材料段将表现为导体，并且因而表现为附近电极的延伸。因而，在本发明中使用频率依赖特性以产生可动态结构化的有效电极表面，且可通过改变该驱动信号的频率而改变该有效电极表面。以此方式改变该有效电极分布会导致该两个电极之间的电场分布的对应改变。利用位于所述电极之间的LC层，可因此使用可动态改变的电场分布以动态地改变该LC层的光学特性。
再参照图4A，该液晶单元(LCC)420由夹在“取向”涂层422之间的LC材料421层所组成，且所述涂层422由如摩擦聚酰亚胺的材料所形成。该LCC的下部表面包括由适当材料(如铟锡氧化物(ITO))所形成的相对均匀透明导电层(亦即，电极)423。基板424设置于该下部表面上，并且支撑该透明导电层。可选择地，中间层425可设置于该LCC的上部表面上、取向涂层422的最上部。
控制该电场梯度的梯度控制结构402由固定(优选为低电阻值)电阻的光学透明的中心电极404所组成，而通过该频率依赖材料层406填充相同层(在相同平面上)的周围部分和该平面下的区域。层406是该结构的部分，其又可称作为隐藏电极。在本实施例中，电极404为盘形且位于该梯度控制结构402的中心。也可在该梯度控制结构的上部中、在该透明中心电极404和该频率依赖层406之上设置可选覆盖基板413。
如上文中所提及，该频率依赖层406是复介电材料，其中所施加的交流激励电压导致的电荷穿入深度将因不同频率而不同。对于不同频率的不同电荷穿入深度使得通过移动所述有效电极表面而重构所述电极结构。换言之，一个频率所造成的电荷穿入深度可产生出有效的、或者“虚拟的”电极表面，该电极表面对于不同频率的有效电极表面而言位于不同的位置。当使用所述电极以产生施加至该LC层的电场时，可使用所述不同的有效电极表面，以改变该LC层所感受的电场，并且因此改变其光学特性。因此，例如，由于该LC单元的光学特性可由施加至所述电极的频率所控制，所以可将可调LC透镜制造成可频率调节的。此外，该频率调节可与电压无关，其中能够对于不同频率的激励信号使用基本相同的RMS电压来完成该调节。
再参照图4A，所示的透镜可以不同的可能规则来操作。对于在该频率依赖层406中具有高度电荷输送的控制频率而言，电极404和层406将一起表现为均匀的“顶部”电极。也就是说，电荷高度穿入该层406将产生出该电极404的“延伸”，且该有效电极将延伸跨过该层406的全长。由于该底部电极结构423也是平坦且均匀的，所以跨过该LC层的电场将大约为均匀的，且所述LC分子将均匀地再取向，并且没有发生能够影响通过改变构图的电极上的电压而再取向的LC结构的取向缺陷(称为向错)。相比之下，如果施加频率至所述电极，使得通过该层406的电荷传输相当有限，则该有效顶部电极形状将接近于该电极404单独的形状，且所产生跨过该LC层的电场将为非均匀的。在此实例中，该非均匀电场将集中环绕盘形电极404，并且将以预定的方式改变该LC层421的光学特性。通过频率调节代替主要电压调节，无论是为了能量消耗的目的或者是为了液晶调制的目的，均能够将电压范围更有效率地使用，同时能够使用频率控制来提供所期望的光学调节。也能够使用频率控制来提供对所述电极的有效形状的动态控制能力，并且因此提供对通过这些电极产生的电场的形状的动态控制能力。另外，使用这样的“隐藏且频率控制”电极以提供该电场的空间调制为光学透明材料提供了相当大的选择性。这样的LC透镜结构的制造是简单且具有成本效益，同时，对于物理参数的变化并不敏感。并且，导电性的频率依赖性是额外工具，其允许建立较厚的膜，并且允许通过其导电性来控制该电场空间分布。
上述实例的变化在图4B中示出，其中，将光学透明盘形中心电极404设置为使得由频率依赖材料406填充该盘形电极的平面的周缘部分和该平面之上的区域。也就是说，在此变化实例中，该电极404位于材料406的下部区域中，而不是上部区域中。然而，该系统的其它部件和功能基本相同。
将了解到，可以使用叠层组件，并且，优选，以平行的方式(同时多个单元，称作“晶圆层”)制造该可调LC光学装置，通过切单(singulation)并且可选地接合具有交叉方向的操作轴(指向矢)的透镜以聚焦两个正交偏振光而获得最终产品。
可通过被构成用于使得该装置根据控制信号频率控制该装置中的光传播的可变频率控制信号电路提供用于调节该光学装置的控制信号。这样的电路为熟知的设计，在本文中不进一步详细讨论。
图5A和图5B示出可调LC透镜的变化结构，该可调LC透镜使用隐藏电极通过频率调节提供该电场的空间调制。在这两个实例中，梯度控制结构502由孔状构图的固定导电电极环504组成，该孔状构图的固定导电电极环504可选地为光学透明的。在图5A中，电极504位于频率依赖材料层506的顶部，而在图5B的设置中使得电极504位于材料506的底部。在这些实施例的每一个中，与图4A和图4B的实施例相同，能够在空间中产生均匀的或者非均匀的电场，取决于施加至所述电极的控制信号的频率。低频信号提供在材料506中的深的电荷穿入，产生出延伸该层的长度的有效电极形状，并且与下电极523结合，产生均匀的电场。相比之下，较高频的信号允许较浅的电荷穿入，并导致非均匀的电场而改变该LC层521的光学特性。如下文中将进一步讨论，所述不同的电极形状(图5A和图5B相比于图4A和图4B)提供不同的电场特性。然而，所述结构的其它部件(如具有取向涂层522的液晶单元520、底都基板524、可选中间层525、底部导电层523和液晶521以及可选顶部基板513)以与图4A和图4B的对应部件相同的方式工作。
图6和图7示出图5A的结构的对应等电位面。如图6所示，使用中等的/高的频率驱动信号(在此情况中是20V、3kHz)在频率依赖层中产生中等的电荷移动量以产生特定电场，图中示出为平滑的梯度。当然，该频率范围的选择取决于所使用的频率依赖材料的参数。如图7所示，使用较低频率的驱动信号(在此情况中是20V、100Hz)在该频率依赖层中导致更多的电荷移动。这使得电场分布变得平坦，对应地引入均匀的指向矢(director)再取向，并且允许容易地避免取向错误，或称作“向错”。这种分布还允许在低RMS电压“消除”该透镜，而不需要将会降低主装置性能或违反主装置电压限制的第三电极或者驱动电压至非常低(例如：0伏特)或非常高的电压(例如：100伏特)的改变。该平坦等电位面对应至跨过该透镜直径的平坦电场。另外，该“低”频率范围取决于所使用的频率依赖材料的参数。
图8和图9示出图5B的结构的对应等电位面。图8示出图5B的配置在给定具有25V且频率为700Hz的驱动电压下电场分布。该较高频率的电压在该频率依赖材料中产生中等的电荷移动，导致具有平滑变化的空间可变电场分布，如图所示。相比之下，低频率驱动信号(例如：25V、100Hz)产生相对平坦的电场空间分布，如图9所示。
图10A至图10E示出对图5A所示的单元结构的可调LC透镜(TLCL)的效应的实验示范。为了得到所显示的图像，在两个交叉的偏振器之间放置(于45度)具有单个液晶层的可调透镜。图10A示范在利用控制电压激励之前LC对准的均匀分布。图10B显示当通过将较低激励频率的电压施加至所述电极时的LC取向的均匀分布。此低频激励所产生的均匀电场分布给予LC取向的对应的均匀分布，而没有透镜效应。电压由0V(图10A)增加至35V(图10B)，改变了所述液晶的取向，但是并未增加取向的梯度，所以没有透镜效应。图10C至图10E显示该透镜于驱动频率下的操作，其中，该频率依赖介电常数层的电荷迁移率是中等的。因此，在1.1MHz、10VRMS(图10C)，多个干涉环(interferential ring)显示存在有梯度和对应的透镜效应。将电压增加至35VRMS(图10D)局部地降低梯度且对应地降低该透镜的光焦度(较少的环)。如图10E所示，如果电压相同但是将频率降低至该频率依赖层的电荷迁移率较高的点(接近图10B所示的情形)，可得到类似的效应。
图11A和图11B显示对于图5A所示的单元结构，光焦度与RMS像差单独地对在振幅调制区域中的RMS电压的实验数据(Shack-Hartmann数据)。在该实例中，将1.1MHz的驱动电压施加至具有图5A的结构的LC透镜，且变化该驱动电压的大小。图11A清楚地示出光焦度的平滑改变，同时图11B示范使用简单的电压控制而无需任何额外的频率调节所得到的良好(很低)像差水平。如图所示，即使在9屈光度的光焦度下，该像差仍低于0.18微米。然而，应注意的是，通过增加电压来“消除”该透镜是没有效率的。即使V大于70VRMS，仍有大约1.5个屈光度的“剩余光焦度”，使得频率控制更具吸引力。
本领域技术人员了解，显示本发明不同实施例的视图(如图4A至图5B)是示意且不按照比例的。因此，虽然显示该频率依赖层相比于其它层更厚，但是实际上该频率依赖层可能相当薄，并且用于基于该频率依赖材料的位置动态地产生有效电极分布。电极的“延伸”也可在平行或者垂直该透镜的光轴的方向上或者同时在两个方向上。因此，例如，在图5B的结构中，孔状构图的电极504和平坦电极层523将(在该频率依赖层506中没有任何显著的电荷迁移率)产生出跨过该LC层521的非均匀电场。例如，该非均匀电场能给予该LC层所期望的透镜分布。然而，当施加具有能够使得在该频率依赖层中存在显著电荷迁移率量的频率的驱动电压时，该有效电极结构延伸进入该孔状构图的电极中心的“孔”区域，因而产生跨过该全体结构的平坦的有效电极。该孔状构图的电极的“水平”延伸通过两个均匀电极结构将该电场分布改变为均匀的。该均匀电场在所述液晶分子上具有均匀的再取向效应，从而消除任何透镜效应。
在以上讨论的较高频率和较低频率之间的频率范园中，可调节该驱动电压的频率以产生逐渐改变的LC层的光学参数。这样的实例是产生具有能够通过改变该驱动电压的频率而在最小值和最大值间变化的光焦度的透镜。现有技术中的可调LC透镜使用具固定频率的驱动电压，并且调节该电压水平以改变该LC层的光学特性。因此，改变平坦电极和孔状构图的电极(如图5A和图5B所示)之间的电压能够改变透镜的光焦度，但是利用类似现有技术系统的固定电极结构不可能进行频率调节，且无法做到如本发明所能得到的复杂电场分布成形。
利用具有构图的电极的现有技术系统的另一个问题是“向错”的效应。在典型LC透镜中，所有所述LC分子均设置有共同预倾角度，使得所有所述LC分子均对准于零电压。当对具有构图的电极的透镜进行电压调节时，所增加的电压产生出非均匀的电场线，使得一些LC分子不同于其它受到相同电场强度的LC分子地重新对准。这些向错在该透镜中造成像差，但是在将电压降低到用于提供所期望的光焦度的适当范围之前，可通过利用消除该透镜的非常高电压对准所有的分子来移除这些像差。然而，在如图5B的实施例中，初始施加较低频率的激励电压产生有效的均匀电极分布和对应的电场分布。通过将电压升高至超过阈值电压的水平，所述分子将以共同角度取向再取向(在此状态下，光焦度是零)。可接着增加该激励电压的频率以降低该频率依赖材料中的电荷迁移率。当增加该频率时，该电场发展出非均匀的分布，产生出所期望的透镜效应。然而，由于所有的LC分子均通过超过阈值的低频率电压进行预先对准，所以当引入该透镜分布时并未发生向错。
图12A显示根据本发明如何通过透镜结构完成频率调节的图形实例。如上所述，虽然该曲线显示延伸至零频率，提供至该透镜的初始电压可为如100Hz的低交流(AC)频率。在此频率下，因为所有的LC分子基本均为共同对准，所以光焦度很低。如图所示，未改变信号的电压，然后可增加该信号的频率，当该非均匀电场开始在该LC层中发展出透镜特性时，光焦度增大。在该实例中，在大约25kHz达到最大光焦度，在达到最大值之后该光焦度再度降低。因此可看出如何使用频率调节代替或者补充LC透镜的电压调节。图12B类似图12A，显示另一个可频率调节的透镜结构，在此情况中是涵盖较高的频率范园。然而，图12B还示出在有效光焦度范围上产生非常低的RMS像差水平。
在使用空间均匀的低角度预倾对准层的梯度折射率液晶透镜的情况中，该液晶材料在电场方向上经受从基态至所期望的最大再取向的再取向。当相对于该电场的预倾角度接近90度时，该电场再取向LC分子的能力最弱。因此，在一些可调GRIN光学装置设计中选择避免在具有弱的液晶再取向能力的电场中取向的液晶取向作为可调的范围是有利的。这可以这样实现：施加均匀电场，其导致再取向偏离基态的液晶，以因此具有新的(更响应的)“基”态或基础态，并且接着在该均匀电场上施加经过调制的电场以形成透镜或其它光学装置。或者可以这样实现，通过从接近利用电场对准的取向(最低的光焦度)、和从基态方向的均匀电场对准偏离的空间调制取向(最高的光焦度)，改变折射率。这样避免了在电场和液晶之间弱的交互作用在该基态中所造成的像差。因此，将了解到，本发明能够使用频率依赖材料以形成这样的适合的电场。
图13示出使用隐藏电极经由频率调节提供该电场的空间调制的可调LC透镜的额外变化。在图13中，控制该电场梯度的结构是由固定电阻值(优选为低电阻值)的孔状构图的周缘电极1304所组成，同时，在电极中心的中心盘形区域(在相同平面上)和环绕该平面的区域被填充有频率依赖材料1306。该梯度控制结构(GCS)1302被夹在在正交平面中具有指向矢(LC长分子轴的平均取向)的两个LC单元1320a、1320b之间。例如，所述指向矢中的一个可能在XZ平面中，而第二指向矢可能在YZ平面中，该夹层的法线是Z轴。在该实施例中，移除了传统上所使用的一个LC单元“内部”电极，以允许在该LC层中形成该电场梯度。该GCS 1302的位置可有利于用于组合该GCS的多种功能，如电极、加热器以及(频率依赖材料的)片电阻或者是温度传感器。该加热器和该温度传感器可一起使用以帮助维持该装置的温度处于最佳水平。该电极1304的额外构图也可用于测量该材料1306的电性质，如片电阻，该电性质在该电场分布的形成中具有确定性的作用，且可能由于老化而随着时间一部分一部分的改变。在本文中，该GCS可以不同的形式制作，并且可以以特定合金(例如：钼/铝)制成以实施所述多个功能。在该组件中间设置确定该电场的空间调制的层有利于平均地影响上述调制层下的层中的电场。通过设置中间电极，电极间的间隔将实质地减半，且尽管必须驱动两个电极单元，但是电压和部分至部分的变化较不显著。
在上述实施例中，该TLCL的结构基本为完全平坦的，也就是说，该频率依赖层、电极层(ITO或类似材料)、LC层等均为平坦的。该电场的成形是构图电极层或者频率依赖层的复阻抗或者两者的结果。然而，可使用其它结构化结构以提供该电场的成形。
通过非限定的实例，将提供本发明的可变焦距平坦折射透镜的尺寸。将了解到，所述尺寸能够根据设计选择和材料选择而大幅变化。覆盖基板能够以厚度50至100微米的玻璃来制作。该孔状构图的电极可以以如铝的不透明金属制作，或者能够以透明的铟锡氧化物(ITO)制作。该电极的厚度可在10至50纳米(nm)的范围内。该频率依赖材料可以用厚度大约10纳米的氧化钛(titanium oxide)制作。氧化钛具有随着控制信号频率而改变的半导体性质。
该频率依赖介电常数(或复介电)材料可包括如下的各种材料。这样的材料的主要性质为表现出将提供使得电荷迁移率根据控制信号的频率变化的弱导电性。该性质允许对电场形状的频率调节以控制光学质量或光焦度和对LC光学装置的开/关(on/off)操作的频率调节。
顶部和底部对准层可为厚度大约20至40nm的聚酰亚胺层，该聚酰亚胺层经过摩擦以产生诱导具有小预倾角的液晶基态对准的表面。例如，该液晶层的厚度可为5至30微米。此具有空间调制的单个液晶层形成聚焦光的单个线性偏振的梯度折射率透镜。在图13的实施例中，在顶部基板上设置孔状构图的电极1304和频率依赖材料1306，且该电极位于两个LC层或者单元1320a和1320b之间。
将了解到，能够以此方法组合两层至四层的TLCL，其可具有大约1至3毫米的透镜直径、大约460微米的厚度。该TLCL的光焦度可大致为8至16个屈光度，适用于大部分的相机应用。一个TLCL能够提供可变聚焦，同时，两个可提供变焦透镜。
在图14的实施例中，设置两个不同的频率依赖材料以具有非平面的几何形状。所述材料的不同复介电常数使得电场根据控制信号频率成形，以影响该电极的有效三维(3D)形状。优选，两种材料具有匹配的光学折射率，使得该非平面几何形状不会干扰光学传输和折射，然而，透镜系统也可设计成解决具有图像改变效应的电极结构的任何效应。
在此实施例中，该两个频率依赖材料像放置于相同层中，并且占据该层的不同区域。第一材料1406a具有类透镜形状并且位于相对于该透镜的光轴的中心位置。第二频率依赖材料1406b占据该层的其它位置，并且具有不同于该第一材料的频率依赖特性。因此，当电场施加至该层时，该两种材料1406a、1406b将会有不同的响应。在该实施例中，上部电极1404和下部电极1423两者均为平面的且互相平行，其间具有液晶1421。当该两个电极1404、1423之间的电压电位的频率改变时，将改变施加至该液晶的电场分布。这样使得该LC单元1420的光学特性能够通过改变该控制频率而改变，因为电场的“形状”将由该两种材料1406a、1406b的相对位置和其相对介电常数限定。
例如，如果图14的实施例所使用的激励频率使得电荷的移动相当有限，且所述材料14.06a和1406b的介电性质类似，则该LC层所受到的电场将为基本均匀的电场。这将导致所述LC分子的均匀再取向，而没有任何透镜效应以及向错。然而，如果所施加的频率使得电荷的移动该层1406b中显著(但是层1406a中并不显著)，则该LC层将在其周缘受到较强的电场，因此产生再取向的梯度和相应的透镜效应。此外，这两个状态之间的转换能够平滑地进行且没有向错。这是该电场分布的频率控制所提供的重要优势，仅使用电压控制改变该激励电场的振幅而非改变其分布无法得到同样的效果。本领域技术人员可了解，可针对特定应用适当地选择所述材料1406a、1406b的相对形状和其介电常数。此外，如此的复频率依赖层可使用两个以上不同的频率依赖材料。另外，与先前的实施例相同，使用该结构的可调透镜可通过变化该驱动电压的频率，或者通过变化具有特定频率的电压的大小、或者通过两者的组合来调节。
在图15的实施例中，设置频率依赖层1506以具有导电聚合物或凝胶的交联梯度，或者是提供频率依赖电荷迁移率梯度的另一频率依赖材料。可通过例如激光束或其它光(例如：紫外光(UV))或具有梯度成形强度的热源、中心下降和扩散及之后的聚合、或者场诱导(例如：电解质)材料分离及之后的聚合，形成该梯度结构。在该实施例中，当施加至所述电极1504、1523的电压频率非常高时，层1506对该电场的影响很小，所述电场表现为如同由其间不具有这样的层的均匀电极对所产生。也就是说，该有效上部电极表现为在该实际上部(顶部)电极位置。然而，当降低该频率时，该频率依赖材料开始在该材料的特定区域中受到更高程度的电荷移动。当进一步降低该频率时，根据该梯度结构，更多材料开始受到电荷移动。该梯度的形状因而限定了在该材料1506中发展出有效电极结构的方式，且因此限定了该有效电极形状如何随着频率而改变。由于该电极形状是直接相关于电场的分布，其产生可频率调节的电场分布和该LC层上的可频率调节效应。当该频率足够低使得该频率依赖介电常数材料为完全导电时，该有效上部电极表现为位于该频率依赖介电常数层的底部。因此，当频率介于使得频率依赖层是完全“导电”的低频和使得整个频率依赖材料层基本“不导电”的高频之间时，该有效电极的形状根据该材料1506中的梯度而改变。因此，如图14的实施例，施加至该液晶的电场形状能够通过调节该电极电压的频率来调节。
图16示出组合梯度频率依赖层1606(如图15所示的实施例)和构图的电极1604的效果的实施例。本领域技术人员将了解，当调节该电极电压的频率时，可选定电极1604的特定形状和导电层1606的有效频率依赖变化性，以提供所期望的电场形状范围。例如，该材料1606可为具有梯度形式(该梯度如图中虚线1607所示)的复介电常数的材料，并且在不同的梯度区域中具有不同的频率依赖电荷迁移率水平。材料1606可由一种其中产生有梯度的材料或者由两个或更多个材料的组合构成。该材料1606邻接顶部电极1604，同时，LC层1621邻接底部电极1623。顶部电极形状和该层1606中的频率依赖梯度结构的组合用于产生所期望的有效电极形状范固和所期望的电场分布范围。
图17示出本发明的另一实施例，其中，在平面上部和下部电极1704和1723之间的电场通过具有不同频率依赖材料1706a和1706b的光学透明隐藏结构以及如图15所示的具有具梯度结构的频率依赖材料的层1706c所调制。材料1706a和1706b具有不同的频率依赖特性，并且在两者的共同层中产生特定有效电极结构，该有效电极结构取决于所施加的激励频率。另外，该电场的频率依赖成形通过频率依赖层1706c完成。此方法的一个优势是光穿过材料1706a和1706b的平坦表面，但是根据所施加的激励电压的频率，该LC层所受到的电场可为平坦的或者弯曲的。尤其是，所述材料1706a、1706b的特定形状和位置，以及层1706c的特定复特性根据所期望的应用而选定。本领域技术人员可了解，可从而形成各种不同的电场形状。
图18示出进一步的实施例，其中，设置频率依赖材料以根据频率改变该电极结构的有效3D形状。该实施例组合使用成形上部电极1804(在此情况中为盘形)和包括不导电区域1806a和频率依赖材料1806b的频率依赖层。通过仔细选择该电极1804的形状、该不导电区域1806a和材料1806b的相对分布、以及该材料的频率依赖特性可产生所期望的电场形状。类似图17的实施例，该实施例受益于该材料层的平坦表面，通过其光容易地传播。
图19A示出图18的电极结构在较高的频率(在此情况中为20V、10kHz)下所产生的电场等电位线，在该频率下该频率依赖层仅具有中等的电荷迁移率。此实例中的有效电场形状表现为如同由中心盘形电极所产生，而不具有来自该频率依赖材料的显著贡献。图19B示出图18的电极结构在较低的频率(在此情况中为20V、100Hz)下所产生的电场等电位线，在该频率下，频率依赖层表现出明显更大的电荷迁移率。此实例中的有效电场形状表现为如同由该电极结构顶部的中心盘形电极与位于该频率依赖介电常数层底部的环形电极所产生。将了解到，在中间频率下，该有效电极形状将更为平滑，且类似于穹顶形。
图20是具有与图18的实施例某些相反的几何形状的实施例，而图21A和图21B示出对于不同驱动频率(图19A和19B)的对应等电位线。尽管图18的实施例使用盘形电极和不导电的频率依赖层的中心区域，图20的实施例使用孔状构图的电极2004和频率依赖层2006，其中，该导电材料均位于该电极的“孔”下的中心区域中。因此，此实施例可用于产生与图18某些相反的电场响应。例如，该几何形状能够用于产生可调LC透镜，该可调透镜可响应改变频率而从正的改变至负的。在高频率下(例如：25V、12kHz)，该频率依赖材料具有不显著的电荷迁移率，且该电场表现为如同仅由该孔状构图的电极所产生。在低频率下(例如：25V、200Hz)，该频率依赖材料具有高很多的电荷迁移率，所以该电场表现为如同由该电极2004和位于该频率依赖材料底部的盘形电极所产生。改变这些极端情况之间的频率产生了适合用于调节LC透镜的弯曲电场形状的平滑范围。因此，提供了同时具有正和负状态的透镜。
重要且必须留意的是，使用这样的隐藏电极以调制电场的LC透镜可能有许多其它的变化结构，且包括在本发明的范畴中。
频率依赖材料
如上文中所提及，本发明提供频率依赖材料的各种化学组成物，适合用于可调光学装置(如本文中所描述的LC透镜)中。本领域技术人员了解，这样的材料也可用于其它频率依赖光学应用中，如光束偏转装置、快门等。为了经由频率调节而提供电场的空间调制，可将均匀或非均匀频率依赖材料层合并入透镜、光束偏转装置、和/或快门结构中。因此，调节可为频率控制。这样的装置可用于可调聚焦、衍射、偏转等。
对于以上所讨论的不同LC透镜结构，该频率依赖层由具有复介电常数的材料所制作，其中，该复介电常数取决于施加至所述系统电极的驱动频率(包括弱导电特性)。根据非限定的实施实例，此材料可为热或光可聚合导电材料，其组成物可能包括以下成分：
(i)可聚合单体(线性或环状)化合物；
(ii)引发剂；
(iii)用于改变最终组成物的介电常数或导电率的添加剂；
(iv)用于增加聚合物对玻璃表面的粘合性的粘合剂(该粘合剂可用于作为表面处理剂或直接引入溶液中以增加粘合性)；以及
(v)用于改变混合物的粘性的填料。
在一个实例中，90(wt.)的丙烯酸异癸酯(SR256)混合0.3％(wt％)的Li+CLO4-。接着添加3％的引发剂；2-羟基2-甲基1，1-苯基丙酮(Darocure1173)，并且在室温小心地搅拌该混合物，以获得均匀清澈的溶液。接着添加10％的ECA(2-乙基氰基丙烯酸酯)(单体总质量的wt％)，并且在室温和黑暗条件下小心地搅拌最终溶液达15分钟。可通过将该材料暴露于强度为15mV/cm2的UV源下达三分钟而聚合该混合物。
在另一个实例中，为了制备该组成物的第一部分，将35％(wt)的光学粘合剂OA9352HT2(HT)与65％(wt.)的(2(2-乙氧基乙氧基)丙烯酸酯单体)混合，并且在室温下小心地搅拌该混合物，以获得均匀清澈的溶液。接着添加10％的4-甲苯[4-(2-甲基丙基)苯基]-六氟磷酸酯(所述单体总质量的wt.)；并且在室温和黑暗条件下小心地搅拌该最终溶液达15分钟。
具有低ε(epsilon)和导电性的组成物的第二部分是与光学粘合剂(45％wt.的AT6001)混合的55％wt.的丙烯酸异癸酯(SR395)。在室温和黑暗条件下小心地搅拌该溶液达15分钟。可通过将该材料暴露于强度为15mV/cm2的UV源下达三分钟而聚合该混合物。可选择地，来自硅氧烷系列的光学弹性体可被包括于该热或光可聚合导电材料中，并且用于作为该组成物的低ε部分。此材料可分类成为可热固化化合物(且可为一个或两个部分的硅氧烷弹性体)。
应注意，各种材料组成物、各种LC层、各种电极、各种指向矢对准、各种几何形式等均可用于制造相同的光学装置。也就是说，虽然使用频率依赖材料使得该光学装置的频率调节对于每一个实施例来说都是共同的，但是本文中所揭示的不同的材料和物理结构的组合可用于特定应用。
已确定具复介电常数的材料的各种不同化学组成均可适用于上述可频率调节透镜、光束偏转装置、及/或快门结构，其中，此材料可通过调制施加互所述电极的驱动频率而改变(包括弱导电性)。
根据本发明的一个实施例，该可聚合单体化合物具有至少一个烯化不饱和双键，且具有包括描述导电性的虚数部分的复介电常数，且该引发剂为紫外-可见光、近红外光敏感或者热敏分子的组合。
特定引发剂化合物可包括，例如，混合的三芳基锍六氟锑酸盐、六氟磷酸盐、及本领域技术人员所熟知的任何其它适合的引发剂。优选的引发剂化合物是4-甲基苯基[4-(2-甲基丙基)苯基]-六氟磷酸盐。
改变该热或光可聚合导电材料的介电常数或导电性的添加剂可为有机离子化合物(如混合于碳酸异丙烯酯中的碘
Figure BPA00001278977600251
(4-甲基苯基)[4-(2-甲基丙基)苯基]-六氟磷酸盐或者三芳基锍六氟锑酸盐)、无机离子化合物(如Li+ClO4-、K+ClO4-等)、离子有机金属化合物、或者上述的任何混合、以及本领域技术人员所熟知的任何其它适合的添加剂。
该粘合剂对紫外-可见光、近红外光敏感，或者是使用热引发剂来聚合且可用于作为表面处理剂的粘合剂，或者被直接引入该溶液以增加该粘合性。在以上实例中，该粘合剂为光学粘合剂OA9352HT2(HT)，但是本领域技术人员将熟知其它适合的粘合剂。
如上述实例所讨论的光学弹性体可选自与光学粘合剂(AT6001)混和的丙烯酸异癸酯(SR395)、以及本领域技术人员所熟知的任何其它适合的光学弹性体。
根据本发明的另一实施例，该频率依赖材料为高介电常数液体，该高介电常数液体选自ε值介于2.0和180.0之间的能够提供电荷迁移率的所有透明液体材料。优选，该高介电常数液体具有介于30.0和150.0之间的ε值。更优选，该高介电常数液体具有介于60.0和120.0之间的ε值。该液体可为纯的，或者是以下物质的混合物：碳酸亚烃酯系列(如分别具有67和111的ε的碳酸异丙烯酯(PC)或碳酸甘油酯(GC))、烷基、取代烷基、烷基羰基、烷氧羰基、芳基、取代芳基以及芳基羰基。另外，也可使用水、甘油以及水和有机或无机化合物(如甘油、碱性盐或稀土碱性盐)的混合物。一个特定实例是7％蒸馏水与93％甘油的混合物。在室温下搅拌该溶液达15分钟(该溶液的折射率被调节至相比于该隐藏层的第二部分为1.4630的值)。
根据本发明的另一实施例，该频率依赖材料为电解质凝胶，其包括聚合物材料(用作为基体)、离子组成物、以及离子迁移体。
一般而言，所有市面上可得到的可与该离子组成物和离子迁移体材料溶混的聚合物(如聚丙烯酸系、环氧材料、聚氨基甲酸酯、聚碳酸酯以及聚苯材料)可以用作聚合物基体。具有的阴离子和阳离子的离子组成物可选自如下：可溶解的碱性盐或者稀有碱性盐(如Li+、K+等)、有机化合物或有机金属化合物。
离子迁移体材料可为纯液体(如碳酸异丙烯酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC))或者是两种或更多种液体的混合物或者是具有极性基(如醚基或苯氧基)的单体。该极性基可为侧链或可并入聚合物的主链。例如：(2(2-乙氧基乙氧基)乙基丙烯酸酯单体)，其中，该醚基是长侧链，并且用作离子传输体。电解质凝胶的实例可为溶解于80％的碳酸异丙烯酯(PC)中的10％wt.的PMMA。此溶液在室温下搅拌过夜。接着，将10％wt.的Li+ClO4-添加至该溶液并且在室温下搅拌。最终的凝胶状材料用作为可调LC透镜的高介电常数层部分。
根据本发明的进一步实施例，该频率依赖材料可为导电离子液体。此材料分类为不同的有机的、无机的或者有机金属化合物，其具有例如如下的离子形式：氯酸盐、过氯酸盐、硼酸盐、磷酸盐以及碳酸盐。这样的材料的特定且非限定的实例包括(1-丁基-3-甲基咪唑
Figure BPA00001278977600261
-四氟硼酸盐)和(1-丁基-3-甲基咪唑
Figure BPA00001278977600262
六氟磷酸盐)。
该频率依赖材料的再一实例是电子传导聚合物。共轭聚合物的最重要的方面是其作为电子导体的能力。这些材料的范围包括：常规聚合物(例如：聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔)，或者PEDOT(聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)以及来自Clevios的PEDT，以及具有特殊化导电性质的新聚合物(如低带隙和固有导电的聚合物)。在纳米粒子环境中，材料可分散于水、有机溶剂、单体中。例如，分散于水中或分散于聚乙烯乙二醇二丙烯酸酯中的ATO((SnO2)0.9(Sb2O5)0.1)，或粉末形式的纳米粒子，所述纳米粒子通过溅射被涂覆为基板上的薄层。或者碳的同素异形体碳纳米管(CNT)，其具有柱形纳米结构。该材料可被用作被分散在水中或有机材料(如单体)中的纳米粒子。所述纳米粒子能够通过不同技术(如旋涂工艺)沉积在玻璃表面上。
用于制备该频率依赖层的另一种选择是基于在玻璃基板表面上沉积作为薄膜的金属氧化物。在此情况中，将金属化合物沉积在玻璃的表面上，然后进行氧化过程。在该方法中，将金属靶用于电子束、溅射或者热蒸发过程。例如，通过电子束技术所制备的金属氧化物化合物(如SnO2、Ti3O5、ZnS、ZnO2等)可用作频率依赖部分。
导电玻璃也可用作可调LC透镜的频率依赖部分。在该情况中，可将导电材料掺杂到玻璃(块)中，并且用作薄膜沉积技术(如电子束、溅射或者溶液-凝胶方法等)中的靶。实例包括将钼、银或两者的混合物直接掺入玻璃，并且用作用于薄膜沉积技术的导电玻璃靶。尽管Ti3O5(氧化钛)层可为大约10nm厚，但是提供一些离子传导性的聚合物能够良好运作，虽然该聚合物的厚度范围会在0.1至30微米。
驱动信号
本文中用于提供相应光学装置的频率依赖控制的所述特定材料可使用具有不同特性的各种不同驱动信号。这些信号特性包括频率变化，并且也可包括振幅和占空度控制。在下文中详细讨论了一些实例。
脉冲宽度调制
进行频率控制的一种方法是通过使用具有所谓的“脉冲宽度调制(PWM)”的信号。图22示出了PWM信号的参数，即，振幅、周期及占空度或占空系数(“FF”)。如图所示，该PWM信号具有由总周期限定的特性，且所述脉冲的持续时间确定该占空度。该PWM信号的频域特性示意地显示于图23中，其指示PWM波形对于不同占空系数的频率成分。将了解到，脉冲列包含对应于波形周期的主频。然而，作为该波形示范的傅立叶序列，较低振幅的较高频率成分被包含在方波中。因此，虽然50％的占空度的方波脉冲列的大部分能量被包含在对应于该PWM信号周期的“中心”频率中，但是仍然有一些能量承载于其它频率中。图23所示的“高FF”包络线中所示的占空系数示范了此情形。在较低占空系数的情况中，该PWM信号中偏离中心频率的能量的量较大。这对应于在较高频率具有较多能量的较宽包络线。在较高占空度的情况中，该PWM信号中偏离中心频率的能量的量较小。作为实例，将PWM占空度由50％占空度降低至5％将以从正规化的1.0降低至0.1的量级改变RMS电压，同时造成在较高频率下能量显著增加。TLCL的控制可使用PWM，例如，在如用于蜂窝电话相机的透镜的某些应用中。PWM控制对于该TLCL提供某些优势，并且可视为具有以下的特性：
1)对于给定的“中心”频率，例如，f＝f1，考虑到驱动信号的实际频谱将显著变宽，可设定驱动“最大振幅”，以使得在较低FF达到最大光焦度。接着，仅仅增加FF将增加RMS电压，并且因而降低光焦度，但是该降低将不跟随f1的曲线(图24A)。事实上，由于FF的增加，驱动信号的频谱成分将显著地减少，因此，不仅仅因为该RMS电压的增大，也因为高频信号成分的减少，而使得光焦度降低。这样将允许使用较低的电压而使得光焦度更“快”地下降。
2)一旦对于给定的驱动频率和FF达到最大光焦度，则可以减小驱动频率，有效地从一个转换函数改变至另一个转换函数(如图24A中从f1改变至f2)。这样避免需要高RMS电压来使得该透镜的光焦度达到最小值。
3)组合的或同时的FF和频率改变也能够用于实现光焦度控制。本发明涉及使用隐藏电极系统的可调LC透镜，以经由频率调节来提供对电场的空间调制。从而，虽然调节FF还改变了驱动信号的相对频率成分，但是透镜的调节可以为频率控制的。从而，FF和频率两者均可以用于调节该透镜。如上文中所提及，本发明的装置可用于各种不同的应用，包括可调的聚焦、衍射、偏转等。
相比于PWM模式，振幅调制(AM)模式也可用于在给定的特定频率下调制该透镜。图24A示意地示范该转换函数，显示了在振幅调制模式中对于不同驱动频率f1-f3的RMS电压对光焦度。不同的控制选项可在振幅调制模式(AM)和PWM模式两者中具有所提出的TLCL。AM模式不同于PWM模式之处在于，该PWM信号依赖该RMS振幅的控制，其通过改变占空系数以确定信号的较高或较低频率成分。相比之下，AM模式使用具有100％占空系数的设定频率信号，并且仅改变该信号的振幅。图24A中的不同曲线显示了对于不同的选定频率，RMS电压如何能够用于改变TLCL的光焦度。该行为对于例如图14所示的透镜是典型的。图24B类似于图24A，但是显示了频率控制的透镜对于不同控制电压的行为。对于图中所示的不同电压，频率的增加对应于透镜的光焦度的增加(并接着减少)。然而，根据该电压，光焦度可具有较高的最大值，且该最大值可发生于较高的频率。该行为对于例如图5所示的透镜是典型的。
可以通过可变频率控制信号电路来提供用于调节该光学装置的控制信号，该可变频率控制信号电路被构成为使得该装置根据控制信号频率控制该装置中的光传播。作为实例，在图25中，示意地示出具有LC透镜2502和至少一个固定透镜2504的相机，其中利用提供聚焦控制的LC透镜2502来将图像聚焦于图像传感器2506上。该图像被馈送至包括自动聚焦功能以输出所期望的聚焦值的相机控制器2508。电场控制器2510通常使用查找表(具有关于几何形状、材料、温度、片电阻、相机等可能的/可选信息)将该聚焦值转换成电参数，在此情况中是所期望的占空系数。在无法仅通过在单个PWM波形振幅和周期的占空系数设定进行调节的情况中，控制器2510能够调节PWM振幅设定和周期设定。PWM驱动电路2512本身可为常规PWM电路。本领域技术人员可了解，可使用在微控制器上执行的微代码来实施部件2508和2510，而部件2512可包括在该微控制器的控制下切换的电压源，和也由该微控制器控制的脉冲宽度调制电路系统，以具有期望的频率和占空度。
在控制该频率成分以减少所存在的较高频率的情况中，该PWM振幅能够逐步下降，而然后增加占空度以达到相同的RMS电压作为机制，以避免产生较高的频率而造成该电极系统或者该LC单元将以非期望方式做出响应。
复频率信号
虽然PWM或AM信号在上文中详细讨论，但是可使用简单地承载于一个频率上或者多个单独频率成分的组合的驱动信号。这样的“复频率”信号可例如为不同频率的单独信号全部以预定比值(但是动态可变)混合在一起的组合。不同于PWM方法，该复频率信号并非专门依赖方波类型信号形状，且不使用占空系数调节以改变高频和低频成分的水平。
图26示出三个不同频率的三个控制信号如何能够一起运作以成形用于可频率调节透镜结构(如图25的透镜结构)的电极电压分布，其中，复频率信号产生器将替代图中所示的PWM信号产生器2512。再次参照图26，该图显示跨过LC透镜的有效电压，该LC透镜具有在中心范围示出的电极半径位置的中心点。本说明书中所使用的振幅值和频率值仅为举例。
当向错在相对于半径位置的有效电压中产生轻微的变化时，10V、100Hz的第一信号用于减少跨过透镜的向错。12V、3kHz的第二信号提供该透镜基本形状。最后，8V、20kHz的第三信号以改善总电压分布的透镜(球形或非球形)特性的方式对该总电压分布作用。因此，该三个信号的组合以优于单个频率的方式成形电极电压分布。该第一信号能够用于确保该LC层的整个孔径经受最小电压值以开始所述LC分子的取向。该第二信号在外侧和中心之间具有平滑的转换，且提供良好而平滑的分布。在较高频施加第三信号可提供更接近球形、透镜状、非球形或其它所期望的分布。
本领域技术人员可以了解，增加更多其它频率的信号能够用于以该透镜性质所期望的方式进一步成形该电场。另外，一旦达到所期望的电压分布，也能够单独通过电压调节进行对该透镜的调节。可以对所有的信号一起进行电压调节，或者可以对每个不同的频率使用不同的调节。
成形的电极
图27A示出根据本发明的使用几何形状成形的固定电极的可调LC透镜。如图所示，LC层2702被夹在顶部和底部基板2713和2724之间。平坦的底部电极2708(其可为ITO层)被设置在底部基板上，且通过取向涂层2710(例如：摩擦的聚酰亚胺)涂覆，用于在预定方向上对准该LC层2702的LC分子。邻近LC层的顶部基板的表面也以取向涂层2710涂覆，用于对准所述LC分子。除了该底部电极2708之外，该电极系统包括以类透镜的聚合物结构2714形成的顶部电极结构2712，该聚合物结构2714以弯曲电极2716(其也可为ITO层)涂覆。顶部电极结构2712是组合的可变电极结构(CVES)且也包含具有频率依赖复介电常数的材料层2706。虽然非必要的，这可以是具有可变导电性的折射率匹配层(IMLVC)，其中，此材料被设置在LC单元2713的顶部基板和类透镜的聚合物结构2714之间。该材料的介电常数，且因而电荷迁移率，可以动态地改变(例如：通过改变施加于顶部和底部电极之间的电压的驱动频率)。
频率依赖材料可为如以上所述的弱导电材料，其电荷迁移率可以根据施加至所述电极的电信号频率而变化，使得该频率依赖材料可用于空间调制其所造成的电场。更特别的是，该弱导电材料可为具有取决于频率的介电常数/导电性的复介电材料。因此，通过变化电极2708和2716之间的交流激励电压的频率，能够变化该频率依赖层中的电荷迁移率的程度。这提供了通过底部平坦和顶部弯曲电极在LC单元中产生的电场的可变(可频率控制的)转换/调节。
在本实施例中，可选定顶部电极结构的类透镜聚合物结构的形式以最佳化其光学功能，同时能够通过平坦IMLVC层和选择该驱动频率来调节其电功能(在LC单元中产生电场)。此外，可以使得在该LC层中产生的电场曲率从在较高驱动频率的类透镜形式改变为在低驱动频率的平坦电场分布(如同，有效地，使用两个平坦电极)。也就是说，从低驱动频率获得的频率依赖层的高电荷迁移率状态使得顶部结构表现为如同不存在弯曲电极且层2706是顶部电极。因此，可避免产生向错(空间中的突然取向改变)。最后，通过LC分子的动态再取向的电场分布转换(和对应的像差)可通过频率依赖材料的隐藏层的电荷迁移率的动态改变来补偿，其中将重新成形电场分布。
可选的是，对于限制电荷在材料2706中的移动的较高的驱动频率，将不会影响电场的分布，并且将主要由类透镜聚合物结构2714的曲率来限定。在本实施例的变化中，该类透镜聚合物结构可由与层2706相同的材料制造。此结构的操作将非常类似于以上限定，但是将不需要分离材料层2706。
虽然在给定实例中将频率依赖材料层描述为可调LC透镜的电极系统的部分，该频率依赖材料层也可以与该电极系统是分离的，只是该可调LC透镜的额外元件。作为透镜的一部分，允许通过变化施加至电极系统的驱动信号的频率而动态地控制由该电极系统所产生的电场形状。
图27B示出图27A所示的LC透镜对于高驱动频率(在此情况中为35Vrms、100kHz)的电等电位面。通过施加高频率驱动信号，隐藏层(IMLVC)的电荷迁移率最小。低电荷迁移率状态允许在该LC层中产生渐变电场，对应于所述LC分子在空间中的非均匀再取向和类透镜形式的非均匀折射率分布(即，LC透镜变成可调的)。
图27C示出图27A所示的LC透镜对于低驱动频率(在此情况中为35Vrms、100kHz)的电等电位面。通过施加低频率驱动信号，该隐藏层(IMLVC)的电荷迁移率最大。此高电荷迁移率状态允许在该LC层中产生出均匀电场，对应于所述LC分子在空间中的均匀再取向和均匀折射率分布。可因此以该均匀的激励开始再取向过程，以避免形成向错缺陷，之后可将该驱动频率调节至较高的频率值，以形成类透镜的结构。可接着将该驱动信号的频率调节为回到均匀激励，以逐渐移除该类透镜的结构(通常非常缓慢)而不会到达该基态(V＝0伏特)。
应注意的是，在再取向所述LC分子期间，将改变(该LC层中)电场的分布。然而，图27A所示的LC透镜结构允许通过调节该驱动信号的频率和rms电压来校正任何非期望的电场转换，因此将透镜的像差维持在期望的数值以下(无法利用固定电极对来做到此效果)。应了解的是，使用频率依赖层和频率控制能够使用电极2716和频率依赖层2706产生良好的电场分布(由该LC所经受)而达到“调和”元件2714的光学功能(具有良好的“固定”光焦度和低像差)的唯一可能性。
图28A示意示出根据本发明的可调LC透镜的变化结构。如图中所示，被设置在顶部基板2813上且以弯曲电极2816(其可为ITO层)涂覆的类透镜的聚合物结构2814的形状不同于图27A中所示。该顶部电极结构仍然包括具有频率依赖介电常数的材料层2806，其中，该材料是被设置在LC单元的顶部基板2813和类透镜的聚合物结构之间。因此，图28A所示的透镜具有与图27A所示的透镜类似的操作，但是具有相反的可调性(tunability)。也就是说，通过该结构所诱导的有效电场形状产生与图27A相反的透镜效应，使得能够相反地改变驱动频率而改变透镜的光焦度。该相反的可调性在某些透镜应用中是期望的。
图28B示意示出根据本发明的可调LC透镜的另一变化结构。在图28B中示出LC透镜结构，其中，LC层2802被夹在顶部和底部基板2813、2824之间。平坦的底部电极2808(例如：ITO层)被设置在底部基板上，以取向涂层2810(例如：摩擦的聚酰亚胺)涂覆，用于在预定方向上对准LC层2802的LC分子。邻近于LC层的顶部基板2813的表面也涂覆有用于对准所述LC分子的取向涂层2810。除了底部电极之外，该电极系统还包括顶部电极结构2811，其通过以非均匀平坦表面电极2817(例如：ITO层)涂覆非均匀“平坦孔径”聚合物(或其它)结构2815而形成，其中，该顶部电极结构被设置在该顶部基板2813上。该顶部电极结构2811还包括频率依赖材料的平面层2806，其中，该材料被设置在LC单元的顶部基板和“平坦孔径”聚合物结构之间。
该聚合物结构的“平坦孔径”形状的选择指该顶部电极结构2811，且因此该整体电极系统变成为光学上“不可见的”，使得比层不再实施光学功能(透镜)且仅仅对电功能有响应(在LC层中产生空间非均匀的电场)。在先前讨论的透镜结构中，平坦的IMLVC层和该驱动频率的选择提供了对该电功能的调节，使得该LC透镜的调节是可频率控制的。图28B的LC透镜结构中的所有表面均是平坦的特征带来了另一重要优势，即，能够无困难地涂覆具有均匀ITO层的聚合物结构。
图28C示出根据本发明的可调LC透镜的另一变化结构。图28C所示的结构类似于图28B所示，其中，该组合的可变化电极结构的所有表面均是平坦的。因此，图28C所示的透镜结构提供对该电极系统的光学和电功能的相同去耦合以及上述针对图28B所述的相同的操作优势。然而，该结构不同于图28B的结构之处在于，所述表面的位置被颠倒，使得电极2819在该结构的中心而不是接近透镜的外侧离该LC层较远。此结构产生类似图28B的可频率调节的透镜，但是该结构具有相反的光学可调性。也就是说，图28C的透镜的光焦度对频率曲线与图28B所示相反。
图29A示出根据本发明的可调LC透镜的又一变化结构。如图所示，LC层2902被夹在顶部和底部基板2913、2924之间。平坦的底部电极2908(例如：ITO层)被设置在底部基板2924上，并且以取向涂层2910(例如：摩擦的聚酰亚胺)涂覆，用于在预定方向上对准该LC层的LC分子。邻近LC层2902的顶部基板2913的表面也涂覆有取向涂层2910，用于对准所述LC分子。特别对于本实施例，该电极系统的顶部电极结构2912包括被包覆在聚合物(或其它)材料的平坦顶部层2914中的可变介电常数材料(IMLVC)的弯曲层2916，且该顶部电极结构2912被设置在顶部基板的顶部上。如上文中所讨论，该IMLVC材料的电荷迁移率可动态地改变(例如：通过改变驱动频率)。该顶部电极结构也包括平坦且光学透明的层2906(例如：ITO层)，其被设置在聚合物材料的平坦顶部层的顶部上。
因此，在图29A所示的变化结构中，弱导电材料的弯曲层2916用于替代图27A的顶部弯曲ITO层。类透镜结构的形式不受约束，因为类透镜结构在光学上是隐藏的且其仅具有一个功能：产生非均匀电场。此外，没有将通过ITO涂覆的弯曲表面。光学透明粘胶(具有可变导电性)用于将聚合物结构的复制表面(具有相对但是相同的/匹配的曲率)与被包覆的弯曲IMLVC接合。另外，在LC层2902中产生的电场的曲率可以从低驱动频率下(IMLVC处于高电荷迁移率状态)的类透镜形式变化到在较高驱动频率下得到的平坦的电场分布(IMLVC的电荷迁移率非常小，在该情况下IMLVC变成为简单的介电质簿层，甚至不需要折射率匹配，除非期望降低菲涅尔反射损失)，因此避免产生向错(突然的空间取向改变)。最后，通过LC分子的动态再取向的电场分布转换(以及对应的像差)可以通过隐藏层的电荷迁移率的动态改变来补偿，其将重新成形电场的分布。
对于图29A所示的透镜结构，图29B和图29C分别示出透镜中的LC分子在高和低驱动频率下的最大再取向角度。图29B所示的输出(无透镜效应)通过100kHz、40V的驱动电压产主，而图29C所示的输出(具有透镜效应)通过100Hz、40V的驱动电压产生。
图30A和图30B分别示出可用于如上所述的LC透镜结构中的常规LC单元的两个不同类型实例。具体而言，图30A示出“pi”类型单元，而图30B示出“螺旋(twist)”类型单元。也可考虑其它包括混合式对准的LC对准类型。
图31A和图31B分别示出结合本发明的具有LC单元的新颖电极结构的两个可能结构，以处理光的s和p偏振。在图31A的结构中，两个液晶单元(LCCx和LCCy)取向在交叉方向上，以处理垂直光偏振，而CVES位于LCC层的任一侧。在该实例中，所述CVES层的每一个均用于控制不同的LCC层。图31B的可选结构是类似的，但是仅使用一个电极结构以控制两个交叉取向的LCC。在此情况中，该项部LCCx的底部平坦电极取向为允许通过LCCy的顶部电极结构和底部平坦电极产生控制电场。也可使用如图31C所示的结构，其中，调整CVES层并使其位于最终装置的中间(介于两个交叉取向的LC单元之间)。
本文中所讨论的任何频率依赖材料均可用在上述不同的LC透镜结构中。这样的材料具有可通过改变驱动频率而变化(包括弱导电性)的复介电常数。该材料的特定特性可根据关注的特定透镜结构来选定。应留意的是，各个材料组成物、各个LC层、各个电极、各个几何形状等均可用于制造上述LC透镜，而不背离本发明的范畴。读者也应该了解的是，能够使用本文中所述的LC透镜发展出各种光学装置。此外，本文中(例如：图27、图28A)所讨论的所有“弯曲的”表面几何形状均可被覆盖或如图29A所示的被填充，以具有与顶部表面相同的光学特性的可选被动材料，以消除其纯粹的光学作用。
本领域技术人员可了解，某些装置可使用具有低或没有频率依赖的材料，但是仍然可能对激励信号的频率“敏感”。在该情况中，不同元件的组合根据频率提供电场衰减(在横向平面中)，例如在分布式RCL电子电路中。
掺杂的LC层
图32A示出本发明的另一可选实施例。在该实施例中，没有与LC层分离的频率依赖材料，而是使用本身具有期望的频率依赖性质的LC材料3202。虽然该频率依赖材料是液晶本身的一部分，但是获得了LC层中所期望的电场形状。孔状构图的导电环3204用作顶部电极，而平面底部电极3223位于LC层3202的另一侧。取向涂层3222可为摩擦的聚酰亚胺，且该结构分别具有顶部和底部基板3213和3224。在此实例中，该结构使用可选的中间层3225，该中间层3225具有通过电极3204和3223对产生的电场的额外成形的效应。图32B所示的另一实施例基本相同，但是不具有此中间层。在该实施例中，通过LC层的电荷迁移率减弱电场(由孔状构图的电极所产生)，因此尽管该孔状构图的电极的位置接近该LC层，仍然能够产生形成类透镜的折射分布的电场。如图33所示的结果，当使用具有电荷迁移率的液晶时，从构图的电极成形的电场是显著的。等电位线的模拟假设在介于孔状构图的电极和具有10-3S/m量级导电性的弱导电液晶之间的区域中使用相对标准的ITO电极层(小于100kΩ/sq)。图32A和图32B所示的环状电极可为不透明的(如铝)，且在限定透镜的光学孔径的顶部电极中具有中心孔径或孔。通常，所述LC材料在其合成之后进行提纯，以降低其导电性。如果所述液晶的天然导电性不够(例如：由于一些离子杂质)，则所述液晶也可以被掺杂。例如，可添加金属或金属氧化物纳米粒子、碳纳米管、以及例如锂的离子，以增加该液晶的导电性，而不损害该液晶的性质。也有LC材料在其基本分子结构中具有金属络合物或者具有具足够弱导电性的组件。这样的弱导电性(并不希望太高)，并不会削弱液晶在平面电极之间的操作。当电场来自构图的电极时，通过成形该电场，液晶的电荷迁移率显著地改变操作。
将理解，以某种方式选择LC的参数，以避免不期望的效应，例如所述液晶材料的电流体动力学不稳定性。图34是将具有有限导电性的液晶用于该可调透镜应用的另一种可能的方式。可区别至少数种不同的状况(为了简化起见，忽略内部层的存在)。在该图中，顶部和底部基板可分别称作为“第1区”和“第2区”。在一个变化实施例中，第1区和第2区中的一个是不导电材料。那么对于具有2毫米直径和40微米厚度的LC而言，该电场分布对透镜应用(给定任何合适的LC导电性)而言将太过陡峭。在另一个可能性中，第1区和第2区两者均为导电材料。那么，该电场分布对透镜应用(给定任何合适的LC导电性)而言将太过平坦。在一个变化实施例中，第1区和第2区为高电阻性材料，例如，具有100kΩ/sq的片电阻(或者是具有高的复可极化性，但是并非良导体的材料)。在该情况中，电场分布能够适当地用于透镜应用(给定任何合适的LC导电性或者甚至纯的/不导电的LC)。最后，第1区和第2区中的一个可为高电阻性材料，同时另一个则是不导电材料。在该情况中，电场分布能够适当地用于透镜应用(给定任何合适的LC导电性或者甚至纯的/不导电的LC)。孔状构图的电极与高电阻性区域的组合最后将降低所需要的液晶导电水平。
将了解到，弱导电液晶材料能够与复介电材料层组合，且一起运作以成形所期望的电场，无论是使用频率作为控制机制以改变该电场的形状，或者固定频率而使用电压控制该电场和该装置的光学状态。
虽然已通过参考其优选实施例示出和描述本发明，但是本领域技术人员可了解，可在本发明中进行形式上和细节上的各种改变，而不会背离通过所附的权利要求限定的本发明的精神与范畴。

Claims (90)

1.一种可变光学装置，用于使用动态配置的有效电极几何形状控制通过该装置的光传播，所述光学装置包括：
液晶层，所述光穿过该液晶层，所述液晶层的光学特性控制所述光传播；
电极系统，其被设置为产生作用于所述液晶层上的电场；以及
电信号产生器，用于产生处于多个不同频率的驱动信号，并将所述驱动信号施加至所述电极系统；
其中，所述装置包括频率依赖材料，所述频率依赖材料中的电荷迁移率随着驱动信号的频率而变化，从而所述驱动信号的频谱成分动态地配置所述电极系统的有效电极几何形状，从而电场的空间分布根据所述频谱成分变化，以改变所述液晶层的光学特性。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述驱动信号包括基本单个频率信号，其被改变以改变所述光传播。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述信号产生器控制所述光传播，而基本没有对所述驱动信号的电压变化。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述驱动信号包括多个频率，所述频率组合以产生所述空间分布。
5.如权利要求1、2或4的装置，其中所述信号产生器改变所述驱动信号的振幅以调节所述光传播。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述液晶层包括低角度预倾的对准层，以及所述信号产生器用于施加避免所述液晶层中的液晶的向错的驱动信号。
7.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述装置为透镜，所述液晶层包括低角度预倾的对准层，以及所述信号产生器用于施加驱动信号，该驱动信号避免所述液晶层中的液晶保持在由所述对准层限定的基态附近，从而通过所述液晶对所述电场的改善响应而降低图像像差。
8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，所述装置包括至少两个液晶层，且所述两个液晶层具有不同的液晶取向的方向，以降低该装置的偏振敏感度。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述电极系统包括位于至少一个上部液晶层和至少一个下部液晶层之间的中间环形电极、上部透明电极以及下部透明电极，所述频率依赖材料包括位于接近所述中间环形电极的材料层，从而，通过所述频率依赖材料调制的所述空间分布对于在所述中间环形电极和所述上部透明电极之间的所述至少一个上部液晶层、和在所述中间环形电极和所述下部透明电极之间的所述至少一个下部液晶层而言是相同的。
10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，所述液晶层基本是平面的。
11.如权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，所述装置是梯度折射率透镜(GRIN)。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述透镜具有可调的可变光焦度，该光焦度优选处于大于3屈光度的范围。
13.如权利要求1至12中任一项所述的装置，其中，所述电极系统包括孔状构图的或环形电极。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述频率依赖材料包括接近所述电极系统的所述孔状构图的或环形电极的薄材料层。
15.如权利要求1至12中任一项所述的装置，其中，所述电极系统和所述频率依赖材料提供非平面的有效电极几何形状，且除了通过电极电压的任何空间调制，还通过电极几何形状进行对所述电场的空间调制。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述电极系统包括弯曲电极。
17.如权利要求1至16中任一项所述的装置，其中，所述频率依赖材料包括在所述液晶层的液晶内所包含的杂质或掺杂物。
18.如权利要求1至17中任一项所述的装置，其中，所述信号产生器包括脉冲宽度调制电路。
19.如权利要求18所述的装置，其中，所述脉冲宽度调制电路提供多个PWM波形的振幅，且当所述波形中的频率成分包含太多远离中心频率的能量时，所述振幅随着占空度的对应改变而改变，以传递基本相同的有效PWM电压。
20.如权利要求1至19中任一项所述的装置，其中，所述频率依赖材料包括半导体材料。
21.如权利要求1至20中任一项所述的装置，其中，所述产生器被配置为提供：使得所述空间分布基本均匀的第一驱动信号，其中，所述液晶从通过对准层限定的基态再取向，所述液晶层的光学特性是空间均匀的；以及使得所述空间分布不是空间均匀的第二驱动信号，以获得对光传播的希望控制。
22.一种利用具有不同频率的驱动信号动态配置有效电极几何形状的方法，所述驱动信号被施加至固定电极以产生电场，频率依赖材料中的电荷迁移率随着所述驱动信号的频率变化，以产生提供所述电场的期望空间分布的动态配置的有效电极几何形状。
23.如权利要求22所述的方法，包括控制所述驱动信号的至少一个频率成分，以频率调节所述空间分布。
24.如权利要求22或23所述的方法，包括混合所述驱动信号中的不同频率，以获得所述电场的期望空间分布。
25.如权利要求22、23或24所述的方法，包括调节所述驱动信号的振幅。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述调节振幅包括使用具有多个PWM波形的振幅的脉冲宽度调制，且当所述波形中的频率成分包含过多远离中心频率的能量时，所述振幅随着占空度中的对应的改变而改变，以传递基本相同的有效PWM电压。
27.一种用于驱动液晶装置的方法，包括在所述装置中设置频率依赖材料，并且根据权利要求22至26中任一项所述的方法动态配置有效电极几何形状，其中，所述电场的空间分布用于控制所述装置的液晶。
28.如权利要求27所述的方法，其中，所述液晶装置为具有通过所述空间分布控制的光焦度的梯度折射率透镜。
29.如权利要求27或28所述的方法，包括控制所述电场以降低或避免所述液晶中的向错。
30.如权利要求28所述的方法，包括控制所述电场以避免液晶保持在由对准层限定的基态附近，并因此通过该液晶对电场的改善的响应而降低图像像差。
31.一种用于控制光传播的可变液晶光学装置，所述光学装置使其光传播基本由液晶驱动信号的频率所控制。
32.一种频率依赖材料的用途，所述频率依赖材料具有电荷迁移率特性并用于液晶光学装置中以允许对所述装置的频率调节，所述材料选自下列材料：热可聚合导电材料、光可聚合导电材料、高介电常数液体、电解质凝胶、导电离子液体、电子传导聚合物、半导体以及电子传导纳米粒子。
33.一种频率依赖材料，其用于液晶光学装置中以允许对该装置的频率调节，所述材料的特征在于，其电荷迁移率根据用于产生电场的电信号的频率变化，所述电场控制该装置的光学特性，所述材料的电荷迁移率的变化改变所述电场的空间分布。
34.如权利要求33所述的频率依赖材料，其中，所述材料包括热可聚合导电材料或光可聚合导电材料，包括：
可聚合单体化合物，其具有至少一个烯化不饱和双键；
引发剂，其为紫外-可见光、近红外光敏感或热敏感分子的组合；
添加剂，其用于改变所述混合物的介电常数，该添加剂选自：有机离子化合物和无机离子化合物；以及
填料，其用于改变所述混合物的粘性。
35.如权利要求34所述的材料，其中，所述热可聚合导电材料或光可聚合导电材料还包括粘合剂。
36.如权利要求33所述的材料，其中，所述材料包括高介电常数的液体材料。
37.如权利要求36所述的材料，其中，所述高介电常数的液体为在低频具有在2.0和180.0之间的ε的基本透明的液体材料。
38.如权利要求33所述的材料，其中，该材料包括电解质凝胶材料，所述电解质凝胶材料包括：
聚合物材料；
离子组成物；以及
离子迁移体。
39.如权利要求33所述的材料，其中，所述材料包括导电离子液体材料，其包括选自如下的离子形式：氯酸盐、过氯酸盐、硼酸盐、磷酸盐以及碳酸盐。
40.如权利要求33所述的材料，其中，所述材料包括电子传导聚合物。
41.如权利要求33所述的材料，其中，所述材料包括玻璃基板上的金属氧化物。
42.如权利要求33所述的材料，其中，所述材料包括导电玻璃。
43.一种热或光可聚合导电组成物，包括：
可聚合单体，其具有至少一个具有复介电常数的烯化不饱和双键，以及
引发剂，其包含一个或多个紫外-可见光敏感、近红外光敏感或热敏感分子，
其中，该组成物还包括下列物质中的一个或多个：(iii)添加剂，其选自有机离子化合物、无机离子化合物及离子有机金属化合物，以改变该最终组成物的介电常数或导电性；(iv)粘合剂，其选自对紫外-可见光敏感的粘合剂、对近红外光敏感的粘合剂；及使用热引发剂而聚合的粘合剂；以及(v)填料，其用于改变该混合物的粘性，以及
其中，所述热或光可聚合导电组成物具有电荷迁移率，该电荷迁移率取决于作用在其上的电场的频率。
44.如权利要求43所述的热或光可聚合导电组成物，其中，所述组成物还包括来自硅氧烷系列的光学弹性体。
45.一种制备如权利要求43所述的热或光可聚合导电组成物的方法。
46.一种结合如权利要求43所述的热和/或光可聚合导电组成物的光学电极。
47.一种包括梯度控制结构的光学电极，该梯度控制结构包含频率依赖材料，该频率依赖材料是在低频具有在2.0和180.0之间的ε值的高介电常数的透明液体材料。
48.一种包括梯度控制结构的光学电极，该梯度控制结构包括作为频率依赖材料的电解质凝胶，其中，该电解质凝胶包括聚合物材料、离子组成物以及离子迁移体。
49.一种包括梯度控制结构的光学电极，该梯度控制结构包含频率依赖材料，其中，该频率依赖材料为导电离子液体。
50.如权利要求49所述的光学电极，其中，所述导电离子液体选自有机、无机以及有机金属化合物。
51.如权利要求49所述的光学电极，其中，在所述导电离子液体中提供的离子选自氯酸盐、过氯酸盐、硼酸盐、磷酸盐以及碳酸盐。
52.一种包括梯度控制结构的光学电极，该梯度控制结构包含作为频率依赖材料的电子传导聚合物。
53.一种包括梯度控制结构的光学电极，该梯度控制结构包括具有电子传导纳米粒子的频率依赖材料。
54.一种用于控制光传播的可变液晶光学装置，所述光学装置使其光传播基本由液晶驱动信号所控制，该液晶驱动信号由脉冲宽度调制电路产生。
55.如权利要求54所述的装置，其中，提供有脉冲宽度调制波形的多个振幅，且当该波形中的频率成分含有过多远离中心频率的能量时，所述振幅随着占空度中的对应增加而切换为较小。
56.如权利要求54所述的装置，其中，所述装置的电极结构包括具有频率依赖电荷迁移率的材料，所述驱动信号的脉冲宽度调制波形的振幅和周期被选择，以使所述波形的占空度被控制，以通过所述RMS电压和频率成分共同运作的方式共同改变该驱动信号的RMS电压和频率成分，以改变所述光学装置的可调状态。
57.如权利要求54至56中任一项所述的装置，其中，所述装置控制图像。
58.如权利要求57所述的装置，其中，所述装置是可调焦透镜。
59.如权利要求57所述的装置，其中，所述透镜是可变折射透镜。
60.如权利要求57所述的装置，其中，所述透镜是可变衍射透镜。
61.一种用于控制光传播的可变液晶光学装置，所述光学装置使其光传播由不同频率的液晶驱动信号的组合所控制。
62.一种用于频率调节液晶光学装置的方法，所述液晶光学装置包括液晶层、用于产生作用于所述液晶层上的电场的电极、以及用于产生驱动信号并且将该驱动信号施加至所述电极系统的电信号产生器，该方法包括：
设置具有电荷迁移率的频率依赖材料，该电荷迁移率随着所述驱动信号的频率而变化；以及
利用所述信号产生器施加多频率驱动信号，以空间调制作用于该液晶层上的所述电场。
63.一种用于控制光传播的可变光学装置，所述光学装置包括：
液晶层；
电极系统，其被设置以产生作用于所述液晶层上的电场，该电极系统包括：
固定导体电极；以及
频率依赖材料，其具有随着施加至该电极系统的电驱动信号的频率而变化的电荷迁移率，且该固定导体电极和该频率依赖材料中的一个的特征在于非平坦的几何形状；
其中，所述驱动信号的频率被改变，以改变所述电极系统的有效电极结构，从而改变所述电场的空间分布，以提供期望的光传播行为。
64.如权利要求63所述的装置，其中，所述固定导体电极和所述频率依赖材料的另一个的特征在于基本平坦的几何形状。
65.如权利要求64所述的装置，其中，所述固定导体电极是被涂覆在类透镜的聚合物结构的顶上的弯曲导电材料层。
66.如权利要求64所述的装置，其中所述固定导体电极是被涂覆在平坦孔径聚合物结构的顶上的多水平表面平坦的导电材料层。
67.如权利要求65或66所述的装置，其中所述频率依赖材料包括被设置在所述液晶层和所述固定导体电极之间的基本平坦的材料层。
68.如权利要求64所述的装置，其中，所述频率依赖材料包括被包覆在表面平坦的聚合物结构中的弯曲材料层，所述表面平坦的聚合物结构被设置在所述液晶层和所述固定导体电极之间。
69.如权利要求68所述的装置，其中，所述固定导体电极包括被涂覆在所述表面平坦的聚合物结构的顶上的平坦导电材料层。
70.如权利要求69所述的装置，其中，所述表面平坦的聚合物结构由一对类透镜的聚合物结构形成，该一对类透镜的聚合物结构具有相反且匹配的弯曲表面。
71.如权利要求70所述的装置，其中，所述弯曲的频率依赖材料层包括光学透明粘胶层，该光学透明粘胶层附接所述一对类透镜的聚合物结构的相反且匹配的弯曲表面。
72.如权利要求66至71中任一项所述的装置，其中，所述电极系统基本是光学隐藏的，且不会干扰通过该装置的光传播。
73.如权利要求63至72中任一项所述的装置，其中，所述固定导体电极是顶部电极，所述装置还包括平坦底部电极。
74.如权利要求63至73中任一项所述的装置，其中，所述电场具有基本由所述固定导体电极限定的且随着所述驱动信号的频率较少变化的部分，以及由所述频率依赖材料限定的且随着所述驱动信号的频率显著变化的部分。
75.如权利要求74所述的装置，其中，所述电场基本由所述频率依赖材料限定。
76.如权利要求63至75中任一项所述的装置，其中，所述装置控制图像。
77.如权利要求76所述的装置，其中，所述装置是可调聚焦透镜。
78.如权利要求77所述的装置，其中，所述透镜是可变折射透镜。
79.如权利要求77所述的装置，其中，所述透镜是可变衍射透镜。
80.如权利要求63至79中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括可变频率控制信号电路，其被配置为使得所述装置根据控制信号频率控制光传播。
81.一种用于控制光传播的可变光学装置，所述光学装置包括：
电极系统，包括：
平坦的底部电极；以及
顶部电极；
液晶层，其被设置在所述底部电极和所述顶部电极之间，所述电极系统用于产生作用于所述液晶层上的电场；
频率依赖材料，其具有随着施加至所述电极系统的电驱动信号的频率而变化的电荷迁移率，其中，所述频率依赖材料被设置在所述液晶层和所述顶部电极之间，且所述顶部电极和所述频率依赖材料中的一个的特征在于非平坦的几何形状；
其中，所述驱动信号频率被改变，以改变所述电极系统的有效电极结构，以改变所述电场的空间分布，从而提供期望的光传播行为。
82.一种用于控制光传播的可变光学装置，该光学装置包括：
液晶层，其含有液晶；以及
电场源，其由电驱动信号所驱动且被配置为响应于作用在所述液晶层上的驱动信号而产生电场；
其中，所述液晶层具有随着所述电驱动信号的频率而变化的电荷迁移率，以改变所述电场的空间分布，从而改变通过该装置的光传播行为。
83.如权利要求82所述的装置，其中，所述电场源包括被设置有至少一个孔径的至少两个电极，以产生作用在所述液晶层上的空间非均匀电场，其中，所述液晶的频率依赖电荷迁移率成形所述电场使其在所述孔径内更强。
84.如权利要求82或83所述的装置，其中，所述电场源包括至少一个光学透明的电极。
85.如权利要求82所述的装置，其中，所述电场源包括孔状构图的电极，且该孔状构图的电极在所述电极的中心区中具有光学透明材料。
86.如权利要求83至85中任一项所述的装置，其中，所述装置控制图像。
87.如权利要求86所述的装置，其中，所述装置是可调透镜。
88.如权利要求87所述的装置，其中，所述透镜为折射的。
89.如权利要求87所述的装置，其中，所述透镜为衍射的。
90.一种用于控制光传播的可变光学装置，该光学装置包括：
液晶层、其含有液晶；
电场源，其被配置为产生作用在所述液晶层上的空间非均匀电场；以及
可变频率电驱动信号，其可被施加至所述电场源以产生所述电场；
其中，所述液晶层具有随着所述驱动信号的频率变化的电荷迁移率，且所述液晶成形所述电场使其更加空间均匀，从而提供期望的光传播行为。
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