CN102812393A - 液晶透镜中的图像稳定和位移 - Google Patents

Abstract

一种用于控制通过液晶层的光的传播的可变液晶装置，其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存在的电极结构具有很小的影响。然而，在高电荷迁移率的情况下，该频率依赖材料表现为固定电极的延伸，且可用于改变有效电极结构，从而改变电场的空间分布。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

液晶透镜中的图像稳定和位移

技术领域

本发明涉及液晶透镜装置。

背景技术

在例如2009年12月23日公开的、共同拥有的PCT专利申请WO2009/153764中描述了可调液晶透镜，其中可调液晶透镜使用频率依赖材料（frequency dependent material）（如其中所定义的）在液晶单元（liquidcrystal cell）中使电场和相应的折射率梯度成形，适于制造透镜。

在Ye等人发表在Optics Comunications,259(2006)710-722的题目为“Liquid crystal lens with focus movable in focal plane”的文章中公开了一种液晶透镜，其中通过控制对四段式孔状构图电极（hole-patternedelectrode）的每个象限（quadrant）施加的控制信号的相对振幅，透镜的光轴是可移动的。透镜布置使用平面电极下面的分段式电极，这两个电极都被馈以控制信号，以将电场限定为相对于底部平面电极而对上平面电极和下分段式电极施加的固定频率控制信号的相对振幅的函数。演示改变相对振幅的效果的试验结果示出液晶透镜的光轴的位移或变化。

可调液晶（LC）光学装置，如透镜，配合均匀的电控场或磁控场来操作，且大部分是使用空间调制场。使用电场，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，以提供期望的空间分布。电极已经被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，该平面电极的阻抗特性使得当将交流驱动电流供给该电极时，该电极上的电压降导致空间调制电场。

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透明电极108、110涂覆，所述透明电极可以为例如铟锡氧化物（ITO）的材料层，然后每个所述基板被聚合物层112（通常为聚酰亚胺）涂覆，且所述聚合物层112在预定方向上被摩擦以在基态（ground state）下，即，没有控制电场的情况下使得LC分子对准。对两个ITO层的电压施加产生均匀的电场和相对应的均匀LC分子再取向（reorientation），这相应地提供穿过LC层的均匀折射率分布。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单元配置，其中，使用在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来产生电场梯度。该几何形状（geometry）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（因此仅使用一个电压控制驱动信号）。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产生具有良好均匀度的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，结合所要求的控制也与精确的单元厚度非常相关这个事实，意味着需要分别校正每一个单独的透镜。另外，模态透镜（modal lens）的最小直径限于约2毫米-在该尺寸之下，该ITO层所需的电阻率超过10MΩ/sq。最后，这样的（所谓的“模态控制”）透镜必须总是为正的或者负的。无法在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单元配置，使用三个不同电极304、305、307（这三个电极中的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）降低向错（disclination）和控制梯度值（例如：消除该透镜）。WCL 306的作用是减弱（soften）由V1所产生的分布，并且使得该透镜的整体厚度减小。然而，该顶部电极的复杂构图、使用两个不同电压的必需性、以及分离的WCL使得难以制造且妨碍该方法的实际使用。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片厚玻璃元件（glass element），这是困难的工作。

发明内容

所提出的方案的一个目标是提供对可调液晶透镜的焦点移动的改善的（高效的）控制。

已发现，可使用分段式电极提供对使用频率依赖材料而产生的电场的改善的（高效的）控制以控制所产生的透镜的焦点移动。

已发现，可通过使用可控制的热源影响电场调制和液晶中的至少一者来使液晶透镜的光轴移动。

已发现，可使用可控制的压力源影响（作用于）液晶透镜结构的基板来使液晶透镜的光轴移动。合适的压力源可以是压电或是由热源致动的充以流体的（fluid-filled）单元。

移动或改变在用于摄像机（camera）的透镜布置的透镜形成部件中的光轴对于图像稳定很有用，例如：补偿摄像机振动、图像或透镜位置调整以提供与其他透镜元件的对准、有角度地调整透镜（俯仰和转向（pitch andturn）/摇摆和倾斜（pan and tilt）），并提供图像移动以使用预估（discreet）像素成像传感器而实现亚像素（sub-pixel）成像。因此，根据给定的应用的需要，光轴调整机制（mechanism）可以被一次性设置、在图像获取（imageacquisition）前被调整或在图像获取期间被动态调整。在动态控制的情况下，可使用加速度传感器或通过分析所获取的图像来实现光轴调整以确定摄像机移动。

根据所提出的方案，提供一种可变光学装置，其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产生具有多个不同频率的驱动信号的电信号发生器。该装置包括液晶（LC）层，光通过该LC层，且该LC层控制光传播。还提供一种电极系统，该电极系统被连接至电信号发生器，并且被设置成用于产生作用于该LC层的电场以改变其光学特性。该电信号发生器产生具有多个不同频率的驱动信号，并且将该驱动信号供应至电极系统，以产生电场。该频率依赖材料位于该装置中，使得该频率依赖材料与电场相互作用。该频率依赖材料具有依赖于对其施加的驱动信号的频率的电荷迁移率，使得可变电场空间分布被提供为随着该驱动信号频率而变化，空间调制电场被用于改变该LC层的特性。在此使用“电荷迁移率”而不是“电导率”，来描述该频率依赖材料的特性。在低频率下，一些频率依赖材料呈现高电荷迁移率，因为电荷在该频率依赖材料中流动的时间较长。类似地，在较高频率下，在每一个正或负循环中可获得电位的时间较短，导致低电荷迁移率。因此，使用“电荷迁移率”来表示在所施加的交替电信号的约束下电荷在频率依赖材料中流动的整体能力。

在一些实施例中，该电极系统包括固定导体电极，该固定导体电极被连接至该频率依赖材料的体。该电场可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电场也可基本由该频率依赖材料限定。该电极系统可具有这样的固定导体电极：该固定导体电极的电场通过未被连接至该固定导体电极的频率依赖材料的体而成形（shape）。

在一些实施例中，可使用具有基本平坦的层几何形状的元件制作该电极系统。

该电极系统也可以基本上为光学隐藏的，因此不会干扰通过该光学装置的光的传播。

在一些实施例中，该电极系统可包括与频率依赖材料的层接触的构图的电极。

在一些实施例中，该装置是可调焦透镜。该透镜可以是折射的或衍射的。

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而控制光的传播。

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。一些变体的实例是电极的数量、形状和配置、不同频率依赖材料的数量以及其相对于电极和彼此的位置、不同驱动信号频率和电压的施加、以及额外的材料在该光学装置结构中的使用。

在一个实施例中，该驱动信号包括单频信号，其中，该频率用于改变该装置的光学特性。这可被实现而不需驱动信号电压振幅的任何显著变化，或者也可包括信号振幅的改变。在另一实施例中，将不同频率的多个驱动信号分量混合在一起并同时施加以产生与该频率依赖层的特定相互作用，并且相应地产生所期望的电场分布。

根据所提出的方案，结合不同驱动信号频率而使用频率依赖材料，以改变该光学装置中的有效电极结构。该电极结构确定电场分布，而该电场分布又确定该LC层的光学特性。

可将该频率依赖材料选择为在不同频率下呈现不同的电荷迁移率，以便在不同频率下，该频率依赖材料可以选择性地（可控地）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（高电荷迁移率）的频率，该频率依赖材料可产生与所述固定电极中的一个不同地定位的有效电极结构。然而，对于该频率依赖材料中电荷迁移率相对低的频率，该频率依赖材料不表现为导体，且有效电极结构由固定电极的实际位置确定。因此，通过适当定位频率依赖材料以及选择不同的驱动频率，可以改变有效导体配置，并且可以动态地改变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结合使用，该构图的电极（在没有不同电极结构的情形下）会产生在空间中不均匀的电场。这样的结构可用于在LC层中通过空间调制电场所造成的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，也可期望产生在空间中均匀的电场，以便提供所有LC分子的初始共同对准倾向（例如：避免向错）。在所提出的方案的该实施例中，可将该频率依赖材料的位置设置为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，该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，且用该频率依赖材料填充该电极的中心空间。在此种情况中，施加第一频率（例如相对高的频率）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），导致电极表面有有限的（或没有）有效延伸。由该构图的电极的环形电极结构产生非均匀的（空间调制）电场，且该空间调制电场被施加到LC层。然而，施加使频率依赖材料具有相对高的电荷迁移率的量的相对低的频率，这使得频率依赖材料表现为环形电极的延伸，且该有效电极结构变为基本上平面的。因此，所产生的电场是（实质上）基本上均匀的。

在前述实施例中，可将其他形状用于固定构图的电极，如在2009年12月23日提交的共同指定的美国临时专利申请61/289,985中所描述的，通过引用将其并入本文中。

在所提出的方案的另一实施例中，该可变光学装置包括位于两个LC层之间的中心层，该中心层包括频率依赖材料和固定电极（如孔状构图的电极）的特定几何形状布置，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。每个液晶层可具有基态中的LC分子取向的不同方向。驱动信号被施加给的电极分别位于每个LC层附近，离开中心层的那侧。电场成形依赖于该驱动信号的频率，且该驱动信号的频率确定在共同频率依赖层中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使该电场成形。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固定电极和该频率依赖层共同造成的该中心层的整体电极几何形状来使该电场成形。

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种频率依赖材料。可以将这些材料以特定几何配置而被设置在一起，以产生可动态调节的有效电极结构形状。例如，可将两种频率依赖材料设置在共同层中，其中一种材料具有类透镜（透镜状）的形状并且被另一种材料围绕。通过将该共同的频率依赖材料层和LC层一起设置在两个平面电极之间，可通过改变该驱动信号电压的频率来改变电场分布，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，不同的材料（未必都是频率依赖的）也可被设置为使得表面垂直于该光学装置的光轴。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。

所提出的方案的另一变体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，相比于该层的另一部分，该层的一部分呈现更高程度的电荷迁移率以响应第一频率。因此，对该装置施加的驱动信号的频率的调整改变（选择）表现为导体的梯度层的部分。因此，该梯度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。这种类型的梯度层也可与不同的固定电极结构（包括构图的电极）组合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，该材料是可热聚合的导电材料，而在另一实施例中，该材料是可光聚合的导电材料。其它可能性包括真空（或者，例如，溶胶-凝胶）沉积的薄膜、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颗粒的材料。该频率依赖材料使用的特征是频率依赖的电荷迁移率。

当该频率依赖材料是可热聚合或可光聚合的导电材料时，该材料可包括：具有至少一个烯键式（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（initiator）；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）。

当频率依赖材料是高介电常数液体时，其可包括在相对低频率下具有在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，其可包括：聚合物材料；离子组合物；以及离子迁移体（ion transporter）。

当该频率依赖材料是导电离子液体时，其可包括选自如下的离子物种（species）：氯酸盐、过氯酸盐、硼酸盐、磷酸盐以及碳酸盐。

所提出的方案的各个实施例还包括信号频率可变的驱动信号。驱动信号发生器可输出可改变频率的单个频率驱动信号、作为不同频率的不同单独驱动信号分量的混合（合成（combination））的驱动信号、或者是频率成分（frequency content）可变的某种其它驱动信号形式。在一个实施例中，该驱动信号发生器产生填充系数（filling factor）可以改变的脉冲宽度调制驱动信号。在这样的情况中，可改变该填充系数以改变该组合的驱动信号的高频率成分的量。在另一实施例中，该驱动信号发生器在其基模（basic mode）中或者在通过第二频率的信号分量调制第一频率的驱动信号分量的模式中产生振幅调制驱动信号。在又一实施例中，该驱动信号发生器产生作为若干个不同的单独驱动信号分量的合成的驱动信号，所述不同单独驱动信号分量具有预定的相对频率和振幅。可考虑特定应用的频率依赖层配置和特定电极来进行对适当驱动信号的选择。

在所提出的方案的特定组的实施例中，使用这样的电极结构（系统），该电极结构（系统）包括具有非平坦几何形状的固定导体电极。替代非平坦固定电极或者与非平坦固定电极组合地，也可使用具有非平坦几何形状的频率依赖材料。将此实施例中的结构配置可以变化，并且可包括这样的固定导体电极，该固定导体电极包括被涂覆在类透镜（透镜状）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（flat-aperture）聚合物结构的顶上的多级（multi-level）平坦表面导电材料层。该频率依赖材料也可为位于LC层与固定导体电极之间的平坦材料层。在一个变体中，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。

在所提出的方案的再一实施例中，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，外部的频率依赖材料不是必需的。因此，与该LC层相互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，该电极结构（组件）产生在空间中非均匀的电场，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。在另一个变体中，该电极结构（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。不同形状和配置的电极、不同类型、形状及位置的频率依赖材料、不同驱动信号发生器、以及包括本文中所描述的变体均可组合使用，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（pre-tilt）对准层的LC层，并且可施加使得有效电极结构均匀的第一频率。在此频率下，可然后将电压增至使所有LC分子都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有效电压结构，并且将非均匀性引入该电场，以便改变液晶的光学特性（例如形成透镜结构）。通过在引入电场非均匀性前对液晶施加初始均匀电场强度，可最小化（避免）该LC层中的向错。也可施加驱动信号，以防止所述液晶分子保持在基态附近，从而降低光（图像）像差。在另一实例中，可使用频率控制以改变LC透镜的光功率，但是在不同光功率下将驱动信号的电压由一个水平切换至另一个水平，以改善透镜的性能。也可使用许多其它类似的控制样式。

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是现有技术的具有两个元件顶部电极的可调LC透镜结构的示意图；

图4是根据所提出的方案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5是根据所提出的方案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是示出根据所提出的方案当使用具有相对高频率的驱动信号时的图4的配置的等电位面的图示；

图7是示出根据所提出的方案当使用具有相对低频率的驱动信号时的图4的配置的等电位面的图示；

图8是示出根据所提出的方案当使用具有相对高频率的驱动信号时的图5的配置的等电位面的图示；

图9是示出根据所提出的方案当使用具有相对低频率的驱动信号时的图5的配置的等电位面的图示；

图10A至10E是示出根据所提出的方案类似于图4的配置的可调透镜效应的示例图像；

图11A示出图4的配置的光功率对RMS电压的图表实验数据；

图11B示出类似于图4的配置的RMS像差对RMS电压的图表实验数据；

图12A示出类似于图4的配置的光功率对频率的图表实验数据；

图12B示出类似于图4的配置的光功率对频率的图表实验数据以及对相同频率范围的像差的相应表示；

图13A是根据所提出的方案的结构的示意图，其中，在两个LC单元之间夹着梯度控制结构，该梯度控制结构具有孔状构图的电极和频率依赖材料；

图13B是用于控制光的两个正交偏振的LC单元配置的示意图；

图13C是类似于图13B的LC单元配置但单个组合的可变电极结构控制两个LC单元的LC单元配置的示意图；

图13D是类似于图13C的LC单元配置但其组合的可变电极结构位于两个取向交叉的LC单元之间的LC单元配置的示意图；

图14为示出脉冲宽度调制信号的参数的图示；

图15为示出脉冲宽度调制信号的频域特性的图示；

图16为示出以三个不同频率驱动的LC透镜的转换函数（transferfunction）（光功率对RMS电压）的图示；

图17为示出对于三个不同控制电压的频率可调LC透镜的光功率对频率的转换函数的示意性图示；

图18为具有频率可调LC透镜的摄像机系统的示意图；

图19示例了现有技术的液晶透镜设计，其使用均匀的平面上电极、放置在上电极下方的分段式四分（four-quadrant）电极、以及位于液晶单元的底部上的底部均匀的平面电极；

图20A示例了可调液晶透镜的侧剖视图，具有根据一个实施例的分段式顶部电极的插入顶视图，其中频率依赖材料位于分段式孔状构图的电极之上；

图20B示例了可调液晶透镜的侧剖视图，具有根据一个实施例的分段式顶部电极的插入顶视图，其中频率依赖材料位于分段式孔状构图的电极的孔径内；

图20C示例了可调液晶透镜的侧剖视图，具有根据一个实施例的分段式顶部电极的插入顶视图，其中频率依赖材料位于分段式孔状构图的电极之下；

图21是示例了光束整形模式（optical beam shaping mode）的示意图；

图22示例了实验结果，其示出光功率随对分段式电极的所有段施加的驱动信号的频率的变化；

图23示例了实验结果，其示出角光轴（angular optical axis）再取向；

图24A到24D示例了图20A的实施例的液晶透镜的使用分段式电极的光轴的位移的不同状态的顶视图；

图25示意性示例了对应于图21中示例的波前的LC层折射率分布；

图26示例了被配置为补偿像散误差的分段式电极TLC透镜；

图27示例了被配置为补偿彗形像差误差的分段式电极TLC透镜；

图28A到28E示例了提供在0度到45度之间倾斜的光轴的任意方向的四段孔状构图的电极的准静态控制；

图29A示例了根据一个实施例的可调液晶透镜的侧剖视图，其具有顶部孔状构图的电极的插入图，额外侧电极被放置在顶部孔状构图的电极之下；

图29B示例了根据一个实施例的可调液晶透镜的侧剖视图，其具有顶部孔状构图的电极的插入图，额外侧电极被放置在顶部孔状构图的电极的周边之外；

图30示例了根据一个实施例的可调液晶透镜的侧剖视图，其具有顶部孔状构图的电极的插入图，额外的电阻式热源被放置在顶部孔状构图的电极之下；以及

图31示例了根据一个实施例的可调液晶透镜的侧剖视图，其具有顶部孔状构图的电极的插入图，额外的压电元件被放置在其拐角中液晶单元的基板之间。

具体实施方式

所提出的方案涉及可调液晶（LC）透镜，其使用频率依赖材料以通过频率调节来改变施加的电场的空间分布。因此，对该透镜的调节可以被频率控制。所提出的方案的装置可用于可调聚焦、衍射、偏转（steering）等。所提出的方案的装置还可用于控制固定的（LC）光学装置。

图4示意地示例了使用具有频率依赖特性的材料层506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依赖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，较低频的电信号可在该材料中导致高程度的电荷移动（穿透/传输距离），而较高频的电信号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结构（对）一起使用时，电荷迁移率的程度确定电荷穿入该频率依赖材料中的深度，且因此在电场形成的情况下确定了该材料的表现为像“良好”导电层的部分以及表现为像“劣”导体的部分。因此，利用高程度的电荷迁移率，频率依赖材料的较大部分（段）将表现为导体，并且因而（表现为）用作附近电极的延伸。因而，在所提出的方案中使用该频率依赖特性以产生可动态配置的有效电极表面，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电极结构的该两个电极之间的电场分布（空间调制）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来动态地改变LC层的光学特性。

再参照图4，液晶单元（LCC）520由夹在“取向”涂层522之间的LC材料层521所组成，且所述涂层522由诸如摩擦聚酰亚胺的材料所形成。该LCC 520的下表面包括由适当材料（如铟锡氧化物（ITO））所形成的相对均匀的透明导电层（亦即，电极）523。（在该下表面上）提供基板524（例如玻璃），并且基板524支撑该透明导电层。可选地，中间（缓冲）层525可被设置于该LCC的上表面上、最上取向涂层522的上方。

根据所提出的方案，可调LC透镜的梯度控制结构502使用隐蔽电极以通过频率调节来提供对电场的空间调制。梯度控制结构502由孔状构图的固定的导电电极圈504组成，其可选地可被做成光学透明的。在图4中电极504位于频率依赖材料层506的顶部，而图5中的（分层结构）布置具有位于频率依赖材料506的底部的电极504。该层506是在本文中也称为隐藏电极的电极结构的一部分。也可在梯度控制结构502的上部中、在透明中心电极504和频率依赖层506上方设置可选的覆盖基板513（例如玻璃）。

如上所述，频率依赖层506包括复介电材料，对于该材料，在不同频率下由所施加的AC激励驱动信号导致的电荷穿入深度将不同。对于不同频率的不同电荷穿入深度（允许）通过使有效电极表面延伸（移动）而提供对电极结构的重新配置（reconfiguration）。换言之，在一个频率下的电荷穿入深度可产生有效的、或者“虚拟的”、在不同频率下具有不同范围（extent）的电极表面（即，有效电极表面处于不同的位置）。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层所经受的电场，并且因此改变其光学特性。因此，例如，由于可由施加至所述电极的频率而控制LC单元的光学特性，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振幅无关，这是因为可以为不同频率的激励驱动信号使用基本上（实质上）相同的RMS电压来实现该调节。

再参照图4，所示的透镜可以不同的可能方式（regime）来操作。对于在频率依赖层506中具有高电荷传输程度的控制驱动信号频率而言，电极504和层506的组合将（一起）表现为均匀的“顶部”电极。也就是说，电荷向该层506的高程度穿入将产生出该电极504的“延伸”，且该有效电极将延伸跨过该层506的整个范围（长度），在该配置中，延伸跨过电极504的孔径。由于底部电极结构523也是平坦且均匀的，所以跨过该LC层的电场将基本上（大约）为均匀的，且所述LC分子将均匀地再取向（并且没有取向缺陷（称为向错），所述取向缺陷否则能够影响通过改变孔状构图的电极上的电压振幅而再取向的LC结构）。相比之下，如果对通过层506的电荷传输相当有限的电极施加频率，则该有效顶部电极形状将仅接近于该导电电极504的形状，且所产生的跨过该LC层而产生的电场将为非均匀的（空间调制的）。在此实例中，该非均匀电场将集中围绕孔构图的电极504，并且将以预定的方式改变LC层521的光学特性。由此可使用频率控制来提供期望的光学调节。

通过频率调节代替实质上电压振幅调节，无论是为了功率消耗的目的或者是为了液晶调制的目的，都能够使用更高效的电压范围。也可以使用频率控制来提供对所述电极的有效形状的动态控制的能力，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。

图6和图7示例了图4的层叠结构（layered structure）配置的对应等电位面。如图6所示，中频/高频驱动信号（在此情况中是20V下3kHz）的使用在产生特定电场（图中示出为具有平滑的梯度）的频率依赖层中产生中等的电荷穿透（移动）量。操作频率范围依赖于所使用的频率依赖材料的参数。如图7所示，较低频的驱动信号（在此情况中是20V下100Hz）的使用在频率依赖层中导致更多的电荷穿透（移动）。这使得电场分布变得平坦，相应地引起LC层中均匀的指向矢（director）再取向（并且允许容易地避免取向错误，或称作“向错”）。这种电场分布还允许在低RMS电压下“消除”该透镜，而不需要倾向于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信号电压振幅改变至非常低（例如：0伏特）或非常高（例如：100伏特）的改变。所述平坦等电位面对应于跨过该透镜的直径的平坦电场。另外，该“低”频率范围依赖于所使用的频率依赖材料的参数。

图8和图9示例了图5的配置的对应等电位面。图8示出用于图5的设置有具有25V下700Hz的频率的驱动信号的层叠结构布置的电场分布。该较高频率驱动信号在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下100Hz）产生（相比较而言）相对平坦的电场空间分布，如图9所示。

图10A至图10E示例了对图4所示的（单元）层叠结构配置的可调LC透镜（TLCL）的效应的实验示范。为了得到所示出的图像，在两个交叉的偏振器之间（以45度）放置具有单个液晶层的可调透镜。图10A示范了在利用控制驱动信号激励之前LC对准的均匀分布。图10B示出了当通过在较低激励频率下对电极施加的驱动信号激励时的均匀LC分子取向分布。此低频激励所产生的均匀电场分布包括对应的均匀LC分子取向分布而没有透镜效应。驱动信号电压振幅从0V（图10A）增加至35V（图10B），这改变了液晶分子的取向，但是并未产生取向梯度，所以没有透镜效应。图10C至图10E示出了透镜在其中该频率依赖材料层的电荷迁移率（介电常数）为中等的驱动信号频率下的操作。由此，在10V_RMS下的1.1MHz（图10C），许多干涉条纹（interferential fringe）表明存在有梯度和对应的透镜效应。将电压增加至35V_RMS（图10D），这局部地降低梯度且相应地降低透镜的光功率（较少的条纹）。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），可得到类似的光功率降低效应。

图11A和图11B示出了对于在振幅调制方式（固定频率）下操作的图4所示的单元配置，关于光功率与RMS像差分别地随RMS电压变化的实验数据（Shack-Hartmann数据）。在该实例中，将1.1MHz的驱动电压施加至图4示例的LC透镜，且改变该驱动信号电压的大小。图11A清楚地示出光功率的平滑改变，而图11B示范了在没有任何额外的频率调节的情况下使用简单的电压振幅控制而得到的优良（很低的）像差水平。如图所示，即使在9屈光度的光功率下，像差仍低于0.18微米。然而，应注意的是，通过增加电压对该透镜的“消除”不是高效的。即使V>70V_RMS，仍有大约1.5个屈光度的“剩余光功率”，使得频率控制更具吸引力。

本领域技术人员将理解，示出所提出的方案的不同实施例的附图（，例如图4和图5）是示意性的且不按照比例的。因此，虽然频率依赖层被示出为与其它层相比较厚，但是实际上该频率依赖层可以相当薄，并且可被用于基于频率依赖材料的位置而动态地产生有效电极分布。电极的“延伸”也可在与该透镜的光轴平行或者垂直的方向上或者同时在两个方向上。因此，例如，在图5的结构中，在孔状构图的电极504和平坦电极层523之间施加的驱动信号将在频率依赖层506中没有任何显著的电荷迁移率的情况下产生出跨过该LC层521的非均匀电场，例如，向该LC层提供所期望的透镜分布。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信号时，有效电极结构基本上延伸进入孔状构图的电极的中心的“孔”区域中，因而产生在整个电极结构内平坦的有效电极。该孔状构图的电极的“水平”延伸由于该结构中的两个均匀电极而将电场分布改变为均匀的。该均匀场在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，可将驱动信号的频率调节为产生逐渐改变的LC层光学参数。这样的实例是产生具有能够通过改变驱动信号的频率而使光功率在最小值与最大值之间变化的透镜。现有技术中的可调LC透镜使用具固定频率的驱动信号，并且调节电压水平以改变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4和图5所示〉之间的电压振幅能够改变透镜的光功率。然而，利用类似于现有技术系统的固定电极结构不能进行频率调节，且复杂的电场分布成形是不可能的。

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分子都具有共同的预倾角，使得所有LC分子在零电压下对准。当使用对具有构图的电极的透镜的电压调节时，增加的电压产生非均匀的电场线，这些不均匀的电场线使得一些LC分子与受到相同电场强度的其它LC分子不同地重新对准。这些向错在透镜中引起像差，在将电压降低回到用于提供所期望的光功率的适当范围之前，可通过利用消除该透镜的非常高电压的驱动信号对准所有的分子来移除这些向错。然而，根据所提出的方案，在如图5的实施例中，较低频率的激励驱动信号的初始施加产生有效的均匀电极分布和对应的电场分布。通过将电压振幅升高至超过阈值电压的水平，LC分子将以共同的角度取向而再取向（在此状态下，光功率是零）。然后可增加该激励驱动信号的频率以降低该频率依赖材料中的电荷迁移率。随着频率增加，该电场的非均匀分布发展，产生出所期望的透镜效应。由于所有的LC分子都通过超过阈值的低频率驱动信号而被预对准，所以当引入透镜分布时向错不会持续（发生）。

图12A示出根据所提出的方案如何通过透镜结构实现频率调节的图表实例。如上所述，虽然所示出的曲线延伸至零频率，但向透镜提供的初始驱动信号可处于低AC频率，例如100Hz。在此频率下，因为所有的LC分子实质上都被共同对准，所以光功率低。在不改变驱动信号的电压的情况下，可以然后增加该信号的频率，并且如图所示，当非均匀电场开始在LC层中发展出透镜特性时，光功率增大。在该实例中，在约25kHz下达到最大光功率，在这之后，光功率开始再度降低。因此可看出如何使用频率调节来代替或者附加到LC透镜的电压调节。图12B与图12A的相似之处在于，其示出了另一种频率可调节的透镜结构，在此情况中是涵盖较高的频率范围。然而，图12B还示出在有效光功率范围内产生的非常低的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（GRIN）的情况中，液晶材料经受在电场方向上从基态再取向直到所期望的最大再取向。当相对于电场的预倾角度接近90度时，该场使LC分子再取向的能力最弱。因此，在一些可调GRIN光学装置设计中选择避免了下述取向的液晶取向作为可调范围是有利的：在所述取向下，电场具有弱的液晶再取向能力。这可以如下实现：施加均匀电场，该均匀电场导致液晶再取向远离基态，以由此具有新的、更易响应的“基”态或基础态，并且接着在该均匀电场的顶部上施加经过调制的电场以形成透镜或其它光学装置。或者，这可以如下实现：由接近利用电场对准的取向（最低的光功率）、和由基态方向上的均匀场对准偏离的空间调制取向（较高的光功率），产生折射率的改变。这避免了由电场和处于基态的液晶之间的弱相互作用引起的像差。因此，将理解，所提出的方案可以使用频率依赖材料来形成这样的合适电场。

完整TLCL

图13A示例了使用隐藏电极经由频率调节提供对电场的空间调制的可调LC透镜的另外的变体。在图13A中，控制电场梯度的结构是由固定电阻（优选为低电阻）的孔状构图的周边电极1304所组成，而在该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频率依赖材料1306填充。该梯度控制结构（GCS）1302被夹在在正交平面中具有指向矢（director）（LC的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LC单元“内部”电极中的一个，以允许在该LC层中形成电场梯度。）该GCS 1302的位置可有利地用于组合该GCS的多种功能，例如电极、加热器以及（频率依赖材料的）薄层电阻（sheet resistance）、温度传感器、光学元件成型、光束偏转、摇摆/倾斜、光学误差补偿、图像稳定等。加热器和温度传感器可一起使用以帮助将该装置的温度维持在最佳水平。对电极1304的额外构图也可用于测量频率依赖材料1306的诸如薄层电阻的电特性，其在电场分布的形成中起重要作用，且可能由于老化而随着时间一部分一部分地改变。在本文中，该GCS可以以不同的形式制作，并且可以由特殊合金（例如：Mo/Al）制成以实施这样的多个功能。在层叠结构（组件）的中间设置提供对电场的空间调制的层具有这样的优点：其平均地（equally）影响在调制层下方的层以及上方的层中的电场。通过在电极结构中设置中间电极，电极之间的间隔将实质上减半，且尽管需要同时驱动两个电极单元，但是驱动信号变化和部分至部分的变化较不显著。

例如，可以理解，晶片级制造可包括用于建立图13A中示例的完整TLCL层叠结构的逐层沉积，且该晶片级制造可包括用于建立分离的半部（half）TLCL（单极）的逐层沉积，其中，两个半部中的一个在被结合在另一个的顶上之前被倒装并旋转90度。在后一种情况中，构图的电极1302和1304可被（实施为）沉积在两半部中的仅一个上或沉积在半层上（双沉积），在接合之后所述半层形成层1302/1304。对于双沉积实施，很令人惊讶地发现：在操作中，接合的弱导电体半层耦合且其电特性平均。耦合被至少部分地理解为是渐逝场耦合的结果。从该令人惊讶的耦合和特性平均产生转换为大的制造改进的优点。例如，弱导电层的导电性的自然渗透区可变性导致低制造产率，但是双层沉积实施提供了选择半部TLCL对（混合和搭配），当被倒装、转动和接合时，所述半部TLCL对使得弱导电层具有在期望范围内的平均电特性。利用该实施例已获得高制造产率。

此外，对于利用图5中半部TLCL的实施例，转向倒装和接合以构造完整的TLCL导致在上孔状构图电极和下孔状构图电极之间夹入的组合的弱导电层。令人惊讶地，已经发现，在操作中，分离的孔状构图的电极耦合（通过组合的弱导电层）并在电学上看起来是一个电极。因此，已发现，邻近的弱导电层和电极的组合有效地形成为并操作为单个弱导电层/电极结构。

总而言之，在TLCL层叠结构中不同的电极结构布置是可能的，每种都具有优点和缺点，其中在特定应用中一些缺点可以是较不重要。图13B和13C分别示例了两种可能的配置，这两种可能的配置将所提出的方案的新颖电极结构与LC单元结合起来以处理光的s和p偏振。在图13B的配置中，两个液晶单元（LCC_x和LCC_y）沿交叉方向取向，以处理垂直的光偏振，且（控制电极结构）CVES位于LCC层的两侧。在该实例中，每个CVES层被用来控制LCC层的不同的一个。考虑到电导率失配，双重弱导电层的使用可能需要认真考虑，且可能需要用于特定应用。图13C的备选配置是类似的，但是用仅仅一个电极结构来控制两个交叉取向的LCC。在这种情况下，顶部LCC_x的底部平电极被取向为使得允许由顶部电极结构和LCC_y的底部平电极产生控制电场。还可以使用如图13D示出的配置，其中CVES层适应且位于最终装置的中间（在两个交叉取向的LC单元之间）。

本文中讨论的任何频率依赖材料可被用在上述不同的LC透镜配置中。这样的材料具有可通过改变驱动频率而变化的复介电常数（包括弱导电特性）。可根据所考虑的特定透镜结构而选择材料的特定特性。应注意，各种材料组成、各种LC层、各种电极、各种几何形状等可被用于制造上述LC透镜而不脱离所要求保护的发明的范围。读者还应理解，可使用本文中描述的LC透镜来开发各种光学装置。

实例

将理解，可使用逐层组装，且优选地以并行方式（同时组装许多单元，被称为“晶片级制造”）逐层组装，来制造可调LC光学装置，最终产品通过单化（singulation）而获得，且可选地，将透镜与操作轴（指向矢（director））按交叉方向接合以对两个正交光偏振聚焦。

将通过非限定性的实例提供本发明的可变焦距平面（flat）折射透镜的尺寸。将理解，所述尺寸可以根据设计选择和材料选择而大幅变化。覆盖基板可以由厚度为50至100微米的玻璃制成。孔状构图的电极可以由诸如铝的不透明金属制成，或者可以由透明的铟锡氧化物（ITO）制成。该电极的厚度可在10至50nm的范围内。频率依赖材料可以由厚度为约10nm的氧化钛制成。氧化钛具有随着控制信号频率而改变的半导体特性。

频率依赖介电（或复介电）材料可包括如下的各种材料。这样的材料的必需特性为其可呈现出弱导电性，该弱导电性将提供随控制信号的频率变化的电荷迁移率。这允许对电场形状的频率调节以控制光学性能或光功率以及对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以是厚度为约20至40nm的聚酰亚胺层，该聚酰亚胺层经过摩擦以产生这样的表面，所述表面诱导小预倾角的液晶基态对准。例如，该液晶层的厚度可为5至30微米。这样的具有空间调制的单个液晶层形成使光的单个线性偏振聚焦的梯度折射率透镜。在图13A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，且该电极在两个LC层或者单元1320a和1320b之间共用（share）。

将了解到，可以以该方式装配两层至四层的TLCL，其可具有约1至3mm的透镜直径和约460微米的厚度。该TLCL的光功率可大致为8至16个屈光度，这适用于大部分的摄像机应用。一个TLCL可以提供可变聚焦，而两个可提供变焦透镜。

在上述实施例中，TLCL的结构基本上全部是平的（flat），即，频率依赖层、电极层（ITO等）、LC层等都是平的。电场成形是对电极层构图和频率依赖层的复阻抗的任一者或两者的结果。但是，可以使用其他的结构配置以提供电场成形。

频率依赖材料

如上文中所提及的，所提出的方案提供适合用于可调光学装置（例如本文中所描述的LC透镜）中的频率依赖材料的各种化学组成。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/或快门配置中。因此，调节可为频率控制的。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透镜配置，频率依赖层由具有复介电常数的材料制成，其中，该复介电常数依赖于对系统电极施加的驱动频率（包括弱导电特性）。根据非限定的实施例的实例，此材料可为可热聚合或可光聚合的导电材料，其组成物可以包括以下成分：

（i）可聚合的单体（线性或环状）化合物；

（ii）引发剂（initiator）；

（iii）用于改变最终组成物的介电常数或电导率的添加剂；

（iv）用于提高聚合物对玻璃表面的粘合性的粘合剂（该粘合剂可用作表面处理剂或被直接并入溶液中以提高粘合性）；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）与0.3%（wt%）的Li⁺CLO4^-混合。接着添加3%的引发剂；2-羟基2-甲基1,1-苯基丙酮（Darocure 1173），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%的量的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（所述单体的总质量的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）或电导率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在该可热聚合或可光聚合的导电材料中，并且用作该组成物的低ε部分。此材料可分类为可热固化的化合物（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，虽然允许对光学装置的频率调节的频率依赖材料的使用对于每一个实施例来说都是共同的，但是本文中公开的材料和物理结构的不同组合可用于特定应用。

已确定，具有复介电常数的材料的各种不同化学组成均可适用于上述频率可调透镜、光束偏转装置、和/或快门配置，其中，此材料可通过调制对所述电极施加的驱动频率而改变（包括弱导电特性）。

根据所提出的方案的一个实施例，所述可聚合的单体化合物具有至少一个烯键式不饱和双键，且具有包括描述导电性的虚部的复介电常数，且引发剂为紫外-可见光、近红外光敏感或者热敏分子的组合。

一种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、以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。

用于改变可热聚合或可光聚合的导电材料的介电常数或电导率的添加剂可为有机离子化合物（例如混合在碳酸异丙烯酯中的碘(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作表面处理剂的粘合剂，或者被直接引入该溶液以增加粘合性。在以上实例中，所述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。

如上述实例中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。

根据所提出的方案的另一实施例，所述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。优选地，该高介电常数液体具有介于30.0和150.0之间的ε值。更优选地，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（例如分别具有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。

根据所提出的方案的另一实施例，频率依赖材料为电解质凝胶，其包括聚合物材料（用作基体）、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迁移体。电解质凝胶的实例可为溶解在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可调LC透镜的高介电常数层部分。

根据所提出的方案的另一实施例，频率依赖材料可为导电离子液体。此材料被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物种：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

-四氟硼酸酯）和（1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸酯)。

所述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用作电子导体的能力。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）。在纳米颗粒环境中，材料可分散在水、有机溶剂、单体中。例如，分散在水中或分散在聚乙二醇二丙烯酸酯中的ATO（(SnO₂)_0.9(Sb₂O₅)_0.1），或粉末形式的纳米颗粒，所述纳米颗粒通过溅射被涂覆为基板上的薄层。或者作为碳的同素异形体的碳纳米管（CNT），其具有柱状纳米结构。该材料可被用作被分散在水中或有机材料（如单体）中的纳米颗粒。所述纳米颗粒可通过不同技术（例如旋涂工艺）沉积在玻璃表面上。

用于制备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，然后进行氧化工艺。在该方法中，将金属靶用于电子束、溅射或者热蒸发工艺。例如，通过电子束技术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（体）中，并且用作薄膜沉积技术（如电子束、溅射或者溶胶-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）层可为约10nm厚，但是提供某种离子传导性的聚合物可以良好运作，虽然该聚合物的厚度范围会在0.1至30微米的范围内。

这种用于提供电场的空间调制的包括频率依赖材料的“隐藏的且频率受控的”电极的使用提供了非常多的光学透明材料的选择。LC透镜的这样的配置也很简单且对于制造而言是成本有效的，同时对物理参数的变化不敏感。最终，电导率的频率依赖是额外的工具，这允许制造更厚的膜，并允许通过其电导率而控制电场空间分布。

本领域技术人员也将意识到，特定的装置可使用具有低的频率依赖或没有频率依赖的材料，但其依然是对激励信号的频率“敏感的”。当不同元件的组合提供依赖于频率（诸如分布式RCL电子电路）的电场衰减（在横剖面上）时，情况是这样。

驱动信号

本文中使用的用于提供对相应光学装置的频率依赖控制的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（频率调制），并且也可包括振幅（振幅调制）和占空比控制（脉冲宽度调制）。在下文中更详细地讨论了其中的一些实例。

脉冲宽度调制

提供频率控制的一种方法是通过使用所谓的“脉冲宽度调制（PWM）”信号。图14示例了PWM信号的参数，即，振幅、周期、以及占空比或填充系数（“FF”）。如图所示，PWM信号具有由总周期限定的特性，且脉冲的持续时间确定占空比。在图15中示意地示出了PWM信号的频域特性，其指示对于不同填充系数的PWM波形的频率成分。将理解，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分量（frequency component）被包含在方波中。因此，虽然50%占空比的方波脉冲列的大部分能量被包含在对应于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15所示的“高FF”包络线中所示的填充系数示范了此情形。在较低填充系数的情况中，PWM信号中的偏离中心频率的能量的量较大。这对应于在较高频率中具有较多能量的较宽包络线。在较高占空比的情况中，PWM信号中的偏离中心频率的能量的量较小。作为实例，将PWM占空比由50%占空比降低至5%的改变将以从归一化的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的显著增加。

TLCL的控制可使用PWM，例如，在诸如用于蜂窝电话摄像机的透镜的某些应用中。PWM控制为这样的TLCL提供某些优点，并且可视为具有以下特性：

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，可将驱动“最大振幅”设定为使得在较低FF达到最大光功率。接着，仅仅增加FF将增加RMS电压，并且因而降低光功率，但是该降低将不跟随f₁的曲线（图16）。事实上，由于FF的增加，驱动信号的频谱成分（spectral content）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，而使得光功率降低。这将允许使用较低的电压而使得光功率更“快”地下降。

2）一旦对于给定的驱动频率和FF而达到最大光功率，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16中从f₁改变至f₂）。这有助于避免为使得透镜的光功率达到最小值而需要高RMS电压。

3）也可使用组合的或同时的FF和频率改变来实现光功率控制。所提出的方案涉及使用隐藏（弯曲）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，虽然对FF的调节也改变了驱动信号的相对频率成分，但是对透镜的调节可以为频率控制的。从而，FF和频率两者都可被用于调节该透镜。如上文中所提及，所提出的方案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。

振幅调制

相比于PWM模式，振幅调制（AM）模式也可用于在特定频率下调制透镜。图16示意地示范了转换函数，示出了在振幅调制模式中对于不同驱动频率f₁-f₃的光功率随RMS电压的变化。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模式与PWM模式的不同之处在于，通过改变填充系数以确定信号的较高或较低频率成分而使PWM信号依赖于对RMS振幅的控制。相比之下，AM模式使用具有100%填充系数的设定频率信号，并且仅改变该信号的振幅。图16中的不同曲线示出了对于不同的选定频率，RMS电压如何能够用于改变TLCL的光功率。该表现对于例如图33所示的透镜是典型的。

频率调制

图17示出了对于不同的控制电压振幅，频率控制的透镜如何表现（behave）。对于图中所示的不同电压振幅，频率的增加对应于透镜的光功率的增加（并随后减小）。然而，依赖于电压，光功率可具有较高的最大值，且该最大值可发生在较高的频率下。该表现对于例如图5所示的透镜是典型的。图17是强调TLCL的频率控制的特点的示意图。图17模拟了实验结果，但是图17在任何尺寸上不是成比例的。

复频率信号

虽然在上文中具体讨论了PWM或AM信号，但是可使用简单地承载于一个频率上的驱动信号或者作为多个单独频率分量的合成的驱动信号。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率（但是动态可变）混合在一起的合成。不同于PWM方法，复频率信号并非排他地依赖于方波型信号形状，且不使用填充系数调节以改变高频和低频成分的水平。在2009年12月23日提交的共同待决的共同受让的美国临时专利申请61/289,995中描述了采用复频率信号的电场分布成形的实例，通过引用将其并入本文中。

控制信号发生器部件

可以通过这样的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配置为使得所述装置根据控制驱动信号频率而控制该装置中的光传播。

可以通过这样的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配置为使得该装置根据控制信号频率而控制该装置中的光传播。作为实例，在图18中，示意性地示出了具有与至少一个固定透镜2504组合的LC透镜2502的摄像机，以利用提供聚焦控制的LC透镜2502来将图像聚焦在图像传感器2506上。图像被馈送至摄像机控制器2508，该摄像机控制器2508包括输出所期望的焦点值的自动聚焦功能。电场控制器2510，典型地使用查找表（具有关于几何形状、材料、温度、薄层电阻、摄像机等可能的/可选的信息），将该焦点值转换成电参数，在此情况中是所期望的填充系数。在不能仅通过在单个PWM波形振幅和周期的填充系数设定而实现调节的情况中，控制器2510可以调节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现部件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以及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比。

在要控制频率成分以减少较高频率的存在的情况中，可以逐步降低PWM振幅，然后增加占空比以达到相同的RMS电压作为机制，以避免产生使得电极系统或LC单元将以非期望方式对其作出响应的较高频率。

参数液晶透镜（parametric liquid crystal lens）

已经描述了频率依赖材料在可调液晶透镜（TLCL）中的使用，可以理解，上述描述涉及理想的制造条件和应用，其中，该TLC透镜可以以高度的准确度和精度被定位。但是，从图10A到10E很明显，未加工的有效孔径（raw usable aperture）可与层叠结构中定义的很不一样，例如，通过孔状构图的电极结构。例如，跨过孔状构图的电极孔径的TCL透镜的均匀度可以比理论可能要小，包含TLC透镜的光学组件的制造会在制造TLC透镜本身时或在整个光学装配中引入异常/像差。作为另一个例子，应用本身需要图像稳定。需要解决至少这些情况。

图19示例了使用均匀平面上部电极、位于上部电极下面的分段式四象限电极以及位于液晶单元的底部的底部均匀平面电极的现有技术液晶透镜设计。

图20A示例了根据提出的解决方案的实施例的可调液晶透镜的侧剖视图，其具有分段式顶部电极的顶视插图，其中，频率依赖材料在分段式孔状构图的电极上方。频率依赖材料的定位可以在分段式电极顶部并覆盖该分段式电极、在分段式电极的孔径内（见图20B）或者在分段式电极的下面（见图20C）。

通过仅改变供给各段（segment）的共同（common）频率控制驱动信号分量的电压幅度，可以提供复合（complex）电场空间调制。或者，可以通过改变供给各段的驱动信号分量的频率而提供复合电场空间调制。上述具有频率依赖材料的弱导电层的功能是基于每个电极段而被使用的，以提供所有电极分段所贡献的组合效果。即，频率依赖层中的局域电荷渗透由每个电极段控制，以控制构图的电极在每个电极段的对应近邻（immediate vicinity）的范围（extent），以使用对称物理结构的复合方式将所有电极段的组合范围用来空间地调制电场。电场的复合空间调制反之通过LC层中的复合指向矢取向而将特定效果赋予入射光束，该LC层呈现跨过该LC层的复折射率分布。从最一般的意义来说，使得由LC层提供的光学元件在提供特定编程的折射率分布的意义上“改变形状”。可用随所期望的光学效果变化的所期望的对频率的控制驱动信号和用于每个段的振幅来校正TLC透镜。可对入射光束应用各种效应。本文中示例了稳定状态和准静态光效应。

不限制本发明，对于视频/图像获取应用，特定的频率组和振幅驱动信号分量是有用的，且控制器可从校准查找表调用校准值。例如，在视频/图像获取中使用光功率调整和光轴再取向，以提供聚焦功能并通过移动TLC透镜的光轴来稳定将被获取的图像，以补偿摄像机运动（手持/振动环境）。对于图像跟踪应用，使用光轴再取向以使得移动场景保持稳定。

可以参考图21来最佳地示例具有分段式电极和频率依赖性弱导电层的这种TLC透镜的操作，该图21描述了在视频/图像获取中典型地使用的光束成形模式。具有跨过TLCL孔径的空间不变折射率分布的LC层不会在入射光束中引入差异变化（differential change），且平面相前（phasefront）传播而没有变化。LC层与玻璃板非常类似地操作（忽略偏振效应）。具有跨过对称透镜状孔径的空间不变折射率分布的LC层使得入射平面相前聚焦。图22示例了对所有的电极段施加的28V振幅驱动信号的随着频率的光功率变化。具有跨过线性变化的孔径的空间变化折射率分布的LC层使得入射平面相前倾斜或摇摆（角光轴再取向）。图23示例了用于具有1.49mm可用光瞳（usable pupil）的1.85mm直径的环形电极的角光轴再取向。角光轴再取向的应用包括光束偏转。可通过使用相同的频率依赖材料弱导电层和导致光轴位移的LC层在单个TLCL中倾斜/摇摆和聚焦，来提供组合的光束成形。图24示例了使用分段式电极在光轴的不同位移状态下图20A的实施例的液晶透镜的顶视图。确定无疑地，施加到分段式电极的合成驱动信号包括频率混合，其中具有合适电压振幅的至少一个频率被施加以在对图像聚焦时提供光功率控制，且同时具有合适电压振幅的另一个频率被施加以在图像稳定化中提供光束偏转。

图25示例了对于具有八个段的环形电极，与图21中给出的波前对应的LC层中的折射率分布。示出了段驱动信号分量的相对电极振幅的实例（V4=V5,V3=V6,V2=V7,V8=V1），为了简化，相应频率被省略。

重要的是需要再度强调：可以将具有实施上述功能的频率依赖弱导电层的TLC透镜用于提供图像稳定化，例如，通过采用例如但不限于加速度计的合适反馈机制。图像稳定在手持应用中以及振动环境中很重要。Bryan James、Andrew Hodge和Aram Lindahl在于2009年6月5日提交的US20100309344中描述的现有技术提出了将多个图像连续获取到非常大的缓冲器中而不进行图像稳定化，并且基于运动传感器记录（register）最少运动的图像获取时间而从后处理中取得的组选择图像。相比而言，根据本文中提出的方案使用有效（active）反馈机制和有效图像稳定化是通过快速TLCL响应而实现的，并提供了图像存储的减少和非常快的存储要求。在于2010年12月10日提交的共同待决、共同受让的名称为“快速可调液晶光学装置及操作方法（Fast Tunable Liquid Crystal Optical Apparatusand Method of Operation）”的US 61/422,115中描述了使用上述弱导电层的快速TLCL，通过引用将其并入本文中。

所提出的方案也可被应用到制造，其中使用特定的驱动信号分量以使得具有频率依赖弱导电层的分段式电极TLC透镜补偿制造/装配缺陷，在这个意义上，这样的分段式电极TLC透镜可被理解为是参数（透镜）光学元件。图26示例了分段式电极TLC透镜，其被配置为补偿像散误差。图27示例了分段式电极TLC透镜，其被配置为补偿彗形像差误差。彗形像差误差与光轴位移的不同之处至少在于，修改后的波前并非聚焦在相同平面中的相同点处。

可使用多个时间变化的（相移）驱动信号分量来提供进一步的光学特性控制。例如，图28A到28E示例了八段式孔状构图电极（使用四个驱动信号分量）的准静态控制，其中光轴倾斜的任意方向被设置在0度到45度之间。

多元件层叠结构

本发明不限于上述使用相同电极、频率依赖弱导电层和LC层既实现透镜功能也实现图像稳定化/误差校正/偏转/振动降低等的参数TLC透镜。

例如，可在层叠结构中实现电场的位移，而不使用分段式电极。例如，图29A示例了可调液晶透镜的侧剖视图，其具有顶部孔状构图的电极的顶视插入图，额外侧电极被放置在顶部孔状构图的电极之下。在该实施例中，频率被施加到侧电极（lateral electrode）或边电极（side electrode），其以从一边到另一边降低的方式增加跨过液晶单元的电场，这导致一边高于另一边的光功率差异（楔）的引入。该类型的控制是可与透镜形成结合的光束偏转的一种。如图所示，边电极可位于孔状构图的电极之下，或者，如图29B所示，位于相同基板层级上且在孔状构图的电极的周边之外。明显地，所产生的位移与TLC透镜结构的剩下部分无关。这种技术提供了具有光束偏转的任何其他的TLC透镜形成结构，即，任何TLCL结构，例如在如下文献中描述的TLCL结构：于2009年12月23日提交的共同受让的美国临时专利申请61/289,995，要求享有于2008年7月14日提交的美国临时申请61/080,493的优先权的、共同待决且共同受让的国际专利申请WO2010/006,420，于2009年7月14日提交的、名称为“表面编程方法及据其制造的光调制解器装置（Surface Programming Method AndLight Modulator Devices Made Thereof）”的国际专利申请WO2010/006,419，以及于2007年3月2日提交的名称为“用于空间调制电场生成的方法和设备以及使用液晶的电光调节（Method and Apparatus forSpatially Modulated Electric Field Generation and Electo-Optical Tuningusing Liquid Crystals）”的国际专利申请WO2007/098,602，通过引用将所有这些专利文献并入本文中。

类似地，频率依赖材料的表现可受到温度的影响。如图30所示，在频率依赖材料层中的可控热梯度的生成可被用于移动透镜的光轴。温度也可影响液晶的改变取向的能力，且由此该方法也可在液晶层内被使用。将理解，这种使光轴位移的技术导致一边高于另一边的光功率差异（楔）的引入，且可被使用而与提供液晶取向以引起透镜效果的方式无关。不限制本发明，用于空间调制液晶取向变化的不同设置包括：用于空间调制电场的不同技术，例如在于2009年12月23日提交的共同受让的美国临时专利申请61/289,995中描述的技术，通过引用将其并入本文中；用于空间调制诸如聚合物色散的液晶取向的不同技术，例如在要求于2008年7月14日提交的美国临时申请61/080493的优先权的共同待决且共同受让的国际专利申请WO2010/006,420、于2009年7月14日提交的名称为“表面编程方法及据其制造的光调制器装置（Surface Programming Method And LightModulator Devices Made Thereof）”的国际专利申请WO2010/006,419中描述的技术，通过引用将其并入本文中；以及提供空间编程的对准层的技术，例如在于2007年3月2日提交的、名称为“用于空间调制电场生成的方法和设备以及使用液晶的电光调节（Method and Apparatus for SpatiallyModulated Electric Field Generation and Electo-Optical Tuning usingLiquid Crystals）”的国际专利申请WO2007/098,602中描述的技术，通过引用将其并入本文中。

图31示例了可调液晶透镜的侧剖视图，其具有顶部孔状构图的电极的顶视插入图，其中额外的压电元件被放置在其拐角中液晶单元的基板之间。可以在透镜装置的制造过程中将压电元件沉积在基板上。或者，封闭的、流体填充的单元可被可控地加热以膨胀，并在基板之间的空间中引起期望的倾斜。将理解，这种使光轴位移的技术导致一边高于另一边的光功率差异（楔）的引入，且可被使用而与提供液晶取向以引起透镜效果的方式无关。不限制本发明，用于空间调制液晶取向变化的不同设置包括：用于空间调制电场的不同技术，例如在于2009年12月23日提交的共同受让的美国临时专利申请61/289,995中描述的技术，通过引用将其并入本文中；用于空间调制诸如聚合物色散的液晶取向的不同技术，例如在要求于2008年7月14日提交的美国临时申请61/080493的优先权的共同待决且共同受让的国际专利申请WO2010/006,420、于2009年7月14日提交的名称为“表面编程方法及据其制造的光调制器装置（Surface Programming MethodAnd Light Modulator Devices Made Thereof）”的国际专利申请WO2010/006,419中描述的技术，通过引用将其并入本文中；以及提供空间编程的对准层的技术，例如在于2007年3月2日提交的、名称为“用于空间调制电场生成的方法和设备以及使用液晶的电光调节（Method andApparatus for Spatially Modulated Electric Field Generation andElecto-Optical Tuning using Liquid Crystals）”的国际专利申请WO2007/098,602中描述的技术，通过引用将其并入本文中。

虽然已经参考在图4和5中，优选地在图13A中大体上示出的TLCL结构而描述了所提出的方案，本发明不限于此；例如在如下文献中公开了多种TLCL层叠结构：于2009年12月23日提交的共同待决且共同受让的美国临时专利申请61/289,995；要求于2008年7月14日提交的美国临时申请61/080,493的优先权的共同待决且共同受让的国际专利申请WO2010/006,420；于2009年7月14日提交的名称为“表面编程方法及据其制造的光调制器装置（Surface Programming Method And LightModulator Devices Made Thereof）”的国际专利申请WO2010/006,419；以及于2007年3月2日提交的名称为“用于空间调制电场生成的方法和设备以及使用液晶的电光调节（Method and Apparatus for Spatially ModulatedElectric Field Generation and Electo-Optical Tuning using LiquidCrystals）”的国际专利申请WO2007/098,602，通过引用将所有这些文献并入本文中。关于弱导电层的导电性考虑事项，本文中参考图13A给出的考虑事项适用于这样的单个弱导电层和耦合的（接合的）弱导电层。

特别地，参考图32，可以与透镜形成分离地在TLC透镜结构中采用本文中关于频率依赖弱导电层的使用而在上面描述的频率控制，例如，用于提供摇摆、倾斜、光束偏转、图像稳定化、光学误差校正等。在图32所示例的实施例中，根据所提出的方案，底部导电透明ITO电极（423）被诸如以上在本文中参考图29A描述的条带状（strip）电极（示出）和频率依赖弱导电层；诸如以上在本文中描述的分段式电极（未示出）；或形状控制电极结构所代替，其被配置为提供摇摆、倾斜、光束偏转、图像稳定化、光学校正等。在操作中，顶部频率依赖弱导电层和孔状构图的电极作用于电场，以经由LC层产生（对称的）透镜效果，且在这个意义上，顶部弱导电层被称为“透镜弱导电层”。单独地，底部频率依赖弱导电层和条带状电极根据形状控制驱动信号而操作。例如，如果向条带状电极馈送具有同样低的频率和同样电压振幅的驱动信号分量，大的电荷迁移率使得频率依赖弱导电层表现为连续的电极，其类似于（mimick）平面导电ITO电极（423），因此整体透镜效果基本上等同于由在图4和图5中描述的TLC透镜结构所提供的透镜效果。然而，通过向对置的（opposed）条带状电极馈送不同驱动信号分量（不同的频率或不同的电压振幅），底部频率依赖弱导电层就电场而言表现为斜坡（楔），这将对应的wage形失真诱导到整个电场。从这点来说，底部频率依赖弱导电层运作为提供形状控制的形状控制弱导电层。根据所使用的底部电极结构和向其馈送的驱动信号分量的合成，该形状控制弱导电层提供电场（光学元件）成形，例如提供摇摆、倾斜、光束偏转、图像稳定化、光学校正等。在该实施方式中，将理解，在图32中示出的半个TLCL结构中，顶部和底部弱导电层具有不同的功能，且将理解，在每一这样的半个TLCL中，顶部和底部弱导电层之间的电导率变异（variability）由此较不重要。并且，在制造完整的TLCL结构时，本文中关于图13A描述的考虑事项和优点仅适用于耦合的（接合的）顶部透镜弱导电层。这还扩展到构图的电极，其结合到一个中央构图的电极。如果使用图13C中示例的层叠结构将完整的TLCL制造为在层叠的LC层x和y的对面具有位于层叠结构的底部处的成形弱导电层，则由于每个弱导电层的不同功能，顶部和底部弱导电层之间的电导率变异同样较不重要。

类似地，参考图33，可以与透镜形成分离地在TLC透镜结构中排他地采用本文中关于频率依赖弱导电层的使用而在上面描述的频率控制，以提供电场形状控制，例如，用于摇摆、倾斜、光束偏转、图像稳定化、光学误差校正等。在图33所示例的实施例中，与本文中关于图32描述的电场形状控制结构一起使用这样的TLC透镜结构，该TLC透镜结构使用空间均匀电场以提供透镜效果，例如在如下文献中所描述的TLC透镜结构：于2007年3月2日提交的名称为“用于空间调制电场生成的方法和设备以及使用液晶的电光调节（Method and Apparatus for Spatially ModulatedElectric Field Generation and Electo-Optical Tuning using LiquidCrystals）”的国际专利申请WO2007/098,602（示出），要求于2008年7月14日提交的美国临时申请61/080,493的优先权的共同待决且共同受让的国际专利申请WO2010/006,420（未示出），或者于2009年7月14日提交的名称为“表面编程方法及据其制造的光调制器装置（SurfaceProgramming Method And Light Modulator Devices Made Thereof）”的国际专利申请WO2010/006,419（未示出），通过引用将所有这些文献并入本文中。在图33所示例的实施例中，例如通过这样的隐藏电极层提供了透镜，该隐藏电极层整体具有相同的折射率n，但是具有不同的ε₁≠ε₂部分，所述不同的ε₁≠ε₂部分之间具有透镜状界面（lenticular interface），在存在由顶部透明导电层（例如ITO）提供的空间均匀电场并采用平的底部导电电极的情况下，该透镜状界面使得入射光束的波前聚焦。不限制本发明，其他层叠结构可在空间均匀电场中提供透镜效果。如同在图32中所示例的实施例一样，根据所提出的方案，底部导电透明ITO电极（423）被诸如以上在本文中参考图29A描述的条带状电极（示出）和频率依赖弱导电层；诸如以上在本文中描述的分段式电极（未示出）；或形状控制电极结构所代替，其被配置为提供摇摆、倾斜、光束偏转、图像稳定化、光学校正等。在操作中，底部频率依赖弱导电层和分段式电极根据形状控制驱动信号而操作。例如，如果向分段式电极馈送具有同样低的频率和同样电压振幅的驱动信号分量，大的电荷迁移率使得频率依赖弱导电层表现为连续的电极，其类似于平面导电ITO电极（423），因此整体透镜效果基本上等同于由TLC透镜结构提供的透镜效果。但是，通过向电极段馈送不同驱动信号分量（不同的频率或不同的电压振幅），底部频率依赖弱导电层就电场而言表现为空间调制的电位表面，这将对应的空间调制变形诱导到整个电场。从这点来说，底部频率依赖弱导电层运作为提供形状控制的形状控制弱导电层。根据所使用的底部电极结构和向其馈送的驱动信号分量的合成，该形状控制弱导电层提供电场（光学元件）成形，例如提供摇摆、倾斜、光束偏转、图像稳定化、光学校正等。在该实施方式中，注意到，在每一半个TLCL中使用单个弱导电层，仅提供光元件成形功能。完整的TLCL或者在一半个TLCL上使用单个成形弱导电层而另一半个TLCL将仅仅具有薄透明ITO电极，或者使用两个成形导电层。在后一种情况中，两个成形弱导电层的电导率差异可在特征化（characterization）/校准期间被解决。还可以设想，在双成形弱导电层实施方式中，外部成形弱导电层中的每一个被用于不同的目的。例如，不限制本发明，下部成形弱导电层可被用于误差校正/补偿，而顶部成形弱导电层可被用于图像稳定化。

虽然已通过参考其优选实施例示出和描述了本发明，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背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (54)

1.一种可调透镜装置，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，所述光通过该液晶层，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的电场；以及

电信号发生器，其用于产生在多个不同频率下的驱动信号，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所述驱动信号的频率而变化，以使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而变化，以改变所述液晶层的所述光学特性；且

所述电极系统被配置为通过所述电场使在所述液晶层中产生的透镜的光轴可控地移动。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述驱动信号包括基本上单个频率信号，所述单个频率信号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，所述信号发生器控制所述光传播，而基本上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，所述多个频率合成而产生所述空间分布。

5.如权利要求1、2或4的装置，其中，所述信号发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，且所述信号发生器用于施加驱动信号，该驱动信号防止所述液晶层中的液晶的向错。

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，且所述信号发生器用于施加驱动信号，该驱动信号防止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的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，且所述至少两个液晶层具有不同方向的液晶取向，以降低所述装置的偏振敏感度。

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与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所述中间环形电极附近的材料层，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与所述上部透明电极之间的所述至少一个上部液晶层、和对于在所述中间环形电极与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，所述液晶层基本上是平面的。

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功率，该光功率优选在大于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电极或环形电极。

14.如权利要求13所述的装置，其中，所述频率依赖材料包括位于所述电极系统的所述孔状构图的电极或环形电极附近的薄材料层。

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空间均匀的有效电极几何形状，且除了对电极电压的任何空间调制，还通过电极几何形状来产生对所述电场的所述空间调制。

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，所述信号发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PWM波形的多个振幅，且当所述波形中的频率成分包含太多的远离中心频率的能量时，所述振幅随着占空比的对应改变而改变，以传递基本上相同的有效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，所述发生器被配置为提供：使得所述空间分布基本上均匀的第一驱动信号，其中，所述液晶从由对准层限定的基态再取向，所述液晶层的所述光学特性是空间均匀的；以及使得所述空间分布并非空间均匀的第二驱动信号，以实现对光传播的期望的控制。

22.如权利要求1至21中任一项所述的装置，还包括控制器，所述控制器用于动态地调整所述电信号发生器。

23.如权利要求22所述的装置，还包括振动传感器，其中，所述控制器响应于振动而调整光轴位置。

24.如权利要求23所述的装置，其中，所述振动传感器是加速度计。

25.如权利要求23所述的装置，其中，所述振动传感器是图像分析器，所述图像分析器用于分析通过图像传感器捕获的图像的位置。

26.如权利要求1至25中任一项所述的装置，所述电极系统还包括分段式环形电极。

27.如权利要求26所述的装置，所述分段式环形电极包括六个或更多个电极段。

28.如权利要求1至27中任一项所述的装置，所述电信号发生器进一步被配置为将所述驱动信号的单独驱动信号分量施加到每个电极段，每个驱动信号分量具有对应的频率，驱动所述分段式环形电极，提供参数透镜。

29.如权利要求28所述的装置，每个驱动信号分量还具有对应的电压，其中，不同的电压被施加到不同的电极段，驱动所述分段式环形电极，提供参数透镜。

30.如权利要求1至29中任一项所述的装置，所述电极系统还包括耦合到所述频率依赖材料的条带状电极的设置，其中所述电信号发生器产生具有频率和电压的驱动信号分量，所述电信号发生器被配置为将所述驱动信号分量施加到每个条带状电极。

31.如权利要求30所述的装置，所述条带状电极的设置被配置为经由相同的频率依赖材料而与所述环形电极结合操作。

32.如权利要求30所述的装置，所述条带状电极的设置被配置为独立于所述环形电极而操作，所述条带状电极的设置被耦合到额外的频率依赖材料。

33.如权利要求31或32所述的装置，当通过所述电信号发生器施加基本上相似的低频率驱动信号分量时，所述条带状电极的设置和对应的频率依赖材料操作为平面均匀电极。

34.如权利要求31至33中任一项所述的装置，当通过所述电信号发生器施加中频到高频的不相似驱动信号分量时，所述条带状电极的设置和对应的频率依赖材料操作为电势斜坡电极，所述电势斜坡电极改变所述电场的所述空间布置以提供光束偏转。

35.如权利要求32至34中任一项所述的装置，其中所述额外的频率依赖材料和所述带状电极的设置不涉及调制所述电场以提供透镜。

36.一种动态地配置有效电极几何形状的方法，该方法利用具有不同频率的驱动信号、固定电极以及频率依赖材料，所述驱动信号被施加至所述固定电极以产生电场、所述频率依赖材料中的电荷迁移率随着所述驱动信号的频率而变化，以产生提供所述电场的期望的空间分布的动态配置的有效电极几何形状，所述期望的空间分布包括所述期望的空间分布的位置的位移。

37.如权利要求36所述的方法，包括控制所述驱动信号的至少一个频率分量，以频率调节所述空间分布。

38.如权利要求36或37所述的方法，包括在所述驱动信号中将不同频率混合在一起，以实现所述电场的所述期望的空间分布。

39.如权利要求36、37或38所述的方法，包括调节所述驱动信号的振幅。

40.如权利要求39所述的方法，其中，所述调节振幅包括使用具有PWM波形的多个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的远离中心频率的能量时，所述振幅随着占空比的对应改变而改变，以传递基本上相同的有效PWM电压。

41.一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36至40中任一项所述的方法动态地配置有效电极几何形状，其中，所述电场的所述空间分布被用于控制所述装置的液晶。

42.如权利要求41所述的方法，其中，所述液晶装置为梯度折射率透镜，所述梯度折射率透镜具有通过所述空间分布而控制的光功率。

43.如权利要求41或42所述的方法，包括控制所述电场以降低或防止所述液晶中的向错。

44.如权利要求42所述的方法，包括控制所述电场以防止液晶保持在由对准层限定的基态附近，并因此通过所述液晶对所述电场的改善的响应而降低图像像差。

45.一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。

46.一种用于控制光传播的可调透镜装置，所述光学装置包括：

液晶层，其含有液晶；

电场源，其被配置为产生作用于所述液晶层的空间非均匀电场，以便能够控制所述透镜的光轴位置；以及

可变频率电驱动信号，其能够由所述电场源施加以产生所述电场；

其中，所述液晶层具有根据所述驱动信号的频率而变化的电荷迁移率，且所述液晶使所述电场成形为更加空间均匀，以提供期望的光传播行为。

47.一种可调液晶透镜，其具有可控的光轴位置，包括热梯度控制系统。

48.一种可调液晶透镜，其具有可控的光轴位置，包括微致动器，其调节包含所述透镜的液晶的基板之间的间隔。

49.一种可调液晶透镜装置，用于使用动态配置的有效电极几何形状控制通过所述装置的光传播，所述光学装置包括：

液晶层，所述光通过该液晶层，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的电场，以改变所述液晶层的所述光学特性；

电信号发生器，用于产生在多个不同频率下的多个驱动信号分量，并将所述驱动信号分量施加至所述电极系统以使所述透镜成形；以及

频率依赖材料，在其中提供随着对其施加的合成的驱动信号的频率而变化的电荷迁移率，以便所述合成的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，由此所述电场的空间分布根据所述频谱成分而变化，以改变使所述透镜成形的所述液晶层的所述光学特性。

50.如权利要求49所述的可调光学装置，所述电极系统进一步被配置为通过所述电场使在所述液晶层中产生的所述透镜可控地成形以移动所述光学装置的光轴。

51.如权利要求49或50所述的可调光学装置，进一步被配置为使由通过所述光学装置的入射光束形成的图像稳定。

52.一种可调液晶透镜装置，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，所述光通过该液晶层，所述液晶层的光学特性控制所述光传播；

第一电极系统，其被设置为产生作用于所述液晶层的电场，以在产生所述透镜时改变所述液晶层的所述光学特性；

第二电极系统，其被设置为修改作用于所述液晶层的所述电场；

电信号发生器，用于产生在多个不同频率下的多个驱动信号分量，并将所述驱动信号分量施加到所述第一和第二电极系统；以及

与所述第二电极系统相关联的频率依赖材料，所述频率依赖材料在其中提供随着对所述第二电极结构施加的至少一个驱动信号分量的频率而变化的电荷迁移率，以便所述合成的驱动信号的频谱成分将作用于所述液晶层的电场的有效空间分布动态地配置为根据所述频谱成分变化，以使所述透镜成形。

53.如权利要求52所述的可调光学装置，所述第二电极系统进一步被配置为通过所述电场使在所述液晶层中产生的所述透镜可控地成形，以移动所述透镜的光轴。

54.如权利要求52或53所述的可调光学装置，进一步被配置为使由通过所述透镜的入射光束形成的图像稳定。

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