CN104981717A - 电容耦合电场控制装置 - Google Patents

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Abstract

一个空间非均匀的电极结构，其用于控制一个空间非均匀电场，以控制一个可调谐的液晶透镜。所述空间非均匀的电极结构可实现预定的空间非均匀电场轮廓，其中采用多个不同的电浮置的相邻电极段之间的复合电容耦合。通过对有限个电极施加初始电压，以形成一个所希望的电场分布。

Description

电容耦合电场控制装置
相关申请
本申请的优先权文件是美国临时申请US 61/725,021，其发明名称与本申请相同，申请日是2012年11月11日，本申请引用该优先权文件全文。
技术领域
本申请的技术方案涉及液晶光学器件，特别是液晶光学器件的控制电极。
背景技术
液晶(LC)显示器(LCD)和液晶透镜(LCL)在本领域中是已知的。在大部分使用液晶的情况下，形成一个电可变的梯度折射率(称为GRIN)光学透镜，并通过控制装置的光通孔(Clear Aperture，CA)内空间的液晶分子的相对取向梯度来控制该透镜。而该液晶分子的取向是对电场敏感的，梯度(对应于LCL的光学倍率)可以通过改变电驱动参数(电压、频率或他们的组合)来控制，而没有任何宏观的机械运动或形变。
对应于空间非均匀的电场用于控制液晶分子的取向，各种液晶透镜的设计已经被提出，例如，佐藤进的“可变聚焦透镜的液晶设备”(Applications of Liquid Crystals toVariable-Focusing Lenses，OPTICAL REVIEW Vol.6，No.6(1999)471-485)。其中公开了一种使用多个电极排列(如在液晶显示器中使用的那种)以产生一种类似透镜的电场空间分布的方法。然而，其制造和动态控制的复杂性降低了它的吸引力和工业价值。
佐藤进所描述的另一种方法100是结合使用的孔状电极(HPE)102和均匀透明电极(TUE)104(在底部基板105上)，如图1A所示(以下，液晶单元中的液晶取向层和其他标准元素将被省略，以简化附图。此外，各种设计和实施例的示意性横截面视图中也会如此简化)。在两个电极102和104之间的电压差106会生成一个空间非均匀电场(在ACB各点之间，如图1B中示意性地示出)。因此，如果电压(以及相应的电场)具有适当的空间分布，那么相应的重新定向的液晶分子108和装置100的光通孔(CA)110内的折射率调制，可以实现所需的球面型(或者非球面，下同)，从而形成质量好的透镜100。这样的透镜的光学倍率(以屈光度为单位，OP)可表示为：OP＝2LΔn/r2，(在球面型波形的情况下)
其中L是液晶层112的厚度，Δn是透镜100的中心(C点周围)和外围(A和B点周围)的折射率差和r是光通孔110的半径。焦点距离F(单位为米)是光学倍率OP的倒数，F＝1/OP。这样的设计实现了更简单的制造，但仍然有一些重要的缺点。即，HPE 102和TUE 104之间的距离(由液晶的厚度为L和顶部基板的厚度H决定)必须是比较大的，以确保液晶层112内平滑的电场空间分布(150)。此电极间距L+H必然会增加控制的液晶透镜100所需的电压(几十伏特)。
在A.F.Naumov等人发表的一篇题为“液晶自适应镜片与莫代尔控制”的文章(“Liquid-Crystal Adaptive Lenses with Modal Control”，OPTICS LETTERS/Vol.23，No.13/July 1，1998)中，提出了一个液晶透镜200的设计(如图2所示)，它使用的HPE 202设置在液晶单元内(佐藤进设计的顶部基板101，如图1A中所示，被倒置翻转了180度)。在这种情况下，HPE 202和TUE 104非常接近(只有液晶层212的厚度L间隔)和几伏(小于5V)电压206足够控制液晶透镜200的光学倍率。然而，该设计会留下一个问题：液晶层212内的电场分布将有一个突变的特性。为了解决在电场中的突变，一个高电阻率或弱导电性层(WCL)214被设置到HPE 202表面，该高电阻率或弱导电性层由于一个非常高的薄层电阻Rs而使上述电场分布更加平滑，薄层电阻Rs被定义为R＝(dσ)-1，其中d是WCL层214的厚度，σ是WCL层214的导电性。这一平滑的概念可以理解为：电压从HPE 202的周边向中心衰减的情况，在一个经典的RC电路中，两个电极TUE 104和HPE 202之间互相重叠部分形成电容的衰减，其中在两个电极上覆盖有WCL材料214，电极之间含有绝缘的液晶层212。同时，WCL 214的薄层电阻Rs主要起到电阻R的作用。
由于微型照相机的“RC因子”(其光通孔110的尺寸范围为1.5～2毫米)和厚度为L的LC层212的介电常数εLC，使得WCL 214的薄层电阻Rs大概为几十MΩ/□，以实现一个平滑的电场分布。由于薄片电阻的明显变化导致制造参数的变化，这种薄膜的制造是困难的。
此外，消费产品的摄像头都应该适用于非偏振光线。这需要使用两个LC层212(在垂直的平面上使液晶分子取向的取向表面结构被预取向，如图3所示)来处理非偏振光线的两个正交的偏振方向。要使两个这样的“半”透镜200以同样的方式聚焦，需要两个WCL具有相同的Rs(误差在3％内)。这使偏振无关的完整的透镜300的制造具有特定的条件。这种方法的另一个缺点是：电压的衰减(从HPE 202的外周，即点A或B，朝透镜的中心点C的衰减)，是RC电路的物理性质所决定的，这一衰减使得，难以获得不同的非球面分布，而非球面分布有时是得到良好的光学图像质量的条件。最后，所有具有适当的Rs值的材料(迄今已知的)都是对温度变化敏感的。
已知发展了几个替代办法以解决，至少一部分Naumov构造中的问题。其中之一是LensVector提出的WO2009/153764，在此引入作为参考，其中使用一个单一WCL 314以消除严格的生产可重复性的要求，如图4示出。在此配置300中，HPE 302和WCL 314被设置在两个基板105(几乎是对称的)之间，基板作为两个正交偏振的LC层312的底部和顶部基板。因此，同一组的控制电极结构(HPE 302和WCL 314)用来控制两个相同的液晶层312。
另一种方法400，如图5A和5B所示，Wang等人所发表的“具有低驱动电压的薄液晶透镜”(B.Wang，M.Ye，M.Yamaguchi，and S.Sato，“Thin Liquid CrystalLens with Low Driving Voltages”，Japanese Journal of Applied Physics 48(2009)098004)。在这种构造中，在WCL层414靠近LC层412，同时在H PE 402的中间有一个额外的电连接的圆盘形电极(DSE)416，DSE和HPE都被设置在液晶单元400的外侧。尽管这种方法有助于避免短暂的分子取向缺陷(被称为向错)，也可以实现更好的控制电场分布500，但它仍然有几个缺点，其中包括WCL 414的制造问题。这是因为，仍然需要两个WCL(每个LC层各设一个)，或只使用一个WCL 414和控制电极(HPE 402，DSE416)，但WCL必须设置在相对远离TU E 104的位置，因为现在两个LC层412必须由相同的HPE 402和DSE 416电场控制结构进行控制。此外，需要有两个独立的连续可变的电压V1106和V2406来驱动液晶透镜400。因此，接地的TUE 104和HPE 402上的施加电压V1106可能会产生一个空间非均匀的电压分布和相应的光学倍率(示意性地如图5B中的实线500示出)。同时，在DSE 416上施加电压V2406，可能会产生一个均匀的电压(如图5B所示的由实线和虚线的水平线)，从而避免了向错的出现或允许光学倍率的连续控制和防止透镜400的像差。电压106或406的绝对值也仍然高于Naumov的方法中使用的电压206(由于顶部电极101的高度H造成的电极104/402间的额外距离)。最后一个方法由Ye等人发表的“低电压驱动液晶透镜”(“Low-Voltage-Driving LiquidCrystal Lens”，Japanese Journal of Applied Physics 49(2010)100204，RAPIDCOMMUNICATION)所公开，其中上下翻转顶部基板101，在电极上涂覆1μm的SiO2薄膜，并使用(如WCL 414)高电阻性的水性热固性涂料薄膜(TWH-1，三菱材料电子化学的产品)。最后，在双电压106/406的控制方案中仍然有一些明显的波阵面像差问题。
为了解决存在的像差(波阵面)问题，在本申请的背景文献WO2012/079178中，LensVector提出了另一种方法600，其中在Naumov的的设计的一对半液晶透镜200的两个正交偏振的液晶层212之间设置一个透明的浮置(非连接)导电层(一般圆盘型)，如图6所示的完整透镜结构600。浮置导电层618的使用明显地改善了波阵面轮廓(相对于佐藤进和Naumov的设计方案)和使用该LC透镜600的相机的调制转换函数(MTF)。此外，透镜600所需的唯一驱动电压206非常低，透镜600是频率控制的。
其他方法也被提出来以解决所有这三个问题(较差的WCL 214的生产重复性，高电压106/406和不合适的波阵面)。其中之一是桥本在“液晶光学元件及其制造方法”中提出的如图7所示的结构700，美国专利号US7619713B2，公开日：2009年11月17日。与Naumov的方法相比，这种设计的基本不同是不使用WCL 214。事实上，桥本提出了使用光学透明的多个同心环形电极718(CRSE)，通过高电阻率的“桥”720相互关联(如图7所示的侧视图和图8所示的顶视图)。这个“电阻桥”结构起着与WCL(214)同样的作用，用于在光圈上创造一个电压空间分布。这种方法的优点是，电阻桥720中的多个电阻值(R1，R2等)可以进行分别调整，以获得所需的波阵面。此外，需要使用两个小的电压V1206和V2706，应用于中心702和外部的环形电极202的外周，而TUE104接地，以驱动透镜700。
另一种方法800是博斯等人提出的，“可调谐光电液晶透镜和用于形成镜片的方法”，美国专利公开：US2011/0025955A1，2011年2月3日，如图9所示。除了使用电阻桥720(桥本所描述的)，该方法中还描述了多个单独控制的CRSE 818。然而，除了制造上的问题，该种镜片的动态控制将是复杂的(类似于液晶显示器)。
另一个多层环的方案是由Y Kato等人提出的，“自动聚焦的装置”，美国专利公开，US2007/0268417A1，2007年11月22日，中央DSE和外围HPE分别连接到电源，使用相应的电压V1和V2，而所有中间CRSE是通过电阻桥连接到DSE和HPE。这种方法还存在制造问题。
在上述提及的解决方案中，无论是电阻桥720或多个单独控制的同心电极718/818，都必须进行控制，以实现波阵面形状控制和限制较低的电压。然而，这些方法700/800也有显著的缺点。其中缺点之一是电场的突变，特别是在各个电极段718/818的周边。因此，在一个电极段718/818覆盖的区域中，电压是均匀的，而在这些电极段718/818之间会存在突变。这需要将电极段718/818之间的间距设置的非常小以使电压突变的影响降到最低。此外，由于波阵面的相对平坦区域会降低相机的MTF，因此需要非常多的电极段718/818。这反过来要求提高这些电极段718/818在电阻桥720上的制造精度，而对这些结构的电压分布的动态控制，也变得非常困难。
发明内容
对应于上面描述的问题，需要发展另一种方式以产生非均匀的电场，使透镜装置更容易制造和控制，同时采用低电压也能提供良好的光学质量。
根据建议的解决方案，采取一种不同的方法可以取得这样的效果。一种空间非均匀电场的生成方法及该装置的制造方法被提出，用于一个电可变液晶透镜或图像稳定装置。
本方案中提出了空间非均匀的电极结构，其能产生一个预定的空间非均匀电场分布，其中通过对有限数量的电极提供初始电压差，以形成多个不同的非连接的(或浮置)相邻的电极段之间的电容耦合，从而产生所期望的电场分布。
当电容耦合的电极段彼此完全绝缘，电压比可以是基本上独立于控制信号的频率的。这导致受电压控制的、电压的空间变化基本上固定的光学装置。在这种情况下，可能期望的是使用一个单独的均匀电极以提供一个电场源，它可以帮助在控制操作过程中液晶的取向。当电容耦合电极段彼此没有完全绝缘，一个RC电路形成，它提供了一个频率相关的电压比。这可以允许频率来控制加在装置的光通孔上的电压的空间变化。
在一些实施例中，所连接的(供电的)电极之一是均匀的透明电极(例如ITO)，其具有电压UTUE；第二连接的电极是一个孔型(或环形)电极，其具有另一电压UHPE；其余的电极段i是非连接的(即浮置)，并且具有递减的电压U i，它的数值取决于它们相对于相邻电极的位置(放置在相同的或者另一个平面内)，还取决于在双层浮置电极段(具有电压UHPE，U1，2，3...)和所述具有电压UTUE的透明均匀电极之间的中间分离层。
中间分离层也可以包括具有复数(实部和虚部)的介电常数的材料。
空间非均匀的电极结构可以包括两个平面上的多个浮置的同心的电极排列，这两个平面被具有实部和虚部的介电常数的材料层分离，且形成不同的浮置电极区的电压Uup，m和Udown，m+1之间的预设电耦合度(m区在上层和m+1区在底层)。
多个浮置的同心电极排列可以设置在一个均匀的透明电极(具有电压U1)和另一个具有可变电压Uv的均匀的透明电极之间，介电(绝缘)层被放置在双层的浮置电极段和两个均匀透明电极之间。
在一些实施例中，液晶透镜或光学装置中的液晶单元具有：优选平面的单元壁；至少一个、优选两个的单元壁上的取向涂层；与单元壁相接触的液晶材料；一个电极结构，其具有：由至少一个绝缘层隔开的多个电容耦合的电极段；一个对置电极；其中，可以由在液晶单元内的电极段和对置电极产生一个电场；其中，在多个电极段的第一个电极段上施加一个电压，可以在随后的电容耦合的所述多个电极段上产生递减的电压，其特征在于：所述电极段的排列对应于液晶单元的光通孔上的所希望的电场空间分布。电极段之间的重叠量和由基本绝缘层所提供的分隔，通过电容连接，决定了被连接的一个或多个电极段到未连接的一个或多个电极段上的电压分布。在这种方式下，可以通过电压的空间分布。上述电极结构可以设置在单元壁的内侧，以降低工作电压值。对置电极可以被设置为均匀的电极或电容耦合的多个电极段也可以设置为均匀的电极。
所建议的解决方案的一个方面是，液晶透镜或光学装置中的液晶单元具有：优选为平面的单元壁；优选的，单元壁上的取向涂层；与单元壁接触的液晶材料；电极结构，其具有：由至少一个绝缘层隔开的多个电容耦合的电极段；一个对置电极；其中，可以由在液晶单元内的电极段和对置电极产生一个电场；其中，在多个电极段的第一个电极段上施加一个电压，可以在随后的电容耦合的所述多个电极段上产生递减的电压，其特征在于：所述电极段的排列对应于液晶单元的光通孔上的所希望的电场空间分布。
所建议的解决方案的另一个方面是，一个偏振无关的液晶光学装置，其包括：在平面且大致平行的液晶单元壁之间的一对液晶层，每个液晶层被夹在所述单元壁的一对相应的取向层之间，每对取向层根据每个相应的液晶层所对应的取向方向，选择预定的液晶分子取向；所述的取向方向被设置为基本上彼此正交，用于提供一个可偏振无关地操作的所述液晶光学装置；每个液晶单元的电极结构，其包括：在所述液晶层之间的一个环形电极，每个环形电极限定一个光通孔；每个光通孔内的第一组多个电容耦合的浮置电极段；在相应的液晶层的相对侧的对置电极；在所述环形电极之间的至少一个电场控制结构提供所述的电容耦合，而由在液晶单元内的电极段和对置电极之间产生一个电场；其中，在所述环形电极上施加一个电压，可以在随后的电容耦合的所述多个电极段上产生递减的电压，其特征在于：所述电极段的排列对应于液晶单元的光通孔上的所希望的电场空间分布。
附图说明
本发明通过参照所附的附图和下面详细的描述实施例，将得到更好的理解：
图1A是示意性地表示了现有技术中，液晶透镜(具有偏振相关性，“半”透镜)使用“外部”(相对于液晶单元)环形电极配合透明均匀电极，两电极设置的“足够远”，且由一个可变的电压V1驱动；
图1B是示意性地表示了现有技术中，在图1A中所描述的几何形状的透镜可以实现的空间不均匀(AC和B点之间)的电场电压分布；
图2是示意性地表示了现有技术中，液晶透镜(具有偏振相关性，“半”透镜)用涂敷在液晶单元环形电极内侧的高电阻或弱导电层，配合透明均匀电极，且由一个可变的电压V1和频率F驱动；
图3是示意性地表示了偏振无关的液晶透镜(“全”透镜)由两个图2中描述的液晶透镜旋转90度组成，其中使用两个弱导电层；
图4是示意性地表示了其他的偏振无关的液晶透镜(“全”透镜)，其中仅使用一个弱导电层；
图5A是示意性地表示了现有技术中，其他的液晶透镜(具有偏振相关性，“半”透镜)，其使用一个额外的圆盘形的电极和使用两个可变电压V1和V2来控制透镜；
图5B是示意性地表示了现有技术中的电场电压分布，其中显示了仅连通环形电极的情况(实线)和同时连通圆盘形电极的情况(由实线和虚线组成的水平线)，V1＝V2；
图6是示意性地表示了与偏振无关的液晶全透镜，使用一个共同的浮置导电层来校正光的波阵面；
图7是示意性地表示了现有技术中偏振相关的液晶半透镜，其使用多个透明的同心环电极，其中一部分形成电阻桥接耦合，其他的被连接到电源；
图8是图7的现有技术的透镜的俯视图；
图9是示意性地表示了现有技术中偏振相关的液晶半透镜，其使用多个透明的同心环电极，这些电极被连接到电源，且单独地控制；
图10是示意性地表示了本申请所建议的电容耦合的解决方案；
图11是示意性地表示了电容耦合的设置；
图12是如图11中的本申请的方案的实验设置和电容耦合的理论数据的比较；
图13A是示意性地表示了本申请的偏振相关的液晶半透镜，其采用两个平面上的多个透明的同心环电极是浮置的(除了外部环和均匀底部电极)，且利用电容效应形成电耦合；
图13B是示意性地表示了顶部基板(图13A中使用的)上设置有两个平面上的多个透明的同心环电极，所述电极是浮置的(除了外部的环形电极)；
图13C是示意性地表示了图13B的上平面的环结构的顶视图；
图13D是示意性地表示了图13B的下平面的环结构的顶视图；
图13E是表示了如图13A所示的半透镜结构实验得到的清晰的光学倍率(单位为屈光度)；
图13F是表示了如图13A所示的半透镜结构实验得到的RMS像差(以μm为单位)；
图14A示出了偏振无关的全液晶透镜的几何形状，其使用图13A中描述的电容耦合的概念；分别制造了两个半透镜，然后按照其自身的分子轴旋转90度(在垂直的平面上)彼此连接；
图14B示出了偏振无关的全液晶透镜的几何形状，其使用图13A中描述的电容耦合的概念；然而仅使用一个共同的中间基板，其应用于两个液晶层，所述两个液晶层的分子取向位于垂直的平面内(旋转90度)；
图15A是示意性地表示了另一种类型的顶部基板(其可以用于如图13A所示的电容耦合透镜)，该基板不仅连接到两层多个透明同心浮置环电极，还连接到一个被电接通的均匀透明电极；
图15B示出了图13A描述的半透镜结构配合图15A引入的额外的透明均匀电极形成的光学倍率值(以屈光度为单位)与控制电压的关系图；
图15C示出了图13A描述的半透镜结构配合图15A额外的透明均匀电极形成的各种光学倍率值的波形(相对于径向/横向坐标)；
图15D示出了图13A描述的半透镜结构配合图15A引入的额外的透明均匀电极形成的实验光学倍率和RMS像差与图15A所示的透明均匀电极的控制电压的关系图；
图16A示出了图13A描述的使用电容耦合的偏振无关的全透镜结构配合图15A所示的改变过的透明均匀电极；分别制造了两个半透镜，然后按照其自身的分子轴旋转90度(在垂直的平面上)彼此连接；
图16B示出了图13A描述的使用电容耦合的偏振无关的全透镜结构配合图15A所示的改变过的透明均匀电极；然而仅使用一个共同的中间基板，其应用于两个液晶层，所述两个液晶层的分子取向位于垂直的平面内(旋转90度)；
图17A示出了本申请的方案采用的另一个几何形状，通过在相邻的同心环电极之间使用离散的桥接(在不同的方向取向)来形成电容耦合，而不是使用第二个平面的同心环电极；
图17B示出了另一个几何形状，通过在相邻的同心环电极之间使用离散的桥接(大致相同的方向取向)来形成电容耦合，而不是使用第二个平面的同心环电极；
图17C示出了另一个几何形状，通过在相邻的同心环电极之间使用一个单一的(具有一个轴的)“蝴蝶型”连接电极来形成电容耦合，而不是使用离散的桥接；
图17D示出了浮置的环形电极(在平面1内)和具有电压V1的蝴蝶型电容性电极(在平面2内)的组合；
图17E示出了另一个几何形状，通过在相邻的同心环电极之间使用一个双(具有两个轴的)“马耳他十字”连接电极来形成电容耦合，而不是使用离散的桥接；
图17F示出了增加第三连接电极(在平面3内，施加电压V2)，其可以是蝴蝶电极之外的额外电极，其以互补的方式，在透镜的径向(横向)方向上控制电场分布；
图18A示出了另一种几何形状，通过使用一个高介电常数层，而不是第二平面内的同心环电极，在相邻的同心环电极之间形成电容耦合；
图18B是如图18A所示的半透镜中，多个不同的光学倍率的情况下，波阵面相对于径向(横向)的坐标的关系图；
图19A示意性地示出了分段的外部连接电极，其实现倾斜，图像稳定和额外的像差校正功能；
图19B示意性地示出了分段的顶部浮置的非连接同心电极结构，其实现倾斜，图像稳定和额外的像差校正功能；
图19C示意性地示出了分段的底部浮置的非连接同心电极结构，其实现倾斜，图像稳定和额外的像差校正功能；
图20A和20B示意性地示出了本申请所建议的解决方案的另一个实施例，双极型液晶透镜的几何形状的俯视图和剖视图；
图21示意性地示出了本申请所建议的解决方案的另一个实施例，另一个双极型液晶透镜的另一个几何形状；
图22是示意性地示出了本申请的技术方案中，光学倍率的光通孔的可变性；
图23A是示意性地示出了现有技术的液晶棱镜光学设备的几何形状；
图23B是示意性地示出了图23A所示的现有技术的液晶棱镜的在光通孔上的电压分布；
图24A和24B是示意性地示出了现有技术中的折射率梯度透镜引起的光束转向；
图25是现有技术中试图减少光束转向光学装置所需的电压；
图26是示意性地示出了本申请的技术方案的光束转向装置的几何形状；
图27是示意性地示出了本申请的技术方案的柱面透镜具有可变的光通孔；
图28是示意性地示出了本申请的技术方案中，如图26中所示的光束转向装置的几何形状的变形，其具有较大的孔径；
其中类似的附图标记是指类似的结构。
具体实施例
电容耦合光学设备的结构和操作
上述提到的技术问题可以由基于电容耦合的一种不同方法解决。图10示意性地示出了实现这种耦合的工作原理，采用两个设置的足够近的电极901/902，以实现其电压的耦合，电极901/902之间形成电容C(仅为举例)
C＝εrε0A/d，
其中，A是两个板的重叠区域的面积，εr是两块板之间的间隔材料(也称为“中间材料”)的静态的相对介电常数，ε0为真空的介电常数和d是板之间的间隔距离。
本申请建议的解决方案是从电连接的电极901到另一个浮置电极902的电压的耦合或转移。实验证实如图11所示，在距离接地电极d＝100μm的位置上设置两个电极，两个电极具有不同的重叠面积，其间被厚度0.5μm的介电材料SiO2分隔。如图12所示(理论和实验)，在顶部电连接的电极901上施加相同的电压V1，在浮置电极902上形成电压Vi，Vi与重叠的面积A的关系如图。
本申请的解决方案的第一实施例，基于电容耦合，新的液晶透镜的几何形状1000如图13A所示，通过对两个相邻的同心环结构1002/1003(设置在不同的平面上，设置在中间材料层1007的两侧)之间的耦合度的控制，实现电场的空间分布的控制。即，在TUE 104(在底部基板105的顶面上)和设置在顶部基板101的底部的外侧环形结构202(这可以被认为是一个HPE 202)之间施加一个单一的由驱动信号控制器控制的驱动电压1006。为了方便起见，该电极的平面被称为“平面2”，更接近液晶层的电极所在的平面，被称为“平面1”。并且，在图13A中描述的液晶透镜将只聚焦光的一个偏振方向，因此，几何形状1000所示出的是一个“半”透镜。
电压从HPE 202耦合到中间层1007的另一侧表面的最接近的环型电极(RSE)1003上。这种渐进(一步一步)的在平面1和平面2之间的电极段202/1002/1003的耦合可以由液晶透镜1000设计参数而设计和控制，例如中间材料层1007的厚度和复合介电常数，宽度值w和顶部(平面2)1002和底部(平面1)1003的环形电极之间的间隙g，它们具有不同的半径，如图13B，13C和13D所示。
在图13B的实施例中的重叠在每个电极段上是均匀的重叠。然而，可以理解的是，可以由RS E的一部分的重叠来形成耦合。例如，可以是RSE 1002/1003上一个沿径向(横向)延伸的凸出边缘互相重叠。
这种方法的优点是很多的。其中之一：没有区域是没有电极202/1002/1003的。总有一个电极段(平面1或平面2)面对着TUE 104。因此，相对于前面提到的电极段718/818的现有技术方案，电压变化更加平缓。此外，只需要一个电压206，以控制这样的透镜1000。还要注意的是，可以使用众所周知的技术，ITO电极以在光学上隐藏环形结构1002/1003，以增加所述结构1000中的光传输。
本申请的解决方案的实验确认，清晰光学倍率(COP＝电驱动下可实现的最大光学倍率与不加电压时的光学倍率之间的差异)相对于单一的驱动电压的关系图(图13E)，以及RMS像差相对于驱动电压的关系图(图13F)。需要注意的是，在一个建议的实施例中，为避免使用相对较高的电压(10V以上)，具有负残留(不可电控)的光学倍率的液晶透镜可以在不使用0V(低于液晶重新取向的阈值)或高于10V的电压的情况下，实现零光学倍率(远距离物体的成像)。
注意的是，在所建议的解决方案的另一个实施例中，所述中间材料层1007也可以具有不可忽略的复合介电常数(一个非常弱的导电层，V-WCL)，可以实现空间电压分布调整的频率依赖性。在这种情况下，可以使用低电压1006(不使用负残留的光学倍率)，因为电压可以是固定的(或减少其所需的可变范围)，并且通过改变驱动信号的频率而改变电场的空间形状，从而动态控制液晶透镜1000的光学倍率。为实现频率(例如，频率在100kHz的数量级上变化)控制电场，V-WCL的典型的薄层电阻值可以在105MΩ这一数量级。然后，在浮置环形电极之间形成最大的耦合效应的频率产生一个基本上均匀的电场(从液晶透镜1000的外围向中心)，该均匀电场使液晶层212的所有分子垂直于液晶单一1000的基板101/105取向，形成一个零光学倍率。然后，使用对应于较低的耦合效应的频率，这将实现类似透镜的电场和相应的更高的光学倍率。
还要注意，外部电极(HPE)202可以在双环结构1002/1003的较低的平面上连接到电源，而不一定是连接到位于顶部基板101和中间层1007之间的环形电极1002，而是连接到位于中间材料107和液晶层212(或它的取向层等)之间的环形电极1003，如图13B的侧视图。
在所建议的解决方案的另一个实施例中，两个如图13A中所示的半透镜1000通过两者的分子取向轴90度旋转后进行组装(例如，胶合)，如图14A所示。这使得具有两个正交的线性偏振方向分量的非偏振光可以具有相似的聚焦特性。每个线性偏振光被一个半透镜1000聚焦，从而形成偏振无关操作的“全”透镜。
此外，如图14B所示，可以将一个单一的中间基板101夹在两个电容耦合的同心环电极1002之间。然后，两个正交取向的LC层212中的每一个都可以在单一的共同的中间基板101的每一侧上制造。在这种情况下，可以减少印刷步骤和取向过程的数量，显著降低制造成本。此外，液晶透镜的整体厚度也可以减少。
在所建议的解决方案的另一个实施例中，如图15A所示采用一个额外的TUE 1011，方便起见，该层被称为电极“平面3”。在这种情况下，为了更好地控制电场的空间分布，使用一个额外的电压1006V2。电压206V1施加在先前所描述的双层电容耦合同心环电极1002/1003(仅施加在外部环202上)和底部TUE 104(此处未显示)之间，该电压206提供了空间上非均匀的类似透镜的电场，折射率调制功能和相应的所需要的高光学倍率。此外，为了控制透镜的轮廓，特别是以减少光学倍率向零(在V1不接近于零的状态下)，电压1006V2被施加到额外的TUE 1011上。在极端情况下，如果由该电极(1006)V2产生的电场比由环形电极202上的电压(206)V1产生的电场更强，然后整个光通孔(110)的LC分子(108)基本垂直于单元1000的侧壁表面取向，从而产生零光学倍率。
模拟确认了最后的实施例的性能。相应的模拟参数为：LC厚度L＝40μm，介电玻璃基板厚度为50μm(在附加电极和双环形电极结构之间)，W1＝170μm，g1＝30μm，W2＝g2＝100μm，中间介电材料的厚度＝1μm，介电常数＝8，HPE电极202电压＝5V，至少附加均匀电极1011电压V2是可变的。获得的光学倍率和波阵面的结果分别如图15B和图15C所示。相应的实验结果，清晰的光学倍率(屈光度)和RMS像差(微米)相对于电压V2(施加于额外的TUE)的关系如图15D所示。
在所建议的解决方案的另一实施例中，偏振无关的液晶透镜1100可以包括两个上述的半透镜1000，将其分子取向旋转90度(正交)，然后将两者胶合在一起，如图16A所示。
此外，可以采用一个单一(或公共)的中间基板1001，夹在额外的TUE 1011之间，邻接第一中间层1007(用于隔离或绝缘)，接着邻接电容耦合的双层浮置环电极结构1002/1003，如图16B所示。该技术方案采用更少的印刷和定位操作，降低了制造成本。
根据所提出的解决方案的另一个实施例，使用其他形式的浮置电极以提供电容耦合。即，上面提到的双环结构1002/1003可以被只有一层的同心浮置环电极1002(平面1)取代，从而在平面2内使用非同心圆的(例如矩形)电容桥1203，而实现电容耦合，如图17A。在这种情况下，中间材料1007设置在一层的环电极层1002和透明的(例如矩形)电容桥接电极1203之间，如图17A所示。电极1203的分布可以是不同的，包括均匀的圆周分布(图17A)或基板线性的排列(图17B)。由于矩形电极1203(相对于同心环形电极1002)的相对位移是给定的(水平)方向，这可以减小在同心环形电极1002的一侧的耦合重叠面积，制造过程可以简化，但同样的位移将增加相对方向的重叠面积。整体的重叠面积将保持几乎相同。由于每个环电极(1002)被认为是导电的，在该环电极(1002)上的全部电压分布将是相同的。
图17C示意性地示出了另一种实施例，其中通过使用一个单一的(具有一个轴的)“蝴蝶型”连接(电压V1)的电极结构1303(放置在平面2)，以替换离散的电容桥接1203，以和相邻的同心环电极1002(平面1)之间形成渐变的电容耦合。这种方法显著地降低了制造工艺的要求。
图17D示意性地示出了浮置的环形电极1002(平面1内)和具有电压V1(平面2内)的“蝴蝶”型电连接的电极1303组合，以形成电容性耦合。
图17E示意性地示出了另一个实施例，其中通过使用一个十字的(具有两个轴的)或“马耳他十字”连接(电压V1)的电极结构1403(放置在平面2)，以替换离散的电容桥接1203，以和相邻的同心环电极1002(平面1)之间形成电容耦合。
图17F示出了增加了第三电接通的电极1503(平面3和施加电压V2)，其作为蝴蝶电极1403外的额外电极，形成互补的方式以控制透镜径向(横向)方向上的电场分布。这种情况下，通过设定电压V1和V2，可以获得沿着透镜表面的均匀的电场分布，从而形成零光学倍率。
所建议的解决方案另一个实施例中，一个具有高介电常数的材料1604替换了一个浮置环形电极层1003。如图18A所示，电场控制层1009仅由一层浮置多个同心环形电极1002和覆盖其上的具有高介电常数的材料层1604组成。在这种情况下，模拟的结果(图18B)是，在相邻的浮置环电极1002之间的预定的电压耦合可以通过以下因素确定：环形电极的数目，它们的相对间距(g)，宽度(W)，厚度和高介电常数层1604的介电常数，以产生对应于各光学倍率值的所需的波阵面，如图18B。
在所提出的解决方案的另一个实施例中，使用电连接的电极202的额外圆周分隔段(图19A)和浮置的电极结构1002/1003(图19B和19C)，以产生非中心对称的、非对称的、非球面或倾斜等形式的波阵面，以实现各种功能，如额外的像差校正、倾斜或光学防抖。其中四个子段被示出，但是本发明不限于此，六个，八个或更多的子段可以被采用以提供光学图像稳定和像差控制。适当的光学图像稳定控制器响应于光线穿过液晶透镜的图像特性和提供指令给每个子段对应的信号的驱动器。进一步的描述在美国专利申请US2012/0257131，其要求优先权为2009年12月23日提交的美国临时专利申请号61/289,995，全部内容都通过引用进入本申请。
在所提出的解决方案的另一个实施例中，使用平行取向的电连接的电极202和浮置电极结构1002/1003(而不是同心环结构)，以产生“柱面”透镜型的单个或阵列设备，以实现拍摄、2D与3D电视等。
在所提出的解决方案的另一个实施例中，使用下述的印刷方法以制造两层浮置的电容耦合的多个同心环电极1002/1003。根据不同的制造需要(单一的中间玻璃1001或分离的多片玻璃101)，此印刷方法可以应用到玻璃基板的一个或两个表面。一个非限制性的示例中，相应的制造过程可以从使用基板(玻璃，聚合物，陶瓷等)表面覆盖参数匹配的均匀ITO层开始，然后蚀刻(干法或湿法)或激光切除或其他工艺成形，然后覆盖一定厚度(例如，数百纳米)和一定介电常数的中间材料层。然后另一透明导电性电极层图案成形后沉积在其上，或均匀地沉积在其上，然后被图案化成形。
双极电容耦合透镜
如上的非限制性实施例中，光学倍率的变化是单极的，即只能是负的光学倍率或正的光学倍率。
在所提出的解决方案的另一个实施例中，通过使用和分割顶部均匀控制电极(UCE)1011为一个孔状电极(HPE2)1732和一个控制圆盘电极(CDE)1734，电容耦合的液晶透镜1700的光学倍率的调谐范围可以基本上被加倍，其中孔状电极(HPE2)1732和控制圆盘电极(CDE)1734可以设于相同基板表面，如图20A和20B所示，也可以设于不同的基板表面，如图21所示。
这些几何形状的液晶透镜1700具有双极功能，如图22所示，可以具有由负转变为正的光学倍率，反之亦然。H PE21732的直径小于如图13A和图15A所示的HPE1202的直径。该驱动方法包括：
对于正光学倍率的调谐，V_CDE＝V_HPE2，均小于V_HPE1；
对于负光学倍率的调谐，V_CDE大于V_HPE1，并且V_HPE2保持浮置或具有电压V_HPE2，且V_HPE1≤V_HPE2≤V_CDE。
柱面透镜，光束整形，光束方向控制和光束控制的光学设备
如果设备具有无需机械运动的动态光束控制的能力，许多现代的设备将大大受益。例如：成像，3D投影，LED照明，太阳能聚光等。液晶设备已被认为是这种光束控制装置的很好的选择。
现有技术试图基于折射或衍射的原理，制造包括液晶棱镜的光束控制装置。这种光束方向控制装置的基本组件的一个例子如图23A所示。图24A示出了在整个光通孔中，基态(非驱动状态)下，均匀的液晶分子取向分布。其中液晶分子(椭圆形108)均匀取向，左(L)和右(R)箭头具有相似的相位延迟，并且不会有转向效果。如果V1＜V2的电压差被施加到图23A示出的几何形状，整个光通孔(110)中的液晶分子会受到电压差的影响，如图23B所示。如图24B所示，相应的液晶分子实现梯度地取向。在这种情况下，左侧光线比右侧光线经历更多的相位延迟。如果液晶层具有正的介电各向异性，如果该光线的偏振方向在图纸的平面内，这一相位延迟的差将迫使入射光束倾斜(如棱镜)。
通过使用下面的简化公式(电可变折射率的倾斜原理)，可估计倾斜的程度：
θ(deg)≈(180/π)Δn d/CA
其中Δn为棱镜的左(L)和右(R)角的折射率之间的差异。
通过将V1和V2电极设置的足够远离液晶层112和底部均匀ITO电极(参见顶部基板的厚度H)，可以获得可接受(平滑)的梯度以实现光束转向。顶部的两个电极(102A和102B)之间的距离决定了光通孔，而顶部电极(102A和102B)和底部电极(104)之间的距离决定了电场的分布。需要指出该几何形状的两个问题，电极间远的位置设置增加了所需要的电压值和电极102A与102B的位置决定了一个固定的光通孔。
类似的现有技术的液晶透镜方案如图2A所示，而如图25所示，如果将光束转向控制装置的几何形状中的电极102A与102B放入液晶单元中(更接近底部的均匀电极)，如图25所示，所需要的电压可能会显著减小。然而，为了避免电压和电场分布的空间突变，必须将弱导电层(WCL)214沉积在电极102A与102B上。然而，重复地生产这样的WCL 214(通常为半导体)是困难的，因为所需的薄层电阻通常处于材料的逾渗区，制造参数的变化会明显地改变薄层电阻。其结果是产率下降和成本增加。
如图7和图8中所示的液晶透镜700，图中绘出了现有的液晶透镜的几何形状，其中采用线性电极，而不是中心对称电极，其中多个线性电极通过精确设计的电阻桥720相互关联。一些中间电极可以被额外地主动控制。然而，这种结构的制造也很困难。
根据所建议的解决方案，提出了在线性电极结构之间使用电容耦合，如图26所示的截面图，两个线性电极结构被沉积和蚀刻在两个不同的平面上，由隔离层或绝缘层分隔。为简洁起见，需要指出，图26中示出的截面图中的图像和操作与图13A是相似的，除了各个电极段是在垂直于横截面方向上是线性延伸的，且图13A中的HPE电极202被替换为电极202A及202B，其上被分别施加电压V1与V2。相对于图13A，其工作原理也适用，并且由于几何形状的差异，本方案的液晶分子受到一个逐渐下降的电压控制。肯定的是，液晶透镜光线装置所具有的几何层的结构，比照也适用于柱面透镜，光束方向控制装置，光束控制装置，光束整形装置等，如下述截面图所示，图10、11、12、13A、13B、13C(关于柱面透镜的光学倍率)，13D(关于柱面透镜的光学倍率)，13E(关于柱面透镜的光学倍率)，13F(关于柱面透镜的光学倍率)，14A、14B、15A、15B(关于柱面透镜的光学倍率)，15C(关于柱面透镜的光学倍率)，15D(关于柱面透镜的光学倍率)，16A、16B、18A、18B(关于柱面透镜的光学倍率)，20B、21和22(关于柱面透镜的光学倍率)。
具体回到光束方向控制装置，最左端电极202A和最右端电极202B被施加电压，而它们之间则会形成电压降。在所建议的解决方案的另一实施例中，可以通过主动控制中间电极(不是电容耦合作用下的浮置电极)，以实现一个可变的光通孔1810。也就是说，对于给定的几何形状和材料，如图27所示，通过从端部的电极202A或202B之一开始选择一系列的线性电极，两个端部电极都被施加相同的电压而激活，其间的电压形成衰减，从而决定电极202A和202B之间光通孔方向上的距离。参照图27，如果只有电极202A和202B被驱动，则光通孔1810在电极202A和202B之间延伸；如果电极202A和电极y被相同的电压V1驱动，而电极202B被电压V2驱动，那么光通孔1810Y在电极y和电极202B之间延伸；如果电极202A，y和x被V1驱动，而电极202B被V2驱动，则光通孔1810X在电极x和202B之间延伸。另外，光通孔可以在装置制造后选择，并且，最重要的是，液晶材料存在的光学异向性可以通过所需的光通孔1810被传递(和充分地利用)。
两个可选择的参数是起到相反的作用的。希望得到一个更大的光通孔1810以增加入射光的进光量，然而对于相同的层厚度，如图26中电极202A和202B之间的更大的间距会形成电极202A和202B之间的更加平滑的电场下降，因此根据上述方程，或得到一个较低的最大转向角。使电极202A和202B更加接近，可以增加转向角的角度，但是代价是获得更少的进光量。根据所建议的解决方案，如图28所示，由多个共同控制的LC区域1912组成的光束方向控制装置1900提供一个大的光通孔1910，同时获得一个较大的光束转向角。特别是，如图28所示，除了两端部的线性电极202A和202B，可以对光通孔1910上的线性电极施加如图的相同电压V1和V2。一些电容耦合的线性电极被设置在被驱动的线性电极之间。在每个液晶区域1912中的被驱动的线性电极之间的间距越小，使得光束的偏转角越大。还认识到，被驱动的电极还使液晶区域1912之间产生尖锐的电压差。为了减少这些间隙区域的光散射，可以采用可选的单元壁1960。作为非限制性的特征，单元壁1960可以是透明的或吸光的。
虽然上述实施例中主要描述了液晶取向与电场的配合设置，而双频率的液晶设置也是已知的，用于在一个范围内的电场的频率使液晶取向，使液晶在另一个范围内的电场的频率时形成正交方向的取向。在某些情况下，通过使用特定的频率，使液晶的取向返回到接近基态的状态，从而实现更快的操作。

Claims (20)

1.一种液晶透镜或光学装置，其包括：
液晶单元，其具有：
单元壁，其具有取向表面；
与单元壁接触的液晶材料；
电极结构，其具有：
多个电容耦合的电极段，由至少一个绝缘层隔开，提供透明光通孔；
对置电极；
其特征在于，由所述液晶单元内的所述电极段和所述对置电极产生一个电场；
在所述多个电极段的第一个电极段施加电压，以在所述多个电极段中随后的一个或多个电容耦合的电极段上产生减小的电压；
所述电极段的设置对应于所述液晶单元的光通孔上的所希望的电场空间轮廓。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学装置是柱面透镜，所述电极结构包括多个基本平行的电极条，电容耦合的所述第一电极段包括外侧的平行的电极条。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学装置是液晶透镜，所述电极结构包括一个大致圆形的孔，所述多个电容耦合的电极段包括多个基本上同心的电容耦合电极段。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，每个电容耦合的电极段进一步包括用于使所述光学装置对波阵面进行控制的圆周形子段，优选的，进一步包括控制器，其被设置为向所述子段提供随时间变化的调整电压，以实现光学成像稳定。
5.如权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述的多个电容耦合的电极段被分隔为位于两层的第一段和第二段，其由以下的一个进行分隔：设置在所述所述第一组多个电容耦合电极段上的一个绝缘层或一个高介电常数层。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，第二组多个电极段的每个电极段都与相邻的第一组多个电极段中的电极段部分重叠。
7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述的电极结构包括以下的其中一个：
在一个基本上平的透明导电电极层上的电介质基板；和
在一个基本上平的透明导电电极层上的绝缘层。
8.如权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，接收所述电压的所述第一段包括以下的其中一个：
一个蝴蝶形、电导通的透明电极，其与其他电极段部分重叠，所述部分重叠随着所述光通孔的位置而变化；和
一个第一马耳他十字形、电导通的透明电极，其与其他电极段部分重叠。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述电极结构包括与所述第一马耳他十字形电极在方向上互补的第二马耳他十字形电极。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述基本上平的透明导电层进一步包括：一个环形电极和该环形电极内的一个圆盘形电极，以实现所述光学装置的双极性工作。
11.如权利要求1-10中任一项所述的装置，包括两个所述液晶单元布置成作用于光的两个线性偏振方向，所述电极结构被布置为提供横跨所述两个液晶单元的光通孔的所需电场空间分布，优选地，其中所述的电极结构布置在一个所述单元的壁内部，并且为所述两个液晶单元的每一个分别设置。
12.如权利要求11所述的装置，包括四个所述液晶单元，设置以提供两个单元，其具有所述线性偏振的每一个的相反的平行液晶取向。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述电极结构被布置在所述单元的壁内部，并且为所述四个液晶单元的每一个分别设置。
14.如权利要求12所述的装置，其中具有所述相反的平行液晶取向的所述两个单元的每一个由一薄拉伸膜分隔和共享布置在所述单元的壁内侧的公共所述电极结构。
15.如权利要求1-14中任一项所述的装置，其中，所述绝缘层允许所述期望的电场空间分布是相对于应用于所述多个分段中的第一段的控制信号的频率基本上不变的函数。
16.如权利要求15所述的装置，还包括：覆盖所述光通孔的至少中央部分的电极，用于形成区分于所述电极段的电场。
17.如权利要求1-14中任一项所述的装置，其中，所述绝缘层提供了少量的导电性，并允许所述期望的电场空间分布是基本上受应用于所述多个分段中的第一段的控制信号的频率控制的函数。
18.如权利要求1-17中任一项所述的装置，还包括驱动信号的控制器，被配置以提供至少一个可变的电信号，其具有预设的电压和根据所需的可变的装置光学特性而定的频率，其中，优选地，频率用以控制装置的光学特性。
19.如权利要求1-18中任一项所述的装置，其中，所述装置是可调谐透镜，。
20.如权利要求1-18中任一项所述的装置，其中所述装置具有一个平的、平面的几何形状。
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