CN108474974A - 由光学各向同性液体形成的可电控光学元件、尤其透镜，以及用于基于液态复合物制造所述元件的方法 - Google Patents

由光学各向同性液体形成的可电控光学元件、尤其透镜，以及用于基于液态复合物制造所述元件的方法 Download PDF

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Abstract

由光学各向同性液体形成的可电控光学元件、尤其透镜，以及用于基于液态复合物制造所述元件的方法。现有技术中已知在利用电光克尔效应的情况下以不同方式设计的用于调制光的装置。位于广泛的工业应用而言，与高工作电压相关，所述效应的非常强的温度依赖性是不利的。为了设计和制造此类可电控的光学元件，其基于电光克尔效应实现低阈值电压和工作电压、所述效应的最小化的温度依赖性以及低响应时间，从根据权利要求1的前序部分所述的可电控的光学元件出发：根据本发明所述克尔液体(K)具有由小棒状分子(5)和非小棒状分子(4)形成的混合物作为活性复合物，并且所述克尔液体(K)在薄层盒中在施加到基底(1)上的经结构化的或/和平坦的导电层(2)之间形成具有可预压制的、宽网眼的、各向异性的网络(9)的薄层，使得对应于电光克尔效应在没有电场、在工作温度范围RT内所述克尔液体(K)的所述活性复合物(4，5)的状态是各向同性的，并且通过电学上连续地设定电压U或者通过接通/切断电压U来产生由电压引发的所述光学元件的相位行程或折射率行程并且光垂直于电极穿过电极间隙。本发明属于可电控的光学元件领域。

Description

由光学各向同性液体形成的可电控光学元件、尤其透镜，以及 用于基于液态复合物制造所述元件的方法
根据权利要求1，本发明涉及一种可电控的光学元件，尤其一种由光学各向同性液体形成的透镜，并且根据权利要求9，本发明涉及一种用于基于液态复合物来制造所述光学元件的方法。
可调光学元件是当今重要的机械系统。所述系统沉重且庞大，并且由于使用机械驱动器等而容易出现故障并且通常过于缓慢。因此非机械的光学元件是有利的并且是当今开发的主题。虽然对于此类具有较小可用直径的光学元件，各种解决方案已经得以商业化，但是在较大孔径的情况下并非如此。
电光克尔效应(J.Kerr 1875)、二次电光效应或电双折射指的是出现随着外加场的电场强度以二次方增长的光学双折射。在此效应下，具有永磁性偶极矩的分子在各向同性液体中在电场中定向。通过定向，材料在场中变得在光学上有各向异性，其中，与在无电压状态下的各向同性液体相比，在场方向上形成更高的折射率并且与之垂直地形成更低的折射率。在克尔盒中，材料的折射行为和偏振行为被外部施加的电场改变，使得能够将电信号转化为光信号。横向于透射光的方向，在克尔液体中的电极板上施加电场。大多数情况下使用纯硝基苯作为克尔液体，其具有2.44x 10-12m/V2的克尔常数K，在室温下为液态，并且可以良好地与醇类、醚和苯混合。相比之下，硝基甲苯具有1.37x 10-12m/V2的克尔常数K，而水具有5.1x 10-14m/V2的克尔常数K。在所述的液体和处于厘米范围的通常的盒大小的情况下，在此需要几千伏特范围内的电压。克尔盒的前侧和后侧是由玻璃制成的、可透光的，由金属制成的侧壁形成电极板。
因此，克尔盒的工艺应用是以克尔液体(大多数情况下为硝基苯)作为电介质的电容器。将其设置在交叉的偏振器之间，所述偏振器的主光轴针对电场的方向各自倾斜45°。如果没有对盒施加电压，则光不能穿透这个组件。
而在电场中克尔液体变为双重折射的，即在场的方向上振动的光分量获得与垂直于场振动的光分量不同的传播速度。
因此在从克尔盒出射时在这两者之间存在相位偏移δ。而光量L通过此光学组件，所述光量与δ和在最有利的情况下出现的光量L0处于如下关系：
L＝L0·sin2δ/2
相位偏移δ根据以下关系依赖于场强E、电容器板之间的光路的长度l以及电介质的克尔常数B
δ＝2π·B·l·E2
由此L＝L0·sin2(π·B·l·E2)。
为了实质性提高克尔盒作为光中继器的灵敏度，从DE 555 249-A已知，除了在克尔盒中产生的、依赖于电压的相位偏移之外，还给予所使用的经偏振的光的子射束另外的不可变的相位偏移。为了产生所述另外的相位偏移，在光路中连接双重折射晶体板。
液体(如硝基苯)中存在的折射率差非常低，即便是施加在千伏范围内的电压时。由于长久已知的克尔效应的较小的幅度，在其基础上制造活性光学元件似乎首先就被排除了。因此，克尔常数(定量表示克尔效应的强度)对于硝基苯(Zinth,W.,Optik,Oldenbourg-Verlag,München,2011)仅为约2.44x 10-12mV2。
几十年来，人们一直重复进行实验来寻找具有比迄今为止使用的硝基苯更高的克尔常数并因此在更低控制电压下产生相同效果的液体。例如从DE 622 368-A已知一种克尔盒液体，其中将在室温下处于固态团聚状态的苯环双取代或三取代物放入溶剂中，其克尔常数处于硝基苯的数量级上。便利地，在此取代基NO2是优选的。根据DE 622 368-A使用例如以下项作为溶剂：
硝基苯
间硝基甲苯
邻硝基甲苯
作为待溶解的物质建议：邻二硝基苯，硝基苯胺(优选对位)，对硝基甲苯，邻氯硝基苯，氯二硝基苯1:2:3，二氯硝基苯1:2:3，α硝基萘，硝基萘1:8。
此外当前使用基于宏观定向液晶材料的元件。然而此体系具有如下缺点：其仅作用于光的偏振方向，相反具有与之垂直的偏振方向的光几乎不受影响。基于这一情况，将吸收性偏振器与此类元件组合。但是这必然导致了光量减小到小于50％。为了克服这一缺点，已经提出将两个(或更多个)构造相同的元件以正交定向彼此组合，这造成明显更高的耗费并且由于空间上的重叠造成另外的误差源、光学损失以及在元件相对彼此的准确定向方面的其他问题。
另外的各向同性LC状态是散射PDLC、低散射纳米PDLC体系和各向同性聚合物增强的各向同性蓝色LC相。这些状态的特征在于由聚合物基质和域边界导致的高开关电压。与反射元件(如LC相调制器)不同，所出现的残余散射在透射元件中发生干扰。
在具有高的偶极矩各向异性和小棒状分子形状的各向同性液体中可以实现明显更大的折射率差，使得存在高出多个数量级的克尔常数。例如对于高温下的液晶各向同性相已经显示出这点。
在液晶的各向同性熔体(J.Chem.Soc,Faraday Trans.2,1976,72,1447-1458/DOI:10.1039/F29767201447)中在略高于清亮温度下或者在聚合物稳定化的各向同性液晶(Appl.Phys.Lett.98,023502(2011)/DOI:10.1063/1.3533396)和聚合物稳定化的蓝色液晶相中可以测得明显更高的值。在此，测得了最高300x 10-12mV2的克尔常数。
然而，在此类体系中克尔效应的一大缺点是所述效应的非常强的温度依赖性，例如对于液晶5CB的各向同性熔体所描述的(Dunmur D.A.and Tomes A.E.,1981,Mo].Cryst.Liq.Cryst.76,231)。在聚合物稳定化的各向同性液晶中，温度依赖性可以变小，然而仅对于非常受限的温度范围而言(J.Phys.D:Appl.Phys.42(2009)112002/DOI:10.1088/0022-3727/42/11/112002)。在这些体系中的多个中，所需的高电压和长开关时间被证实为是不利的。
为了在光学消息传递或通信领域中创造与平面波导或光纤相组合的改进的电光元件(其适合于要求调制、缓冲、偏振控制和切换光信号的应用)，由WO 2004/046796-A1已知一种波导装置，所述波导装置包括光学波导核心和镀层，所述镀层光学耦合到所述光学波导核心上。所述镀层包括具有克尔效应介质的光学功能区，其中限定了如下形成的折射率：所述折射率响应于施加到所述光学功能区上的控制信号而变化。光学功能区的折射率低于在根据装置工作而定的光学波长和温度下光学波导核心的折射率。所述镀层包括光学功能区，所述光学功能区通过未极化的基本上各向同性或基本上各向异性的聚合物镀层介质来限定。尤其所述镀层介质是聚合物/发色团衬层，所述衬层的特征在于发色团迁移率，所述发色团迁移率足以使所述光学功能区能够经历被动的过渡，尤其在少于约一秒之内从基本上定向的状态过渡到基本上各向同性的状态。具体地，聚合物/发色团衬层包含至少约5重量％并且约20重量％的发色团并且被塑化，克尔效应介质包含选自聚碳酸酯、三元聚合物、PMMA和聚环己烷的聚合物。优选该发色团具有供体成分、带有共轭和/或芳香成分的桥接成分以及受体成分。具体地，在此给出了克尔效应介质的12种不同的结构式。此外，设置有控制器，所述控制器被配置为控制或调节波导装置的工作温度。聚合物镀层介质或者衬层介质的特征在于低于所述装置的工作温度的有效玻璃化转变温度。在此要考虑到，材料的有效玻璃化转变温度是发色团的重定向迁移率作为材料温度的函数显示出相对大增长的温度。电光材料的有效玻璃化转变温度可以借助于测量材料的电光响应行为而作为其温度的函数来确定。镀层介质具有可接受的程度的发色团迁移率和物理稳定性，其方式为向镀层介质结合了增塑剂或其方式为确保镀层介质的有效玻璃化转变温度低于设备的工作温度。具体而言，WO2004/046796的镀层介质的特征在于低于约120℃下至20℃的有效玻璃化转变温度。为了实现足够大的发色团迁移率，在镀层介质中设置有溶剂。在包含发色团和基础聚合物的聚合物镀层介质的情况下，适合的溶剂将发色团以及聚合物都溶解。在很多情况下，使用此类溶剂导致在室温或附近的适合的设备工作温度。借助于控制电极，在镀层的光学功能区中产生了电场区。替代地，控制信号可以实现热信号，其中镀层的光学功能区对热信号的大小进行响应。在任何情况下，波导装置都具有适合的控制器，所述控制器被配置为用于彼此独立地改变光学功能区的光学功能段的光学性能。
尤其对电光聚合物镀层或涂层施加控制电压还引发了在光学信号中的连续的相位偏移ΔΦ，然而这引发具有相同值的连续相位偏移、尤其以控制电压V方面的增高逐渐变小的方式(E大约为sin2Φ，其中有Φ＝BV2)。因此在180°的连续相位偏移ΔΦ的情况下，尤其随着控制电压V的大小增大，用于引发连续的180°相位偏移所需的连续控制电压增量的大小Vπ减小。为了通过180°相位偏差来操作马赫-曾德尔干涉仪(即具有两个臂的射束分配器，用于测量相位偏移或用于通过在干涉仪的一个臂中针对性的相位调制来调制光或用于依赖于波长的信号分离器(Demultiplexen))，在WO 2004/046796-A1的波导装置中需要约340伏特。然而，在约520伏特下的下一个180°相位偏移通过仅仅将驱动电压提高约180伏特来实现(520伏特与340伏特之间的差)。第三个180°相位偏移出现在约610伏特，仅仅增加了约90伏特。简单的外推导致如下建议：通过约3000伏特的预置电压，可以实现大约4伏特的Vπ驱动电压。通过改进聚合物镀层介质或涂层介质并且简化作为控制电极使用的电极的构型，可以尤其用约1000伏特的预置电压以小于5伏特的驱动电压实现180°的相位偏移。
电光克尔效应或泡克尔斯效应的在光学消息传递或通信领域的另外的技术应用是具有可电调节的折射率和可电调节的空间周期性的格栅作为输入/输出耦合器、波导耦合元件(接口)、模式/偏振转换器、模式/偏振过滤器、转向器或偏转器、反射器。为此由EP 1155 355 B1已知一种具有可电调节的折射率和可电调节的空间频率的衍射格栅，其中所述格栅包括：
-基底；
-在基底上延伸的电光结构，其中所述电光结构包括具有伸展轴线的波导；
-第一和第二电极结构，用于在其间产生电场，其中所述电场在所述波导中引起衍射格栅，其中所述第一和第二电极结构安排在所述电光结构的相反侧上并且各自在平行于所述波导的伸展轴线的平面中延伸，其中所述第一电极结构包括第一组和第二组指状安排的指形件，其中所述第一组指形件处于电势V0，并且所述第二组指形件处于电势其中V0是可变的，以设定所述衍射格栅的折射率并且在离散值之间切换所述格栅的空间周期性。
替代地，为了改变从外部入射的光，所述衍射格栅包括：
-基底；
-在基底上延伸的电光结构；
-第一和第二电极结构，用于在其间产生电场，其中所述电场在所述电光结构中引起衍射格栅，其中所述第一和第二电极结构沿着彼此叠置安排的平面彼此平行且平行于所述电光结构而延伸并且安排在所述电光结构的相反侧上，其中所述第一电极结构包括第一组和第二组指状安排的指形件，其中所述第一组指形件处于电势V0，并且所述第二组指形件处于电势其中V0是可变的，以设定所述衍射格栅的折射率并且在离散值之间切换所述格栅的空间周期性。
具体地，EP 1 155 355 B1的衍射格栅可以形成为，使其作为布拉格过滤器起作用或者所述格栅可以用于反射器功能的共线反向耦合，其中所述格栅作为有源光学过滤器用于分布式反馈(DFB，distributed feedback)激光器或分布式布拉格反射(DER，distributed Bragg reflection)激光器。
其他的实施方式涉及在用于光纤通信的波长分配(WDM，波分复用)的复用系统中的应用。所述格栅可以单独或与其他电光部件组合地用于构成整合式结构。所述格栅包括电光结构，例如由如LiNbO3的材料或电光聚合物构成的具有近似0.5至2μm的厚度和约5μm宽度的在基底上延伸的电光棒。第一和第二电极结构平行于伸展方向提供在电光结构的相反侧上。具有尤其类似梳状形式的第一和第二电极结构经受不同的电势，以便在其间产生电场并由此基于所得到的电场来产生周期性。纳米领域的现代制造技术使得具有亚微米指间距的指状电极结构成为可能。所述指状电极由透明的导电材料以及具有例如宽度a＝105μm和0.1μm的ITO厚度的铟-锡氧化物(ITO)制造。波导与电极指形件之间的间距用由介电材料(如SiO2)制成的缓冲层填充，所述缓冲层具有比波导的折射率更低的折射率。这个缓冲层构成电光棒之内形成的波导的罩层并且保护所引导的波免于与电极的有损耗的相互作用。
另外，在立体电视的技术领域中从DE 28 28 910-A1已知与偏光眼镜的棱镜型眼镜玻璃相关地利用电光克尔效应。为此，如此安排偏振装置并测量其尺寸，使得它在电视设备的显示屏的整个表面上延伸，其中其偏振平面是可旋转的，以便将偏光眼镜的左透镜或右透镜选择性地定向到所述偏振平面上。所述偏振装置的偏振平面的旋转优选通过克尔效应盒来实现，所述克尔效应盒由光学活性材料组成，所述材料取决于由控制电压源施加在所述盒的相反电极上的电压来旋转所述连续的经偏振的光的偏振平面。在此可行的是，交换左侧和右侧透镜的功能，其中在所述偏振装置的一个状态下，左侧透镜传输穿过偏振装置的光，而右侧透镜用作深色过滤器，而在所述装置的另一个状态下所述透镜阻挡或传输穿过所述偏振装置的光。此外还可以根据观看者的选择来选择左侧透镜或右侧透镜，使得它用作深色过滤器，从而能够允许图像根据观看者的希望而显得更近或更远。控制电压源可以取决于命令信号来提供所提及的电压，所述命令信号可以与电视信号(在再现电视信号的情况下)一起或者取决于在膜上显示的信号(在膜再现的情况下)来提供。克尔效应盒可以由PLZT(多晶镧改性的锆钛酸铅)或者其他已知的铁电陶瓷材料来制造。
无偏振的、可电调节或开关的光学透镜的另一个应用情景是视觉辅助或可开关的放大系统(望远眼镜)。经典的视觉辅助(包括双焦系统)越来越多地具备附加的功能。非常重要的方面是主动的(即智能的)及可开关或可调节的光学系统的发展。当前，这一发展还受到“头戴显示器(HMD)”的发展和用于飞速发展的“增强现实”领域的LC系统影响(AR是将现实世界的图像与计算机生成的信息进行组合从而用虚拟信息补充现实世界的图像的技术)。这种发展的基础是基于LCD的微显示器。在改变的形式中，这种技术还可以使光学其它领域发生变革并且导致替代经典折射元件如透镜、棱镜和其他无源元件。
在可个体化或可调节的透镜和扩展的功能性这两个方面，例如从EP 1 463 970B1已知一种带有镜架的双眼电子眼镜，其框架构型为防尘封闭的壳体，在所述壳体处铰接有托架，并且所述眼镜具有安排在所述壳体中的至少一个电子视频摄像机、物镜(其透镜向前看)以及CCD传感器。具体地，可电机调节的、安排在前侧的具有塑料制透镜和引导器件的透镜系统设置为通过弯曲和/或旋转来设定与电子摄像机处于连接的单独透镜。电控制装置与透镜系统和摄像机相连并且存储器与所述电控制装置相连，所述存储器具有用于双眼的手动预设值作为额定值，以便在工作期间匹配对视力缺陷和双眼间距的自动校正。视觉缺陷的校正通过设定透镜的折射率和/或聚焦(包括自动设定阅读距离或工作距离)来进行，其中进行受对比度控制的聚焦，其昂是为所述控制装置设计为永久地设定受对比度控制的聚焦。所述透镜系统由四个透镜和介于2.5倍与10倍之间的放大范围组成。
控制装置用于进行电机控制以及用于提高设定速度，在电机的从动侧安排有传动装置。为了提供能量，在镜架中安排有蓄电池并且在镜架处设置用于蓄电池充电状态的显示器。此外，设置与摄像机处于连接的接口电路，用于连接记录器件。另外在托架的区域中还安排有与显示器相连的无线接收器和/或呼叫接收器。在所述眼镜系统的第一次使用之前，眼镜佩戴者设定双眼间距并且在视力缺陷的情况下设定其屈光度。这些设置储存在系统中并且用作所有进一步的自动控制的过程的基础。对于在约25cm的阅读距离与直到无穷远的聚焦之间的缩放，调节到清晰之前仅仅花费几秒。机械式透镜系统能够将物体无级放大到2.4倍。物体自动清晰成像——无论通过按压按钮来设定的缩放的级数(类似于数码相机)。这种自动聚焦眼镜以由芯片控制的摄影机、电机和特殊的经表面处理的透镜形成的机电共效来起作用。其他的额外功能可以是记忆按键、麦克风、语音控制、托架中的扬声器、外部电池包、用于长期记录视频和音频的存储器以及聚光灯。
放大系统形成了此类多功能眼镜的一个重要的光学功能。常规的望远眼镜使用透镜系统来放大固定在眼镜下方区域中的所观察的物体。望远眼镜的特征在于固定的放大系统，其只能在整个视场的非常受限的区域中使用。一般而言，在放大系统中根据要求可以使用开普勒或伽利略式系统：伽利略系统直接实现直立且左右吻合的(seitenrichtigen)放大，而开普勒式系统的特征在于更大的视场。然而开普勒望远镜产生左右颠倒的图像，在有些情况下通过额外的光学元件(棱镜或透镜)来转换。如果放大系统的构造深度是关键的，则推荐伽利略望远镜。
迄今为止用于开发可调节光学元件、尤其透镜的原理是基于弹性膜与适当的流体的组合、液体透镜的电润湿原理或液晶的电感应重定向。在弹性体膜的情况下，向通过薄的弹性体薄膜构成的凹穴中泵入液体或将其释放到贮存器中，以便实现膜的曲率变化。膜透镜还可以整合到显微镜系统中(见Biomed.Opt.Express 5(2),645-652(2014)或Biomed.Opt.Express 5(6),1877-1885(2014))。但是这种机械式解决方案仅具有中等的开关时间，因为膜-凹穴在开关过程中必须用液体填充或被清空。此外，在高开关周期数下弹性体膜的稳定性还有待检验。此外，膜透镜的周边设备由于贮存器、泵和电机而相对庞大。还已经将基于膜透镜的可调节的视力辅助器推向市场，其中泵送过程手动地实施。此类系统自然是非常缓慢的。
基于电润湿原理的液体透镜形成了对膜透镜的替代方案。这些可控光学自动聚焦液体透镜的应用领域是智能手机、网络摄像头和其他应用。
透镜的可调谐的折射率的范围相当大并且从-12直到12屈光度，开关时间为20ms，对于一系列的应用而言足够快但对于机器视觉领域中的高频率而言还不够。然而，对于在机器视觉领域中的光学聚焦元件中的应用，在孔径、速度和分辨率方面还存在其他要求。在工业领域中用于聚焦的现有技术是物镜的机械聚焦。它由于待移动的质量(速度)以及在长期稳定性(机械元件的磨损)方面遭遇其限制。这个解决方案的缺点还在于，其无电压的状态不是光学中性的，而是形成散射透镜。另外，自由孔径与透镜元件的总直径的比受到限制，使得透镜元件主要都是环形的供电单元，尤其在头部应用中。
于是，基于电润湿原理的元件以及膜透镜由于其具有庞大的供电装置的构造形式以及由于其重量，不太适合用于混合式光学器件以及视力辅助器或望远眼镜。
基于液晶(LC-Liquid Crystal)的可开关透镜没有表现出这些缺点。基于液晶的可开关双眼镜一般基于由场引发的在经典折射透镜之内的液晶薄层的定向变化。通过折射率对比，在接通的状态下激活了应能够实现清晰近景的另外的透镜元件。在关闭的状态下，这种透镜元件不是活动的并且由折射透镜保证了清晰的远景。这些状态之间的切换可以手动或通过倾向检测器来进行。
对于在网络摄像头或移动电话中的摄影机中的应用，用透镜获得了仅几个毫米的直径，至大幅度简化了技术问题。在此的限制是所利用的效应的高度的偏振依赖性，这要么由于使用另外的偏振器降低了出光率，要么由于两个元件的替代性的正交组合而使元件的构造变得明显更耗费并且在制造中造成额外的误差来源。基于LC的透镜的优点在于，借助于所述透镜能够实现在完全没有机械元件的情况下完成的并且由此实现稳健且无维护的光学器件并且还造出构造深度和重量减小的例如望远镜系统或聚焦装置。
折射透镜中可能的折射率一般通过在光学上更致密与更稀疏的介质之间的相边界的曲率半径以及折射率行程来确定。类似的内容还适用于GRIN透镜(梯度折射率)，因为此类透镜也可以看作平面液晶透镜。在此，径向的折射率行程(从中心到边缘区域)，与直径相关地，是决定性的数值。在所有这些透镜类别中都适用：当介质的层厚度应保持不变时，所要求的透镜直径限制能实现的折射率。如果在确定的折射率下应提高透镜的直径，则也必须提高层厚度。然而这在液晶透镜的情况下导致所需的开关电压的二次方增长，同时开关速度降低。
这些限制只能通过衍射透镜或精确的相位区板来克服。与基于幅值调制的菲涅尔区板相反，相位区板利用波长的一半的相位偏移来实现透镜功能。因此，在相位区板中出光率明显更高，因为使用了全部的入射光而不是像幅值区板中那样仅使用一半。此外可以通过作为加伯尔(Gabor)全息影像(正弦形而非二进制形的区域过渡部)实施来将焦距的典型的周期性减小到某一焦距。
由无机材料制成的常规的刚性的光学元件，例如由玻璃制成的透镜或晶态的射束分配器，越来越多地被有机材料替代。前者虽然具有出色光学性能和高稳定性的优点，但是庞大并且特征在于高耗费的制造技术。有机材料明显更容易加工和处理，尤其容易结构化(注塑、压制、纳米压印、3D打印、激光结构化)。另一个非常明细的优点在于，许多有机材料对极端刺激(如光、电压、温度等)做出反应并由此永久或可逆地改变其物理性能。
电压引起的LCD中液晶的重定向是使用基于液晶的电光定向效应的可电开关和可电调节光学元件的最突出的实例。电压引起的弹性体的厚度或长度的变化(可用在作动器或可调谐格栅中)是另一个实例。由此，针对性地可调节的或对外界条件主动响应的主动光学系统或智能系统变得可能。
相对而言，偏振依赖性的问题可以通过宏观上在透射方向上各向同性的特定LC系统来消除。这涉及例如PDLC系统(聚合物分散的液晶)或具有蓝色相的聚合物稳定化的液晶(具有复杂3D结构的各向同性LC相)。然而，由于与聚合物壁的提高的相互作用，需要高开关电压。另外，由于相分离，还出现了透射光的提高的散射，这显著限制了这种基础解决方案对于成像用光学系统的适用性。在用于降低开关时间方面也做了大量工作，其中所述开关时间目前具有现有技术中的标称开关行程但是受限于亚微米范围。
液体中极性分子的电压引发的定向长久以来作为光学克尔效应就是已知的。然而，常规液体例如像硝基苯或硫化碳的克尔常数对于在透镜中的应用而言低了几个数量级而开关电压高了几个数量级。
在各向同性液晶中观察到了明显更高的克尔常数。开关时间处于一位数的微秒范围内或更低。液晶系统和常规克尔液体的这些问题中的一些可以通过液晶在其各向同性相中高于清亮点来克服。在此利用了在清亮点之上不远处在各向同性熔体中液晶的预定向效应。这导致无偏振的、快速开关且足够高效的克尔体系。然而非常重要的缺点是所述效应的极强的温度依赖性。总而言之，基于电润湿原理、LC定向或膜流体技术的所有变体在光学或几何参数方面都具有这样或那样的明显限制。
如先前的现有技术评论所显示的，已知在利用电光克尔效应的情况下以不同方式设计的用于调制光的装置。对于广泛的工业应用而言，与高工作电压相关，所述效应的非常强的温度依赖性是不利的。
本发明的基本目的在于，设计及制造一种可电控的光学元件，从而基于电光克尔效应来实现低阈值电压和工作电压、所述效应的最小化的温度依赖性以及低响应时间。
在根据权利要求1的前序部分所述的可电控制的光学元件方面的目的如下实现：所述克尔液体具有由小棒状分子和非小棒状分子形成的混合物作为活性复合物，并且所述克尔液体在薄层盒中在施加到基底上的经结构化的或/和平坦的导电层之间形成具有可预压制的、宽网眼的、各向异性的网络的薄层，使得对应于电光克尔效应在没有电场、在工作温度范围RT内所述克尔液体的所述活性复合物的状态是各向同性的，并且通过电学上连续地设定电压U或者通过接通/切断电压U来产生由电压引发的所述光学元件的相位行程或折射率行程并且光垂直于电极穿过电极间隙。
此外在用于制造根据权利要求9的前序部分所述的可电控的光学元件的方法方面的目的如下实现：
a)所述克尔液体具有由作为活性复合物的小棒状分子和非小棒状分子、反应性介晶、光引发剂和脂肪族单体形成的混合物，
b)所述克尔液体填充到设计为薄层盒的克尔盒中，
c)将所述克尔液体冷却到低于室温RT的温度T，在所述温度LC相形成垂直配向，并且
d)通过UV照射所述垂直配向层来产生自由基，所述自由基实现所述经定向的反应性半介晶的聚合，使得由在所述克尔液体中与所述脂肪族单体交联的介晶来产生宽网眼的、松散的各向异性网络，
使得在没有电压U、在工作温度范围RT中由具有大偶极矩的小棒状分子和双极的非小棒状分子形成的复合物再度为各向同性的，并且在施加电压U时所述复合物的分子在电场线的方向上定向。
在本发明中，将电光克尔效应(还参见互联网词典Wikipedia https://de.wikipedia.org/wiki/Kerr-Effekt)用在各向同性液体中。由此，它并不是指液晶状态。尤其在本发明光学元件的情况下，通过在可预压制的、宽网眼的、松散的各向异性网络的基础上的自组织来实现光学克尔效应的增强。由此能够以出人意料的方式通过使用本发明的复合物和本发明的制造技术(其在本发明的薄层盒中产生了特定的盒构型)来补偿。本发明的活性复合物的状态是在没有电场的情况下在工作温度范围内为各向同性。不存在可能导致散射的任何有序分子的域或微域。尤其产生了固定的介晶簇，所述介晶簇同样是前体混合物(即用于另外的合成步骤的起始材料)的组成部分。它们提高了克尔效应并且使所述效应的温度依赖性最小化。所有的复合物保持在液态、各向同性的状态。
以此为基础的本发明光学薄层元件是电学上连续可调节的或替代地在限定的状态之间可开关的相调制器、透镜和视力辅助器。其特征在于，它们是光学上各向同性的，即它们是无偏振的且无散射的。它们用电光活性复合物实现，所述复合物可以在透射方向上无偏振地使用并且其特征在于高的电感应相位行程和/或折射率行程。尤其对于视力辅助器的应用情形，直流电压U的工作电压范围介于15V与40V之间、优选介于25V与30V之间。
借助于本发明的方法，基于薄层盒用新型的电活性液体制造了无偏振的、可电开关的光学元件，所述液体的定向通过各向异性聚合物网络中的极性小棒状分子的相互作用来增强。通过分子设计和因为自组织的克尔效应增强，在短开关时间和小电压下实现了明显更高的折射率调制或相位行程。可电开关或可电调节的透镜尤其视力辅助器的实例为：
a)用于视力辅助器的可快速电开关的光学独立元件
b)可调谐的单独可调节的实例辅助器
c)用于望远眼镜的可开关的放大系统
在本发明的改进方案中，根据权利要求2，所述薄层盒具有两个玻璃基底或聚合物基底，其内表面分别设置有导电的ITO电极作为导电层并且在所述导电层上设置有定向层，借助于混合到冷却的克尔液体中的光引发剂、脂肪族单体和反应性半介晶，通过施加电压U和UV照射克尔液体来将小棒状的分子定向而进行用于宽网眼的、各向异性的聚合物网络的预压制。
本发明的这个改进方案具有以下优点：以出人意料的方式可以在分子骨架的大约一半中设计为介晶，并且其特征在于与复合物的半介晶的突出的相互作用，并且分子骨架的大约另一半是非介晶的，其中偏离小棒状结构不降低介电各向异性的强度。
在本发明的一个优选实施方案中，根据权利要求3，导致垂直配向的定向层包含可光交联的或可光聚合的基团，并且所述各向异性网络共价地固定到所述两个基底界面上，由此即使在所述克尔液体通过将温度提高到接近室温RT的工作范围内而各向同性化时也使所述网络保持在其各向异性形式。
本发明的这个实施方案具有以下优点：以出人意料的方式增强了对准层垂直配向作用(也就是，分子垂直于基底取向)并且将薄层盒中的网络固定在这两个基底界面处。
其他的优点和细节可以从下文中参考附图对本发明优选实施方式的描述中得知。在附图中：
图1示出可电调节的光学元件的优选实施方式，左侧处于初始状态，右侧在预压制之后，
图2示出在接近室温RT下根据图1的光学元件，左侧没有用电压U加载而右侧在施加电压U之后，
图3示出各向同性克尔复合物的组成，
图4示出半介晶的优选实施方式的结构，并且
图5a、5b示出多维各向异性网络的实施方式。
图1至图2示出可电控的光学元件的一个优选的实施方式，尤其用于阐明本发明克尔液体K的各向同性复合物的克尔效应，所述克尔液体基于各向异性网络9中的小棒状分子5和非小棒状分子4的混合物。在此，下文中液晶+半介晶理解为各向同性混合物，各向同性混合物+反应性介晶+脂肪族单体+光引发剂+其他理解为前体混合物，并且前体混合物+UV照射理解为(本发明的)复合物如在附图3中所述。
本发明的克尔液体K的复合物4、5的特征在于具有大偶极矩的小棒状分子5以及非小棒状的偶极分子4(其阻止例如液晶相的有序状态的形成)、可光交联的单官能、双官能和三官能分子尤其反应性介晶8、以及光引发剂6的适当组合。光引发剂是在光解反应中吸收(UV)光之后分解并因此形成开始(引发)反应的反应性物质的化合物；在本发明的克尔液体K的背景下是聚合。反应性物质为自由基或阳离子。其中其他的组成部分，如明显改进所希望的性能的具有非共价相互作用的分子和固定的介晶簇的分子。
非小棒状的偶极分子(半介晶)4在室温下或在工作温度范围RT下抑制液晶相的形成。其功能在于实现小棒状分子5的液晶相的清亮点降低。
此类平衡的清亮点降低例如可以通过庞大的侧翼基团，即侧向取代基、通过更小的长/宽比、尤其通过偏离小棒状结构而实现。
另一方面，如此设计半介晶4的分子构型、其分子交互作用及其浓度，使得在低于工作温度范围(T<RT)的低温度下允许形成混合物的垂直配向。分子骨架的一半是半介晶并且其特征在于与复合物的介晶的突出的相互作用，并且另一半是非介晶。其中偏离小棒状结构不降低介电各向异性的强度。但是这些分子的特征还在于尽可能高的偶极矩，由此它们对复合物的克尔效应的强度有贡献。
通过对垂直配向层的UV照射(优选用UV功率二极管)产生了自由基，所述自由基实现经定向的反应性介晶8的聚合。获得了宽网眼的、松散的、各向异性网络9。在室温下或在工作温度范围RT下，由具有大偶极矩的小棒状分子和非小棒状的偶记分子形成的复合物再次变为各向同性的。如果施加电压U，则复合物4、5的分子在电场线的方形上定向(垂直配向，也就是垂直于基底表面)(见图1左侧)。
在一个实施方式中，导致垂直配向的对准层/定向层3包含可光交联的或可光聚合的基团。在此情况下，各向异性网络9共价固定到这两个基底界面上，由此即使在由于将温度提高到工作范围(接近室温)RT而使复合物4、5各向同性化时所述网络仍以特殊程度保持其各向异性形式。
基于聚合物的各向异性基质或各向异性网络9用于支持电作用的开关状态并降低开关电压。通过特殊的方法在活性材料的前体混合物4、5中产生所述基质或网络。通过产生辅助性的网络9，没有引起宏观上可感知的相分离，而在聚合物稳定化的蓝相、聚合物稳定化的各向同性相以及各向同性的聚合物分散的相中存在相分离。
宽网眼的、各向异性的聚合物网络9通过其定向功能(本体对准、定向层3)实现了更好的温度常数、小开关电压以及通过自组织对光学克尔效应的增强。
在极端情况下，在施加足够高的电压U以及复合物4、5的准确匹配的组合的适合的分子间相互作用时并且只有这样才形成液晶相。
为了通过稳定(因为固定了克尔液体K中的顺序)获得了更小的温度依赖性，可以用具有在宽网眼的各向异性聚合物网络9中的具有大偶极矩的形状各向异性分子的纳米级簇和纳米颗粒实现各向同性复合物的克尔效应。为此将形状各向异性分子4的纳米级簇和纳米颗粒(通过共价键或分子间相互作用固定在其有序的排列中)作为前体混合物4、5的组成部分来使用。此类纳米级各向异性簇和纳米颗粒扩展了基于各向异性网络9中的小棒状和非小棒状分子4、5的混合物的各向同性复合物的克尔效应的上述方式。不同之处在于，具有大偶极矩5的小棒状分子以纳米级簇或纳米颗粒形式固定在有序排列中而存在(类似于在略高于向列相的清亮点群落的预排序效应)。此类簇和纳米颗粒是纳米级大小的(1nm至200nm，优选5至20nm)。由于纳米级的大小，它们不能产生复合物的散射。具有反应性基团的小棒状分子(反应性介晶)5可以通过光聚合固定在所形成的小液滴、纳米颗粒或在略高于清亮点的向列预排序群落中。替代于通过共价键固定，也可以通过非共价的分子间相互作用(H桥键、离子相互作用和ππ-相互作用)来进行，这同样造成稳定有序的纳米级分子排列。将此类分子簇或球形和非球形纳米颗粒分散在前体混合物4、5中。所获得的复合物是各向同性的非散射的液体。
基于形状各向异性的有序固定的簇和纳米颗粒一方面实现了通过其高稳定性的定向排序提高克尔效应并且尤其使在溶液或高于清亮点的LC材料中克尔效应的显著的温度依赖性最小化。
为了通过在克尔液体K中的分子间络合物形成和预排序效应的不同温度依赖性而获得更小的温度依赖性，可以通过在宽网眼的各向异性聚合物网络9中的分子间相互作用来实现基于络合物形成而产生的具有大偶极矩的形状各向异性分子5的各向同性复合物的克尔效应。为此首先通过分子间相互作用，例如像H桥键、离子相互作用和ππ-相互作用(例如像吡啶/酸、酸/酸等)构成具有大偶极矩的小棒状分子5。分子间相互作用和预定向效应的不同的温度依赖性用于稳定所述效应。对应于基于小棒状和非小棒状分子4、5的混合物的各向同性复合物的克尔效应的上述方式，小棒状分子5的排序倾向可以通过非共价的分子间相互作用而提高。
据此，电压引发的排序或增强效应通过自组织实现，这导致高克尔常数。
为了通过在克尔液体K中的分子间络合物形成和预排序效应的不同温度依赖性而获得更小的温度依赖性，通过由分子间相互作用形成的非形状各向异性分子实现了各向同性复合物的克尔效应的热稳定化。在此非小棒状的半介晶4首先通过分子间相互作用(例如像H桥键或离子或ππ-相互作用)构成。通过构成半介晶4，在室温下或在工作温度范围RT中生成各向同性相。温度提高导致非共价相互作用的减弱并且络合物被(部分分解)。以此方式，其浓度变小并且可以控制排序倾向。热引发的络合物分解(也就是减少的例如H桥键的形成)消除了由于络合物形成导致的电荷的混乱，并且碎片获得了更高的偶极矩。以此方式，复合物随着温度的提高获得了更高的介电各向异性并且克尔效应得到支持。
在使用本发明的活性复合物4、5及其在结构化的或/和平面电极2之间的薄层中的应用的情况下，可以实现多种多样的应用：
-折射和衍射型光学元件，
-电学上连续可调节的或在两种状态之间可开关的透镜，
-电学上连续可调的且可局部改变的透镜(校正透镜，非球形透镜)，
-局部并且在效果上连续可调节的视力辅助器或者在两种状态之间可开关的视力辅助器(可接通的近视部件)，
-可电控的衍射格栅，
-不依赖于偏振的相调制器。
下面将参照图1和图2详细描述本发明的可电控的光学元件。
盒基底1：
盒基底可以由玻璃或塑料制成。基底可以是平坦的或凹形的或凸形的或者还具有微透镜。基底1以几个μm的均匀间距被间隔物(玻璃或塑料纤维件或者小球或者光刻印刷生产的聚合物结构)固持。这两个基底1被光学器件粘合剂固定在朝向彼此的端面上。
电极2：
玻璃或塑料基底1设置有透明电极2。所述电极优选为由ITO、金属或导电聚合物(通过溅射、蒸镀、印刷等施加到基底1上)制成的电极。电极2可以是大平面的或结构化的，其中结构化可以通过在施加电极时借助于掩膜通过印刷来进行。替代地，在本发明的背景下可以将大平面电极结构化。
定向层/对准层3：
在ITO电机2上施加对准层3的薄层(20nm至1μm)，所述薄层在低温下或低于工作温度范围(T<RT)时实现复合物的垂直配向。为此，在本发明的背景下使用如聚酰亚胺、聚乙烯醇、光敏聚合物、卵磷脂等。任选地，对准层3包含可(光)交联的基团，所述基团实现反应性介晶或由其构成的网络9的共价结合。
复合物4、5：
复合物在接近室温RT的工作范围内是各向同性的。借助于定向层通过界面定向在低温下实现各向异性状态。这种各向异性的中间状态仅仅对于通过反应性介晶5的光聚合来制造各向异性网络9而言是必需的。然后，在工作温度范围RT中，再次实现了极性的小棒状的和非小棒状的分子4、5的各向同性状态。
在本发明的可电控的光学元件的制造过程中和工作时的状态为：
1.在基底1之间的复合物混合物4、5在室温RT下的各向同性的初始状态。
2.在光聚合之前低温下的垂直配向状态(见图1左侧)。
3.具有通过在低温下的光聚合产生的各向异性网络的垂直配向状态(见图1右侧)。
4.通过切断电压U而在室温RT下具有各向异性网络的各向同性状态(见图2左侧)。
5.通过施加电压U造成的复合物的定向。所述定向通过各向异性网络9来支持(见图2右侧)
通过将混合物与新型高Δn材料、设定或分解有序性并且对克尔效应有贡献的成分、以及在原位的各向异性聚合物网络9的生成相组合，针对典型液体中的克尔效应的使用，本发明的复合物具有不依赖于偏振的光学性能的电压引发的调制上的显著提高。在此，复合物由不同的功能成分构成：
一方面是具有大偶极矩的小棒状分子5，其在工作温度范围内的排序倾向通过具有受限的介晶性(半介晶4)的偶极分子来降低。半介晶4在此具有决定性作用，因为它们基本上用作针对小棒状的高Δn化合物的干扰并且因此其在工作温度范围内的排序倾向部分地降低并且防止了有序状态(如LC相)的形成。但是因为它们同样具有高介电各向异性，它们以合作的方式对克尔效应做出贡献。
另外的重要成分是与光引发剂6相组合的可光交联的反应性介晶8。初始混合物在工作温度范围以下以向列LC相存在，可以通过界面效应和/或电压而变为垂直配向。在此状态下的UV照射由于反应性介晶8的光聚合而导致形成宽网眼的、松散的、各向异性且实现定向的网络9。然而，所获得的复合物在室温下或在工作温度范围内是各向同性的、非散射的且光学透明的。然而如果施加足够高的电压，则各向同性液体的极性的小棒状分子5在电场线的方向上垂直于基底，由此改变折射率。在此，各向异性网络9通过预排序效应支持复合物的小棒状极性分子5的定向并由此强化光学克尔效应。其结果是，相对于现有技术，实现了在更低的开关电压下明显更强的折射率调制。此外，所述过程的温度依赖性明显降低并且因而能够在工艺上使用。所需的电压引发的折射率行程或相位行程基于本发明复合物中的电光克尔效应来产生。各向同性的液态复合物的特征在于非常短的开关时间。
在上述构型中，所有的开关状态都是相对于透射方向对称的并且因此是不依赖于偏振的。总体上，本发明的复合物允许使用电光基础效应来制造具有透镜功能的薄层元件，因为显著提高了折射率调制值、减少了开关时间并且减小了所需的开关电压。在此，在本发明的背景下可以作为基础元件来制造定址的衍射透镜的图案的新型复合物。替代地，有源菲涅尔区板或相位区板的制造要求制造环形的非周期性的电极结构及其触点。环形电极可以ITO来制造。两种方法适合于在基底或活性材料中实现可开关的透镜、菲涅尔结构，其中将本发明的可开关的衍射薄层透镜构思并匹配为用于各种光学应用，这在下文还将详述。
如上文所实施的，基于电润湿原理和弹性体膜的可开关透镜由于其重量、庞大的供电部件和受限的孔，不太适合用于视力辅助器和望远眼镜。对于制造混合式光学器件而言，这些方式也只能有限地使用。
基于液晶的可开关透镜没有表现出这些缺点。然而经定向的液晶的偏振依赖性大幅度限制了这种方法。为了克服这一缺点，必须使用另外的光学组件，例如偏振器或具有相反的LC定向的多个LC元件(见A.Y.G.；Ko,S.W.；Huang,S.H.；Chen,Y.Y.；Lin,T.H.,Opt.Express 2011,19,2294-2300)或者相反定向的层(尤其见Ren,H.；Lin,Y.H.；Fan,Y.H.；Wu,S.T.Appl.Phys.Lett.2005,86,141110；Lin,Y.H.；Ren,H.；Wu,Y.H.；Zhao,Y.；Fang,J.；Ge,Z.；Wu,S.T.Opt.Express 2005,13,8746-8752；Wang,B.；Ye,M.；Sato,S.,Opt.Commun.2005,250,266-273)。但是由此减小了出光率，系统构造变得明显更复杂并且在制造中存在另外的误差源。
相反，基于PDLC的各向同性的LC元件具有在OFF初始状态下不同定向的小液滴的强散射。光学上在两种状态中都几乎透明的纳米PDLC体系同样具有残留散射。此外，必要的开关电压相对较高，并且由于纳米大小的小液滴与其包括的聚合物基质的相互作用，开关时间明显比其他LC元件更长。
因为在LC元件的情况下，介电重定向的过程(尤其在无电场状态下)一般相对较慢，在最近几年相继出现了许多方法，以实现LCD和其他LC元件的更短的开关时间。其实例是：NLC的粘弹性参数的优化，系统的过控(见D.-K.Yang和S.-T.Wu,Fundamentals ofLiquid Crystal Devices(John Wiley,New York,2006))，NLC在亚μm聚合物网络模板中的“新定向”(见J.Xiang和O.D.Lavrentovich,Appl.Phys.Lett.103,051112(2013))或者还有通过“双频”-LC(DFLC)(见B.Golovin,S.V.Shiyanovskii和O.D.Lavrentovich,Appl.Phys.Lett.83,3864(2003))，表面稳定化的铁电LC(SSFLC)或者手性近晶LC(见G.Polushin,V.B.Rogozhin,和E.I.Ryumtsev Doklady Physical Chemistry,2015,Vol.465,Part 2,pp.298-300)。
基于极性分子定向(例如见Bing-Xiang Li,Volodymyr Borshch,SergijV.Shiyanovskii,Shao-Bin Liu；Oleg D.Lavrentovich,Appl.Phys.Lett.104,201105(2014))而不是要求经定向的液晶的介电LC引导物重定向(弗雷德里克效应)的克尔效应具有在纳秒范围内的开关时间(1-33ns)。然而在常规克尔液体中需要的开关电压为几百伏特(300至900V，E＝约108V/m)，其中实现了0.001至0.01的电感应双折射值。此方法受到复杂化的控制电路、迟滞行为还有不稳定的开关状态(Su Xu,Yan Li,Yifan Liu,Jie Sun,Hongwen Ren,Shin-Tson Wu,Micromachines 2014,5,300-324)限制。
一个替代方案是蓝色LC相，其具有复杂的3D结构，但是在无电场的状态下是光学各向同性的。其特征在于短开关时间，但是由于所述相的非常小的热学存在范围而不适合用于透镜应用。聚合物增强的蓝相(PSBP，见Su Xu,Yan Li,Yifan Liu,Jie Sun,HongwenRen,Shin-Tson Wu,Micromachines 2014,5,300-324)显示出更高的折射率调制、具有与应用相关的存在范围，但是在OFF状态下具有相对高的开关电压和明显的散射效应(见Y.Haseba和H.Kikuchi,Mol.Cryst.Liq.Cryst.,2007,470,1；Young-Cheol Yang和Deng-KeYang Applied Physics Letters 98,023502,2011)。
极性分子在电场中的定向长久以来作为光学克尔效应就是已知的。然而，常规液体例如像硝基苯或硫化碳的克尔常数对于透镜应用而言低了几个数量级而对于相关层厚度而言开关电压高了几个数量级。向列液晶的各向同性熔体具有明显更高的克尔常数以及在毫秒和亚毫秒范围内的开关时间(见F.Costache,M.Blasl Optik&Photonik Volume 6,Issue 4,pages 29-31,December 2011)。这导致无偏振的、快速开关且高效的克尔体系。所述效应明显地具有两个原因，一方面具有伸长的π-体系的小棒状极性液晶实现高克尔常数，并且另一方面在高于清亮点的分子群落的向列预定向效应可以看作是原因。由此获得的所述效应的极强的温度依赖性是这种方法的实质性缺点。
所描述的缺点通过本发明的各向同性复合物来克服。通过各向同性介晶和各向异性聚合物网络9中的半介晶化合物的组合，在快速开关时间和中等开关电压下实现了高折射率调制值。新型的材料概念可以用于制造基于光学克尔效应的可电开关或可电调节的光学透镜和其他光学元件。
为此选择了具有非常高折射率-各向异性的液晶化合物，对其进行匹配，开发各向同性的半介晶并且与前者混合，使得所获得的两种成分的混合物仍然具有潜在的液晶性能。尤其在工作温度范围内不施加电压的情况下，它作为各向同性液体存在。本发明的半介晶4在结构、其性能组合以及功能上为新的功能材料类别。在下文中更详细说明了通过适合的分子设计和高效合成来设定为此所需的性能。
本发明的复合物要求对光学和动力学性能以及此混合物的主要成分的分子间相互作用(见图3)的准确设定，所述复合物由以下各项组成：
-具有高折射率各向异性的液晶化合物，
-用于设定排序的半介晶4以及
-用于形成各向异性网络9的可光聚合的反应性介晶8。
根据本发明，所述克尔混合物包含具有大的折射率-各向异性的小棒状液晶5。其高排序倾向以及其高熔点和清亮点通过与半介晶4混合而降低，使得混合物在工作温度范围RT中作为各向同性液体存在。在复杂的实验序列中检验了用于设定性能组合的各种分子组：因此通过设定适合的长/宽比、刚性芳香环体系的长度的变化、侧翼基团的长度和分支以及通过端基的极性的变化，也就是总体而言设定抑制LC相的适合的分子间相互作用。极性半介晶4被如此设计，使得它们同样可以在电场中定向，但是抑制混合物的液晶特性。
这种半介晶4仍然具有潜在的LC性能并且是仍然具有潜在液晶性能的各向同性液体。
通过考虑到所述克尔混合物的同样需要的光学和电光性能，半介晶4不能被任意的溶剂替代。液晶的定向排序根据本发明来受限的分解和设定。于是，在工作范围内的最终混合物作为光学各向同性液体存在，然而具有向列的预定向倾向。然而在低温下所述化合物应为液晶并且通过对准层或通过施加电场而能够垂直配向地定向。这种所定义的定向排列对于在低温下通过光聚合构造各向异性网络也是必需的。
半介晶4还要满足其他功能，因此它们根据本发明通过其分子设计还有助于光学克尔效应。因此，它们同样应具有高介电各向异性，对高折射率各向异性做出贡献并且支持混合物在电场中的合作定向。这些不同性能的组合通过以下结构特征来实现：
(1)液晶排序的分解通过烷基侧翼基团的仲或叔支链和/或通过侧向取代基来实现。
(2)高介电各向异性、高克尔常数及高折射率各向异性通过改变极性端基以及通过在刚性分子部分中引入杂环来实现。
半介晶4的基本架构可以在图4中看出。
所描述的各向同性半介晶4的功能性可以基于适当取代的联苯来实现。尤其分支的侧翼基团显著增大了分子的宽度并且导致转变温度的明显下降。通过改变的长/宽比，可以阻止向列相的形成以及大幅度降低此类相的存在范围。这通过插入例如甲基和乙基作为脂肪族侧翼基团的分支来实现，其中分支在侧翼基团上的位置非常重要。
这些结构特性如下形成：a)对于具有仲支链的侧翼基团R＝CN
R1＝CH3，-C2H5，m＝n＝2-4
并且b)对于具有叔支链的侧翼基团，R＝CN
R1＝-CH3，-C2H5，m＝n＝2-4。
合成具有高介电和光学各向异性(即高Δε和Δn值)的各向同性半介晶4的目的可以例如通过极性端基来辅助。作为一方面对可电感应双折射提供高贡献且另一方面对高介电各向异性有贡献的特别适合的基团，有利的是在联苯结构的对位的如下取代基，即介晶单元的具有极性端基的取代基：
R1＝-CN，-NCS，-卤素(F，Br，Cl)
此外，可以通过将苯环替换成杂芳基核心来提高永久偶极矩和因此半介晶4的介电各向异性Δε。虽然通过杂芳基核心仅小幅度改变分子几何形状，但根据A.Boller，M.Cereghetti，H.Scherrer，Z.Naturforsch，Teil B，33,433(1978)，预期对介电性能有巨大影响，在此选择杂原子以及还有杂芳香物与端基相比的位置，使得偶极矩表现为加和。除了提高介电各向异性之外，还预期可偏振性各向异性的升高和因此更高的双折射。下文尤其对于具有嘧啶环和端基改变的半介晶4进行展示。
R1＝-CN，-NCS，-卤素(F，Br，Cl)
介电各向异性可以进一步通过在刚性环上的极性基团来提高。侧向取代基可以同时通过形成二聚体抵消偶极矩的部分补偿。
于是尤其在3,5位置引入两个氟原子实现了介电各向异性的约8.5单位的提高(见P.Kirsch,A.Hahn,Eur.J.of Org.Chem.(2005),(14),3095-3100)。在侧向3,5-取代基的情况下，沿着分子纵轴的部分电荷(也就是说平行于纵轴的偶极矩)保持不变，因而产生了有利的介电各向异性。同时侧向取代基实现了转变温度的降低。在下文尤其展示了通过引入极性取代基来提高介电各向异性。
根据本发明，通过各向异性聚合物网络9来支持场引发的各向同性混合物的定向。网络9的定向用记忆效应与潜在液晶复合物的向列预排序效应组合增强了光学克尔效应。
网络9的另一个重要目的在于，显著降低克尔效应的温度依赖性。为了构建网络9，尤其向由介晶和半介晶4组成的各向同性混合物中引入芳香族的反应性介晶8和脂肪族的单体。然后将其在复合物的垂直配向状态下在低温下通过光聚合进行聚合并且构成宽网眼的各向异性的网络9。混入反应性介晶8有助于协调初始混合物中以及在构建网络结构之后的最终复合物中的分子间相互作用。为了另外实现网络9的高稳定性，将网络9通过对对准层3的官能化而与基底共价连接。
图5示出多维各向异性网络的产生，即：
a)各向同性混合物，具有在垂直配向的混合物中的反应性介晶8(预复合物)(见图5a)以及
b)网络9和具有网络稳定化的分子的对准层3的共价连接(见图5b)。
网络9s在对准层3界面处的共价锚固导致电光开关行为和长期稳定性的显著改善。为此将对准材料用温度稳定的反应性基团(例如OH基团)官能化。将经改性的材料施加到基底上并且将官能团改性为使其能够与双官能的反应性介晶8反应。通过自由基光聚合导致的网络形成包括与这两个官能化的对准层3的结合，使得各向异性网络9以界面稳定化的方式永久穿过盒。在界面处所需的结合位置的浓度在此以适合的方式设定。
除了通过基于脂肪族或芳香族反应性介晶8的网络形成来改进复合物的性能之外，还抑制了可能的离析。
本发明的克尔复合物例如对于透镜的应用领域，尤其对于视力辅助器和望远眼镜，对应于以下的要求特征：
-高克尔常数
-高介电各向异性
-由于半介晶4造成的在工作温度范围内的各向同性和流动
-由于小棒状分子5和极性半介晶4造成的高可电感应折射率调制
-在整个工作温度范围内良好的均匀性(物质的可混合性，很小的相分离倾向)
-由于低旋转黏度造成的短开关时间
-在可见光谱范围内的低吸收
-高(光)化学稳定性。
另外，与基于液晶的方法相比，该方法不依赖偏振和快速开关时间是重要的优点。本发明的复合物将液晶体系的优势(小棒状极性分子的大克尔常数和高排序倾向)于另一方面具有小旋转黏度和非常短开关时间的各向同性液体相关联并且因此将棒状(calamitischer)液晶的优点与各向同性液体的优点相关联。对于视力辅助器，本发明的透镜在中等开关时间下具有无偏振的、可电调节的近视场以及对应于应用非关键性的<42V的开关电压。透镜的直径能够实现适当的视场，并且可开关透镜的折射率的值在设定的屈光度范围中。光学功能基本上很少依赖于光波长并且衍射效率相当高，从而避免了“伪像”。此外，本发明的透镜可以与典型的眼镜玻璃片组合并且为了控制所述元件具有很小的重量和结构体积，使得所述透镜能够与正常的眼镜玻璃片整合到一起或者整合到镜架中。
在本发明的背景下，可以将视力辅助器的用途扩展到可调谐的可单独设定的视力辅助器。通过使用像素化的电极栅(类似于透射LC显示器的那种)对于非常小的区域也能够单独设定光学性能。由此可以产生衍射透镜，其例如具有依赖于方向的折射率，如用于校正散光所需要的。然后透镜的设定可以单独地进行匹配和存储，如在EP 1 463 970 B1的双眼电子眼镜中所描述的。
在本发明的背景下，可以将本发明的透镜用在用于望远眼镜的可开关的放大系统中。在所述放大系统中存在与视力辅助器领域中部分类似的要求。然而，目镜透镜和物镜透镜的折射能力必须明显更强。然而，在所需的孔径方面，对于目镜透镜的要求尤其低得多。对于所述放大系统，2.5的放大系数就是足够的。如在单独元件的情况下一样，所述系统可以用尽可能小的重量来实现，以便能够尽量获得高佩戴舒适度。其中本发明的解决方案与现在可用的望远眼镜明显不同。
另一个实质性的优点当然在于，在关闭状态下整个视场都是可用的；视场不受集成控制元件和供电元件的限制。
本发明的透镜满足对于以下情况的技术要求：
a)用于视力辅助器的无偏振的、可电调节的近视区域，尤其具有可接通的近视部件的视力辅助器，
b)可调谐的单独可调节的视力辅助器(采用μm结构化的电极使用逐像素控制的视力辅助器，类似于透射有源矩阵显示器的情况)以及
c)用于望远眼镜的可开关的放大系统或多功能眼镜，
如从下表中可以看出的。
其他的要满足的要求是高透明度、可重现性、高可靠性和用以避免“伪像”的高填充因数以及不依赖于偏振的工作方式。此外，单独的元件在关闭状态下是光学中性的。
本发明并不受限于所展示和描述的实施例，而是还包括所有在本发明意义上作用相同的实施方式。
例如，可以进行基于侧向取代的联苯的合成以用于制造半介晶，并且进行用于最终偶联反应的催化剂合成以用于制造取代的联苯；为了制造5半介晶可以进行5取代的芳基硼酸的合成和表征；为了将不同材料中的分级透镜变形，可以借助于表面光度仪进行可用的分级透镜的表面表征，包括制造PDMS铸造物(表面格栅和微透镜阵列的冲压制造，包括环氧化物混合物，用于将在Sylgard 184(硅酮弹性体套件)中的表面格栅变形以及用NOA65(光学粘合剂：黏度1200(cps)、折射率nd 1.52)制造复制品，尤其涂刷的(geblazter)格栅(用于通过锯齿轮廓使表面格栅变形以制造线性表面格栅的方法，所述表面格栅用作对应的菲涅尔区板的模型结构)；表面格栅的变形借助于主体(商业的衍射格栅)来进行，所述主体作为POMS中的凹版复本而变形并且然后通过另一个变形步骤用此“冲模”能够用NOA凸版复制品进行制造，所述复制品尤其适合于可开关的光学元件的构造；根据Suzuki-Miyaura的芳基-芳基偶联(通过形成C-C键合成联苯或联苯衍生物)或类似反应的对应机理的应用以及中间化合物的色谱提纯的应用(尤其具有中间时间的纯化操作的多步骤合成)。本发明的可电控的光学元件的应用领域延伸到许多技术领域中，尤其是：
测量技术
-用测量头中的克尔盒分析样品
-晶片探伤系统
-显微镜或内窥镜的偏振器
-电场强度测量
制造技术
-用于IC或LCD的显微光刻式投影光照装置
-用于照射压力板的光调制器
-在记录到CD或DVD上时旋转元件的偏振方向
消息传递技术
-具有克尔盒并具有或没有后续连接的偏振过滤器的快速光开关，用于将最多100GHz的信号(光信号)数字化
医学技术
-在MRT系统(磁共振成像系统)中的光学调制器
-显微镜或内窥镜的偏振器
此外，本发明迄今为止也并不受限于在权利要求1和9中所限定的特征组合，而是还可以通过所有全部公开的单独特征中的某些特征的每种任意其他组合来限定。这意味着，理论上可以去掉权利要求1和9的几乎每个单独特征或者被在本申请中其他位置公开的单独特征中的至少一个替代。
附图标记清单
1 基底
2 导电层(导电ITO电极)
3 定向层(对准层)
4 非小棒状分子(活性复合物，半介晶，前体混合物)
5 小棒状分子(活性复合物，前体混合物)
6 光引发剂
7 脂肪族单体
8 反应性介晶
9 各向异性网络(聚合物网络)
10 交联的介晶
K 克尔液体
RT 工作温度范围
U 电压

Claims (10)

1.一种可电控的光学元件，所述光学元件具有用克尔液体填充的克尔盒，所述克尔盒具有两个基底(1)和施加在所述基底(1)的内表面上的导电层(2)，其特征在于，所述克尔液体(K)具有由小棒状分子(5)和非小棒状分子(4)形成的混合物作为活性复合物，并且所述克尔液体(K)在薄层盒中在施加到基底(1)上的经结构化的或/和平坦的导电层(2)之间形成具有可预压制的、宽网眼的、各向异性的网络(9)的薄层，使得对应于电光克尔效应在没有电场、在工作温度范围RT内所述克尔液体(K)的所述活性复合物(4，5)的状态是各向同性的，并且通过电学上连续地设定电压U或者通过接通/切断电压U来产生由电压引发的所述光学元件的相位行程或折射率行程的改变并且光垂直于电极穿过电极间隙。
2.根据权利要求1所述的可电控的光学元件，其特征在于，所述薄层盒具有两个玻璃基底或聚合物基底(1)，其内表面分别设置有导电的ITO电极(2)作为导电层并且在所述导电层上设置有定向层(3)，借助于混合到冷却的克尔液体(K)中的光引发剂(6)、脂肪族单体(7)和反应性介晶(8)，通过施加电压U和UV照射克尔液体(K)来将小棒状的分子(5)定向而进行用于宽网眼的、各向异性的聚合物网络(9)的预压制。
3.根据权利要求2所述的可电控的光学元件，其特征在于，导致垂直配向的定向层(3)包含可光交联的或可光聚合的基团，并且所述各向异性网络(9)共价地固定到所述两个基底界面上，由此即使在所述克尔液体(K)通过将温度提高到接近室温RT的工作范围内而各向同性化时也使所述网络(9)保持其各向异性形式。
4.根据权利要求1所述的可电控的光学元件，其特征在于，具有大偶极矩的所述小棒状的分子(5)作为所述克尔液体(K)的活性复合物以固定在宽网眼的各向异性的聚合物网络(9)中的纳米级簇或纳米颗粒的形式存在，其中通过非共价的分子间相互作用来进行所述形状各向异性的分子(5)在所述网络(9)中的固定，并且其中将前体混合物(4，5)的分子簇或球形和非球形的纳米颗粒分散，由此一方面实现通过有序固定的簇或纳米颗粒的高稳定性的定向排序来提高克尔效应，并且另一方面使在溶液中或LC材料中在清亮点以上克尔效应对温度的依赖性最小化。
5.根据权利要求4所述的可电控的光学元件，其特征在于，所述形状各向异性的分子(5)的分子间相互作用基于吡啶/酸或酸/酸的H桥键、离子相互作用和ππ相互作用形成，并且利用所述分子间相互作用和预定向效应的不同的温度依赖性来稳定所述克尔效应。
6.根据权利要求1所述的可电控的光学元件，其特征在于，所述非小棒状的半介晶(4)作为所述克尔液体(K)的活性复合物通过分子间相互作用形成，并且温度提高导致非共价相互作用的减弱，其中部分地分解络合物。
7.根据权利要求1至6中一项或多项所述的可电控的光学元件，其特征在于，为了合成具有高介电和光学各向异性的各向同性半介晶(4)，向联苯结构的对位插入以下取代基
R1＝-CN，-NCS，-卤素(F，Br，Cl)
作为极性端基。
8.根据权利要求1至7中一项或多项所述的可电控的光学元件，其特征在于，在半介晶(4)的情况下用嘧啶环将苯环替换成杂芳族核心并且如下改变端基
R1＝-CN，-NCS，-卤素(F，Br，Cl)
来提高所述半介晶(4)的永久偶极矩并因此提高其介电各向异性。
9.一种用于制造可电控的光学元件的方法，所述光学元件具有用克尔液体填充的克尔盒，所述克尔盒具有两个基底(1)和施加在所述基底(1)的内表面上的导电层(2)，其特征在于，
a)所述克尔液体(K)具有由作为活性复合物的小棒状分子(5)和非小棒状分子(4)、反应性介晶(8)、光引发剂(6)和脂肪族单体(7)形成的混合物，
b)所述克尔液体(K)填充到设计为薄层盒的克尔盒(K)中，
c)将所述克尔液体(K)冷却到低于室温RT的温度T，在所述温度LC相形成垂直配向，
d)通过UV照射垂直配向层来产生自由基，所述自由基实现所述经定向的反应性半介晶(8)的聚合，使得由在所述克尔液体(K)中与所述脂肪族单体(7)交联的介晶(10)来产生宽网眼的、松散的各向异性网络(9)，
使得在没有电压U、在工作温度范围RT中由具有大偶极矩的小棒状分子(5)和双极的非小棒状分子(4)形成的复合物再度为各向同性的，并且在施加电压U时所述复合物的分子在电场线的方向上定向。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，导致垂直配向的定向层(3)包含可光交联的或可光聚合的基团。
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