CN117795415A - 用于菲涅尔透镜装置的电极结构 - Google Patents

用于菲涅尔透镜装置的电极结构 Download PDF

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Abstract

一种液晶梯度折射率装置，具有两个相对的包含液晶的基板、在这些基板中的第一基板上形成第一布置的多个线性蛇形电极区段，以及位于这些基板中的第二基板上的相对电极。第一布置包括用于每个蛇形电极区段的触点，每个触点可操作以接收用于施加电场分布的驱动信号，以在液晶内形成线性菲涅尔透镜的一部分。提供了一种改进的梯度折射率菲涅尔透镜。

Description

用于菲涅尔透镜装置的电极结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年6月16日提交的美国临时专利申请63/211,406的优先权，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本专利申请涉及液晶光学装置。
背景技术
光学梯度折射率装置在现有技术中是众所周知的，例如梯度折射率透镜和棱镜(Moore,D.T.，梯度折射率光学：综述。应用光学，1980年。19(7)：第1035-1038页(Moore,D.T.,Gradient-index optics:a review.Applied Optics,1980.19(7):p.1035-1038))。使这些装置具有适应性(实现其梯度的动态变化)可以显著提高其功能和效率。这需要对外部刺激敏感的光学材料。包括液晶(LC)在内的各种材料对此类刺激敏感，例如电场或磁场(de Gennes,P.-G.和J.Prost。《液晶物理学》。牛津大学出版社，美国，1995年。2：第4页(deGennes,P.-G.and J.Prost,The physics of liquid crystals.Oxford UniversityPress,USA,1995.2:p.4))。因此，我们可以利用电场梯度，通过使用LC材料来获得期望的折射率分布(例如，以构建电可调LC透镜或TLCL)。
事实上，已经开发了不同的技术来获得这样的电场梯度。最直接的方法之一是在包含LC材料的夹层装置(由两个基板制成)中使用图案化(圆形，以获得透镜，或者线性，以获得棱镜)电极。在透镜型装置的情况下，其中一个基板通常被均匀的透明电极(氧化铟锡或ITO)覆盖，而第二个基板具有孔图案电极(HPE)，图1a。在这种情况下，电场在外围(HPE面向均匀ITO电极的地方)较强，而当我们考虑靠近装置中心(远离HPE)的位置时，电场会减弱。在与两个电极平面的间距D(如图1b所示)相当的距离处，电场的减弱将是逐渐的(归因于所谓的《边缘场》效应)，但如果HPE的直径(或装置的通光孔径CA，如图1a所示)与D相比大得多(在图1a中，我们有D＝L的情况，其中L是LC层的厚度)，则电场的减弱将是显著的。因此，电场的分布、LC的反应以及对应的折射率梯度分布将由CA与D的比率定义。事实上，结果表明，最佳比率R＝CA/D应该为2.5的数量级以具有电梯度的软变化，从而允许产生具有可接受的像差的光学梯度折射率透镜(Sato,S.，液晶对于可变焦透镜的应用。光学评论，1999年。6(6)：第471-485页(Sato,S.,Applications of liquid crystals to variable-focusing lenses.Optical Review,1999.6(6):p.471-485))。
然而，这里有几个限制：LC的厚度L的选择通常是有限的(由于光散射和弛豫时间的要求，L必须相对较小)并且电极的间距D必须尽可能小以限制产生足够电场E(其中E＝U/D)来重新定向LC分子所需的电压U。该限制与装置的电功耗相关，该电功耗与应用于装置的电压的平方成正比。例如，图1b示出了一种情况，其中不是增加L，而是进一步移动顶部电极层以保持比率R最佳(对于给定的CA)，但这些电极的电压将进一步升高以驱动该装置。
这就是为什么我们不能对相对较大的CA值使用《边缘场》方法的原因，例如，在0.1mm到10mm的范围内，或者具体地在0.5mm到5mm的范围内，其用于成像、眼科和增强现实应用。值得注意的是，此类TLCL或LC梯度折射率(LC-GRIN)透镜通常可以表征为具有与孔径CA成反比的光功率。在某些光学成像系统中，孔径必须大得多。因此，传统的LC-GRIN透镜不能提供明显的光功率变化范围。这限制了这些装置在具有大CA的系统中的应用。已经提出了一些解决方案来增加LC-GRIN透镜中的较大孔径下的光功率，以便使同一透镜既用作负透镜，又用作正透镜。然而，如果我们尝试在整个CA上产生可调透镜，则通光孔径尺寸要求仍然是一个问题。
已经提出了各种解决方案来构建具有毫米级范围CA的装置。一种方法是在HPE旁边使用高电阻率或弱导电层(WCL)，以帮助进一步朝向装置的中心传播边缘场(Kahn,F.，电子可变光圈或停止机构。1973年，美国专利；Loktev,M.Y.等人，基于模态液晶透镜的波前控制系统。科学仪器概论，2000年。71(9)：第3290-3297页(Kahn,F.,Electronicallyvariable iris or stop mechanisms.1973,US Patent；Loktev,M.Y.,et al.,Wave frontcontrol systems based on modal liquid crystal lenses.Review of scientificinstruments,2000.71(9):p.3290-3297))，图2。然而，对于毫米尺寸的CA，此类层的薄层电阻值Rs处于兆欧姆(每平方)区域，并且以可重复的方式生产具有此类Rs的均匀层并确保它们在环境中稳定是极其困难的(因为通常必须保持金属的非化学计量/不完全氧化才能获得此类Rs值)。
已经提出使用多个单独驱动(图3a)或电阻互连(图3b)的同心环形电极，而不使用任意WCL，然而，这种设计的生产和动态控制很复杂，并且还会导致每个环形电极的连接点处的一些像差，并且可能由于离散环形电极引起的电场阶跃而导致伪影。
还已经提出了环形电极之间的电容耦合，以通过在没有任意电阻互连的情况下提供单个驱动信号来简化电极的驱动，从而消除连接点处的像差。美国专利9,201,285中教导了这一点。利用电容耦合，环形电极之间的间隙被不同水平的耦合电极覆盖(两个电极层被介电隔离层隔开)，使得电场梯度小于离散同心环形电极的情况，提供环之间的零电势间隙。然而，这种设计更难以构建，并且仍然可能由于电极结构引起的电场阶跃而导致一些伪影。
在美国专利8,421,990中，教导了可以为圆形透镜布置螺旋电极，其中可以在其长度上使用螺旋电极的电阻来降低电压，从而在整个孔径上提供合适的电场空间分布，并且无需提供任意WCL。假设螺旋电极的匝之间的间距或节距足够小，则由于螺旋电极的离散匝引起的电场阶跃所造成的伪影可以是微不足道的。然而，如该专利中所描述的，ITO条带必须间隔很大，从而产生离散场过渡、光散射和毫米级透镜的透镜质量劣化。因此，这种方法将需要使用具有相当高电阻或足够小节距的透明电极，以使该方法适用于毫米级透镜，这两个要求仍然是重大挑战(见下文)。
动态调制光束的液晶光学装置在本领域中是已知的。例如，2017年3月16日公布的PCT专利申请公开WO2017/040067描述了多种光学布置，其包括可展宽光束的液晶装置。在2016年6月2日公布的PCT专利申请公开WO2016/082031中，描述了用于使光束转向的多种包括液晶装置的光学装置。
发明内容
申请人发现，由于在空间中具有阶梯式电压分布的LC-GRIN(或TLCL)光学装置中的离散电极布置而导致的电场不连续性问题可以通过使用不同的螺旋蛇形电极来解决。
在一些实施例中，提供了一种液晶梯度折射率(LC-GRIN)透镜装置，其包括两个相对的包含液晶的基板、位于基板中的第一基板上的螺旋蛇形电极布置，以及位于基板中的第二基板上的相对电极。螺旋蛇形电极布置可以包括至少两个触点，每个触点可操作以接收驱动信号，至少两个触点中的第一触点位于外径向位置处，并且至少两个触点中的第二触点位于内径向位置处，其中，连接至触点中的第二触点的引线利用螺旋电极布置中的阶梯部和返回部来断开螺旋电极布置的匝。
第一主要方面是一种液晶梯度折射率装置，其包括：两个相对的包含液晶的基板；螺旋蛇形电极布置，位于基板中的第一基板上；以及相对电极，位于基板中的第二基板上，其中，螺旋蛇形电极布置包括至少两个触点，每个触点可操作以接收驱动信号，至少两个触点中的第一触点位于外径向位置处，并且至少两个触点中的第二触点位于内径向位置处。
在一些实施例中，连接至触点中的第二触点的引线利用螺旋电极布置中的阶梯部和返回部来断开螺旋电极布置的匝。
在一些实施例中，相对电极是均匀的透明电极。
在一些实施例中，相对电极是图案化的透明电极。
在一些实施例中，螺旋蛇形电极和相对电极中的至少一个由透明导电材料制成。
在一些实施例中，透明导电材料是氧化铟锡、氧化锌和石墨烯中的一种。
在一些实施例中，液晶是向列液晶。
在一些实施例中，螺旋蛇形电极布置包括两个或更多个螺旋蛇形电极，其中，两个或更多个螺旋蛇形电极中的每一个包括至少两个触点，每个触点可操作以接收驱动信号(电压和频率)，并且其中，两个或更多个螺旋蛇形电极中的第一螺旋蛇形电极限定透镜装置的中心孔径，并且两个或更多个螺旋蛇形电极中的至少第二螺旋蛇形电极限定中心孔径的外围中的至少一个外带。
在一些实施例中，螺旋蛇形电极布置包括电容耦合的电极段。
在一些实施例中，螺旋蛇形电极布置包括单独驱动的电极段。
在一些实施例中，螺旋蛇形结构变形以产生几乎自由形式的折射率分布。
在一些实施例中，螺旋蛇形结构的上部在水平方向上以给定程度(量)拉伸或压缩，而螺旋蛇形结构的下部在正交(竖直)方向上以不同程度拉伸或压缩以产生折射率分布，以用于具有菲涅尔型波前偏移的电可调渐进眼镜。
在一些实施例中，透镜装置还包括放置在螺旋蛇形电极布置近侧的透明HDCL，以扩展边缘场并减少光学损耗。
在一些实施例中，HDCL的作用是通过使用高介电常数基板、对准层或通过液晶来执行的。
第二主要方面是一种液晶梯度折射率装置，其包括：两个相对的包含液晶的基板；多个线性蛇形电极区段，在基板中的第一基板上形成第一布置；以及相对电极，位于基板中的第二基板上，其中，第一布置包括用于每个蛇形电极区段的触点，每个触点可操作以接收用于施加电场分布的驱动信号，以在液晶内形成线性菲涅尔透镜的一部分。
在一些实施例中，相对电极包括多个对应的均匀电极区段。
在一些实施例中，相对电极包括多个对应的蛇形电极区段。
在一些实施例中，每个电极区段具有至少一个外部触点以接收控制信号。
在一些实施例中，每个电极区段是断开的并且具有两个外部触点以接收控制信号。
第三主要方面是一种液晶梯度折射率装置，其包括：两个相对的包含液晶的基板；透明螺旋蛇形电极布置，位于基板中的第一基板上；以及相对电极，位于第二基板上，其中，螺旋蛇形电极布置包括可操作以接收驱动信号的一个外部触点，并且蛇形电极布置的至少一个电极位于高介电材料附近。
在一些实施例中，第二基板还包括不同形状的电极图案。
在一些实施例中，第一基板是薄的并且还包括位于外表面上的浮动透明导电层。
第四主要方面是一种基于上述电极结构之一的装置，其中，电极的激励允许产生用于动态聚焦和照明的柱面透镜阵列。
第五主要方面是一种基于上述电极结构之一的装置，其中，电极的激励允许产生用于光转向的棱镜阵列。
附图说明
通过下面参照附图对本发明实施例的详细描述，将更好地理解本发明，其中：
图1a示出了本领域已知的透镜型装置的示意性侧视图，其具有被均匀透明电极覆盖的一个基板和具有孔图案电极(HPE)的第二个基板，两个电极都位于夹层结构的内部。
图1b示出了本领域已知的透镜型装置的示意性侧视图，该透镜型装置具有移开(到单元的外侧)的顶部电极HPE层，以通过使电极间隔开来保持透镜CA的直径与电极D的分离之间的最佳比率R。
图2示出了本领域已知的透镜型装置的示意性侧视图，该透镜型装置具有高电阻率或弱导电层(WCL)以帮助朝向装置的中心进一步传播边缘场。
图3a示出了本领域已知的透镜型装置的示意性俯视图，该透镜型装置具有多个同心电极，每个同心电极是单独控制的。
图3b示出了本领域已知的透镜型装置的俯视图，该透镜型装置具有同心电极，其中这些同心电极中的一些是单独控制的，而另一些具有电阻桥。
图4示出了本领域已知的分压器跨线液晶透镜的示意性俯视图，该分压器跨线液晶透镜具有ITO传输线和ITO侧电极。
图5a示出了本领域已知的液晶透镜装置的示意性俯视图，该液晶透镜装置具有螺旋ITO电极，该螺旋ITO电极在其表面之一上具有一个控制电极(外部触点)。
图5b是具有螺旋形ITO的透镜的实验显微照片，其示出了由于图5a中所示的ITO电极之间的电场不连续性而导致的离散化诱导光散射及其波前的劣化。
图6a示出了根据本公开的实施例的具有螺旋形ITO电极的透镜的示意性俯视图，该螺旋形ITO电极具有相对高介电常数层(HDCL)。
图6b示出了图6a中所示的透镜的示意性侧视图。
图6c是图6a中所示的带有具有HDCL的螺旋形ITO电极的透镜的实验显微照片，其示出了软化的波前(或相位)调制。
图7a示出了根据本公开的实施例的可选地具有相对高介电常数层(HDCL)的螺旋形ITO电极的示意性俯视图，其中基板在顶部基板的中心具有电过孔，以允许来自该基板的相对侧的第二电触点，以能够实现相移驱动(PSD)以及具有正或负光功率的双极操作。
图7b示出了图7a中所示的电极的示意性侧视图。
图8a示出了根据本公开的一个实施例的螺旋形电极的示意性俯视图，该螺旋形电极具有ITO图案，以允许在同一基板上实现PSD的第二(内部或中心)触点以及具有正或负光功率的双极操作。
图8b示出了根据本公开的一个实施例的电极的示意性俯视图，该电极具有允许控制两个区段(内部和外部)以用于折射菲涅尔型操作的ITO图案。
图8c示出了根据本公开的一个实施例的电极的示意性俯视图，该电极具有ITO图案，该ITO图案具有能够实现PSD操作的阿基米德螺旋。
图8d示出了根据本公开的一个实施例的电极的示意性俯视图，该电极具有带有分段环的ITO图案，使得分段环能够实现其独立操作。
图8e示出了根据本公开的一个实施例的电极的示意性俯视图，该电极具有带有分段弓形形状的ITO图案，使得能够实现更好的控制和操作。
图8f示出了根据本公开的一个实施例的电极的示意性俯视图，该电极具有ITO图案以用于创建具有三个分离区的菲涅尔透镜，每个区在区末端具有2个控制电极，从而能够实现电势在横向平面中(即，在液晶体积内部)以及正和负光功率的更好分布。
图9a示出了根据本发明的一个实施例的在LC单元的单个基板上提供多个分离的激励区域的多个蛇形电极的示意图。
图9b示出了以相对于图9a的实施例的正交方向在LC单元的单个基板上提供多个分离的激励区域的多个蛇形电极的示意图。
图9c示出了根据本发明的一个实施例的多个组合式蛇形电极的示意图，这些组合式蛇形电极对于不同的区域具有不同的节距，从而在LC单元的单个基板上提供多个分离的激励区域。
图10示出了一副示例性眼科眼镜的一侧，其中可以控制三个分离区以提供不同的光功率。
图11A和图11B示出了如图10所呈现的LC透镜装置的示例性实施例的两个基板的正交定向的电极，该LC透镜装置包括透镜驱动器、多个电极控制器，以及一个或多个包括任意数量的蛇形电极结构的电极矩阵，如图9a所呈现的。
图12a示出了本公开的一个实施例，其中电极的ITO图案参数(透明电极的薄层电阻w、宽度w、间隙g)以及LC单元和电驱动信号的参数被调整以获得对称的单向电势降(在电极对1&2或2&3等之间)并产生柱面透镜阵列。
图12b示出了本公开的一个实施例，其中电极的连续性被断开成段或区，每个段具有两个触点，并且ITO图案参数以及LC单元的参数被调整以产生不对称的电势降，从而产生棱镜阵列。
具体实施方式
图1a示意性地示出了通过在包含LC材料的夹层装置的基板之一上使用图案化(圆形，以获得透镜，或者线性，以获得棱镜)电极而构建的电可变LC透镜。夹层结构的第二基板通常被均匀的透明电极(氧化铟锡或ITO)覆盖。在圆形透镜的情况下，第一电极是孔图案电极(HPE)。
在这种情况下，电场在透镜的外围(HPE紧密面对均匀的ITO电极的地方)很强，并且当我们考虑靠近装置的中心(远离HPE的内部限制)时逐渐减弱。LC的反应和对应的折射率梯度分布将由通光孔径CA与电极间隔D的比率R定义(在图1a中，我们使用D＝L，其中L是LC层的厚度)。结果表明，R的期望数量级为2.5。
上述方法可以在非常窄的CA范围内取得成功。然而，对于毫米级范围的情况有一些限制：为了保持良好的光学像差，必须增加LC的厚度L。然而，更大的L提供更强的光散射和更长的弛豫时间。我们可以替代地增加D，但这会增加电功率消耗。图1b示出了此类情况，其中，不是增加L，而是进一步移动顶部电极层以保持比率R最佳(对于给定的CA)。
这就是为什么我们不能对相对较大的CA值使用《边缘场》方法的原因，例如，在0.1mm到10mm的范围内，或更具体地在0.5mm到50mm的范围内，其用于成像、眼科和增强现实应用。
已经提出了各种解决方案来构建具有毫米级范围CA的装置。一种方法是使用高电阻率或弱导电层(WCL)以帮助进一步朝向装置的中心传播边缘场(Kahn,F.，电子可变光圈或停止机构。1973年，美国专利；Loktev,M.Y.等人，基于模态液晶透镜的波前控制系统。科学仪器概论，2000年。71(9)：第3290-3297页(Kahn,F.,Electronically variable iris orstop mechanisms.1973,US Patent,Loktev,M.Y.,et al.,Wave front control systemsbased on modal liquid crystal lenses.Review of scientific instruments,2000.71(9):p.3290-3297))，图2。然而，对于毫米尺寸的CA，此类层的薄层电阻值Rs处于兆欧姆(每平方)区域，并且以可重复的方式生产具有此类Rs的均匀层并确保它们在环境中稳定是极其困难的(因为通常必须保持金属的非化学计量/不完全氧化才能获得此类Rs值)。
鉴于主要挑战(为了获得期望的电势分布)与具有非均匀(例如，孔图案)电极的基板的设计相关，我们将进一步考虑其各种(已知的和新的，此处提出的)版本(我们可以称之为《控制基板》)，请记住，通常，我们也需要相对的基板来获得最终的装置。
ITO层的制造目前在行业中已得到很好的掌握(见下文)。因此，提出了使用图案化ITO(无WCL)来获得所需电场梯度的几种方法。
因此，其中之一使用多个非常紧密定位的离散(多达80个)圆形电极(Li、L.、D.Bryant和P.J.Bos，具有同心电极和电极间电阻器的液晶透镜。液晶概论，2014年.2(2)：第130-154页(Li,L.,D.Bryant,and P.J.Bos,Liquid crystal lens with concentricelectrodes and inter-electrode resistors.Liquid Crystals Reviews,2014.2(2):p.130-154))，它们是单独控制的(就像在LC显示器中，图3a)或者是部分电阻桥接的(图3b)。虽然桥接电极的使用减少了单独控制电极的数量，但这仍然是一种非常昂贵且复杂(对于制造和操作而言)的解决方案。
有人建议使用极窄ITO作为高电阻(very resistive)《传输线》(和相移驱动技术)的替代技术(J.F.Algorri、N.Bennis、V.Urruchi、P.Morawiak、L.Jaroszewicz、J.M.Sánchez-Pena，分压器跨线液晶透镜，PC20，第15届欧洲液晶会议，图4(J.F.Algorri,N.Bennis,V.Urruchi,P.Morawiak,L.Jaroszewicz,J.M.Sánchez-Pena,Voltage dividertrans-line liquid crystal lens,PC20,15th European Conference on LiquidCrystals,FIG.4))以期望方式进一步朝向装置的中心传播电势(通过从中心到外围分配不同的电势值)。然而，如果传输线的电阻不够高，则创建电场空间分布的唯一方式将是“强制”或相移控制。相比之下，为了实现毫米级装置的电势的“自然”减小(例如，当其中一个触点通电，而第二个触点浮动时)，标准ITO《传输线》的宽度(其Rs值在50至100欧姆/平方之间)必须是亚微米的，这在工业规模上以可重复的方式获得是极其困难的。因此，即使对于0.5微米宽度的ITO传输线，在10mm上的电势降也小于12％。因此，电势的调制深度可能很差。
提出了螺旋形ITO电极的另一种方法(在US 8,421,990 B2中，图5a)，其似乎更易于生产和控制。事实上，如果系统的参数被良好地设计，则这里仅需要一个电信号(相对于接地)来创建和控制透镜。将电势施加到外部电触点1，同时使ITO的中心端浮动。相对的基板承载可以接地的均匀透明电极。
然而，在这种方法中，为了将电势传播(逐渐减小)到毫米级(典型的LC材料，厚度约为50微米的量级)，ITO通道的宽度w和相邻的ITO通道之间的间隙g必须被选择为使得ITO图案的节距(w+g)与LC层L的厚度相当。在这种情况下，LC材料的反应将是突然的(在有和没有ITO的区域之间逐渐进行(step wise))，因为对应的边缘场将无法《平滑》ITO通道之间的电场。这将产生光散射和其波前的劣化。这在图5b的照片中得到了证明。为了获得此照片，LC单元(具有单向定向的向列LC或NLC，其夹在两个基板之间，一个承载均匀的ITO，且第二个承载螺旋形ITO)被放置在交叉偏光器和分析器之间。穿过偏光器的光进入LC单元并产生两种偏光模式(普通和超普通)。它们以不同的相位延迟传播，这取决于观察的横向位置：分子重新定向越多，相位延迟就越少。对于分子重新定向的抛物线轮廓，分析器将根据局部相位延迟而允许光传输或阻止光传输。这会产生同心环，同心环之间的距离显示出两种偏光模式之间的2π相位延迟。因此，光(穿过透镜)的相位轮廓在这里被可视化(仅示出了装置的一半)为亮条纹和暗条纹。由于上述突然变化或离散化的影响(图5b)，我们可以看到多个额外的(见下文)离散“迷你”条纹。
为了解决上述波前劣化的问题，我们提出使用相对高介电常数层(HDCL)，其包括实部、虚部或两者。所提出的HDCL必须浇注在ITO图案近侧(例如，浇注在图案化ITO层的下方或上方，图6a和图6b)。其介电常数ε可优选在ε＝20或以上的范围内，以用于我们关注的CA范围。作为参考，空气具有ε＝1，并且大多数聚合物和玻璃材料具有在4至6的范围内的ε。
实验验证表明，所提出的HDCL确实平滑了电势分布，并使光波前适于成像应用(参见图6c的照片，该照片是在与图5b的照片中所示的相同条件且利用相同装置获得的，但是100nm厚的Ti3O5铸造在图案化的螺旋形ITO上)。与WCL相比，有许多工业上掌握良好的具有高e的光学材料(参见例如J.Robertson，高介电常数氧化物，Eur.Phys.J.Appl.Phys.28,265-291(2004)(J.Robertson,High dielectric constant oxides,Eur.Phys.J.Appl.Phys.28,265-291(2004)))。因此，其他候选固体材料(用于HDCL)可以是其他金属氧化物，诸如氧化铪(HfO2)、Ta2O5、ZrO2等。HfO2的情况特别值得关注且有用，因为除了具有ε＝20之外，它还可以被制造成具有非常接近ITO的折射率的折射率。这可以实现折射率匹配层的制造，从而最大限度地减少来自ITO和HDCL的组合层的菲涅尔反射(因为ITO层将在光学上被“隐藏”)。
我们还可以找到一些具有高ε的光聚合LC材料(通常它们是各向异性的，因此εII和ε⊥是不同的，并且它们的差值Δε≡εII-ε⊥可以相当高，远高于10)。
因此，在第一实施例中，为了获得具有逐渐变化的电场的毫米级装置，我们提出在紧邻ITO电极的图案(下方或上方)处使用高介电常数材料层。
在不同的实施例中，承载ITO螺旋的基板本身可以是具有高ε值的材料。在一些实施例中，HDCL材料可以位于玻璃基板与ITO之间。
在不同的实施例中，LC材料本身可以是具有高ε值的材料。在一些实施例中，可以通过具有高介电常数ε的对准层来执行HDCL功能，该对准层通常可以铸造在ITO上。
在不同的实施例中，HDCL材料可以是层的组合。
在不同的实施例中，承载ITO螺旋的基板可以包含透明电极(优选地距离螺旋相对较远，例如，在基板的外表面上，图7a和图7b)，其连接到内螺旋电极的中心点(通过过孔、小孔等)。在这种情况下，向内部电触点(此处为No.2)施加高电势将在装置中心产生更强的场。这将允许创建具有反向或“负”光功率的透镜(使光散焦而不是聚焦)。这将允许通过由同一装置先创建正透镜然后创建负透镜来增加光功率变化的总动态范围(例如，如果我们首先在触点1处施加高电势，然后减少它，然后在触点2上施加高电势等)。
在一个实施例中，基板的介电厚度(由介电常数和实际厚度定义)可以被选择为使得主动向装置的中心提供期望的电势值，同时避免影响液晶的体积中的电势的进一步时间平均横向分布。
在又一个实施例中，基板的厚度可以相对较薄(不太薄，例如，在50微米至200微米之间)，使得该基板的顶部上的电极可以保持浮动并且不连接到螺旋的中心。这种架构可以有助于进一步平滑液晶的体积中的时间平均横向电场分布。
在另一个实施例中，具有不同电势(U1和U2)的PSD信号可以同时施加在具有特定相位(Φ1和Φ2)和偏移的触点1和2上，这将允许对电势在横向平面(包含螺旋)和由NLC填充的区域中的分布进行额外的重新整形。
可替代地，在不同的实施例中，ITO螺旋的图案可以重新布置成在同一基板上创建第二(内部或中心)触点，图8a。用于使第二触点到达中心的小区域应尽可能窄，以避免光波前的额外劣化。
这种设计还允许创建双极(正或负)透镜(通过分别向触点2提供更低或更高的电势，在第二种情况下，这将在透镜的中心产生更高的电场)，并由此实现总光功率变化的更大动态范围。事实上，对于相同的LC层，我们也可以通过对触点1施加更高的电势(这将在透镜的外围产生更高的电场)来获得正透镜。
如图8a中所示，外触点1连接到螺旋蛇形电极的外部。第一个螺旋段是一个弧，该弧在螺旋阶梯段所在的内径向触点的引线近侧停止。然后，返回螺旋段遵循另一个半径较小的弧到达内径向触点的引线的相对侧。
高介电常数材料的使用(仅为了简单起见，此处未示出)在这里是可选的，但如果应用的话它可以额外提供帮助。
在另一个实施例中，这种“切割线”方法也可以用于创建分段电极区域(例如，2个)，类似于折射菲涅尔透镜，图8b。在这种情况下，触点1将控制透镜的外部区域，而触点2将控制透镜的内部区域。这里，高介电常数材料的使用也是可选的。
在一些实施例中，如图8c中所示，电极结构可以是阿基米德螺旋，其可以包括两个触点，螺旋的每一端各一个。这可以使用与图8a和图8b的实施例类似的控制信号和效果。
类似地，本领域技术人员将理解，可以作出电极结构的任意数量的变型，诸如提供多于一个菲涅尔区(即，围绕中心孔径的透镜带)，而不背离本公开的教导。图8d至图8f呈现了此类电极结构的各种实施例。图8d示出了包括外带电极和中心电极结构的菲涅尔透镜结构，外带电极和中心电极结构均具有可操作以由其自己的驱动信号驱动的两个触点。在这样的实施例中，因此可以独立地控制内中心区和外区的任意带。每个段存在两个末端触点(例如，每个末端处的触点)可能是非常有益的。事实上，除了允许更好地控制电势的特殊分布之外，它还可以进一步允许透镜的“双极”操作(产生具有正和负光功率的透镜)。
在图8e的实施例中，外带电极和中心电极可以均被分成两个或更多个不同的段(例如上部和下部)。每个段可以具有两个触点，这两个触点可以由它们自己的驱动信号驱动。这样，图8e的示例性实施例可以具有八个触点。本领域技术人员将理解，可以通过添加外电极结构来添加任意数量的带，并且任一电极结构可以被分成多个段。另外，将理解，每个带的电极结构不一定必须与其他带相同(即，它们可以具有不同的宽度、节距、段数等)。此外，电极结构可以具有多于两个触点，这对于具有较长连续电极段的蛇形电极特别有用。
当元件的尺寸较大且电势衰减较强时，电极结构的分段可能特别有益。
图8f示出了具有三个区(即，中心孔径、中带和外带)的菲涅尔透镜蛇形电极结构的实施例。每个蛇形电极段(每个区一个)可以具有两个触点，这两个触点可以由它们自己的分离的驱动信号驱动。虽然示出为圆形图案，但图8f中所示的电极结构可以被分成多个段，如图8e中所示，或者变形，例如具有一定的椭圆度等。
通过组合迄今为止所描述的电极结构的某些元件，可以构建大直径装置，该大直径装置不仅可以用于调节视觉和自适应成像，而且可以用于动态照明应用。根据被激活的电极段(例如，外带上的电压较高而中心电极的电压较低，或者相反)，使入射光聚焦和散焦成为可能。还可以激活多个电极结构的各个段(例如，带内的段和/或不同带内的段)以便创建复杂的光操纵(例如，光束转向、展宽/聚焦等)。
当使用这种螺旋电极来创建菲涅尔液晶透镜的区时，设置在相对的液晶单元基板上的电极可以是均匀电极或类似的螺旋电极布置。在均匀电极的情况下，它可以是电极的布置，诸如中心盘和围绕中心盘布置的一个或多个同心带。通过单独驱动布置中的每个电极，然后可以向螺旋电极及其相对的均匀电极元件供电，而不向相邻电极供电或使其接地，从而减少电场从供电区延伸到未供电区。
图8a至图8f中的第二触点的添加还可以使得能够使用各种PSD驱动技术，包括例如当向一个触点(U1)提供高电压而第二触点接地时的情况(且U2＝0)。如果第二触点保持《浮动》(不接地)，则电压分布将会不同(并因此透镜的属性也会不同)。更值得关注的是，当我们施加具有不同相位Φ1和Φ2以及偏移的不同电压(即U1和U2)时的情况。
施加不同电压和相位的相同PSD方法可以用于在本发明的任意其他实施例中获得各种电势分布，其中使用蛇形电极结构来获得电势的期望空间分布。这里，高介电常数材料的使用也是可选的。
已经演示了这种PSD方法以获得透镜效果(Andrew K.Kirby、Philip J.W.Hands和Gordon D.Love，基于电子相移控制的液晶多模透镜和轴棱镜，2007年10月17日/第15卷，第21期/光学快报13496(Andrew K.Kirby,Philip J.W.Hands,and Gordon D.Love,Liquidcrystal multi-mode lenses and axicons based on electronic phase shiftcontrol,17October 2007/Vol.15,No.21/OPTICS EXPRESS13496))。在该演示中，两个基板承载均匀的ITO层。在最简单的演示中，对于柱面透镜的情况，LC单元的底部基板可以接地，而顶部基板可以在相对的拐角处具有两个触点，并且施加到这些拐角的电压(此处为正弦)相移了这种相移(例如，对于/>)会产生从装置的外围(U＝6.3V)到装置的中心(U＝0V)的电势降，从而产生对应的分子重新定向图案。该装置的各种修改是可能的，包括改变/>和/或添加偏置电压。
在不同的实施例中，ITO螺旋的宽度w或它们的间隔g或这两个参数可以以线性或非线性方式在空间上变化(啁啾)，以额外地塑造跨越装置的横向平面的电场(在所有之前和之后的电极设计中)。可以针对这些不同的ITO图案对HDCL的ε值进行进一步优化。在此优化中还必须考虑LC的介电参数及其厚度。
在不同的实施例中，如上所述，两个相似基板(具有或不具有HDCL)的组合可以用于构建LC单元(或夹层结构)。
为了提高透镜的性能，我们可以使一个触点的电势相对于第二触点偏移。这也可以通过对于电极对(铸造在同一基板上)中的一个相对于另一电极对(铸造在相对的表面上)使用电信号的组合来完成，例如，一个高频和一个低频。
虽然单独的蛇形电极结构可以实现足以在期望位置处创建透镜的电场的空间分布，但可以在电极网络上添加高介电材料涂层，以便平滑电场。高介电常数材料层可以包括例如100nm厚的Ti3O5层，其介电常数为约20或更大。如果将相移后的信号施加到这些离散节点电极的相对边缘，则也可以获得替代的“平滑”效果。两种方法的结合可能是有益的。
图8e和图8f的示例性实施例可以用于产生各种复杂的折射率分布，特别是当与分段电极“组合”使用时。在这样的实施例中，电极的周期(或节距)(由它们的宽度w和它们之间的间隙g限定)对于不同的段可以是不同的。如本文描述的，可以在蛇形电极的长度上使用任意数量的触点和/或可以使用任意不同的控制模式。例如，可以使用激活第一电极并使其第二触点“浮动”，或者激活两端并交替其值以产生平均RMS场分布、添加偏移值等。
在又一实施例中，如图9a中所示，电极结构可以包括多个分离的蛇形电极，其可操作以提供可以在LC单元的单个基板上使用的多个分离的透镜区域。图9b示出了与图9a中呈现的类似蛇形电极结构的正交定向。如本文将进一步详细描述的，应当理解，图9a和图9b中所示的电极结构的每个蛇形电极区段均可以很小(例如，0.5mm宽)并且可以在整个期望的透镜表面上重复。因此，可以控制每个蛇形电极区段以提供所创建的期望透镜的一部分。事实上，使用足够小的蛇形电极区段(每个蛇形电极区段由小间隙分离并且可单独控制)可以提供创建具有各种透镜参数的各种透镜形状的能力。
例如，包括60×80蛇形电极区段(即，提供矩形透镜矩阵)的电极结构可以用于通过独立电极段的波前偏移来创建大的“累积”光程差，类似于复杂的“菲涅尔”透镜。每个蛇形电极区段，当在其至少两个触点中的每一个处用特定电信号控制时，可以提供期望的透镜部分(例如，控制电极的每端处的电压允许创建任意所得的电场对角线分布，这可以影响液晶层以提供菲涅尔透镜带的锯齿部分之一)。这在图11a和图11b中最佳示出，其中图11b示出了用于提供具有球面透镜特性的菲涅尔透镜的分离的LC层的正交方向蛇形电极区段。
类似地，图9c示出了电极结构的不同实施例，其中针对不同区域具有不同节距的多个组合式蛇形电极提供可以在LC单元的单个基板上使用的多个分离的透镜区域。这些分段可能有利于维持期望的电势分布。
图9a至图9c的示例性实施例可以用于产生各种复杂的折射率分布，特别是当与具有单侧或双侧控制电极的分段电极“组合”使用时(例如图9c)。在这样的实施例中，电极的周期(或节距)(由它们的宽度w和它们之间的间隙g限定)对于不同的段可以是不同的。如本文描述的，可以在蛇形电极的长度上使用任意数量的触点和/或可以使用任意不同的控制模式。例如，可以使用激活第一电极并使其第二触点“浮动”，或者激活两端并交替其值以产生平均RMS场分布、添加偏移值等。
应当理解，如果电势匹配U1＝U3，U2＝U4，...U10＝U12，则图9a和图9b中所呈现的电极图案允许主要在水平方向(例如，从中心到外围)产生梯度。其中，这种分段可能有利于避免由于电势衰减过强而导致的不对称效应，例如，在所使用的电极的薄层电阻ρ相当高的大规模应用中。如果电势不匹配，则相同的结构也可以在竖直方向产生梯度。同时，图9c的电极图案还可以允许在竖直方向和水平方向上产生更复杂的折射率梯度图案。
应当理解，类似的电极结构可以在与第一LC单元堆叠的第二LC单元中使用，同时使用电极结构的正交定向，如图9b中所示。
本领域技术人员将理解，使用多个分离的区域(每个区域具有其自己的电极结构，包括可以具有不同形状和特性的任意数量的蛇形电极区段)可能有利于创建特定且独立控制的透镜区域，诸如相当于双焦点眼镜或渐进眼镜。
图10示出了这样的渐进眼镜，其中可能存在三个不同的区域，每个区域需要不同的光功率和电势透镜结构。例如，近侧区域可能需要创建比中间区域具有更多带的菲涅尔透镜的电势。通过使用如图9a至图9c中所示的电极结构在眼镜的整个或大部分表面上提供一个或多个电极矩阵，可以在任意期望位置处创建具有不同特性的不同透镜。例如，根据期望的光功率，可以控制用于近侧区域的菲涅尔透镜以具有更多或更少的带。因此，眼镜可以在其表面上具有一个或多个可调透镜。
应当理解，为了创建具有如本文描述的LC单元和电极结构的期望透镜，可能需要堆叠LC单元以完全作用于入射光。例如，第一LC单元可以具有第一电极结构定向，并且堆叠在第一LC单元上方的第二LC单元可以具有相对于第一电极结构正交定向的第二电极结构。此外，为了作用于两种光偏光，可以堆叠基态分子正交定向的液晶单元。
如图10中所示，眼科眼镜可以配备有任意必要电子器件(例如微处理器、存储器、I/O、电池等)和传感器以检测所需的光功率(在特定位置处)并计算在该位置上创建的必要透镜结构。因此，眼镜可以配备有眼睛注视检测器、透镜驱动器和电极开关以向正确的电极提供控制信号。图11a和图11b示出了这种玻璃的示例性构造，其中整个玻璃表面包括具有任意数量的蛇形电极区段的一个或多个电极矩阵。
驱动算法必须适应应用。可以主动控制各种电极的振幅和相位。接地或浮动。这些电极可以受到交替AC信号(例如，正弦或方形)的连续激励。可替代地，正如传统LCD行业所熟知的那样(参见P.J.Collings和J.S.Patel，液晶研究手册，牛津大学出版社，1997年(P.J.Collings and J.S.Patel,Handbook of Liquid Crystal Research,OxfordUniversity Press,1997))，将时序电信号应用到特定电极触点将能够主要在整个光学窗口的期望区域(限制在横向空间中)实现透镜效应的产生，而窗口的其余部分几乎保持不变。
如果需要，还可以创建多个透镜(正透镜、负透镜、柱面透镜、轴棱镜等)并同时在不同位置移动。
在又一不同实施例中，ITO相同图案还可以用于产生其他类型的动态电势分布，其可以用于构建诸如棱镜或柱面透镜之类的组件。因此，如果ITO图案参数(以及将与另一个电极一起使用这种图案的液晶单元的参数)被计算为使电势从一个触点到下一个触点的中间逐渐下降，则可以将相同的电势施加到所有电极，然后我们可以产生柱面透镜阵列(图12a)。粗线(位于右中)示意性地呈现出对应的电势分布。
相反，如果我们使用“双”触点(仅通过断开线路并添加相邻触点，诸如在平面开关几何结构中，图12b)，则我们可以施加相移信号(以产生交流电)，然后我们可以“强制”特定的电势分布(包括线性)，其例如可以用于产生棱镜阵列(图12b)和光转向。这种方法相对于本领域已知的转向装置的优点在于，相邻电极之间不会有泄漏电流(归因于断开)，而电势分布仍将通过选择中间电极线的电阻ρ、宽度w和间距g来控制。

Claims (19)

1.一种液晶梯度折射率装置，包括：
两个相对的包含液晶的基板；
螺旋蛇形电极布置，位于所述基板中的第一基板上；以及
相对电极，位于所述基板中的第二基板上，
其中，所述螺旋蛇形电极布置包括至少两个触点，每个触点可操作以接收驱动信号，所述至少两个触点中的第一触点位于外径向位置处，并且所述至少两个触点中的第二触点位于内径向位置处。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，连接至所述触点中的所述第二触点的引线利用所述螺旋电极布置中的阶梯部和返回部来断开所述螺旋电极布置的匝。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述相对电极是均匀的透明电极。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述相对电极是图案化的透明电极。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述螺旋蛇形电极和所述相对电极中的至少一个由透明导电材料制成。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述透明导电材料是氧化铟锡、氧化锌和石墨烯中的一种。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述液晶是向列液晶。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的透镜装置，其中，所述螺旋蛇形电极布置包括两个或更多个螺旋蛇形电极，其中，所述两个或更多个螺旋蛇形电极中的每一个包括至少两个触点，每个触点可操作以接收驱动信号(电压和频率)，并且其中，所述两个或更多个螺旋蛇形电极中的第一螺旋蛇形电极限定所述透镜装置的中心孔径，并且所述两个或更多个螺旋蛇形电极中的至少第二螺旋蛇形电极限定所述中心孔径的外围中的至少一个外带。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的透镜装置，其中，所述螺旋蛇形电极布置包括电容耦合的电极段。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的透镜装置，其中，所述螺旋蛇形电极布置包括单独驱动的电极段。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的透镜装置，还包括放置在所述螺旋蛇形电极布置近侧的透明HDCL，以扩展边缘场并减少光学损耗。
12.一种液晶梯度折射率装置，包括：
两个相对的包含液晶的基板；
多个线性蛇形电极区段，在所述基板中的第一基板上形成第一布置；以及
相对电极，位于所述基板中的第二基板上，
其中，所述第一布置包括用于每个所述蛇形电极区段的触点，每个触点可操作以接收用于施加电场分布的驱动信号，以在所述液晶内形成线性菲涅尔透镜的一部分。
13.根据权利要求12所述的透镜装置，其中，所述相对电极包括多个对应的均匀电极区段。
14.根据权利要求12所述的透镜装置，其中，所述相对电极包括多个对应的蛇形电极区段。
15.根据权利要求7至14中任一项所述的透镜装置，其中，所述每个电极区段具有至少一个外部触点以接收控制信号。
16.根据权利要求7至14中任一项所述的透镜装置，其中，所述每个电极区段是断开的并且具有两个外部触点以接收控制信号。
17.一种液晶梯度折射率装置，包括：
两个相对的包含液晶的基板；
透明螺旋蛇形电极布置，位于所述基板中的第一基板上；以及
相对电极，位于所述基板中的第二基板上，
其中，所述螺旋蛇形电极布置包括可操作以接收驱动信号的一个外部触点，并且所述蛇形电极布置的至少一个电极位于高介电材料附近。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述第二基板还包括不同形状的电极图案。
19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述第一基板是薄的并且还包括位于外表面上的浮动透明导电层。
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