CN117836712A - 用于中央凹透镜装置的电极结构 - Google Patents

Abstract

一种液晶梯度折射率装置，具有相对的包含液晶的基板，在这些基板中的第一基板上具有第一蛇形电极布置并且在这些基板中的第二基板上具有相对电极。第一蛇形电极布置具有在由第一蛇形电极布置定义的孔径内的多个触点。由第一蛇形电极布置提供的电场允许在所选的孔径内的期望位置的方向上形成电场的变化，孔径通过多个触点中的一些被驱动而选择。

Description

用于中央凹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63/211,396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HPE电极层(到LC夹层结构之外)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0.5mm到50mm的范围内，或者具体地在0.5mm到10mm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(聚焦能力)。而在某些光学成像系统中，孔径(aperture)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)。

在Andrew K.Kirby、Philip J.W.Hands和Gordon D.Love在2007年10月17日发表于《光学快报》第15卷，第21期(Optics Express,Vol.15,No.21)的题为“基于电子相移控制的液晶多模透镜和轴镜》(Liquid crystal multi-mode lenses and axicons based onelectronic phase shift control)的论文中，提出了一种解决使用与孔图案电极相关联的高电阻层(或WCL)来创建空间电压分布的问题的方法。在该论文中，ITO膜放置在一个基板的表面上，并与放置在基板相对两侧上且由相移电压驱动的两个条形电极结合使用。已经发现，当使相对基板上的电极接地时，使用施加到条形电极的不同相位的驱动信号会产生空间电压分布，使得该布置在条形电极之间产生柱面透镜。正如论文中所报道的，当相对基板也具有正交布置的条形电极(相对于第一基板的先前条旋转90度)时，可以使用第二对驱动电压来创建提供用于可调球面透镜的电场的圆柱形空间分布的组合。然而，考虑到相反相位的信号(例如，+5V和-5V)同时施加在相对良好的导体(均匀ITO)的相对边缘，大量电流流过ITO，从而显著增加了装置的功耗。

在Algorri和Love的论文(发表于2013年10月21日|第21卷，第21期|DOI：10.1364/OE.21.024809|《光学快报》24809(21October 2013|Vol.21,No.21|DOI:10.1364/OE.21.024809|OPTICS EXPRESS24809))中，将WCL添加到类似的透镜设计中，其提供用于具有由各种振幅和相移信号驱动的6个电极条(每个基板上有3个)的4个透镜单元。然而，这种方法重新引入了需要WCL的问题。

动态调制光束的LC光学装置在本领域中是众所周知的。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LC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LC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，可以通过在使用离散形状的电极的同时使用相移驱动信号或者通过使用放置在阶梯式电极近侧的相对高介电常数层(HDCL)来解决，这可以“平滑”电势分布并减少由于离散匝或离散匝的阶梯部引起的电场阶跃而产生的伪影。与WCL相比，此类HDCL的制造要容易得多(合适的HDCL材料的一些示例可以在J.Robertson于2004年12月2日发表在《欧洲物理杂志-应用物理学》(The European Physical Journal-Applied Physics)上的题为“高介电常数氧化物(High dielectric constant oxides)”的文章中找到)。阶梯式电极设计的示例可以在前文提及的现有技术中找到并且可以包括如下文所公开的不同设计。虽然大多数聚合物和玻璃的介电常数ε在4至6的范围内(空气的介电常数为1)，但已发现介电常数约为ε＝20或更大的透明材料可以应用于离散(阶梯式)螺旋形或圆形或线性蛇形电极，其效果是所产生的电场不会导致LC表现出由电极电压的空间阶跃引起的伪影。如果我们将相移信号施加到这些离散电极的相对边缘，则也可以获得另一种“平滑”效果。两种方法的结合可能更加有益。

HDCL的使用同样可以与具有类似“平滑”效果的电容耦合电极网络一起使用，而这种情况下的离散化可能不太重要，甚至可以使用具有适当修改且没有HDCL的电容耦合电极，我们将在下文中描述应用和实施例。

在一个示例中，申请人使用了铸造在适当形状的ITO螺旋电极上的Ti₃O₅涂层。在本示例中，Ti₃O₅层的厚度为100nm。这种涂层演示出电势分布的显著改善，使透射光波前的调制足够软以满足成像应用的要求。其他候选固体材料(用于HDCL)也可以是金属氧化物，诸如氧化铪(HfO₂)、Ta₂O₅、ZrO₂等。

HfO₂的情况可能特别值得关注和有用，因为除了具有ε＝20之外，它还可以被制造成具有非常接近于ITO的折射率的折射率n_HfO，n_ITO≈n_HfO，其可以在1.6至1.9之间。这可以实现折射率匹配层的制造(通过光学“隐藏”ITO图案)，从而最大限度地减少来自图案化ITO和HDCL的组合层的菲涅尔反射和光衍射。

在一些实施例中，LC-GRIN单元装置具有两个相对的包含LC材料的基板，在这些基板中的第一基板上具有均匀电极布置，并且在这些基板中的第二基板上具有阶梯式电极布置和放置在阶梯式电极布置近侧的HDCL。

在一些其他实施例中，LC-GRIN单元装置具有第二类型的相对基板；也就是说，第一基板具有阶梯式电极布置和HDCL，并且在第二基板上也存在第二阶梯式电极和HDCL。

在一些其他实施例中，上文提及的LC-GRIN装置可以构建成没有HDCL并且用特定的相移电信号驱动以平滑电场的分布(通过场时间平均)。

该装置可以包括对准结构、膜或层，使得LC在基态下良好对准，诸如用于平面对准的摩擦表面涂层或用于垂直对准的垂直基板结合。阶梯式电极布置可以包括连续或不连续螺旋、连续或不连续蛇形电极、电容耦合段或环、单独驱动的电极环或段等。该装置可以是圆形或柱面透镜、光束转向装置或者光束展宽或散射装置。

申请人还发现，提供将在LC-GRIN透镜中产生期望的电场空间分布的电极布置的问题可以通过设置在LC单元的相对基板上且正交于彼此定向的线性阶梯式电极布置来解决。在此类设计中，虽然每个分开的基板上的电极的每个布置提供了圆柱形电场分布，并且两种布置的组合(用相移信号适当地驱动并进行时间平均)产生合适的球形分布。期望的LC空间分布可以通过电极的布置来控制，例如电极段的间距、段之间的电阻或电容耦合、LC层的厚度、其介电参数等将影响所产生的电场的形状。

与涂覆WCL的孔图案电极(其电场难以在装置孔径上精确控制)不同，正交布置的相对的线性阶梯式电极布置可以印刷或布局成在孔径上具有期望的电压降。与圆形透镜的同心环电极的单独供电不同，驱动信号可以从孔径外部供应至阶梯式电极，而不会创建切割线伪影。

在一些实施例中，LC-GRIN透镜装置具有相对的基板(包含LC)，该基板具有设置在相对的基板上的彼此正交的线性阶梯式电极布置。该装置可以包括对准结构，使得LC在基态下有序，诸如用于平面对准的摩擦表面涂层或用于垂直对准的垂直基板结合。阶梯式电极布置可以包括蛇形电极、电容耦合段或环、单独驱动的电极段等。

申请人还发现，在具有大孔径的光学系统中提供LC-GRIN透镜的良好光功率的问题可以通过提供具有允许在透镜装置的整个光学窗口内的可变位置处形成透镜的电极布置的LC-GRIN透镜装置来解决。虽然具有分段圆形电极的LC-GRIN透镜是已知的(参见，例如，L.Begel和T.Galstian，使用电可变液晶透镜动态产生无衍射光束，441，第127-131页，光学通信，2019(L.Begel and T.Galstian,Dynamic generation of non-diffractingbeams by using an electrically variable liquid crystal lens,441,pp.127-131,Optics Communications,2019)。)，其可以具有通过调整施加到分段电极的电压来稍微移动的光轴(显著小于透镜的直径)以用于光学图像稳定的目的，选择性地为电极布置的不同段供电以具有透镜移动(超过其直径)在本领域中是未知的。事实上，此类选择性供电能够用于将装置内的透镜移动大于透镜半径且通常大于透镜直径的距离。它还可以用于改变透镜的尺寸及其轮廓以产生各种形式的期望像差，轴棱镜、棱镜、柱面透镜、鲍威尔透镜等。值得一提的是，本文公开的变形(或矩阵，或中央凹(Foveal))透镜设计允许创建几乎任意期望的波形，包括正和/或负、圆形和/或柱面透镜、棱镜、轴棱镜等。这是通过使用与空间光调制器(SLM)相比明显更少(少至少一个数量级)的主动控制电极来完成的。

在一些实施例中，具有允许在透镜装置内的可变位置处形成透镜的电极布置的LC-GRIN透镜装置具有设置在彼此正交的相对基板上的线性电极布置，该线性电极布置可以单独供电以定义透镜形成的位置，其中由每个基板上的每个线性电极布置提供的电场允许在电场中形成圆柱形变化，当电驱动信号是相移的时，其组合可以用于形成圆形透镜。该装置可以包括对准结构，使得LC在基态下有序，诸如用于平面对准的摩擦表面涂层或用于垂直对准的垂直基板结合。条形电极布置可以仅包括薄条，或者铺设在HDCL或WCL或高电阻层上的薄条、连续或不连续蛇形电极、电容耦合段或环、单独驱动的电极段等。

这样的透镜装置可以形成一个或同时多个直径为约0.5mm至约10mm的透镜，透镜在装置的全孔径内的定位为约每0.1mm至约每1mm。除了该应用之外，装置的总尺寸(可以创建和移动上文提及的透镜所在的光学窗口)本质上不受限制；例如，如果需要，它可以是几厘米大。

此外，上文提及的毫米级透镜的驱动可以通过应用连续的信号序列来实现，或者可以进行时间排序(如传统LC显示器或LCD行业中所做的那样)来在上文提及的大型(多厘米尺寸)装置的表面上的期望坐标(位置)上获得“本地”响应。事实上，如传统LCD行业众所周知的(参见P.J.Collings和J.S.Patel，《液晶研究手册》，牛津大学出版社，1997年(Handbook of Liquid Crystal Research,Oxford University Press,1997))，将经时间排序的电信号应用于各种电极触点将能够实现主要在整个光学窗口的期望(空间受限)区域中产生透镜效应，而保持窗口的其余部分几乎不变。可替代地，可以在当前创建的透镜区域内部和外部激活多个附加电极，以改善透镜轮廓或减少总体外围失真效应。

在此类LC-GRIN透镜装置在全景或鱼眼相机中的应用中，可以结合运动检测来识别待激活的可调谐LC-GRIN透镜的特定区域，从而使得能够例如在特定期望方向上增加分辨率或调制失真，例如用于监视目的等。

在眼科眼镜距离调节或眼镜的虚拟现实应用中，可以控制此类LC-GRIN透镜装置以使近焦/远焦透镜出现在由用户观看的方向限定的位置处。这些装置可以包括一个或多个眼动追踪部件，使得可以将透镜创建为出现在观看方向上。每只眼睛的眼动追踪可以用于确定方向和焦深，以用于确定可调透镜的适当通光孔径和期望光功率的目的。虽然这样的眼镜可能需要电力，但可以提供可编程眼镜，其可以除了处方透镜之外使用或者可以替代处方透镜。这种矫正透镜可以矫正散光、近视和/或老花眼。驱动参数的远程控制可以允许医生在眼科检查期间调整和优化此类眼镜的性能。当这种眼镜提供两个间隔开的LC-GRIN装置时，可以使两个透镜出现在用户的眼前，从而可以提供图像的放大(光学变焦)。

第一方面是一种液晶梯度折射率装置，其包括：相对的包含液晶的基板，在这些基板中的第一基板上具有第一蛇形电极布置并且在这些基板中的第二基板上具有相对电极，其中，第一蛇形电极布置包括在由第一蛇形电极布置定义的孔径内的多个触点；其中，由第一蛇形电极布置提供的电场允许在所选的孔径内的期望位置(例如在横向位置)的方向上形成电场的变化，孔径通过多个触点中的一些被驱动而选择。

在一些实施例中，相对电极是相对于第一蛇形电极布置旋转90°的类似的第二蛇形电极布置。

在一些实施例中，蛇形电极布置包括透明电极材料。

在一些实施例中，基板包括对准层，该对准层在蛇形电极布置的对角线的方向上为液晶提供平面基态对准(例如，标准平面基态对准)。

在一些实施例中，基板包括玻璃。

在一些实施例中，基板包括柔性的透明塑料材料。

在一些实施例中，该装置包括布置成用于偏振无关(polarization-independent)操作的多个液晶层。

在一些实施例中，该装置包括布置成用于偏振无关和大角度操作的多个液晶层。

在一些实施例中，电极几乎是透明的并且由氧化铟锡、氧化锌、石墨烯或具有类似性能的其他材料制成。

在一些实施例中，液晶是沿两个蛇形电极之间的对角线方向对准的向列液晶，其以小预倾角几乎平行于单元基板以确保无向错操作。

在一些实施例中，基板由透明玻璃或塑料或者具有类似性能的其他材料制成。

在一些实施例中，装置包括两个类似的装置，其以90°旋转组装以确保偏振无关操作。

在一些实施例中，多个触点允许至少5个期望位置。

在一些实施例中，触点限定了透镜的期望位置之间的最小步长等于或大于0.1mm，例如最小步长为0.5mm。

在一些实施例中，该装置还包括开关电路，该开关电路连接到第一蛇形电极和第二蛇形电极中的至少一个的触点。

在一些实施例中，该装置还包括驱动电路，该驱动电路连接到开关电路以用于选择性地驱动触点。

在一些实施例中，驱动电路向触点提供选定的相位和频率驱动信号，以用于创建期望的(例如，圆形对称的)时间平均电场空间分布。

在一些实施例中，该装置还包括驱动电路，该驱动电路连接到第一蛇形电极和第二蛇形电极中的至少一个的触点，以用于选择性地驱动该触点。

在一些实施例中，驱动电路向触点提供选定的相位和频率驱动信号，以用于创建期望的时间平均电场空间分布。

在一些实施例中，蛇形电极布置包括驱动电极段，该驱动电极段与连接至这些段并填充这些段之间的间隙的高电阻层组合。

在一些实施例中，蛇形电极布置包括驱动电极段，该驱动电极段与放置在蛇形电极布置的近侧并填充这些段之间的间隙的透明的相对高介电常数和光学指数匹配层组合。

在一些实施例中，基板是柔性的。

在一些实施例中，该装置包括驱动电路和/或开关电路，该驱动电路和/或开关电路在安装于柔性基板的胞外区域内的一个或多个集成电路芯片上。

第二主要方面是一种具有凹面和与该凹面接触的如先前所限定的透镜装置的眼镜透镜。

第三主要方面是一种视力改善装置，其包括：眼动追踪装置；可充电电源；偏振不敏感透镜装置，由如先前所限定的透镜构成；以及驱动器，接收来自眼动追踪装置的眼睛位置信号，并向蛇形电极布置的每个触点提供驱动信号，以使具有合适光功率的透镜出现在透镜装置的期望位置上，以用于将图像聚焦到眼睛的中央凹区域。

在一些实施例中，该装置与其他电可调装置(例如菲涅尔型透镜)组合以提供增强的眼科性能。

在一些实施例中，集成了远程可重写存储元件，以允许存储驱动信号的“默认”参数，这些参数在需要时(例如，在眼睛性能改变的情况下)在远处被重新调整。

在一些实施例中，偏振不敏感透镜装置从眼镜的一侧集成到“眼科”玻璃系统中，以通过使用眼动追踪系统以及供电和驱动电子器件来提供适应性视力和像差校正。

在一些实施例中，偏振不敏感透镜装置从眼镜的两侧集成以提供适应性视力、像差校正、放大和增强视力。

在一些实施例中，透镜装置集成到虚拟现实、增强现实或其他增强视景系统中以改善用户体验。

在一些实施例中，偏振不敏感透镜装置用时间顺序寻址相移电信号驱动，以主要在装置的期望区域中创建局部透镜效应。

第四主要方面是一种大角度(例如，全景或鱼眼或类似)视景、记录、观察或监视改善设备，其包括：追踪或运动检测器，能够识别场景中的受关注的区域；偏振不敏感透镜装置，由先前所限定的透镜构成；驱动器，接收追踪或运动检测信号，并向蛇形电极布置的每个触点提供驱动信号，以使具有合适直径、形状和合适光功率的透镜出现在透镜装置的期望位置上，以用于聚焦图像、局部提高分辨率或校正像差和失真。

应当理解，可以使用如本文描述的电极结构和LC单元架构来获得在非常大的区域上产生动态可调节的自由形式折射率调制分布的偏振相关或无关装置。

类似地，还可以进一步使用本文描述的电极结构和LC单元架构来获得用于产生单平面柱面动态可调透镜阵列或双平面交叉定向柱面动态可调透镜阵列以在大通光孔径上产生聚焦光线、点矩阵或其他期望图案的偏振无关装置。

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ITO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3示出了本领域已知的具有ITO传输线和ITO侧电极的分压器跨线LC透镜的示意性俯视图。

图4a示出了本领域已知的柱面透镜型装置的示意性侧视图，其具有相移驱动(PSD)，其中底部基板接地，并且顶部基板在相对的拐角处具有两个触点，并且所提供的电压相移了

图4b示出了本领域已知的柱面透镜型装置的示意性侧视图，其具有PSD，其中底部基板接地，并且顶部基板在相对的拐角处具有两个触点，并且所提供的电压具有可调节的相移和偏置电压。

图5a示出了本领域已知的2x2透镜阵列的爆炸图，其中通过使用平行线性(指状)电极和高电阻率或WCL层来实现PSD。

图5b示出了图5A中所示的2x2透镜阵列的爆炸图，其中每个末端拐角处的两个电极被短路并以相同的电压和相位驱动。

图5c是在相对的基板上沿正交方向布置的单独受控的独立线性电极条阵列的复合图。

图6a示出了根据本公开的实施例的具有可选的HDCL的单个(全部连接的)线性或蛇形电极条或通道的基板的示意性俯视图。

图6b示意性地示出了两个触点(如图6a中所示)在它们都被主动驱动时(在该示例中它们之间的相移为零)时的电极电势(U1)的变化，它们中的一个(第2个)接地或浮动。

图7a示出了根据本发明的实施例的顶部基板(其具有可选的HDCL以及触点1和触点2)的示意性俯视图，该顶部基板与包含类似或均匀电极的另一基板一起用于LC单元中，能够实现转向和聚焦功能，其中，触点1和触点2在顶部分离。

图7b示出了根据本公开的实施例的底部基板(其具有可选的HDCL以及触点3和触点4)的示意性俯视图，该底部基板可以与顶部基板组合以形成能够执行转向和聚焦功能的LC单元(具有适当的PSD)，其中触点3和触点4在底部分离。

图7c示出了根据本公开的实施例的能够执行转向和聚焦功能(具有适当的PSD)的LC单元的示意性俯视图，其中如图7a和图7b中所示的两个基板与对应的触点1至4组装在一起。

图8a示出了实验观察到的输出光波前分布的示例(通过在交叉定向的偏振器之间插入LC单元来观察亮环和暗环，其对应于透射光波前的π相移的倍数)，这是利用图7c中呈现的所提出的单元设计获得的，但没有HDCL。

图8b是用于施加到相对基板上的电极的控制信号(高频主信号和低频偏移信号)的电压随时间的变化的示意图。

图9a示出了根据本发明的一个实施例的来自允许产生具有不同孔径(直径)和位置(中心)的透镜的LC单元的第一基板的蛇形电极的示意图，具有如图7b中所示的两个相似基板，但具有多个电极触点(多个相似图案的并置)。

图9b示出了根据本发明的一个实施例的来自允许产生具有不同孔径和位置的透镜的LC单元的第二基板的蛇形电极的示意图，具有如图7a中所示的两个相似基板，但具有多个电极触点(多个相似图案的并置)。

图9c示出了根据本公开的实施例的来自允许产生具有不同孔径和位置的透镜的LC单元的两个基板的正交定向的蛇形电极结构的示意图。

图9d示出了图9c中所提出的装置的单个单元(1×1分区)中的各种光功率水平(由亮环和暗环表示)的几个示例，其中样品放置在两个交叉定向的偏振器之间，LC分子的平均定向(所谓的“指向矢”)以45度对角线定向。

图9e示出了使用图9c中所示的相同装置来创建更大孔径透镜(2×2分区)并移动其中心。

图9f是包括使用如图9c中呈现的电极结构的装置中的电场空间分布的图形表示的复合图，其中电极触点由类似于图8b呈现的给定的高频控制信号驱动，并用于低频偏移信号的四个不同振幅E₀。

图10a示出了根据本公开的实施例的用于日常使用、增强现实使用或其他特定用途的一副眼科眼镜的后视图，其具有能够聚焦和调整非偏振光的内置透镜和眼动追踪(例如，图9c中提出的两个交叉定向透镜的组合，以确保独立于偏振的操作。

图10b示出了一副眼科眼镜(类似于图10a中呈现的眼科眼镜)的侧视图，其在眼镜两侧具有LC透镜阵列(1和2)，从而能够增强视力(聚焦和变焦)能力。

图11a示出了图10b中所示的眼镜的示意框图。

图11b示出了如图10a中呈现的LC透镜装置的示例性实施例，其包括透镜驱动器和多个电极控制器。

图12a示出了如图11b中呈现的LC透镜装置的实施例的截面图。

图12b和图12c示出了如图11b中呈现的LC透镜装置的实施例的截面图，其包括电极控制器与电极之间的连接。

图13示出了如图11b中呈现的LC透镜装置的示例性实施例，其包括附加的LC透镜装置，例如菲涅尔透镜。

图14示出了如图13中呈现的LC透镜装置(包括两个LC透镜装置)的实施例的截面图。

具体实施方式

图1a示意性地示出了通过在包含LC材料的夹层装置的顶部基板上使用图案化电极而构建的电可变LC透镜。夹层结构的第二(底部)基板通常被均匀的透明电极(例如，氧化铟锡或ITO、氧化锌、石墨烯或任何其他具有类似性能的材料)覆盖。在圆形透镜的特殊情况下，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的期望值近似等于2.5。

上述方法可以在非常窄的小CA范围内取得成功。然而，对于较大的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。可替代地，我们可以增加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(到LC夹层结构之外)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50mm的范围内，或更具体地在0.5mm到10mm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LC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 LC 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。本领域技术人员将理解，虽然被描述为ITO电极，但可以等效地使用其他类似材料，而不脱离本公开的教导(例如，氧化锌、石墨烯等)。

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LCD或SLM中)或者是部分电阻桥接的。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(J.F.Algorri,N.Bennis,V.Urruchi,P.Morawiak,L.Jaroszewicz,J.M.Sánchez-Pena,Voltage divider trans-line liquid crystal lens,PC20,15th European Conference on Liquid Crystals)，图3)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)，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。

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)。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。此外，为了减少HDCL对LC装置的任何光学影响，HDCL可以使其光学指数与ITO的光学指数匹配。

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。与WCL相比，有许多工业上掌握良好的具有高ε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 dielectricconstant 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(H_fO₂)、Ta₂O₅、ZrO₂等。H_fO₂的情况特别值得关注且有用，因为除了具有ε＝20之外，它还具有非常接近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(反应)LC材料(通常它们是各向异性的，因此ε_II和ε_⊥是不同的，并且它们的差值Δε≡ε_II-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HDCL。

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。

在不同的实施例中，LC材料本身可以是具有高ε值的材料。

在不同的实施例中，HDCL材料可以是层的组合。

研发的另一种方法是使用各种PSD驱动技术，包括当例如向一个触点(U₁)提供高电压而第二触点接地(且U₂＝0)时的情况。如果第二触点保持《浮动》(不接地)，则电压分布将会不同(并因此透镜的特性也会不同)。在此更值得关注的是当我们施加具有不同相位Φ₁和Φ₂的不同电压(即U₁和U₂)时的情况。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,PhilipJ.W.Hands,and Gordon D.Love,Liquid crystal multi-mode lenses and axiconsbased on electronic phase shift control,17October 2007/Vol.15,No.21/OPTICSEXPRESS13496))。在该演示中，两个基板承载均匀的ITO层。图4a表示出柱面透镜的情况下的最简单演示中的工作原理。在此，底部基板接地。顶部基板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，图4b。

在另一篇文章(J.F.Algorri、G.D.Love和V.Urruchi，光学元件的模态液晶阵列，2013年10月21日|第21卷，第21期|DOI：10.1364/OE.21.024809|光学快报24809(J.F.Algorri,G.D.Love,and V.Urruchi,Modal liquid crystal array of opticalelements,21October 2013|Vol.21,No.21|DOI:10.1364/OE.21.024809|OPTICS EXPRESS24809))中，作者描述了PSD的进一步应用，即，使用平行线性(指状)电极和高电阻率或WCL层(图5a)来产生4(或2x2)透镜的阵列。在这种情况下，每个基板承载3个ITO(平行线性)电极，但是为了构建单元，第二基板(具有类似的电极结构)旋转90°。为此，每个末端拐角处的两个电极被短路(图5b)并以相同的电压和相位驱动(在顶部基板上以V₁和Φ₁，且在底部基板上以V₃和Φ₃)，但中间电极是利用特定电压和相位独立驱动的(在顶部基板上以V₂和Φ₂，且在底部基板上以V4和Φ₄)。该装置允许同时产生4(或2x2)透镜，这些透镜可以通过这些电极之间的电压和相对相移来控制。

现在参考图5c，其是如现有技术中已知的在相对的基板上沿正交方向布置的单独控制的线性电极条的阵列的复合图。该实施例使用如图5a和图5b中呈现的现有技术解决方案(典型的LCD和SLM)的类似架构，并且示出了具有任意数量的线性电极条的电极结构。在该实施例中，每个电极结构正交地定位在LC单元的两个基板上。因此，这样创建的网格可以允许选择来自每个基板的电极的任意组合，从而在期望的位置上创建期望的透镜(即，其可以以被驱动电极的中间为中心或在取决于提供给所有电极的驱动信号的任意位置)。在该现有技术解决方案中，当结构包括用于大CA的大量电极时，电极的驱动可能成为重要问题。这是因为电势不会在横向平面中传播，并且为了使其充分塑造，例如在CA＝5mm的尺度上，至少100个(顶部基板)+100个(底部基板)＝200个紧密间隔的电极(节距为0.05毫米)必须主动控制才能产生覆盖5mm区域的LC透镜装置(典型眼科眼镜透镜的典型尺寸可以为50mm)。

虽然可以控制具有正交布置的蛇形电极布置的基板之间的单层LC以形成对于给定的线性偏振光具有圆形透镜特性的GRIN透镜，但是应当理解，通过添加与第一层组合的正交偏振的第二层LC可以提供一种作用于自然混合偏振光的装置。类似地，在一个基板上具有蛇形电极布置且在相对基板上具有均匀电极的基板之间的单层LC可以提供对于给定的线性偏振光具有柱面透镜特性的GRIN透镜。如果需要的话，两个这样的LC层可以提供正交的柱面透镜，其组合可以提供具有圆形透镜特性的GRIN透镜。在这种情况下，将层数加倍还可以提供一种作用于自然混合偏振光的装置。

相反，当电势在横向平面中传播而不使用大量电极时，可以显著减少所需电极的数量并因此降低解决方案的复杂性。一种实现方式是使用WCL。由于其“半导体”特性，可能需要非常有限数量的主动控制电极(低于总共4个电极)才能在相同的CA＝5mm上产生相同的透镜效应。此类显著的增益(200/4＝50倍)可能使该透镜成为一种实用的解决方案。

然而，这里存在几个问题，最重要的是WCL的工业(大规模)制造，这并不明显。让我们提醒一下，WCL的作用是“传播”和“重塑”横向平面中的电势分布。接下来我们将提出，可以在不使用WCL的情况下执行此功能。

在一些实施例中，这里提出的ITO电极可以是线性形状的电极条或通道(图6a)以产生电可调棱镜或柱面透镜功能。在最简单的示例中，该基板可以面对相对基板上的均匀ITO电极。因此，向触点1施加高电势U₁(同时均匀电极接地)将在装置的上部产生更强的LC重新定向，因为该电势将以不同的梯度减弱(朝向电触点2，参见图6b)，这取决于触点2是否接地U₂＝0(这可能会产生快速电势降)或者是否保持浮动U_F(这可能会产生较慢的电势减弱)。这样的基板与具有均匀接地ITO的相对基板(以与LC形成夹层结构)组合将能够产生折射率的横向梯度和对应的光倾斜(转向)，例如，在朝向触点2的方向上(如果NLC具有正各向异性)。如果将电势施加到第二触点(底部)，则情况可能相反。

如果这两个触点由具有特定相位(Φ₁和Φ₂)的特定电势(U₁和U₂)驱动，我们还可以产生对称的电势分布(图6b)。因此，如果相移为零(或者两个触点1和2都保持在相同电势)并且结构参数(LC、ITO电阻、ITO通道的宽度w、ITO通道之间的间隙g等)以适当的方式选择，则朝向结构中心(触点1和2之间)的电势降将是对称的。这种类型的结构可以产生可调谐柱面透镜。这也是特别值得关注的情况，因为这种类型的基板与另一种类似的基板(而不是均匀ITO)结合可以形成夹层结构(第二基板旋转90度，见下文)并且可以用作可调装置(透镜、棱镜等)，即使在用PSD驱动时不使用HDCL的情况下。

这里同样，就施加到两个触点的电压和相位而言，PSD的许多变化是可能的。

在不同的实施例中，ITO通道的宽度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，参见例如图9a至9c)。如果需要，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，如上文已经提及的，两个相似基板(具有或不具有HDCL)的组合可以用于构建能够执行转向和聚焦功能的LC单元(或夹层结构)。图7a至图7c分别演示了顶部(图7a)、底部(图7b)和组装在一起(图7c)的基板以及对应的电极和4个电触点(每个基板有两个)。此架构可能还不需要使用HDCL。如已经提及的，这种透镜通过使用仅4个电极即可覆盖5mm直径(相对于SLM或LCD方法中使用的200个电极)。

在图8a中示出了利用所提出的单元设计图7c获得的实验结果的示例(具有图7a中呈现的顶部基板以及图7b中呈现的相对基板，在这两种情况下都未使用HDCL)。为了获得该图，单元被制造为使得其基态指向矢以对角线定向(相对于顶部和底部基板的蛇形定向)并放置在交叉定向的偏振器和分析器之间，并且LC的指向矢的基态定向也沿着偏振器以45度对准并分析方向。亮环和暗环分别表示横过单元的光波前的2π和π相移(在普通偏振模式与异常偏振模式之间)。

透镜的通光孔径(CA)直径约为0.5mm，并且液晶厚度为40微米(所用的向列LC或NLC的光学双折射约等于0.2)。这里的NLC的基态定向是对角线(相对于电极线成45度，也可以选择不同的)。施加在电极上的典型电压可以为10V_RMS或以下的量级，并且典型频率为0.5kHz。4个信号的相对相位为0、90°、180°和270°。该图示出了光波前现在是弯曲的并且光是聚焦的(白色虚线圆圈示出了CA的有用部分)。通过改变控制参数(电压、频率、相移等)，我们可以改变透镜的聚焦距离和像差。

为了提高透镜的性能，我们可以使一个基板的电势相对于第二基板偏移。这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(例如使用一个高频信号和一个低频信号，如图8b所示)来完成。图8b示出了正弦波形的示例，但它也可以是方形的，因为LC主要对RMS场做出反应。

在又一个不同的实施例中，具有多个电极“外部”触点(图9)的两个相似的基板(每个段(在这些触点之间)类似于图7中描述的那些(具有或不具有HDCL))可以用于构建LC单元，从而允许产生具有不同孔径、光功率和位置的动态透镜。即，我们可以在第一基板上使用第一蛇形电极(图9a)，在该第一基板上我们具有连接到驱动器的多个段(例如，蛇形电极可以具有40个触点)。这些外部触点中的每一个均可以通电(不同相位具有不同电压)、接地或保持浮动。也可以制造第二基板上的另一个类似的电极并将其用作LC装置的一部分，但其电极在垂直方向上对准(图9b)。然后，我们可以将它们以特定距离定位在一起，以构建LC单元夹层结构(图9c)。

在该实施例的最简单版本中，每个基板包含仅一个蛇形(所有连接的)电极。所需的外部触点电极的数量可以由装置的总尺寸以及用于选择期望透镜的中心的空间(横向)“分辨率”来定义(见下文)。在一些其他实施例中，每个蛇形电极的触点数量可以是50或高达100，以覆盖非常大的表面(例如，50mm)。本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的教导的前提下，可以使用用于蛇形电极的任何数量的触点。然而，增加触点数量必然会增加连接电极驱动器和确保将驱动信号提供给正确触点的挑战。另外，虽然在图9a和图9b中示出为单个连续蛇形电极，但是本领域技术人员将理解，LC单元基板上的电极结构可以包括任意数量的分离的蛇形电极(每个蛇形电极具有任意数量的触点)，从而在LC基板上创建区、段或区域(例如，眼科玻璃LC装置可以具有多于一个的透镜区域，每个区域包括其自己的分离的电极结构)。

然后，我们可以将连续的信号序列或标准LCD时间复用信号(LCD timemultiplexed signals)应用到本文描述的各种电极组。例如，使用如图9c中呈现的蛇形电极，可以激活(驱动)电极X1&X3和Y1&Y3，并因此创建具有以坐标X2-Y2为中心的通光孔径的透镜(图9c中的左下透镜)。如已经提及的，在其最简单的实施方式中，所有其他触点都可以保持浮动，并因此仅4个激活的电极就足以创建5mm直径的透镜。相反，如果特定的激励可以施加到任何期望的电极，而其他电极可以接地或保持浮动，则因此在蛇形电极的整个网格上创建任意期望的透镜(以期望位置为中心并具有期望宽度)。控制电极的额外激活可以在所创建的透镜区域内部以及外部进行。显然，我们可以通过使用正确的触点和正确的激励信号来根据需要移动中心，并且一旦建立了透镜中心的新位置，我们还可以改变其直径或选择直径并动态改变其光功率或像差。

在上文描述的示例中(在图9c中)，如果我们不关心的话，则剩余区域(在“动态透镜”区之外)可能会显得不均匀或扭曲。然而，如果使用这种透镜，例如在全景(或鱼眼)相机中，则可能会影响顾客的周边视力或影响记录质量。在这种情况下，我们还可以向其余电极施加电信号，以进一步控制或均匀化这些区中的LC的定向。例如，如果在左上角创建期望的“动态”透镜，则可以通过其他电信号激活其余电极以也重新定向分子，但以平坦的方式(均匀)，而不是类似透镜的方式。

在一些实施例中，如图9c中所示的蛇形电极结构可以在中央凹LC透镜装置中使用。如本领域已知的，LC透镜具有与LC材料的厚度成正比且与孔径的平方成反比的光功率。因此，合适的LC透镜通常不能比约5mm宽很多。该孔径尺寸可能大约适用于聚焦眼睛中央凹所看到的整个视场的一部分，而不是整个视场。使用具有如图9c中呈现的电极结构的LC装置，通过向电极网的选定电极提供选定电压，可以在视场内的期望位置处创建小“中央凹”透镜。

在图9c的实施例中，与诸如SLM或LCD之类的替代方法相比，LC透镜装置可以允许通过使用最少数量的电极来产生相对平滑的折射率分布，参见例如如图5c所示的现有技术。

虽然可以通过一次激活仅四个触点电极而其他接触保持浮动来创建透镜，但是应当理解，一次可以激活更多电极(在局部透镜区内以及在该区之外)以细化该分布并更好地控制所产生的分布。鉴于SLM或LCD需要主动控制的控制电极非常紧密(靠近)定位，即使所有电极触点都被激活以产生透镜，本LC装置可能仍然具有少得多的控制电极(由于蛇形设计允许空间中的电势的“传播”)。例如，SLM的典型节距可以低于0.05mm，而本LC装置的控制电极的典型节距可以大至少10倍。因此，为了覆盖相同的区域，与SLM相比，具有图9c的蛇形电极结构的LC装置可以具有明显更少的控制电极。因此，本LC装置可以通过降低设计、连接数量、驱动模块等的复杂性来提供优于现有技术的显著优点。

在2mm直径的LC中央凹透镜的示例中，每隔0.10mm或更小可能需要具有不同控制信号的电极。这有效地导致电极宽度小于约0.05mm，从而允许电极之间间隔开。因此，可能需要至少总共40个分离的控制信号(例如，传送到每个基板的20个信号)来驱动具有本领域已知的设计(诸如图5c所示的设计)的中央凹透镜。在3cm的眼镜透镜中，这可能导致总共约600个电极连接节点和开关矩阵，以可控地将每个电极节点连接到40个信号源之一。在这样的配置中，此类装置的制造和可控性可能过于复杂而无法使用。另外，控制系统和连接可能需要眼镜框或其他装置中的大量空间，使得其在实际应用中使用可能过于笨重。

然而，使用这里提出的用于中央凹LC透镜装置的蛇形电极结构，使得4个或6个电极触点由信号驱动以在带有电场空间调制控制器的电极矩阵(其可以包括总共约60个或80个连接节点，每个连接节点间隔约1mm，而不是每个0.1mm)中形成中央凹透镜，可能会明显更好。

例如，参照图9c，当电极X3和Y3接地或保持浮动，而X2、X4、Y4、Y2连接到不同的相位信号时，顶部透镜可以形成在LC层中。通过选择不同组的6个电极，LC透镜在LC层中的位置可以改变一最小增量，其表示蛇形电极的触点之间的间距，诸如在给出的示例中的1mm的增量。如图所示，每个连接节点之间可能有约10匝的蛇形电极(取决于ρ、w、g和LC特性)，并且两个节点之间的电压和/或相位的差异可能会导致它们之间出现期望的电压降，其分布在蛇形网络上。该电压降将分别导致在x方向和y方向上的3D形状电场分布，如图9h中所示。

可以激活其他附加电极，例如，以形成上文描述的透镜外部的电势分布。

通过选择适当的信号(电压和相位)，可以获得各种波形来聚焦、校正像差、引导光或者甚至创建负(散焦)透镜。

图9f是包括使用如图9c中呈现的电极结构的装置中的电势的空间分布的图形表示的复合图，其中电极触点由类似于图8b呈现的高频控制信号驱动，并用于低频偏移信号的四个不同振幅E₀。本领域技术人员将理解，对驱动信号在相位和振幅上的仔细选择可以导致取决于应用可能期望的许多不同的电场形状。虽然图9h示出了具有振幅增大的E₀的高斯形状聚焦透镜，但可以类似地形成棱镜、柱面透镜、轴棱镜或其他类型的透镜(包括散焦透镜)。

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HDCL涂层，以便平滑电场。HDCL可以包括例如Ti₃O₅层(大约100nm厚)，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，如图9f所示，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。

应当理解，通过提供给如图9a至图9c中呈现的蛇形电极结构的驱动信号对电势分布的控制(无论是在期望的透镜区内部还是外部)，都可以通过激活其他触点(即，界定透镜区的触点外部的触点)而不是使它们保持浮动来得到改善。此外，可以改变激活的接触电极之间的“相位关系”以调整分布(因此可能没有必要使它们相对于另一个偏移90度的所有倍数)。

图9d和图9e示出了所提出的装置的操作的几个示例。因此，图9d表示在单个“单元”(此处为1mm×1mm，由两对由铬制成的交叉定向电极/形成正方形的暗线/以更好地可视化单元位置而形成)内创建小透镜及其光功率的变化(由暗环和亮环的数量定义)。采集是通过使用干涉/偏振成像(单元位于交叉的偏振器和分析器下)在氖氦激光器的照射下完成的，其驱动信号为(a)100Hz、(b)200Hz、(c)300Hz、(d)400Hz、(e)500Hz、(f)600Hz、(g)700Hz、(h)800Hz、(i)900Hz、(j)970Hz。(a)中的双向箭头示出了聚酰亚胺膜上的摩擦对准方向(NLC分子的基态定向)。所有图像都是相同的。这示出了使用具有1mm直径的测试单元在2.8V固定电压下频率对性能和光学质量的影响(这里的相移是通过对应电信号的轻微频移获得的)。事实上，我们在此演示了也可以通过频率调谐来获得透镜控制。

可替代地，如上文预测的，我们可以使用相同的装置来创建更大孔径的透镜。如图9e(左侧)中示出了这种透镜的示例。在这种情况下，使用2个单元来创建透镜(2mm x 2mm)，如深色铬电极演示的。利用驱动参数的适当控制，我们还可以使透镜的中心相对于电极线路移动(如图9e中在右侧所演示的)。

在另一实施例中，两个上述提到的“控制”基板(具有图案化ITO电极，而不是一个是均匀的)的组合用于构建LC夹层结构并获得电可变透镜或棱镜。

在另一实施例中，两个上述提到的夹层结构(一个相对于另一个指向矢(directors)旋转90度)的组合用于构建具有较小或可忽略的偏振灵敏度的LC装置(每个夹层结构主要影响非偏振光的两个垂直偏振分量之一并且最终组件的作用类似于偏振不敏感装置)。

双频、蓝相或其他液晶组合物可以用于增强上述装置的性能。

也可以使用不同类型的电极(ITO、ZnO、铬、金、石墨烯等)或电极的组合。

上文描述的电极可以是线性矩形或其他形式。电极图案可以被分段成不同的区，并且这些区可以被独立控制或保持浮动。

在当相移信号被施加到线性形状的多个电极上时的情况下，HDCL的应用可能不是必需的。

在另一个实施例中，所提出的透镜(来自图9c，但优选地是其偏振不敏感版本，通过使用两个LC单元与LC的基态光轴的垂直定向的组合而获得，或者通过使用相同定向但具有偏振旋转分量(component)而获得，参见下文)用于构建眼科眼镜(参见图10a)以用于日常生活、增强现实、虚拟现实或其他特定应用(例如，增强视景系统)。透镜可以使用薄玻璃或塑料基板(其可以是柔性的)来制造，并且该透镜可以层压在定焦眼科透镜(玻璃或塑料)的表面(内或外)上。这将允许动态距离调节以及实时像差校正(例如，在眼科检查期间)。1l是左侧可调透镜，并且1r是右侧可调透镜(每侧有一个)。1示出了当人向左下方看时的局部可调透镜的可能位置，2示出了当顾客向左上方向看时针对物体的特定距离所产生的透镜的位置和直径(虚线圆)。3示出了当顾客向右下方向看时针对另一物体的另一距离所产生的透镜的位置和直径(虚线圆)。透镜可以例如通过太阳能元件(集成到眼镜框上)或通过可充电电池4(通过物理连接或感应方式)供电。5是微型驱动器，其用于控制透镜并优化其在各种条件下的性能，包括温度变化等。6和7是微型摄像头(cameras)，其可以用于追踪人眼的定向(orientation)并估算“物体”的距离及其定向。这将提供关于待产生的动态透镜的位置和直径的信息。这种装置可以增强中央凹视力。无线接口8可以用于与驱动器5通信以用于配置和/或重新编程的目的。眼科咨询结果可以用于随着顾客的年龄增长而重新编程和优化装置的操作，或者简单地为不同的人定制装置。

LC装置的LC层可以彼此垂直地堆叠并且可以附接(例如层压)在眼科透镜的内表面上。塑料基板可以用于促进该层压过程。眼科眼镜及其框架可以包括提供眼动追踪的系统、电力存储、每个电极触点的连接、驱动器和无线接口。

图11a是对应于图10a的框图，其示意性地示出了视力改善装置的元件的可能互连。例如，透镜系统可以包括可操作地连接到驱动器5的眼睛注视检测器6、7。驱动器5可以包括任意数量的模块，诸如焦距计算器5.1、透镜定位和光功率计算器5.2以及左侧LC透镜驱动器5.3和右侧LC透镜驱动器5.3、5.4。因此，驱动器5可以包括处理器、存储器(例如易失性、非易失性等)、输入输出控制器以及任何其他必要的电子器件以接收输入、执行与焦距、透镜定位和光功率相关的计算并且输出电极驱动控制信号。存储器可以包括程序代码，当由处理器执行时，该程序代码可以被操作以执行期望的计算。透镜系统还可以包括编程接口8，通过该编程接口可以修改所存储的程序代码，从而改变或更新现有的计算模块和/或电极驱动器。编程接口8可以包括必要的通信电子器件以直接(例如，蓝牙)或通过网络(例如，通过WiFi、蜂窝网络等)连接到远程装置，使得其可以被远程编程。因此，可以集成远程可重写存储元件以允许存储驱动信号的“默认”参数。此后，可以在需要时(例如，在眼睛性能发生变化的情况下)远程重新调整这些默认参数。

在另一个实施例中，所提出的透镜(来自图9c)用于构建具有变焦能力的眼科眼镜(参见图10b)，以提供增强的视力(“鹰眼”)。在这种情况下，每个眼镜可能具有两个这样的透镜(在内表面和外表面上各有一个)，因此总共有4个可调透镜。因此，我们将具有由定焦透镜分离的两个可调透镜。它们的动态调整(包括在相反方向(即，透镜1聚焦而透镜2散焦))可以提供光学变焦和/或图像稳定功能。在这两种情况下，可以使用触摸传感器3(图10b)来进行控制。

在另一个实施例中，所提出的透镜(来自图9c)可以与大角度(全景或鱼眼)相机结合，以通过激活透镜的具有特定直径的特定区域来提供失真校正或选择性改善的分辨率和可见区能力。

在另一个实施例中，所提出的电可变组件(诸如图7c中呈现的元件)也能够在其他《聚焦》模式中使用。例如，它们可以用于产生折射率的线性梯度，并由此转向光。这种转向元件可以用于照明以及在集成光子/光纤电路中使用以调节不同组件之间的耦合效率。例如，扁平光纤束可以粗略地定位成靠近光子集成电路的入口或出口通道，并且可以使用优化软件来聚焦和转向来自每个光纤的光，以优化集成电路通道与纤维束之间的连接。这甚至可以用于质量相对较低(机械精度)的连接器。

现在参考图11b示出了如图10a中呈现的LC透镜装置的示例性实施例，其包括透镜驱动器和多个电极控制器。图11b示出了可以在一副眼科眼镜中使用的单个玻璃(即，右侧玻璃)。图12a示出了如图11b中呈现的LC透镜装置的实施例的截面图，其中LC透镜装置包括四个LC单元。

在图12a的实施例中，PET塑料基板的厚度可以为约25μm至约100μm，而LC材料层的厚度可以在约30μm至约100μm的范围。利用薄基板，可以使用载体基板在组装期间支撑每个基板。虽然作用于自然光的透镜可能需要两层正交偏振，但也可以使用四个层(或更多)。在该实施例中，所示的中央凹透镜使用四个层。具有相同线性偏振的LC的层可以以其对准层在相反方向定向。这可以提高透镜性能。另外，定向层指向矢(orientation layerdirector)可以相对于电极结构的方向成45°。对准层可以将液晶定向在期望的方向上(例如，相对于电极的长度成45°)，同时允许晶体以小预倾角几乎平行于单元基板以确保无向错(disclination-free)操作。

如图11b中所示，玻璃上方的中央凹透镜电极矩阵可以是如图9c中所示的蛇形电极结构。如本文描述的，透镜驱动器可以操作以输出具有所需特性(例如，频率、振幅、波前)和定义哪些电极向多个开关矩阵(开关裸片IC)供电的指令位的一个或多个电信号。

每个开关矩阵可以连接到一个或两个LC基板上的所有电极触点，如图12b和图12c的示例性实施例所示。开关矩阵可以具有必要的逻辑电路，以将从透镜驱动器接收到的电信号路由到期望的电极触点，从而在玻璃上方的期望位置处创建期望的中央凹透镜(例如，孔径尺寸、光功率等)。

顶部IC裸片开关矩阵可以连接到顶部基板的蛇形电极(第一LC单元)和底部基板的蛇形电极结构(第二LC单元)。类似地，第二IC裸片开关矩阵可以连接到顶部基板的蛇形电极(第三LC单元)和底部基板的蛇形电极结构(第四LC单元)。下面的第二张图呈现了提供对其余电极结构的控制所需的剩余开关连接。因此可能需要三个额外的开关矩阵来控制第一LC单元的底部蛇形电极结构、第二LC单元的顶部蛇形电极结构、第三LC单元的底部蛇形电极结构和第四LC单元的顶部蛇形电极结构。

虽然提供中央凹透镜可以增加近焦的光功率，但可以(例如使用菲涅尔透镜在中心视场中)提供更大的正或负功率透镜。因此，除了提供菲涅尔透镜的层之外，眼科眼镜还可以具有提供中央凹透镜功能的多个LC层(所有LC层可以垂直地堆叠并层压在眼科眼镜的单个表面上)。每个液晶单元可以由夹着液晶层的两个基板和如图13和图14中所示的电极结构制成。

图13示出了如图11b中呈现的LC透镜装置的示例性实施例，其包括附加的LC透镜装置，诸如菲涅尔透镜。在该实施例中，透镜系统可以包括用于驱动菲涅尔透镜的附加驱动器(即，与中央凹透镜驱动器分离)。图14示出了所描述的装置的剖视图，其包括四个中央凹透镜LC单元和两个菲涅尔透镜LC单元。虽然示出和描述为菲涅尔透镜，但本领域技术人员将理解，除了中央凹透镜装置之外，还可以使用任意类型的LC透镜。中央凹透镜装置可以与任意其他电可调装置(例如，菲涅尔型透镜)组合。这可以提供增强的眼科性能或提供可能期望的其他类型的功能，特别是在增强或虚拟现实眼镜中。

Claims (25)

1.一种液晶梯度折射率装置，包括：

相对的包含液晶的基板，在所述基板中的第一基板上具有第一蛇形电极布置并且在所述基板中的第二基板上具有相对电极，其中，所述第一蛇形电极布置包括在由所述第一蛇形电极布置定义的孔径内的多个触点；

其中，由所述第一蛇形电极布置提供的电场允许在所选的所述孔径内的期望位置的方向上形成电场的变化，所述孔径通过多个触点中的一些被驱动而选择。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述相对电极是相对于所述第一蛇形电极布置在单元基板的平面中旋转90°的类似的第二蛇形电极布置。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述蛇形电极布置包括透明电极材料。

4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述基板包括对准层，所述对准层在所述蛇形电极布置的对角线的方向上为所述液晶提供平面基态对准。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述基板包括玻璃。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述基板包括柔性的透明塑料材料。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，包括布置成用于偏振无关操作的多个液晶层。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，包括布置成用于偏振无关和大角度操作的多个液晶层。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，所述多个触点允许至少5个所述期望位置。

10.根据权利要求9所述的透镜装置，其中，所述触点限定了所述透镜的所述期望位置之间的最小步长等于或高于0.1mm。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的透镜装置，还包括开关电路，所述开关电路连接到所述第一蛇形电极和所述第二蛇形电极中的至少一个的触点。

12.根据权利要求11所述的透镜装置，还包括驱动电路，所述驱动电路连接到所述开关电路以用于选择性地驱动所述触点。

13.根据权利要求12所述的透镜装置，其中，所述驱动电路向所述触点提供选定的相位和频率驱动信号，以用于创建期望的(例如，圆形对称的)时间平均电场空间分布。

14.根据权利要求1至10中任一项所述的透镜装置，还包括驱动电路，所述驱动电路连接到所述第一蛇形电极和所述第二蛇形电极中至少一个的触点，以用于选择性地驱动所述触点。

15.根据权利要求14所述的透镜装置，其中，所述驱动电路向所述触点提供选定的相位和频率驱动信号，以用于创建期望的时间平均电场空间分布。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的透镜装置，其中，所述蛇形电极布置包括驱动电极段，所述驱动电极段与连接至所述段并填充所述段之间的间隙的高电阻层组合。

17.根据权利要求1至15中任一项所述的透镜装置，其中，所述蛇形电极布置包括驱动电极段，所述驱动电极段与放置在所述蛇形电极布置的近侧并填充所述段之间的间隙的透明的相对高介电常数和光学指数匹配层组合。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的透镜装置，其中，所述基板是柔性的。

19.根据权利要求18所述的透镜装置，包括驱动电路和/或开关电路，所述驱动电路和/或开关电路设置在安装于所述柔性基板的胞外区域内的一个或多个集成电路芯片上。

20.一种具有凹面和与所述凹面接触的根据权利要求18或19所述的透镜装置的眼镜透镜。

21.一种视力改善装置，包括：

眼动追踪装置；

可充电电源；

偏振不敏感透镜装置，由根据权利要求1至20中任一项所述的透镜构成；以及

驱动器，接收来自所述眼动追踪装置的眼睛位置信号，并向所述蛇形电极布置的每个触点提供驱动信号，以使具有合适光功率的透镜出现在所述透镜装置的期望位置上，以用于将图像聚焦到眼睛的中央凹区域。

22.根据权利要求21所述的透镜装置，其中，所述偏振不敏感透镜装置从眼镜的一侧集成到“眼科”玻璃系统中，以通过使用眼动追踪系统以及供电和驱动电子器件来提供适应性视力和像差校正。

23.根据权利要求21和权利要求22所述的透镜装置，其中，所述偏振不敏感透镜装置从眼镜的两侧集成以提供适应性视力、像差校正、放大和增强视力。

24.根据权利要求21至23中任一项所述的透镜装置，其中，所述偏振不敏感透镜装置用时间顺序寻址相移电信号驱动，以主要在所述装置的期望区域中创建局部透镜效应。

25.一种大角度(例如，全景或鱼眼或类似)视景、记录、观察或监视改善设备，包括：

追踪或运动检测器，能够识别场景中的受关注的区域；

偏振不敏感透镜装置，由根据权利要求1至14中任一项所述的透镜构成；以及

驱动器，接收追踪或运动检测信号，并向所述蛇形电极布置的每个触点提供驱动信号，以使合适直径、形状和合适光功率的透镜出现在所述透镜装置的期望位置上，以用于聚焦图像、局部提高分辨率或校正像差和失真。