DE112009000290T5

DE112009000290T5 - Elektrisch einstellbare Flüssigkristalllinse mit zentraler Elektrode

Info

Publication number: DE112009000290T5
Application number: DE112009000290T
Authority: DE
Inventors: Ling-Yuan Tseng; Cheng-Hsing Room Liao
Original assignee: TUNABLE OPTIX Corp
Current assignee: TUNABLE OPTIX Corp
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: US20090219475A1; US8228472B2; WO2009111448A2; WO2009111448A3; DE112009000290B4

Abstract

Elektrisch einstellbare Flüssigkristalllinse, umfassend:
eine ebene Flüssigkristallschicht, die zwischen einem gegenüberliegenden Paar von transparenten, isolierenden Ausrichtungsschichten angeordnet ist;
eine erste ebene Elektrode, die aus einem transparenten leitenden Material gebildet ist, das angrenzend an eine der Ausrichtungsschichten auf der gegenüberliegenden Seite der Flüssigkristallschicht angeordnet ist;
eine zweite transparente leitende Elektrode, die auf der zweiten Ausrichtungsschicht auf der Seite gegenüber der Flüssigkristallschicht angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode ein Element umfasst, das sich in einer Richtung quer zur Erstreckung der Flüssigkristallschichten und der Ausrichtungsschichten in der Mitte der Zelle erstreckt; und
eine variable Spannungsversorgung, die mit den zwei Elektroden verbunden ist, um so ein nicht-homogenes elektrisches Feld an die Flüssigkristallschicht anzulegen, wobei das Feld eine maximale Intensität in seiner Mitte und eine abnehmende Intensität in Richtung zu seinen Kanten aufweist, so dass der Refraktionsindex der Flüssigkristallschicht in einer nicht-homogenen Weise eingestellt werden kann, um einen Linseneffekt für Licht,...

Description

Querverweis auf verbundene Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/033,050, eingereicht am 3. März 2008, die hiermit mit diesem Verweis aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Flüssigkristallzellen, die zwischen Elektroden angeordnet sind, die ein uneinheitliches Feld auf die Flüssigkristalle ausüben, um sie zu veranlassen, als Linsen zu wirken, und genauer eine solche Zelle, bei der die Spannung zwischen den Elektroden verändert werden kann, um die Brennweite der Linse zu steuern.
Hintergrund der Erfindung
Elektrisch einstellbare Flüssigkristalllinsen bieten potenziell erhebliche Vorteile bezüglich Größe und Kosten gegenüber mechanischen Zoomobjektiven. Sie können in Kameras, Einokularen oder anderen opto-elektronischen Vorrichtungen verwendet werden.
Allgemein nutzen diese Vorrichtungen ein Paar von Elektroden, zwischen denen eine Flüssigkristallzelle angeordnet ist. Die Elektroden wirken derart, dass sie die Flüssigkristallmoleküle ausrichten, um ein geneigtes Refraktionsindexprofil auf der Linse bereitzustellen, quer zum Lichtpfad. Durch Anwendung einer variablen Stromzufuhr, um die Spannung zwischen den Elektroden einzustellen, können die Brennweiten der Linsen zwischen einer sehr kurzen Brennweite bis nahezu unendlich verändert werden. Ein vorgeschlagenes Verfahren, um ein nicht-homogenes elektrisches Feld innerhalb der Flüssigkristallschicht zu erzeugen, besteht darin, eine der Elektroden in Kugelform bereitzustellen. Ein weiterer Vorschlag ist, ein zentrales Loch in einer der Elektroden anzuordnen, um so in nicht-homogenes Feld auf das Flüssigkristallelement aufzubringen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung umfasst eine elektrisch einstellbare Flüssigkristalllinse mit einer Flüssigkristallschicht, die zwischen zwei ebenen, nichtleitenden Schichten angeordnet ist. Eine der nichtleitenden Schichten ist mit einer Schicht aus Indium-Zinkoxid (ITO – Indium Tin Oxide) beschichtet, das als eine transparente Elektrode dient. Die andere nichtleitende Schicht ist mit einer zentralen Elektrode ausgebildet, die in Richtung zu der Flüssigkristallschicht und der anderen Elektrode vorsteht. Die zentrale Elektrode kann die Form eines dünnen Stabs, wobei ihre Achse lotrecht zur Flüssigkristallschicht ausgerichtet ist, oder einer Elektrode mit einer zugespitzten Spitze, die nahe der Flüssigkristallschicht endet, aufweisen. Jede Form von Elektrode kann mit einer Stromversorgung am anderen Ende verbunden sein, entweder durch eine leitende, transparente ITO-Beschichtung, die sich über eine Isolierschicht erstreckt, oder einen einzelnen transparenten Leiter, der auf der Seite der Isolierschicht gegenüber der Flüssigkristallschicht ausgebildet ist. Die Isolierschicht trennt diese leitende Schicht von der Elektrodenspitze, so dass das elektrische Feld, das an die Flüssigkristallschicht angelegt wird, in erster Linie eine Funktion der Spannung zwischen der zentralen Spitze und der Elektrodenschicht auf der gegenüberliegenden Seite der Flüssigkristallschicht ist.
Das daraus resultierende nicht-homogene Feld richtet die Flüssigkristallmoleküle aus, um so ein Refraktionsindexgefälle über die Flüssigkristallschicht zu erzeugen, was diese veranlasst, wie eine Linse zu wirken. Durch Verändern der Spannung zwischen der zugespitzten Elektrode und der gegenüberliegenden flachen Elektrode kann die Brennweite der daraus entstehenden Linse gesteuert werden.
Dieser einzigartige Elektrodenaufbau kann mit einer ITO-Schicht mit einem zentralen Loch, das im Wesentlichen größer als der Durchmesser der spitzen Elektrode ist, kombiniert werden. Diese Elektrode könnte auf der gegenüberliegenden Seite der Isolierschicht, aus der die spitze Elektrode vorsteht, ausgebildet sein, oder sie könnte die gegenüberliegende Elektrode auf der gegenüberliegenden Seite der Flüssigkristallschicht darstellen.
Das Doppelbrechungsproblem, das durch das Flüssigkristallmaterial verursacht wird, kann entweder durch Verwendung von zwei Schichten aus Flüssigkristall, die in rechtwinkligen Richtungen ausgerichtet sind, oder durch die Verwendung einer dünnen Schicht aus einer Polarisatorfolie, die auf der Flüssigkristallschicht befestigt ist, gelöst werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Ziele, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende genaue Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ersichtlich. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, in denen zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen, elektrisch einstellbaren Flüssigkristallzellenaufbaus, der den Stand der Technik darstellt;
2 eine schematische Darstellung eines elektrisch einstellbaren Flüssigkristallzellenaufbaus, der ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet;
3 eine Darstellung der Interferenzlinien, die durch das Durchleiten von Licht durch einen elektrisch einstellbaren Flüssigkristallaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung entstehen;
4 eine Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der spitzen Elektrode zur Verwendung in einem elektrisch einstellbaren Flüssigkristalllinsenaufbau;
5 eine Draufsicht auf einen Flüssigkristalllinsenaufbau unter Verwendung der spitzen Elektrode, wobei eine Alternative des Verfahrens zum Verbinden der zentralen Elektrode mit einer Stromversorgung gezeigt ist;
6 eine schematische Ansicht einer Schicht für eine elektrisch einstellbare Flüssigkristalllinse, die eine spitze Elektrode in Verbindung mit einer Elektrode mit einem zentralen Loch nutzt; und
7 eine schematische Darstellung eines elektrisch einstellbaren Flüssigkristalllinsenaufbaus, der eine spitze Elektrode auf einer Seite der Flüssigkristallschicht und eine Elektrode mit einem zentralen Loch auf der anderen Seite nutzt.
Genaue Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Bezugnehmend auf die Zeichnungen zeigt 1 eine elektrisch einstellbare Flüssigkristallzelle des Standes der Technik, allgemein mit 10 bezeichnet. Die Zelle nutzt eine ebene Flüssigkristallschicht 12, die zwischen einem Paar von Glassubstraten 14 angeordnet ist. Die gegenüberliegenden Oberflächen der Glasschichten 14 sind mit einer dünnen ITO-Elektrode 16 beschichtet. Die Oberflächen der ITO-Schicht benachbart zur Flüssigkristallschicht 12 sind mit Ausrichtungsschichten 18 beschichtet, die vorzugsweise aus Polyimid, SiO₂ oder SiOx sind.
Die zwei ITO-Schichten sind mit einer variablen Spannungsversorgung 20 verbunden. Durch Verändern der Spannung an den zwei ITO-Elektroden wird ein Feld an die Flüssigkristallschicht angelegt, das die Flüssigkristallmoleküle veranlasst, sich auszurichten und eine linsenartige Brechung des Lichts, das durch die Zelle tritt, zu erzeugen. Durch Einstellen der Stärke des Feldes kann die Ausrichtung verändert werden, um die Brennweite der Linse zu verändern.
2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unserer Erfindung, wobei die gleichen Bezugszeichen für die Teile, die zu den Teilen des Standes der Technik in 1 äquivalent sind, verwendet werden. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik im Aufbau einer der ITO-Schichten 22 und in der Bereitstellung einer Isolierschicht 24. Die ITO-Schicht 22 wird auf der Seite der einen der Glasschichten 14, die der Flüssigkristallschicht 12 gegenüberliegt, ausgebildet. Die Elektrode umfasst eine dünne ITO-Schicht 24 und eine zentrale Spitze 26, die von der Oberfläche der Schicht 24 in Richtung zur Flüssigkristallschicht 12 vorsteht. Eine Ausrichtungsschicht 18 ist hinter der Kante der Spitze 26 ausgebildet, um so benachbart zur Flüssigkristallschicht 12 zu liegen.
Der Raum zwischen dem Abschnitt 24 der ITO-Schicht und der Ausrichtungsschicht 18 ist mit einer Isolierschicht 28 bedeckt. Die Isolierschicht muss elektrisch isolierend und transparent sein. Vorzugsweise kann SiO₂ oder SiOx verwendet werden. Da diese Isolierschicht angrenzend an die Ausrichtungsschicht 18 liegt, können diese einstückig ausgebildet sein. Jedoch muss die Oberfläche der Ausrichtungsschicht angrenzend an die Flüssigkristallschicht 12 eine Art von Nuten oder eine raue Ausgestaltung aufweisen, so dass die Flüssigkristallmodule in die Schicht hineinfallen, wobei sie einen Winkel bilden, der typischerweise als der Vorneigewinkel bezeichnet wird. Wenn die Ausrichtungsschicht aus SiO₂ oder SiOx besteht, dann kann ein Zerstäubungs- oder Verdampfungsprozess verwendet werden, um diese Schicht wie auch das Isoliermaterial auszubilden. Die Dicke der Isolierschicht kann zwischen einigen Mikrometer und einigen hundert Mikrometern variieren. Die Dicke der Ausrichtungsschicht ist üblicherweise geringer als ein Mikrometer. Wenn die Isolierschicht und die Ausrichtungsschicht das gleiche anorganische Material verwenden, dann kann die Isolierschicht als ein Basismaterial dienen und würde vertikal abgelagert werden, während die Ausrichtungsschicht schräg abgelagert wird. Wenn die Ausrichtungsschicht ein organisches Material, wie Polyimid, nutzt, dann wird ein Reibungsprozess verwendet, um den Vorneigewinkel zu erzeugen.
Die zentral vorstehende Spitze 26 der ITO-Schicht 24 führt dazu, dass ein intensiveres Feld in der Mitte der Flüssigkristallschicht gegenüberliegt, verglichen zu deren Kanten, um so dem Refraktionsindex der Flüssigkristallschicht eine linsenartige Krümmung zu verleihen. Dies erzeugt einen linsenartigen Effekt, wenn einfallendes Licht durch die Zelle hindurchfällt.
3 ist eine schematische Darstellung der Interferenzlinien, die erzeugt werden, wenn Licht durch den Aufbau der 1 fällt. Die spitze Elektrode 26 erzeugt ein Linienmuster mit der höchsten Frequenz in der Mitte und abnehmender Frequenz in der Richtung der Kanten.
4 zeigt eine alternative Form der spitzen Elektrode, die bei einem Aufbau der Art, der in 1 und 2 gezeigt ist, verwendet werden kann. Die Isolierschicht 28 trägt eine ITO-Schicht 32, welche die Seite der Isolierschicht gegenüber der Flüssigkristallschicht überlagert und eine zentrale, zugespitzte Spitze 34 umfasst, welche an einem zugespitzten Ende 36 angrenzend an die Ausrichtungsschicht endet. Die zugespitzte Spitze 36 erzeugt ein stärkeres Gefälle des elektrischen Feldes auf der Flüssigkristallschicht und ermöglicht, dass sogar kürzere Brennweiten von der Linse erzielt werden können. Brennweiten in der Größenordnung von 7 Zentimetern wurden in Prototypen erreicht.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Form der Isolierschicht und der ITO-Schicht. Anstatt dass die ITO-Schicht die gesamte Oberfläche der Isolierschicht bedeckt, wie in 2 und 4 gezeigt, kann eine zentrale ITO-Spitze in der Form der Spitze 26 der 2 oder Spitze 34 der 3, in 5 mit 40 bezeichnet, mit einer Stromversorgung mittels eines ITO-Leiters 42 verbunden sein, der die Spitze 40 mit der Kante der Isolierschicht verbindet, so dass diese mit einer Stromversorgung verbunden werden kann. Dieser Aufbau ermöglicht die Verwendung dünnerer Isolierschichten 28, da das vom Leiter 42 angelegte elektrische Feld so minimal ist, dass es die Leistung der Vorrichtung nicht beeinträchtigt.
6 zeigt einen alternativen Aufbau einer Zelle mit spitzer Elektrode. Eine spitze Elektrode 50 der in 2 gezeigten Art ist zwischen einem Glassubstrat 52 und einer Isolierschicht 54 angeordnet. Eine zweite ITO-Elektrode 58 mit einem zentralen Loch 60 ist um die Spitze der ITO-Schicht 50 ausgebildet. Eine Ausrichtungsschicht 62 vervollständigt den Aufbau. Eine erste variable Spannungsversorgung 64 ist mit der spitzen Elektrode 50 verbunden. Eine zweite variable Spannungsversorgung 66 ist zwischen den Anschluss der Spannungsversorgung 64, der mit der spitzen ITO-Schicht 50 verbunden ist, und die ITO-Schicht 58 mit dem zentralen Loch 60 geschaltet. Ein weiterer Anschluss der Spannungsversorgung 64 ist mit der ebenen ITO-Schicht 68 verbunden, die auf der gegenüberliegenden Seite der Flüssigkristallschicht 56 getragen wird. Durch Verändern der Spannungen, die von den Spannungsversorgungen 64 und 66 angelegt werden, kann die Brennweite (und andere optische Parameter wie asphärische Effekte) der daraus entstehenden Linse sorgfältig zwischen einem Fokus nahe unendlich und einem Fokus innerhalb weniger Zentimeter der Zelle gesteuert werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 7 gezeigt ist, wird ein ITO in der Form einer spitzen Elektrode 70 auf einer Seite einer Flüssigkristallschicht 72 getragen und eine ITO-Elektrode 74 mit einem großen zentralen Loch 76 wird auf der gegenüberliegenden Seite der Flüssigkristallschicht 72 getragen. Eine Veränderung einer angelegten Spannung zwischen diesen zwei Schichten ermöglicht eine Steuerung der Brennweite (und anderer optischer Parameter) der daraus entstehenden Linse über einen breiten Bereich.
Zusammenfassung
Eine Flüssigkristalllinse umfasst ein Paar von flachen Schichten, wobei die Flüssigkristalllinse zwischen den Schichten angeordnet ist. Eine der Schichten trägt eine ebene Elektrode aus ITO. Die andere Elektrode, ebenfalls aus ITO gebildet, ist in der Mitte des gegenüberliegenden Substrats angeordnet und steht nach unten in Richtung zur Mitte der Flüssigkristallschicht vor. Eine Spannungsversorgung erzeugt eine Potenzialdifferenz zwischen den zwei Elektroden und legt dementsprechend ein nicht-einheitliches elektrisches Feld an den Flüssigkristallmodulen an, das diese in einer Weise ausrichtet, damit diese als Linse wirken. Durch Verändern der Spannung zwischen den zwei Elektroden kann die Brennweite der Linse gesteuert werden. Eine zentrale Elektrode kann die Form eines Balkens oder einer zugespitzten Spitze aufweisen. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Elektrode mit einem zentralen Loch mit der zentralen Elektrode oder der ebenen Elektrode verbunden sein.

Claims

Elektrisch einstellbare Flüssigkristalllinse, umfassend: eine ebene Flüssigkristallschicht, die zwischen einem gegenüberliegenden Paar von transparenten, isolierenden Ausrichtungsschichten angeordnet ist; eine erste ebene Elektrode, die aus einem transparenten leitenden Material gebildet ist, das angrenzend an eine der Ausrichtungsschichten auf der gegenüberliegenden Seite der Flüssigkristallschicht angeordnet ist; eine zweite transparente leitende Elektrode, die auf der zweiten Ausrichtungsschicht auf der Seite gegenüber der Flüssigkristallschicht angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode ein Element umfasst, das sich in einer Richtung quer zur Erstreckung der Flüssigkristallschichten und der Ausrichtungsschichten in der Mitte der Zelle erstreckt; und eine variable Spannungsversorgung, die mit den zwei Elektroden verbunden ist, um so ein nicht-homogenes elektrisches Feld an die Flüssigkristallschicht anzulegen, wobei das Feld eine maximale Intensität in seiner Mitte und eine abnehmende Intensität in Richtung zu seinen Kanten aufweist, so dass der Refraktionsindex der Flüssigkristallschicht in einer nicht-homogenen Weise eingestellt werden kann, um einen Linseneffekt für Licht, das durch die Zelle fällt, bereitzustellen, wobei die Brennweite der Linse eine Funktion der angelegten Spannung zwischen den Elektroden ist.
Flüssigkristalllinse nach Anspruch 1, umfassend eine transparente Isolierschicht, die den zentralen Bereich angrenzend an den Ausrichtungsbereich umgibt.
Flüssigkristalllinse nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Paar von Glassubstraten, die in Kontakt mit der ersten und zweiten Elektrode auf den Seiten derjenigen Elektroden gegenüber der Flüssigkristallschicht angeordnet sind.
Flüssigkristalllinse nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode ferner eine Schicht umfasst, die sich über die gesamte Flüssigkristallschicht erstreckt und einen Ausdehnungsabschnitt aufweist, der an ihrer Mitte gelagert ist.
Flüssigkristalllinse nach Anspruch 1, ferner umfassend ein transparentes leitendes Element, das den zentralen Ausdehnungsabschnitt mit einem Anschluss der Stromversorgung verbindet.
Flüssigkristalllinse nach Anspruch 1, wobei der vorstehende Abschnitt sich in der Breite von einer kleinen Spitze an seinem der Flüssigkristallschicht nächsten Ende zu einem größeren Durchmesser am entgegengesetzten Ende verändert.
Flüssigkristalllinse nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode ein zentrales Loch aufweist.
Flüssigkristalllinse nach Anspruch 4, ferner umfassend eine dritte Elektrode, die ein zentrales Loch aufweist und zwischen der Glasschicht, welche die zweite Elektrode trägt, und der Isolierschicht angeordnet ist, wobei sich der zentrale Vorsprung mittig durch das Loch in der dritten Elektrode erstreckt; und eine separate variable Spannungsversorgung, die die Spannung zwischen der dritten Elektrode und der ersten Elektrode verändern kann.
Flüssigkristalllinse nach Anspruch 1, wobei die transparenten leitenden Elektroden Indium-Zinkoxid darstellen.
Flüssigkristallzelle, die eine elektrisch steuerbare Brennweitenlinse darstellt, umfassend: eine Flüssigkristallschicht, die zwischen ersten und zweiten ebenen, isolierenden, transparenten Ausrichtungsschichten angeordnet ist; eine transparente leitende Elektrode, die auf einer Oberfläche der ersten Ausrichtungsschicht gegenüber der Flüssigkristallschicht aufgebracht ist und sich über die gesamte Breite der Ausrichtungsschicht erstreckt; eine zweite leitende transparente Elektrode, die auf der Seite der zweiten Ausrichtungsschicht gegenüber der Flüssigkristallschicht angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode einen zentralen länglichen Abschnitt aufweist, der lotrecht zur Flüssigkristallschicht vorsteht; eine transparente Isolierschicht, die in Kontakt mit der Seite der zweiten Ausrichtungsschicht gegenüber der Flüssigkristallschicht angeordnet ist und den vorstehenden Abschnitt der zweiten Elektrode umgibt; ebene Glassubstrate, die in Kontakt mit der ersten und zweiten Elektrode auf deren Seiten gegenüber der Flüssigkristallschicht angeordnet sind; und eine variable Spannungsversorgung, die mit der ersten und zweiten Elektrode verbunden ist und ein nicht-homogenes elektrisches Feld an die Flüssigkristallschicht anlegen kann, wobei die Spannung der Stromversorgung die Brennweite der daraus entstehenden Linse bestimmt.