DE112014007297T5

DE112014007297T5 - Flüssigkristall verstellbares optisches Gerät

Info

Publication number: DE112014007297T5
Application number: DE112014007297.4T
Authority: DE
Inventors: Tigran Galstian; Jean-Francois Viens; Amir Tork
Original assignee: Lensvector Inc
Current assignee: Lensvector Inc
Priority date: 2014-05-05
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2017-12-28
Also published as: CN107533251A; US20170160600A1; CN107533251B; US20180101051A1; WO2015168769A1; US9904086B2

Abstract

Eine variable Flüssigkristall-Optikvorrichtung zum Steuern der Ausbreitung von Licht weist eine oder mehrere transparente Dünnfilm-hochohmige Schicht (HRL) auf, die mit einem Substrat und einer Elektrodenstruktur gekoppelt ist. Die HRL weist eine Kernschicht und eine Deck- oder Näherungsschicht auf, wobei das Kernschichtmaterial eine höhere elektrische Leitfähigkeit und einen höheren Brechungsindex als das Deckschichtmaterial aufweist; Und wobei die Kern- und Deckschichtmaterialien im Wesentlichen die gleichen freien Energien der Oxidbildung aufweisen. Auf diese Weise wird die Elektrodenstruktur umweltstabil und reagiert auf einen angelegten elektrischen Strom, um ein räumlich ungleichförmiges Magnetfeld zu erzeugen.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-provisorischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/988,662, eingereicht am 5. Mai 2014.
Technischer Bereich
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Flüssigkristall-optische Vorrichtungen. Hintergrund
In der internationalen PCT-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO2009/153764 , die am 23. Dezember 2009 veröffentlicht wurde und im Besitz des vorliegenden Anmelders ist, wird eine abstimmbare Flüssigkristall-Optikvorrichtung wie eine Linse beschrieben, die eine Flüssigkristall-elektrische Steuerfeld-Elektrode aufweist, die EIN schwach Leitfähiges oder hochohmiges Material in Kombination mit der Elektrode und der Zellgeometrie benutzt, die eine Abstimmung der optischen Eigenschaften der Vorrichtung unter Verwendung einer Frequenz des Steuersignals ermöglicht. Beispielsweise kann eine Lochmusterelektrode auf einer Seite der Flüssigkristallzelle verwendet werden, während eine ebene Elektrode auf einer gegenüberliegenden Seite der Flüssigkristallzelle verwendet werden kann. Eine Schicht des hochohmigen Materials oder einer hochohmigen Schicht (HRL) kann in der Nähe der Loch-gemusterten Elektrode vorgesehen sein.
In Abwesenheit der HRL würde das elektrische Feld an der Peripherie der Linsenapertur aufgrund der Geometrie konzentriert sein, beispielsweise kann eine Linsenapertur etwa 3 mm bei einer Zelldicke von etwa 50 Mikrometer betragen. Wenn der Abstand zwischen den Elektroden etwa 60 mal kleiner als der Durchmesser ist, versteht es sich, daß sich das elektrische Feld nicht ausbreiten kann, um den zentralen Teil der Linse zu steuern. Auch sind die elektrischen Feldlinien nicht parallel zur optischen Achse einer solchen Linse, und somit entsteht eine Asymmetrie um die optische Achse des Flüssigkristalls. Die Einbeziehung einer solchen HRL besteht darin, dass das elektrische Feld an der Lochmusterelektrode über die gesamte Blende mit einem allmählichen Abfall in der Stärke von der Peripherie zur mittleren optischen Achse erscheint. Die elektrischen Feldlinien sind ebenfalls im wesentlichen parallel zur optischen Achse.
Zusammenfassung
Es wurde entdeckt, dass solche HRLs eine Herausforderung für die Herstellung und Verwendung sein können, während sie gewünschte Eigenschaften erhalten. Ein Problem ist die chemische Stabilität der verwendeten Substanz. Titanoxid kann in der HRL effizient funktionieren, eine Änderung in seinem Oxidationszustand durch Einwirkung anderer sauerstoffhaltiger Substanzen kann jedoch seine leitfähigen Eigenschaften verändern. Darüber hinaus muss die HRL im optischen Pfad der Linse sein, es muss so kleine wie mögliche optische Verluste einführen, beispielsweise durch Indexanpassung.
Es wurde entdeckt, dass sowohl die Stabilisierung der Materialeigenschaften als auch die optische Indexabstimmung der HRL durch Einkapseln der HRL in einem geeigneten Material mit geeigneter Sauerstoffsperre und Brechungsindex-Eigenschaften erfolgen können.
In einigen Ausführungsformen wird eine optische steuerbare Flüssigkristall Vorrichtung zum Steuern der Ausbreitung von Licht bereitgestellt, umfassend ein Substrat, eine mit dem Substrat gekoppelte Elektrodenstruktur, mindestens einen elektrischen Kontakt, der die Elektrodenstruktur miteinander verbindet, mindestens eine transparente Dünnfilm-HRL-Schicht, die mit dem Substrat und der Elektrodenstruktur verbunden ist. Die HRL-Dünnfilmschicht umfasst mindestens eine Kernschicht und mindestens eine Deck- oder Näherungsschicht, wobei das Kernschichtmaterial eine höhere elektrische Leitfähigkeit und einen höheren Brechungsindex als das Deckschichtmaterial aufweist; Und wobei die Kern- und Deckschichtmaterialien im wesentlichen die gleichen freien Energien der Oxidbildung aufweisen. Auf diese Weise wird die Elektrodenstruktur umweltstabil sein und auf einen angelegten elektrischen Strom reagieren, um ein räumlich ungleichförmiges Magnetfeld zu erzeugen.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristall-Optikvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine HRL, das aus einem 5-Schicht-Stapel besteht, der aus einem Titanoxid-TiO_x-Kernschichtmaterial (mit x zwischen 1,4 und 1,8) besteht, zwei unmittelbar benachbarten Ta₂O₅ Näherungsschichtmaterialien, die das TiOx-Kernschichtmaterial umgeben, und zwei Al₂O₃-Näherungsschichtmaterialien, die die beiden Ta₂O₅ -Näherungsschichtmaterialien umgeben. Die HRL wird durch Elektronenstrahl-physikalische Dampfabscheidung (EBPVD) auf einem 100 Mikrometer dicken SiO₂-Substrat abgeschieden und liefert einen stabilen elektrischen Widerstandszustand Rs im Bereich von 1 MΩ/ bis 100 MΩ/ mit einem geringen optischen Reflexionsverlust in Sichtbares Licht bei der Wellenlänge von 500 nm.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristall-Optikvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine HRL, das aus einem 5-Schicht-Stapel besteht, der aus einem Titanoxid-TiO_x-Kernschichtmaterial (mit x zwischen 1,4 und 1,8) besteht, zwei unmittelbar benachbarten Ta₂O₅ Näherungsschichtmaterialien, die das TiO_x-Kernschichtmaterial umgeben, und zwei Al₂O₃-Näherungsschichtmaterialien, die die beiden Ta₂O₅-Näherungsschichtmaterialien umgeben. Die HRL wird durch Sputterabscheidung auf einem 100 Mikrometer dicken SiO₂-Substrat abgeschieden und liefert einen stabilen elektrischen Plattenwiderstand Rs im Bereich von 1 MΩ/ bis 100 MΩ/ mit einem niedrigen optischen Reflexionsverlust bei sichtbarem Licht bei der Wellenlänge von 500nm.
Im Fall einiger Ausführungsformen wird eine optische Vorrichtung vom Gradientenindex-Flüssigkristall bereitgestellt, die transparente Substrate umfasst, die einen Spalt zwischen den Innenseiten der Substrate definieren, ein Flüssigkristallmaterial, das den Spalt füllt, eine Ausrichtungsschicht, die die Substrate bedeckt, um das Flüssigkristallmaterial zu orientieren Elektroden, die von den Innenseiten der Substrate getragen werden und strukturiert sind, um ein räumlich ungleichförmiges elektrisches Feld in dem Spalt zu erzeugen, eine hochohmige Schicht mit einem Kern schwach leitfähigen Material mit einem Brechungsindex, der höher als ein Brechungsindex der Substrate ist, und eingekapselt durch eine oder mehrere Schichten eines Näherungsmaterials mit isolierenden Eigenschaften und einem Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex des schwach leitfähigen Materials und dem Brechungsindex der Substrate, wobei das Näherungsmaterial im wesentlichen die gleiche freie Energie der Oxidbildung aufweist Als das schwach leitfähige Material.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer abstimmbaren Flüssigkristalllinse unter Verwendung einer hochohmigen Schicht (HRL) gemäß dem Stand der Technik;
2 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer oberen Zellenwand einer abstimmbaren Flüssigkristalllinse unter Verwendung einer hochohmigen Schicht (HRL) gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer oberen Zellenwand einer abstimmbaren Flüssigkristalllinse unter Verwendung einer hochohmigen Schicht (HRL) gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer oberen Zellenwand einer abstimmbaren optischen Flüssigkristallvorrichtung (z.B. einer Linsen- oder Strahllenkvorrichtung) unter Verwendung einer hochohmigen Schicht (HRL) gemäß einer dritten Ausführungsform; und
5 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Kamera, die die abstimmbare Flüssigkristalllinse gemäß einer Ausführungsform verwendet, wobei die HRL-Stabilität die Steuerung der Linse mit einer einmaligen Kalibrierung des spezifischen Widerstands der HRL ermöglicht.
Detaillierte Beschreibung
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine herkömmliche Flüssigkristall-abstimmbare Linse im Querschnitt um eine optische Achse (durch den r = 0-Punkt) dargestellt. Eine solche Linse kann einen Durchmesser von 2 bis 3 mm aufweisen und kann eine Flüssigkristallschicht zwischen 50 und 150 Mikron Dicke aufweisen, die zwischen Ausrichtungsschichten angeordnet ist, die von Substraten getragen werden. Einzelheiten eines solchen Entwurfs sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise in A. F. Naumov et al. Liquid-crystal adaptive lenses with modal control, Optics Letters, Vol. 23, No. 13 / July 1, 1998 und in der bereits erwähnten WO2009/153764. Typischerweise sind solche optischen Vorrichtungen mit zwei Schichten aus Flüssigkristall (mit orthogonal molekularen Ausrichtungen) versehen, um auf beide linearen Polarisationen des Lichts zu wirken. Das Gerät kann eine Linse beliebiger Form, kreisförmig oder anders sein, und es kann eine Strahllenkvorrichtung (Prisma, etc.) sein.
In WO2009/153764 wurde auch eine etwas andere Konfiguration beschrieben, nämlich dass die HRL auf der Außenseite des Substrats zwischen zwei LC-Zellen vorgesehen sind, wobei jede auf eine einzige Lichtpolarisation wirkt. Dies hat den Vorteil, dass die HRL nicht der Ausrichtungsschicht und dem Flüssigkristall ausgesetzt ist, die zur Oxidation des HRL-Materials beitragen können. Die Ausführungsform von 1 hat den Vorteil, daß durch die Annäherung der Lochmusterelektrode (HPE) an die gleichmäßige Transparentelektrode (UTE) die verwendete Spannung reduziert werden kann. Der Begriff HPE soll Elektroden mit Spalten umfassen, wie beispielsweise Streifenelektroden mit einem Spalt dazwischen, wie sie für eine Strahllenkvorrichtung verwendet werden können, und somit nicht nur Elektroden mit einem Loch und einer umgebenden Elektrode oder mehreren Elektrodensegmenten.
Die HRL in 1 ist so gezeigt, daß sie auf einem der beiden Substrate mit der HPE, typischerweise einer Metall- oder Indium-Zinnoxid (ITO) abgeschiedenen Schicht, auf der Oberseite angeordnet ist. Eine Ausrichtungsschicht, typischerweise eine geriebene Polyimidschicht, die etwa 30 nm dick ist, wird über die HRL und HPE gelegt. Eine UTE, die aus ITO hergestellt ist, wird auf dem gegenüberliegenden Substrat bereitgestellt, wobei eine Ausrichtungsschicht über der UTE angeordnet ist. Ein elektrisches Signal (Potentialdifferenz), das an die HPE und die UTE angelegt wird, erzeugt ein elektrisches Feld, das sich über die gesamte Blende ausbreitet, und mit einer räumlichen Verteilung, die durch Frequenz (und auch Spannung) gesteuert werden kann, wie es auf dem Fachgebiet bekannt ist.
Die HRL liefert "nicht unendlich hohen" Widerstand (in der Größenordnung von MΩ/ ), der in Kombination mit dem Flüssigkristall (LC) und der gleichmäßigen transparenten Elektrode (UTE) bei jeder Scheibe eine effektive RC-Schaltung erzeugt. Wird das elektrische Potential "leise" reduziert, wenn es sich von der Grenze der HPE (+r und –r) zur Mitte der Linse r(0) ausbreitet. Dadurch können niedrigspannungsgesteuerte LC-Linsen mit relativ großer klare Blende (CA = 2 × r ≈ 2 mm) aufgebaut werden.
Zusätzlich zur dynamischen Fokussierung können solche Elemente (Substrat + HRL + LC-Ausrichtungsschicht) (in Kombination mit verschiedenen Elektroden) auch für Lichtlenkung und andere LC-Vorrichtungen verwendet werden.
In einigen Fällen wird die HRL aus Titanoxidfilmen (TiO_x) hergestellt, die direkt auf dem Substrat abgeschieden werden und somit von der zweiten (gegenüberliegenden) Seite eine Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht (üblicherweise Polyimid, GeO oder anderes Material) zeigen. In anderen Fällen wird die HRL aus Zinkoxidfilmen (ZnO) hergestellt, die auf der SiO₂-Schicht abgeschieden werden und auch von der gegenüberliegenden Seite der Flüssigkristallausrichtungsschicht gegenüberliegen. In anderen Fällen wird die HRL aus Zinksulfidfilmen (ZnS) hergestellt, die auf der SiO₂-Schicht abgeschieden werden und der Flüssigkristallausrichtungsschicht gegenüberliegen (von der gegenüberliegenden Seite). In anderen Fällen wird die HRL aus Zinnoxidfilmen (SnO₂) hergestellt, die auf der SiO₂-Schicht abgeschieden werden und auch von der gegenüberliegenden Seite der Flüssigkristallausrichtungsschicht gegenüberliegen. In anderen Fällen wird das HRL aus Antimon-Zinnoxid-Filmen (Sb-Sn-O) hergestellt, die auf der SiO₂-Schicht abgeschieden werden und auch von der gegenüberliegenden Seite der Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht gegenüberliegen. Andere Materialzusammensetzungen können auch verwendet werden, um HRLs zu bauen.
Der Anmelder hat festgestellt, dass diese HRLs, die aus praktischen Gesichtspunkten auf diesen Implementierungen verwendet werden, zwei Schwierigkeiten haben, nämlich die optische Übertragung der Linse drastisch reduzieren und mit unterschiedlicher Temperatur, variierender UV-Beleuchtung und variierender Feuchtigkeit usw.
Die Absorption und Reflexion von HRLs kann ein Problem darstellen, weil sie typischerweise aus Halbleitern oder amorphen Halbleitern mit Bandlückenenergien im blauen Spektralbereich (E_g > 3,5 eV) mit sehr hohen Brechungsindexwerten in der Größenordnung von n_HRL = 1,8 bis 3,6 hergestellt werden, gegenüber n_g = 1,5 Glas oder LC-Materialien (n_LC = ca. 1,5 bis 1,7). Der hohe Brechungsindex dieser Schichten erzeugt hohe Reflexionsverluste. Infolgedessen verlangsamt sich bei der geringen Lichtempfindlichkeit von Pixeln moderner Bildsensoren (mit kontinuierlich schrumpfenden Größen, aktuellen CMOS-Sensoren mit Pixeln von sehr kleiner Größe = 1,1 Mikrometer) die Erfassungsrate von Bildern. In einigen Fällen, zum Beispiel, diese langsame Rate kombiniert mit Hand schütteln von mobilen Geräten reduziert drastisch die Bildqualität.
Im Stand der Technik existieren wohl bekannte Lösungen, um die Lichtreflexionsprobleme durch Zugabe von mehreren dielektrischen Schichten mit einer spezifischen Dicke d und einem Brechungsindex n zu reduzieren. Schichtdicken werden ausgewählt, um eine zerstörende Interferenz in den Strahlen, die von den Grenzflächen reflektiert werden, und eine konstruktive Interferenz in den entsprechenden übertragenen Strahlen zu erzeugen, was zu einem Reflexionsverlust von weniger als 1% bei einer spezifischen Wellenlänge λ führt. Beispielsweise sind Antireflexionsschichten, die aus transparenten Dünnfilmstrukturen mit abwechselnden Schichten mit kontrastierendem Brechungsindex bestehen, mit Dicken von d = λ/4n oder einem ungeradzahligen Vielfachen davon.
Die Versuche des Anmelders zeigen jedoch, daß die Zugabe derartiger Schichten zwar die Reflexionsverluste verringern kann, doch ist die Umgebungsstabilität des Schichtwiderstandswertes R_s der erhaltenen Stapel immer noch ein sehr ernstes Problem. Tatsächlich hängt das Problem einer solchen Stabilität mit den Schwierigkeiten bei der Steuerung der Leistung der Linse zusammen, da sich die Eigenschaften der HRL, hauptsächlich ihres elektrischen Flächenwiderstands Rs, im Laufe der Zeit als Folge der fortschreitenden chemischen Oxidation oder der fortschreitenden chemischen Reduktion der HRL durch die unmittelbaren benachbarten Schichten ändern können. Dies kann zu einem vollständigen Verlust der Kontrolle von Rs mit der Zeit unter wechselnden Umgebungsbedingungen (Temperatur, UV-Beleuchtung, Feuchtigkeit) über akzeptable technische Toleranzenniveaus führen.
Es wird nun auf 2 Bezug genommen, in der eine Teilansicht gezeigt ist, die die Zusammensetzung der HRL gemäß einer Ausführungsform darstellt. Die Untersuchungen des Anmelders zeigen, dass die Oxidationskinetik der HRL bei der Zugabe von mehreren Schichten stabilisiert werden muss, um sicherzustellen, dass seine Schichtwiderstandswerte über einen bestimmten Zeitraum im Bereich von Rs = 1 MΩ/ to 100 MΩ/ stabil bleiben. In diesem Fall ist die Rolle der unmittelbaren benachbarten Schicht (Näherungsschicht) zu der HRL wichtig. Der Anmelder schlägt vor, für die unmittelbaren benachbarten Näherungsschichten sehr spezifische Materialzusammensetzungen zu wählen, die Oxidationsenthalpiewerte ähnlich (oder nahe) zu denen des Kernschichtmaterials der HRL aufweisen. Diese Wahl der unmittelbaren benachbarten Näherungsschichtmaterialien, die nach Ähnlichkeiten in den Oxidationsenthalpiewerten ausgewählt wird, verringert beträchtlich die Geschwindigkeit der Kreuzoxidation oder Kreuzreduktion des Kernschichtmaterials und stellt eine Diffusionsbarriere gegen Sauerstoff bereit, um den gewünschten Grad von Oxidation, die Stöchiometrie, die Morphologie und damit Rs-Werte der HRL (in Masse und an ihren Schnittstellen) stabil zu halten. Die HRL in der vorliegenden Ausführungsform weist somit ein Kernschichtmaterial mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit und einem höheren Brechungsindex als das Näherungsmaterial auf, und das Kernschichtmaterial und die Näherungsschichtmaterialien haben im wesentlichen die gleichen freien Energien der Oxidbildung.
Wie auf dem Stand der Technik der Thermodynamik bekannt ist, können die freien Energien der Oxidbildung in Kilojoule pro Mol O₂ unter Verwendung der Ellingham-Diagramme für eine Vielzahl von Metalloxid-Materialien bei bestimmten Temperaturen bestimmt werden. Die Position der Linie für eine gegebene Reaktion auf dem Ellingham-Diagramm zeigt die Stabilität des Oxids als Funktion der Temperatur. Reaktionen, die näher an der Spitze des Diagramms liegen, sind die "edelsten" Metalle (z. B. Gold und Platin), und ihre Oxide sind instabil und leicht reduziert. Wenn wir uns auf den Boden des Diagramms bewegen, werden die Metalle zunehmend reaktiver und ihre Oxide werden schwerer zu reduzieren. So sind stabile dielektrische Metalloxide in Richtung des Bodens des Diagramms bei relativ großen negativen Werten freier Energien der Oxidbildung angeordnet. Die Oxidationsenthalpie (ΔH) ist ein Maß für die tatsächliche Energie, die bei der Reaktion der Reaktion freigesetzt wird (die "Reaktionswärme"). Wenn es negativ ist, dann gibt die Reaktion Energie ab, während, wenn es positiv ist, die Reaktion Energie erfordert. Die HRL der vorliegenden Ausführungsform besteht aus Metalloxiden, so daß ihre Umgebungsstabilität ihre relativ großen negativen Werte der freien Energien der Bildung von Oxiden ∆G, wie weniger als –700 Kilojoule pro Mol O₂ bei Raumtemperatur und im wesentlichen derselben, betrifft Enthalpie der Oxidbildung ∆H sowohl für das Kernschichtmaterial als auch für die unmittelbaren benachbarten (Näherungs-)Schichtmaterialien des HRL-Stapels innerhalb einer Differenz von ∆H von weniger als 100 Kilojoule pro Mol O₂ über einen weiten Temperaturbereich von –40 ° C bis + 300° C.
Es versteht sich, daß die Wahl der Näherungsschichtmaterialien definiert werden muß, sobald das Kernschichtmaterial des HRL definiert ist. Beispielsweise kann für Kernschicht-Titanoxid-Materialien wie Ti₃O₅oder TiO_x (mit x ~ 1,6) eine gute Wahl des unmittelbaren benachbarten (Näherungs-)Schichtmaterials Ta₂O₅ sein. Diese Materialien haben eine freie Energie der Bildung von Oxiden von etwa ∆G = –750 kJ pro Mol O₂ bei Raumtemperatur und im wesentlichen die gleiche Enthalpie der Bildung von Oxid ∆H innerhalb einer Differenz von weniger als 100 kJ pro Mol O₂ über eine breite Temperaturbereich von –40 ° C bis + 300 ° C. Wie in 2 dargestellt, kann das Kernschichtmaterial Ti₃O₅ oder TiO_x zwischen Schichten aus Ti₃O₅ angeordnet werden, so daß ein geringes optisches Reflexionsvermögen und eine gute Oxidationsstabilität vorgesehen sind, insbesondere wenn die Schichtdicken d für Antireflexionseigenschaften bei einer spezifischen Wellenlänge λ mit n = 2,4 bzw. 2,1 gewählt werden. Es versteht sich, daß das Näherungsschichtmaterial nicht das gleiche Material auf beiden Seiten des Kernschichtmaterials sein muß.
Alternativ ist zu erkennen, dass für ein HRL-Kernschichtmaterial aus Titanoxid, wie Ti₃O₅ oder TiO_x (mit x ~ 1,6), eine gute Wahl des Näherungsschichtmaterials SiO₂ sein kann. Diese Materialien haben eine freie Energie der Bildung von Oxiden von etwa ∆G = –800 kJ pro Mol O₂ bei Raumtemperatur und im wesentlichen die gleiche Enthalpie der Bildung von Oxid ∆H innerhalb einer Differenz von weniger als 50 kJ pro Mol O₂ über eine breite Temperaturbereich von –40 ° C bis + 300 ° C. Wie in 2 dargestellt, kann das Kernschichtmaterial Ti₃O₅ oder TiO_x zwischen Schichten aus SiO₂ angeordnet werden, so daß eine geringe optische Reflektivität und eine gute Oxidationsstabilität sowohl vorgesehen sind, insbesondere wenn die Schichtdicken d für Antireflexionseigenschaften bei einer spezifischen Wellenlänge λ mit d = λ/4n, n = 2,4 bzw. 1,45 gewählt werden. Es versteht sich, daß das Näherungsschichtmaterial nicht das gleiche Material auf beiden Seiten des Kernschichtmaterials sein muß.
Alternativ ist zu erkennen, dass für ein HRL-Kernschichtmaterial aus Vanadiumoxid, wie V₂O₃, eine gute Wahl von Näherungsschichtmaterialien Ta₂O₅ sein kann. Beide Materialien haben eine freie Energie der Bildung von Oxiden von etwa ∆G = –750 kJ pro Mol O₂ bei Raumtemperatur und im wesentlichen die gleiche Enthalpie der Bildung von Oxid ∆H innerhalb einer Differenz von weniger als 50 kJ pro Mol O₂ über eine breite Temperaturbereich von –40 ° C bis + 300 ° C. Wie in 2 dargestellt, kann das Kernschichtmaterial V₂O₃ zwischen Schichten von Ta₂O₅ angeordnet werden, so daß eine niedrige optische Reflektivität und eine gute Oxidationsstabilität beide vorgesehen sind, insbesondere wenn die Schichtdicken d für Antireflexionseigenschaften bei einer spezifischen Wellenlänge λ, mit d = λ/4n gewählt werden. Es versteht sich, daß das Näherungsschichtmaterial nicht das gleiche Material auf beiden Seiten des Kernschichtmaterials sein muß.
Alternativ ist zu erkennen, dass für ein HRL-Kernschichtmaterial aus Vanadiumoxid, wie V₂O₃, eine gute Wahl von Näherungsschichtmaterialien Nb₂O₅ sein kann. Beide Materialien haben eine freie Energie der Bildung von Oxiden von etwa ∆G = –750 kJ pro Mol O₂ bei Raumtemperatur und im wesentlichen die gleiche Enthalpie der Bildung von Oxid ∆H innerhalb einer Differenz von weniger als 50 kJ pro Mol O₂ über eine breite Temperaturbereich von –40 ° C bis + 300 ° C. Wie in 2 dargestellt, kann das Kernschichtmaterial V₂O₃ zwischen Schichten von Nb₂O₅ angeordnet werden, so daß eine geringe optische Reflektivität und eine gute Oxidationsstabilität beide bereitgestellt werden, insbesondere wenn Schichtdicken d für Antireflexionseigenschaften bei einer spezifischen Wellenlänge λ, mit d = λ/4n gewählt werden. Es versteht sich, daß das Näherungsschichtmaterial nicht das gleiche Material auf beiden Seiten des Kernschichtmaterials sein muß.
Alternativ ist zu erkennen, dass für ein HRL-Kernschichtmaterial aus Zirkonoxid, wie z. B. ZrO₂, eine gute Wahl von Näherungsschichtmaterialien Al₂O₃ sein kann. Beide Materialien haben eine freie Energie der Bildung von Oxiden von etwa ∆G = –1050 kJ pro Mol O₂ bei Raumtemperatur und im wesentlichen die gleiche Enthalpie der Bildung von Oxid ∆H innerhalb einer Differenz von weniger als 50 kJ pro Mol O₂ über eine breite Temperaturbereich von –40 ° C bis + 300 ° C. Wie in 2 dargestellt, kann das Kernschichtmaterial ZrO₂ zwischen Schichten aus Al₂O₃ angeordnet werden, so daß ein geringes optisches Reflexionsvermögen und eine gute Oxidationsstabilität beide vorgesehen sind, insbesondere wenn die Schichtdicken d für Antireflexionseigenschaften bei einer spezifischen Wellenlänge λ, mit d = λ/4n gewählt werden. Es versteht sich, daß das Näherungsschichtmaterial nicht das gleiche Material auf beiden Seiten des Kernschichtmaterials sein muß.
Es versteht sich, daß die HRL der vorliegenden Ausführungsform nicht auf die oben erwähnten Kern- und Näherungsschichtmaterialien beschränkt ist. Es versteht sich, daß die HRL der vorliegenden Ausführungsform Kern- und Näherungsschichtmaterialien umfassen kann, die aus einer Vielzahl von verschiedenen Metalloxidmaterialverbindungen hergestellt sind, die die oben genannten Bedingungen erfüllen, bei der freien Energie der Oxidbildung und der optischen Transparenz. Es versteht sich auch, dass andere Näherungsschichtmaterialien über die oben erwähnten HRLs gestapelt werden können, wodurch weitere Diffusionsbarrieremöglichkeiten für die HRL gegenüber der Umgebung, insbesondere gegen Sauerstoffdiffusion, bereitgestellt werden. In einem Beispiel der vorliegenden Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, kann eine Schicht aus Al₂O₃ (Näherungsschichtmaterial # 2) über die unmittelbare benachbarte Näherungsschicht von Ta₂O₅ (Näherungsschichtmaterial # 1) gestapelt werden, wobei die jeweiligen Schichtdicken d sind Gewählt für Antireflexionseigenschaften bei einer bestimmten Wellenlänge λ, so dass beispielsweise d = λ/4n oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon ist.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung, die in 4 dargestellt ist, besteht die HRL aus einem 5-Schicht-Stapel, bestehend aus einem Titanoxid- oder Ti₃O₅-Kernschichtmaterial (Ti₃O₅-Dicke von etwa 50 nm), zwei unmittelbar benachbarten Ta₂O₅-Näherungsschichtmaterialien, die das Ti₃O₅ umgeben Kern-Schichtmaterial (Ta₂O₅-Dicke von etwa 60 nm) und zwei Al₂O₃-Näherungsschichtmaterialien, die die beiden Ta₂O₅-Näherungsschichtmaterialien (Al₂O₃-Dicke von etwa 75 nm) umgeben.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung, die in 4 dargestellt ist, besteht das HRL aus einem 5-lagigen Stapel, der aus einem Titanoxid-TiO_x-Kernschichtmaterial mit x zwischen 1,4 und 1,8 (TiO_x-Dicke von etwa 50 nm) besteht, zwei unmittelbar benachbarten Ti₃O₅ Näherungsschichtmaterialien, die das TiO_x-Kernschichtmaterial umgeben (Ta₂O₅-Dicke von etwa 60 nm) und zwei Al₂O₃-Näherungsschichtmaterialien, die die beiden Ta₂O₅-Näherungsschichtmaterialien umgeben (Al₂O₃-Dicke von etwa 75 nm).
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung besteht die HRL aus einem 4-lagigen Stapel, der aus einem Titanoxid- Ti₃O₅-Kernschichtmaterial (Ti₃O₅-Dicke von etwa 50 nm) besteht, wobei zwei unmittelbar benachbarte Ta2O5-Näherungsschichtmaterialien das Ti3O5-Kernschichtmaterial (Ta₂O₅ Dicke von etwa 60 nm) und ein Al₂O₃-Näherungsschichtmaterial, das ein Ta₂O₅-Näherungsschichtmaterial (Al₂O₃-Dicke von etwa 75 nm) umgibt.
In einer anderen Ausführungsform ist die HRL auf der auf dem Substrat abgeschiedenen Steuerelektrode vorgesehen und kann als "invertierte" Elektrodenposition bezeichnet werden. Dies ist in 3 gezeigt. Eine solche Lösung kann im Falle der Verwendung von diskreten (nicht gleichförmigen über die gesamte Blende) transparenten Elektroden, die sich im optischen Weg der Vorrichtung befinden, besonders interessant sein. Zum Beispiel ist die Scheibe (siehe unten den entsprechenden Querschnitt) oder krapfenförmige oder ringförmige Elektroden. Diese umgekehrte Anordnung mit diesen zusätzlichen aktiven oder passiven Elektroden kann verwendet werden, um die elektrischen Feldschwankungen in der Nähe der Grenzen jener diskreten Elektroden (bezeichnet als "transparente Elektrode" in 3) zu erweichen oder um das elektrische Feld in die Mitte der Blende.
In einer anderen Ausführungsform kann die HRL zusätzliche Schichten und verschiedene Positionen dieser Schichten umfassen, wie in 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform gibt es zwei Näherungsmaterialien auf jeder Seite des hochohmigen Materials, um sowohl bei der Indexanpassung als auch bei dem Barriereschutz zu helfen. Das Näherungsmaterial kann an gegenüberliegenden Seiten des hochohmigen Materials unterschiedlich sein, und es können mehr Näherungsmaterialschichten eine Seite als die andere, wie gewünscht, sein.
Nach einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristall-Optikvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine HRL, das aus einem 5-Schicht-Stapel besteht, der aus einem Titanoxid-TiO_x-Kernschichtmaterial mit x zwischen 1,4 und 1,8 (TiO_x-Dicke von etwa 50 nm) besteht, zwei unmittelbar benachbarte Ta₂O₅-Näherungsschichtmaterialien, die das TiO_x-Kernschichtmaterial (Ta₂O₅-Dicke von etwa 60 nm) umgeben, und zwei Al₂O₃-Näherungsschichtmaterialien, die die beiden Ta₂O₅-Näherungsschichtmaterialien umgeben (Al₂O₃-Dicke von etwa 75 nm). Das HRL wird durch Elektronenstrahl-physikalische Dampfabscheidung (EBPVD) auf einem 100 Mikrometer dicken SiO₂-Substrat abgeschieden und liefert einen stabilen elektrischen Widerstandszustand Rs im Bereich von 1 MΩ/ bis 100 MΩ/ mit einem geringen optischen Reflexionsverlust in Sichtbares Licht bei der Wellenlänge von 500 nm. EBPVD ist eine Form der physikalischen Dampfabscheidung, bei der eine Zielanode mit einem Elektronenstrahl bombardiert wird, der durch einen geladenen Wolframfaden unter Hochvakuum abgegeben wird. Der Elektronenstrahl bewirkt, dass Atome aus dem Target (TiO_x, Ta₂O₅ oder Al₂O₃) in die gasförmige Phase übergehen. Diese Atome fließen dann in feste Schichtform auf das über dem Target platzierte Substrat aus. In einem EBPVD-System muss die Abscheidungskammer auf einen Basisdruck von mindestens 1 × 10^–5 Torr unter Verwendung einer Diffusions- oder einer Turbo-Vakuumpumpe evakuiert werden, um den Durchgang von Elektronen von der Elektronenkanone zu dem Verdampfungsmaterial (TiO_x, Ta₂O₅, oder Al₂O₃), die anfänglich in Form von Granulaten vorliegen können. Diese feuerfesten Oxide unterliegen einer Fragmentierung während ihrer Verdampfung durch den Elektronenstrahl, was zu einer Stöchiometrie führt, die sich von dem Ausgangsmaterial unterscheidet. Beispielsweise dissoziiert Aluminiumoxid, wenn es durch Elektronenstrahl verdampft wird, in Aluminium, AlO₃ und Al₂O. Diese Verbindungen können auf dem Substrat entweder durch reaktive Verdampfung oder durch Co-Verdampfung abgeschieden werden. Bei dem reaktiven Verdampfungsprozess wird das Ausgangsmaterial durch den Elektronenstrahl verdampft. Die Dämpfe werden von dem reaktiven Gas getragen, das bei Metalloxiden Sauerstoff ist, unterstützt oder nicht durch ein Argonplasma. Wenn die thermodynamischen Bedingungen erfüllt sind, reagieren die Dämpfe mit dem Gas in der Nähe des Substrats, um Filme mit den gewünschten Oxidationsniveaus zu bilden.
Nach dem Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristall-Optikvorrichtung, die ein HRL- und ein SiO₂-Substrat umfasst, wird der 5-Schicht-HRL-Stapel durch Sauerstoff/Argonplasmaunterstütztes reaktives EBPVD auf einem auf 300ºC erhitzten SiO₂-Substrat abgeschieden. Die Verdampfung beginnt mit der EBPVD-Verdampfung eines 75 nm dicken Al₂O₃-Näherungsschichtmaterials unter Verwendung von Granulat aus Al₂O₃-Material in einem Molybdän-Tiegel, gefolgt von der EBPVD-Verdampfung eines 60 nm dicken Ta₂O₅-Näherungsschichtmaterials unter Verwendung von Granulat aus Ta₂O₅-Material in einem Molybdän-Tiegel Durch die EBPVD-Verdampfung eines 50 nm dicken TiOx (mit x ~ 1,6) Kernschichtmaterials unter Verwendung von Granulat aus Ti₃O₅-Material in einem Molybdän-Tiegel, gefolgt von der EBPVD-Verdampfung eines 60 nm dicken Ta₂O₅-Näherungsschichtmaterials unter Verwendung von Granulat aus Ta₂O₅-Material in einem Molybdän-Tiegel und gefolgt von der EBPVD-Verdampfung eines 75 nm dicken Al₂O₃-Näherungsschichtmaterials unter Verwendung von Granulat aus Al₂O₃-Material in einem Molybdäntiegel. Der Sauerstofffluss wird auf 20 sccm, 50 sccm, 7 sccm, 50 sccm bzw. 20 sccm eingestellt, um die gewünschten Oxidationsniveaus für die Schichtmaterialien, dh stöchiometrisches Ta₂O₅ und Al₂O₃ für die Näherungsschichten und das nichtstöchiometrische TiO_x zu erhalten (mit x ~ 1,6 oder zwischen 1,4 und 1,8) für die Kernschicht. Die Temperatur des Untergrundes muss bei Bedarf überwacht und kontrolliert werden, z. B. auf Bestellung oder zwischen 250oC und 350oC. Alle Prozessparameter der EBPVD-Ablagerung müssen sorgfältig kontrolliert und automatisiert werden. Es versteht sich, dass das Verfahren zur Herstellung von HRL der vorliegenden Ausführungsform nicht auf die oben erwähnten EBPVD-Sauerstoffströmungsniveaus oder Substrattemperatur beschränkt ist, da sie entsprechend der Größe des EBPVD-Abscheidungssystems, der Entladungsleistung der Plasmakanone, Und der Sollwert des Flächenwiderstandes Rs im Bereich von 1 MΩ/ bis 100 MΩ/ aus der Nicht-Stöchiometrie von TiO_x mit x, eingestellt zwischen 1,4 und 1,8.
Nach einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristall-Optikvorrichtung bereitgestellt, die eine HRL aufweist, die aus einem 5-Schicht-Stapel besteht, der aus einem Titanoxid-TiOx-Kernschichtmaterial mit x zwischen 1,4 und 1,8 (TiOx-Dicke von etwa 50 nm), zwei unmittelbar benachbarte Ta2O5-Näherungsschichtmaterialien, die das TiOx-Kernschichtmaterial (Ta2O5-Dicke von etwa 60 nm) umgeben, und zwei Al2O3-Näherungsschichtmaterialien, die die beiden Ta2O5-Näherungsschichtmaterialien umgeben (Al2O3-Dicke von etwa 75 nm) besteht. Die HRL wird durch Sputterabscheidung auf einem 100 Mikrometer dicken SiO₂-Substrat abgeschieden und liefert einen stabilen elektrischen Plattenwiderstand Rs im Bereich von 1 MΩ/ bis 100 MΩ/ mit einem niedrigen optischen Reflexionsverlust bei sichtbarem Licht bei der Wellenlänge von 500nm Sputterabscheidung ist ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren zum Abscheiden von Dünnfilmen durch Sputtern. Das Sputterabscheidungsverfahren beinhaltet das Ausstoßen von Material aus einem Metalltarget (wie Ti, Ta oder Al) oder aus einem teilweise oxidierten "oxidischen" Metalltarget (wie TixO, TaxO oder AlxO) auf das Substrat. Sputteratome, die aus dem Target ausgestoßen werden, haben eine breite Energieverteilung, typischerweise bis zu zehn eV. In einem Sputter-System muss die Abscheidungskammer auf einen Grunddruck von mindestens 1 × 10^–5 Torr evakuiert werden, dann wird die Kammer teilweise mit dem Sputtergas gefüllt, oftmals ein Inertgas wie Argon. Wenn das Argongas den vorgegebenen Prozeßdruck erreicht, wird in der Größenordnung von 0,3 Pascal ein Argonplasma in der Kammer unter Verwendung einer Magnetronvorrichtung im bipolaren Puls- oder Wechselstrommodus ausgelöst, wobei die Metalltargets als Kathode / Anode wirken. Bei reaktivem Sputtern wird O₂-reaktives Gas in das Argon-Plasma eingeführt. Sauerstoff wird zur Schichtoxidation verwendet, da der abgeschiedene Film durch chemische Reaktion zwischen dem gesputterten Material und dem Sauerstoffgas oxidiert wird. Die Zusammensetzung oder Oxidationsstufe des Films kann durch Variieren der relativen Partialdrücke der inerten und reaktiven Gase in der Abscheidungskammer sowie durch Variieren der Plasmaentladungsleistung gesteuert werden. Die relativen Partialdrücke von Ar- und O₂-Gasen werden beispielsweise in einem Verhältnis von 90/10 eingestellt, um den Flächenwiderstandsbereich der HRL-Titanoxidschicht sorgfältig einzustellen.
In Übereinstimmung mit dem Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristall-Optikvorrichtung, die eine HRL- und ein SiO₂-Substrat umfasst, wird der 5-Schicht-HRL-Stapel durch Sauerstoff / Argon-Plasma-unterstütztes reaktives Sputtern auf einem auf 150ºC erhitzten SiO₂-Substrat abgeschieden. Das Sputtern beginnt mit der Sputterverdampfung ein 75 nm dickes Al₂O₃-Näherungsschichtmaterial unter Verwendung von zwei metallischen Metalltargets aus AC-Wechselmachern, gefolgt von der Sputterverdampfung eines 60 nm dicken Ta₂O₅-Näherungsschichtmaterials unter Verwendung von zwei metallischen Tantal-Target-Wechselstufen, gefolgt von der Sputterverdampfung Eines 50nm-dicken TiO_x (mit x ~ 1,6) Kernschichtmaterials unter Verwendung von zwei metallischen Titan-Target-Wechselrichtern, gefolgt von der Sputterverdampfung eines 60 nm dicken Ta₂O₅-Näherungsschichtmaterials unter Verwendung von zwei AC-Metallic-Tantal-Targets und gefolgt von dem Sputter Verdampfen eines 75nm-dicken Al₂O₃-Näherungsschichtmaterials unter Verwendung von zwei AC-Metallic-Aluminium-Targets. Magnetronsputtern im bipolaren Puls oder AC-Modus können für den Sputterprozess verwendet werden. Die relativen Partialdrücke von Ar- und O2-Gasen werden in einem Verhältnis von etwa 90/10 eingestellt. Der Sauerstofffluss wird auf 20 sccm, 50 sccm, 7 sccm, 50 sccm bzw. 20 sccm eingestellt, um die gewünschten Oxidationsniveaus für die Schichtmaterialien, dh stöchiometrisches Ta₂O₅ und Al₂O₃für die Näherungsschichten und das nichtstöchiometrische TiO_x zu erhalten (Mit x ~ 1,6 oder zwischen 1,4 und 1,8) für die Kernschicht. Die Temperatur des Substrates muss überwacht und kontrolliert werden, wenn nötig, z. B. auf Bestellung oder zwischen 100oC und 150oC. Alle Prozessparameter der Sputterablagerung müssen sorgfältig kontrolliert und automatisiert werden. Es versteht sich, daß das Verfahren zur Herstellung von HRL der vorliegenden Ausführungsform nicht auf die oben erwähnten Sputter-Sauerstoffströmungsniveaus, den Sputter-Wechselstrommodus oder die Substrattemperatur beschränkt ist, da sie entsprechend der Größe des Sputterabscheidungssystems, der Entladungsleistung, eingestellt werden können Des Plasmas und dem gewünschten Wert des Flächenwiderstandes Rs im Bereich von 1 M / bis 100 M / aus der Nichtstöchiometrie von TiO_x mit x, eingestellt zwischen 1,4 und 1,8.
Die HRL, beispielsweise mit Antimon-Zinnoxid-Folien (Sb-Sn-O) als Kernschicht, können auch nach einem Pyrolyse-(Sol-Gel)-Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise wird Sb-dotiertes Zinnoxid (SbSnOx) durch Pyrolyseverfahren synthetisiert, um eine Hochdielektrums-Konstantenschicht (HDLC) zu bilden, die dieselben Funktionen wie „schwach leitfähige“ oder „hohe Schichtwiderstands“ -Schicht in der alle flachen abstimmbaren Flüssigkristalllinse (ALF-TLCL) Geometrie. Das ursprüngliche Material ist Zinnchlorid (SnCl₄·5H₂O) und wird dann durch Pyrolyseverfahren bei hoher Temperatur (z.B. etwa 500ºC) zu Zinnoxid (SnO₂) umgewandelt. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Metalloxids kann auch Antimon (Sb) bei verschiedenen Konzentrationen mit SnO₂ dotiert sein. In dieser Ausführungsform ist die Wirkung von 0,5 und 1% Sb-dotiertem SnO₂ gezeigt.
Die Chemie dieses Verfahrens beinhaltet die Hydrolyse- und Polykondensationsreaktion. Kolloidale Suspensionen von SnO2 können durch Kontrolle der Konzentration der Chemikalien, des pH-Werts der Lösung und der Restionenentfernung erhalten werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Partikel im klassischen Nassverfahren dazu neigen, durch einen Vergröberungsprozess zu wachsen, um die Oberflächenenergie zu minimieren. Aber es ist möglich, diesen Effekt durch die Zugabe eines Amins und Tensids während der Synthese zu verringern, was die freie Oberflächen der kolloidalen Teilchen verringert. Diese Additive fördern die Bildung von Pulvern, die aus sehr kleinen Primärteilchen bestehen, die durch einen Kristallit von 10 Å gebildet werden und gute Redispersionseigenschaften aufweisen.
SnO₂-Sol wurde aus ethanolischem SnCl₄·5H₂O, hergestellt mit 2% Caprolactam und Triton (als Tensid) in Isopropanol hergestellt und durch Zugabe von Ammoniaklösung (bei pH = 11) ausgefällt. Der Niederschlag wurde für 2 h bei 80 ° C unter Rückfluß erhitzt und die erinnernden Cl-Ionen wurden durch Zentrifugation (3 min bei 17.000 U / min) entfernt und durch deionisiertes (DI) Wasser (3-fach) und die letzten zweimal mit Ethanol gewaschen. Die resultierende alkoholische Paste aus ultrafeinem Pulver wurde bei 40 ° C getrocknet. Dann wird das Pulver in Ethylaminlösung (2% Volumen) gelöst. Die resultierende gelbe und transparente stabile kolloidale Lösung wird für das Tauchbeschichtungsverfahren verwendet. Der beschichtete Film wird für 30 min bei 500 ° C geglüht.
Die Hauptreaktion, die zur Bildung von SnO2-Dünnfilmen führt, ist:
Beispiel:
Es versteht sich, daß die oben beschriebene HRL mit seinem Flächenwiderstand Rs im Bereich von 1 MΩ/ bis 100 MΩ/ über die Zeit in Bezug auf Temperaturzyklen (von –40ºC bis +300° C), auf Feuchtigkeitszyklen (von 0% bis 100% relative Feuchtigkeit) und auf ultraviolette (UV-)Zyklen (mehrere Dutzende von Joule pro cm2) innerhalb relativer Änderungen von Rs von wenigen Prozent stabil ist, damit erfüllt sie die meisten Engineering-Toleranz Anforderungen.
Das optische Gerät selbst kann auch temperaturabhängige Betriebsparameter aufweisen. Wie in 5 dargestellt, ist eine abstimmbare Flüssigkristalllinse 10 mit der HRL als Teil einer Kamera 15 versehen. Die Linse 10 ist mit einer oder mehreren festen Linsen 14 angeordnet, wie es im Stand der Technik bekannt ist, um ein Bild auf eine Bildsensor 16 mit variablem Fokus. Das Bild wird von einer Kamerasteuerung 18 verarbeitet, um eine Fokusbewertung zu bestimmen, und die Steuerung in Betriebssignalen an eine Steuereinheit 20, welche Fokuseinstellung sie wünscht, oder im Falle einer optischen Bildstabilisierung (OIS), der Bildversatz, den sie wünscht, Nämlich die Änderung der Lage der optischen Achse. OIS im Zusammenhang mit einer Flüssigkristalllinsenkamera ist aus der PCT-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO2011/075834 vom 30. Juni 2011 bekannt.
Die elektrische Feldsteuerung 20 wird beauftragt, wie man das elektrische Signal oder die Signale zu ändern, die an die Elektroden der Linse 10 geliefert werden, unter Verwendung der Treibersignalquelle 22. Ein Temperatursensor 12 ist vorgesehen, der die Temperatur der Flüssigkristalllinse 10 im Betrieb misst. Die HRL und andere Elemente der Linse 10 variieren mit der Temperatur und das Ansteuerungssignal wird entsprechend der Temperatur eingestellt. Bei der oben beschriebenen HRL ist jedoch die Stabilität der Kernschicht vorgesehen, und eine anfängliche Kalibrierung, wie sie beispielsweise werksseitig durchgeführt werden kann, kann im Wesentlichen für die Lebensdauer der Kamera 15 verwendet werden. Der Sensor 12 ergibt somit eine Temperaturmessung an die Steuerung 20. In einigen Fällen steuert die Kamera 15 die Betriebstemperatur der Linse 10 unter Verwendung einer Heizeinrichtung, um die Temperatur stabil zu halten. In diesem Fall wird der Sensor für die Temperaturregelung verwendet.
Die Kalibrierungsschaltung 30 kann einen permanenten Teil der Kamera 15 bilden, oder sie kann eine externe Vorrichtung sein, die nur zum Zeitpunkt der Erstkalibrierung verwendet wird. Im Falle eines externen Geräts kann die Kalibrierungsschaltung 30 die Linse 10 noch auf einem Wafer und somit ohne Verwendung der Komponenten 14, 16, 18 und 20 der Kamera 15 kalibrieren und stattdessen geeignete äquivalente Komponenten als Teil des Kalibriergerätes verwenden.
Die Kalibrierungsschaltung 30 steuert die optische Leistungseinstellung eines elektrischen Feldreglers, um die Beziehung zwischen dem Steuersignal und der optischen Leistung und / oder der optischen Achsenposition der Linse (oder einer anderen Vorrichtung, wie beispielsweise einer Strahllenkvorrichtung) als eine Funktion von zu bestimmen Temperatur oder bei der stabilen Betriebstemperatur, je nach Fall. Dies beinhaltet typischerweise das Kehren des Antriebssignals durch einen Bereich von Werten, während ein erhaltenes Testmusterbild aufgezeichnet und analysiert wird. Das Ergebnis besteht darin, einen Einstellwert zu erzeugen, der in der Steuerung 20 der Kamera gespeichert werden soll.

Claims

Eine optische flüssigkristalle Gradientenbrechungsindex-Vorrichtung bestehend aus: transparente Substrate, die einen Spalt zwischen den Innenseiten der Substrate definieren; ein Flüssigkristallmaterial, das die Lücke füllt; eine Ausrichtungsschicht, die die Substrate bedeckt, um das Flüssigkristallmaterial zu orientieren; Elektroden, die von den Innenseiten der Substrate getragen werden und strukturiert sind, um ein räumlich ungleichförmiges elektrisches Feld in dem Spalt zu erzeugen; eine hochohmige Schicht mit einem schwach leitfähigen Kern mit einem Brechungsindex, der höher als ein Brechungsindex der Substrate ist und durch Schichten eines Näherungsmaterials mit isolierenden Eigenschaften und einem Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex des schwach leitfähigen Materials eingekapselt ist Und dem Brechungsindex der Substrate, wobei das Näherungsmaterial im wesentlichen die gleiche freie Energie der Oxidbildung wie das schwach leitfähige Material aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Näherungsmaterial mindestens zwei Schichten auf jeder Seite des Kerns schwach leitfähiges Material umfasst, wobei die beiden Schichten unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei mit dem Flüssigkristallmaterial gefüllte Spalte umfasst, wobei die Ausrichtungsschicht die Substrate bedeckt, um so orthogonale Orientierungen der Flüssigkristallmaterialien in den Lücken bereitzustellen, wobei die Vorrichtung ist Konfiguriert, um auf beide linearen Polarisationen des Lichts zu wirken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner mit einer Treiberschaltung, die mit den Elektroden verbunden ist und so konfiguriert ist, dass sie ein variables elektrisches Signal an die Elektroden liefert, um einen optischen Zustand der Vorrichtung zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung so konfiguriert ist, dass sie das variable elektrische Signal als Funktion eines gewünschten optischen Zustandswertes definiert und eine Anfangs- oder Werkseinstellung verwendet, die einen Widerstandswert der hochohmigen Schicht als charakterisiert Eine Funktion der Umgebungstemperatur nur ohne Veränderung aufgrund von Oxidationsänderungen des schwach leitfähigen Materials bei der Bestimmung des variablen elektrischen Signals als eine Funktion des gewünschten optischen Zustandswertes.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Linse mit variabler optischer Leistung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Linse mit variabler optischer Achse ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern schwach leitfähiges Material und das Näherungsmaterial Metalloxid-Materialverbindungen umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Kern schwach leitfähiges Material Titanoxid umfasst und das Näherungsmaterial Ta₂O₅ und vorzugsweise auch Al₂O₃ umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer optischen flüssigkristallen Gradientenbrechungsindex-Vorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellung von transparenten Substraten; Ablage auf einem ersten der Substrate: Mindestens eine Elektrode, die so strukturiert ist, dass sie ein räumlich ungleichförmiges elektrisches Feld zwischen den Substraten erzeugt; und Eine Mehrzahl von Schichten, die eine hochohmige Schicht bilden, die ein Kern schwach leitendes Material mit einem Brechungsindex aufweist, der höher als ein Brechungsindex der Substrate ist und durch Schichten eines Näherungsmaterials mit isolierenden Eigenschaften und einem Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex eingekapselt ist Des schwach leitfähigen Materials und des Brechungsindex der Substrate, wobei das Näherungsmaterial im wesentlichen die gleiche freie Energie der Oxidbildung wie das schwach leitfähige Material aufweist, wobei die Mehrzahl von Schichten zuerst auf dem ersten der Substrate abgeschieden wird oder mindestens eine der mindestens einen Elektrode zuerst auf dem ersten der Substrate abgeschieden wird; Abscheiden mindestens einer Elektrode auf einem zweiten der Substrate; Bereitstellen einer Ausrichtungsschicht, die die Substrate bedeckt, um das Flüssigkristallmaterial zu orientieren; Bereitstellen mindestens einer Zellwand auf den Substraten; Abscheiden eines Flüssigkristallmaterials auf einem der Substrate in der Zellwand; Abdecken des einen der Substrate mit einem anderen der Substrate, um das Flüssigkristallmaterial in die Zellwand einzuschließen; und Verbinden der Substrate zusammen.
Verfahren zur Herstellung einer optischen flüssigkristallen Gradientenbrechungsindex-Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die transparenten Substrate für eine Anordnung von Vorrichtungen hergestellt werden, die durch Wafer-Skalen-Fertigung hergestellt werden sollen, wobei eine Anordnung der Zellwände vorgesehen ist Wobei die Abscheidung des Flüssigkristallmaterials für jede der unteren Barrieren durchgeführt wird und ferner das Vereinzeln einzelner Vorrichtungen aus einem resultierenden Wafer umfasst, der die Substrate umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer optischen flüssigkristallen Gradientenbrechungsindex-Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen jeweils zwei Flüssigkristallzellen umfassen, wobei eine erste der Zellen einen Flüssigkristall aufweist, der in einer ersten linearen Richtung orientiert ist, und Eine zweite der Zellen einen Flüssigkristall aufweist, der in einer zweiten linearen Richtung orthogonal zu der ersten linearen Richtung orientiert ist, wobei die Vorrichtung auf beide linearen Polarisationen des Lichts wirkt.
Verfahren zur Herstellung einer optischen flüssigkristallen Gradientenbrechungsindex-Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitiv leitfähige Material und das Näherungsmaterial Metalloxid-Materialverbindungen umfassen.
Verfahren zur Herstellung einer optischen flüssigkristallen Gradientenbrechungsindex-Vorrichtung nach Anspruch 10, 11, 12 oder 13, wobei das Kern schwach leitfähiges Material Titanoxid umfasst und das Näherungsmaterial Ta₂O₅ und vorzugsweise auch Al₂O₃ umfasst.