JP2020505654A - 電気制御可能な光学素子、ことに光学的に有効な表面プロフィールを有する薄層セル、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

ことに光の変調のための、電気光学カー効果の利用下で多様に実施された装置は公知である。広い工業用途のためには、高い作動電圧と関連するこの効果の極めて強い温度依存性は欠点となる。二枚の基板（１ａ，１ｂ）と、それぞれの基板（１ａ，１ｂ）の内側表面上に施された導電層（２ａ，２ｂ）とを有する、出発混合物（Ｋ）で充填されたセル（Ｄ）を有する電気制御可能な光学素子から出発し、出発混合物（Ｋ）は、活性成分として双極性棒状分子（５）とセミメソゲン（４）とからなる混合物を有し、かつ出発混合物（Ｋ）は、電気光学カー効果に従って、出発混合物（Ｋ）のセミメソゲンと双極性棒状分子（４，５）とからなる活性複合材料の状態が、電場なしで作動温度範囲で等方性であり、かつ電圧Ｕの電気的連続的な調節によるかまたは一定の電圧の印加により、光学素子内で電圧により引き起こされる相高低差または屈折率高低差の変化が生じるように、薄層セル（Ｄ）中で基板（１ａ，１ｂ）上に施された構造化されたおよび／または平坦な導電層（２ａ，２ｂ）の間に光重合により製造された目の粗い異方性網目構造（９）を有する薄層を形成し、本発明によると、光学的に有効な表面プロフィール（Ｏ）が、基板（１ａまたは１ｂ）の内側表面上に、または一方の基板（１ａまたは１ｂ）中にまたは両方の基板（１ａおよび１ｂ）中に導入されている。本発明は、電気制御可能な光学素子の分野に関する。

Description

本発明は、請求項１記載の、電気制御可能な光学素子、ことに光学的に有効な表面プロフィールを有する薄層セル、および請求項１２記載の、液体複合材料を基礎とするその製造方法に関する。

調節可能な光学素子は、現在、機械系が優位である。これらの機械系は重く、かつ体積が大きく、ならびに機械式駆動等の使用に基づき故障しやすく、かつしばしば緩慢すぎる。したがって、非機械式光学素子が有利であり、かつ現在の開発の主題である。わずかな有効径を有するこの種の光学素子についてすでに解決策が商品化されているが、これは大きな開口の場合にはいまだに当てはまらない。

印加された電界の電界強度の二乗で増大する複屈折の出現を、電気光学カー効果（J. Kerr 1875）、二次の電気光学効果または電気複屈折という。この効果の場合、電界内で、等方性の液体中で永久双極子モーメントを有する分子は整列する。この整列により電界内で材料は光学的に異方性となり、この際、無電圧状態の等方性の液体と比較して、電界方向ではより高い屈折率が生じ、かつこの電界方向に対して垂直方向ではより低い屈折率が生じる。カーセルの場合に、材料の屈折挙動および偏光挙動は、外部印加された電界により変化するので、電気信号を光学信号に変換することができる。通過する光の方向に対して横方向に、カー液体中の電極プレートを介して電界が印加される。カー液体として、大抵は、２．４４×１０^-12ｍ／Ｖ²のカー定数Ｋを有し、室温で液状であり、かつアルコール、エーテルおよびベンゼンと良好に混合することができる純粋なニトロベンゼンが使用される。それに比べて、ニトロトルエンは、１．３７×１０^-12ｍ／Ｖ²のカー定数Ｋを有し、水は、５．１×１０^-14ｍ／Ｖ²のカー定数Ｋを有する。上述の液体で、かつセンチメートル範囲の通常のセルサイズでは、この場合、数キロボルトの範囲の電圧が必要である。カーセルの表側および裏側はガラスからなり光透過性であり、金属からなる側壁は、電極プレートである。

したがって、カーセルの工業的適用は、誘電体としてカー液体、大抵はニトロベンゼンを有するコンデンサーである。これは、光学的主軸のそれぞれが電界の方向に対して４５°傾斜して交差する偏光子の間に置かれる。セルに電圧が印加されていない場合、光はこの装置を通過することができない。

電界内でカー液体は複屈折性になる、つまりこの電界の方向に振動する光成分は、この電界に対して垂直方向に振動する光成分とは異なる伝播速度を受ける。したがって、この両者の間ではカーセルからの出射の際に位相シフトδが存在する。ここで、δと光量Ｌ₀とに関連して、セル内に入射する光量Ｌが、次の関係に従って、光学装置を通過する：
Ｌ＝Ｌ₀・ｓｉｎ²δ／２

位相シフトδは、電界強度Ｅ、コンデンサープレート間の光路長ｌ、および誘電体のカー定数Ｂに依存して、次の関係に従う
δ＝２π・Ｂ・ｌ・Ｅ²
それにより、Ｌ＝Ｌ₀・ｓｉｎ²（π・Ｂ・ｌ・Ｅ²）となる。

ライトリレーとしてのカーセルの感度を本質的に向上させるために、独国特許出願公開第５５５２４９号明細書（DE 555 249-A）から、使用される偏光された光の部分放射に、カーセル内で生じた電圧依存性の位相シフトの他に、別の不変の位相シフトも与えられることは公知である。付加的な位相シフトの作製のために、複屈折性結晶プレートが光路内に持ち込まれる。

ニトロベンゼンのような液体の場合に、キロボルト範囲の電圧が印加される場合でさえ、検知される屈折率の差は極めて小さい。久しく公知のカー効果のこのわずかな程度に基づいて、このカー効果に基づく能動光学素子の製造は当面は除外されていたと考えられる。例えば、ニトロベンゼンについての、カー効果の強度を定量化するカー定数（Zinth, W., Optik, Oldenbourg-Verlag, Muenchen, 2011）は、約２．４４×１０^-12ｍＶ^-2にすぎない。

数十年来、今まで使用されていたニトロベンゼンよりも高いカー定数を有し、かつそれにより低い制御電圧で同じ効果を生じる液体を見出すために、繰り返し試験が行われた。例えば独国特許出願公開第６２２３６８号明細書（DE 622 368-A）から、室温で固体の状態であるベンゼン環の二置換体または三置換体が溶媒中に導入されたカーセル液体は公知であり、このカー定数はニトロベンゼンのオーダーにある。適切には、この場合、ニトロ基（−ＮＯ₂）による置換が好ましい。溶媒として、独国特許出願公開第６２２３６８号明細書（DE 622 368-A）によると、次のものが例示的に使用されている：
ニトロベンゼン
メタニトロトルエン
オルトニトロトルエン
溶解されるべき物質として次のものが提案される：オルトジニトロベンゼン、ニトロアニリン（好ましくはパラ）、パラニトロトルエン、オルトクロロニトロベンゼン、１−クロロ−２，３−ジニトロベンゼン、１：２：３−ニトロナフタレン、ニトロナフタレン アルファ、ジニトロナフタレン １：８。

さらに現在のところ、巨視的に配向された液晶材料に基づく素子が使用されている。しかしながら、この系は、光の一つの偏光方向に影響を及ぼすのみであり、それに対して垂直の偏光方向を有する光には、ほとんど影響を及ぼさないという欠点を有する。この事実に基づいて、吸収性偏光子がこのような素子と組み合わせられる。しかしながら、これにより必然的に光量が５０％未満に低下する。この欠点を除去するために、直交方向に配向する２つ（またはそれ以上）の同じ構造の素子を互いに組み合わせることが提案されたが、これにより明らかにより高い手間が生じ、かつ空間的クロストークによる付加的な故障の要因は、光学損失と、素子の相互の正確な整列に関する付加的な問題を生じる。

他の等方性液晶状態／ＬＣ状態は、散乱性ＰＤＬＣ、低散乱性ナノ−ＰＤＬＣ系、および等方性のポリマー強化されたブルーＬＣ相である。これらは、ポリマーマトリックスおよびドメイン境界により引き起こされる高い切替電圧により特徴付けられる。ＬＣ位相変調器のような反射性素子とは反対に、透過性素子の場合には残留散乱が生じることが障害となる。

双極子モーメントの異方性が高く、かつ棒状分子形状を有する等方性液体の場合には、本質的に比較的大きな屈折率の差を達成することができるので、数桁高いカー定数が見出される。これは、例えば液晶の等方相について比較的高い温度ですでに示された。

明らかに高い値は、澄明温度をわずかに越える液晶の等方性溶融物（J. Chem. Soc, Faraday Trans. 2, 1976, 72, 1447-1458 / DOI: 10.1039/F29767201447）中で、またはポリマー安定化された等方性液晶（Appl. Phys. Lett. 98, 023502 (2011)/DOI: 10.1063/1.3533396）中で、および液晶のポリマー安定化されたブルー相中で測定することができる。ここでは、３００×１０^-12ｍＶ^-2までのカー定数が測定された。

しかしながら、この種の系中でのカー効果の大きな欠点は、例えば液晶５ＣＢの等方性溶融物について記載されたように、この効果の温度依存性が極めて強いことである（Dunmur D. A.およびTomes A. E., 1981, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 76, 231）。ポリマー安定化された等方性液晶中では温度依存性を低減することができたが、これは著しく限定された温度範囲についてのみであった（J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 112002 / DOI: 10.1088/0022-3727/42/11/112002）。これらの系の大多数において、必要とされる高い電圧および長い切替時間は望ましくないことが判明している。

光学信号の変調、減衰、偏光制御および切替を必要とする用途の場合に適している、光学情報伝達または通信の分野で改善された電気光学素子を、平坦な導波路または光ファイバーと組み合わせて作製するために、国際公開第２００４／０４６７９６号（WO 2004/046796-A1）から、光学導波路コアとクラッドとを含み、このクラッドは光学導波路コアに光学的に結合している導波路装置が公知である。クラッドは屈折率の定義を有するカー効果媒体を有する光学的機能性区域を含み、屈折率が光学的機能性区域に印加される制御信号に応答して変化するように形成されている。光学的機能性区域の屈折率は、装置の作動の際の光学波長および温度では、光学導波路コアの屈折率よりも低い。クラッドは、無極性で主に等方性であるか、または主に異方性のポリマーのクラッド材料により定義される光学的機能区域を含む。ことにクラッド材料は、受動的移行、しかも主に配向した状態から主に等方性の状態への受動的移行をほぼ１秒未満で行う能力を光学的機能区域に付与するために十分である、発色団移動度により特徴付けられるポリマーの／発色性のライニングである。詳細には、ポリマーの／発色性のライニングは、発色団を少なくとも約５質量％〜約２０質量％含み、かつ可塑化されていて、かつカー効果媒体は、ポリカルボナート、ターポリマー、ＰＭＭＡおよびポリシクロヘキサンから選択されるポリマーを含む。好ましくは、発色団はドナー成分、共役および／または芳香族成分を有する架橋成分、ならびにアクセプター成分を有する。詳細には、このためにカー効果媒体について１２個の異なる構造式が挙げられている。さらに、導波路装置の作動温度を制御または調節するように配置されているコントローラーが予定されている。ポリマーのライニング媒体は、装置の作動温度よりも低い有効ガラス転移温度により特徴付けられる。この場合、材料の有効ガラス転移温度は、発色団の再配向移動度が材料の温度の関数として比較的大きな増大を示す温度であることに留意することができる。電気光学材料の有効ガラス転移温度を、材料の電気光学的応答挙動の測定に基づき、その温度の関数として決定することができる。ライニング媒体は、可塑剤をライニング媒体内へ組み込むことによるか、またはライニング媒体の有効ガラス転移温度が装置の作動温度よりも低いことを保証することにより、許容可能な程度の発色団移動度および物理安定性を有する。詳細には、国際公開第２００４／０４６７９６号（WO 2004/046796）のライニング媒体は、約１２０℃未満で２０℃までの有効ガラス転移温度により特徴付けられる。十分な発色団移動度を達成するために、ライニング媒体中に溶媒が予定されている。発色団とベースポリマーとを含むポリマーのライニング媒体の場合に、適切な溶媒は発色団もポリマーも溶解する。多くの場合に、このような溶媒の使用により、室温または室温付近での装置の適切な作動温度が生じる。制御電極を用いて、被覆クラッドの光学的機能性区域内に電界Ｅが形成される。あるいは、制御信号は、熱信号を生じてもよく、この場合、被覆クラッドの光学的機能性区域は、熱信号の大きさに応答する。全ての場合で、導波路装置は、適切なコントローラーを有し、このコントローラーは、光学的機能性区域の光学的機能性部分の光学特性を互いに無関係に変更するために構成されている。ことに、電気光学ポリマー被覆クラッドまたはポリマー被覆に制御電圧を印加することは、光学信号において連続的位相シフトΔφも誘導するが、しかしながら、同じ値で、しかも制御電圧Ｖにおいて漸進的に小さくなる増加で、連続的位相シフトも誘導される（Ｅはおおよそｓｉｎ²φ、ここでφ＝ＢＶ²である）。したがって、１８０°の連続的位相シフトΔφの場合に、１８０°の連続的位相シフトの誘導のために必要である連続的制御電圧増分Ｖπの大きさは減少し、しかも制御電圧Ｖの大きさの増加と共に減少する。マッハ−ツェンダー干渉計（つまり、位相シフトの測定のため、または干渉計の一方のアーム内での適切な相変調による光の変調のため、もしくは波長依存性の多重分離のために２つのアームを備えたビームスプリッター）を１８０°位相シフトにわたり作動させるために、国際公開第２００４／０４６７９６号（WO 2004/046796-A1）の導波路装置で約３４０ボルトが必要とされる。しかしながら、約５２０ボルトでの次の１８０°位相シフトは、単にドライバー電圧を約１８０ボルト（５２０ボルトと３４０ボルトとの差）増加することにより達成される。第３の１８０°位相シフトは、単に約９０ボルトの増加の約６１０ボルトで生じる。簡単な外挿により、約３０００ボルトのバイアスで、約４ボルトのＶπ−ドライバー電圧を達成することができるという提案が生じる。このポリマーのライニング媒体または被覆媒体の改善および制御電極として使用される電極構成の改良により、１８０°位相シフトを、それも約１０００ボルトのバイアスで５ボルト未満のドライバー電圧により達成することができる。

光学的情報伝達または通信の分野での電気光学カー効果またはポッケルス効果の他の工業的用途は、入出力カプラーとしての電気的に調節可能な屈折率および電気的に調節可能な空間周期性を有する格子、導波路カップリング素子（インターフェース）、モード／偏光変換器、モード／偏光フィルタ、偏向器もしくはデフレクター、リフレクターである。このために、欧州特許第１１５５３５５号明細書（EP 1 155 355 B1）からは、電気的に調節可能な屈折率および電気的に調節可能な空間周波数を有する回折格子は公知であり、この場合、格子は次のものを含む：
・ 基板；
・ 基板にわたって延在する電気光学構造、ここで、電気光学構造は伝播軸を有する導波路を含む；
・ 電界をその間に形成するための第１および第２の電極構造、ここで、電界は導波路内に回折格子を誘導し、ここで、第１および第２の電極構造は電気光学構造の向かい合った側に配置されていて、かつ各々は同一平面内で導波路の伝播軸に対して平行に延在し、ここで、第１の電極構造は指型に配置されたフィンガーの第１のセットおよび第２のセットを含み、ここで、第１のセットのフィンガーは電位Ｖ₀未満であり、かつ第２のセットのフィンガーは電位Ｖ₀＋¢Ｖ未満であり、ここで、Ｖ₀は回折格子の屈折率の調節のために可変であり、かつ格子の空間周期性の切替のために計数値の間で可変である。

あるいは、外部から入射する光を変化させるために、回折格子は次のものを有する：
・ 基板；
・ 基板にわたって延在する電気光学構造；
・ 電界をその間に形成するための第１および第２の電極構造、ここで、電界は電気光学構造内に回折格子を誘導し、ここで、第１および第２の電極構造は、上下に配置された平面に沿って互いに平行に、かつ電気光学構造に対して平行に延在し、かつ電気光学構造の向かい合った側に配置されていて、ここで、第１の電極構造は、指型に配置されたフィンガーの第１のセットおよび第２のセットを含み、ここで、第１のセットのフィンガーは電位Ｖ₀未満であり、かつ第２のセットのフィンガーは電位Ｖ₀＋¢Ｖ未満であり、ここで、Ｖ₀は回折格子の屈折率の調節のために可変であり、かつ格子の空間周期性の切替のために離散した値の間で可変的である。

詳細には、欧州特許第１１５５３５５号明細書（EP 1 155 355 B1）の回折格子は、ブラッグフィルタとして作用するか、またはこの格子はリフレクター機能のために共線の逆方向結合のために使用することができるように構成されていてよく、ここで、この格子は、分布帰還型（ＤＦＢ、distributed feedback）または分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ、distributed Bragg reflection）レーザー用の能動光学フィルタとして用いられる。他の実施形態は、ファイバー光学通信用の波長分割のための多重システム（ＷＤＭ、wavelength division Multiplexing）内での用途に関する。この格子は、単独でも、または他の電気光学素子と組み合わせても、集積構造を形成するために使用されていてよい。この格子は、電気光学構造、例えば基板にわたって延在する、ＬｉＮｂＯ₃または電気光学ポリマーのような材料から形成された、好ましくは約０．５〜２μｍの厚みおよび約５μｍの幅を有する電気光学ロッドを含む。第１および第２の電極構造は、伝播方向に対して平行に、電気光学構造の向かい合った側に準備されている。ことに櫛状の形状を有する第１および第２の電極構造は、その間に電界を形成し、それにより生じる電界に基づいて周期性を作り出すために多様な電位に曝される。ナノ領域での近代的な製造技術は、サブミクロンのフィンガー間隔を有する指型の電極構造を可能にする。指型の電極は、透明な導電性材料、ならびにインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）から、例えば幅ａ＝１０５μｍおよび０．１μｍのＩＴＯ厚みで製造される。導波路と電極フィンガーとの間の間隔は、導波路の屈折率よりも低い屈折率を有するＳｉＯ₂のような誘電性材料からなる緩衝層で満たされる。この緩衝層は、電気光学ロッドの内部に形成された導波路のクラッド層を形成し、かつ案内された波を電極との損失性の相互作用から保護する。

さらに、ステレオテレビの技術分野で、偏光メガネのプリズムメガネレンズと組み合わせた電気光学カー効果の利用は、独国特許出願公開第２８２８９１０号明細書（DE 28 28 910-A1）から公知である。このために偏光装置は、テレビ画面の全体の表面にわたり延在するように配置され、かつ寸法決めされており、ここでその偏光面は、観察者の偏光メガネの左側レンズまたは右側レンズの偏光面上での選択的整列のために回転可能である。偏光装置の偏光面の回転は、好ましくは、光学活性材料からなるカー効果セルによって達成され、この光学活性材料は、透過する偏光の偏光面を、制御電圧源からセルの向かい合った電極に印加される電圧に依存して回転させる。この場合、左側レンズまたは右側レンズの役割を交換することも可能であり、この場合、偏光装置の一つの状態では、左側レンズは偏光装置を通過する光を伝達し、右側レンズは暗フィルタとして作用し、かつこの装置の他の状態では、これらのレンズは偏光装置を通過する光を遮断するか、もしくは伝達する。さらに、観察者の選択により、左側レンズまたは右側レンズを、暗フィルタとして作用するように選択できるため、画像を望み通りに観察者に対してより近くにあるように、またはより遠くにあるように思わせることができる。制御電圧源は、命令信号に依存して上述の電圧を供給することができ、この命令信号は、（テレビ信号再現の場合に）テレビ信号と一緒に供給されるか、または（フィルム再現の場合に）フィルムに記録された信号に依存して供給することができる。カー効果セルは、ＰＬＺＴ（多結晶ランタンドープされて変性されたジルコン酸チタン酸鉛）または他の公知の強誘電性セラミック材料から製造されていてよい。

電気的に調節可能な、または切替可能な無偏光の光学レンズのための別の用途は、視力補助具および切替可能な拡大系（テレスコープメガネ）である。二焦点系を含む古典的な視力補助具にますます付加的な機能が付与される。ごく本質的な観点は、能動的な、つまりインテリジェントな、もしくは切替可能な、または調節可能な光学系の開発である。この最新の開発は、「ヘッドマウントディスプレー」（ＨＭＤ）の開発によって、および「拡張された現実（Augmented Reality：ＡＲ）」の急速に発展する分野のためのＬＣ系によっても影響されている（ＡＲは、現実世界の画像をコンピュータにより生成された情報と組み合わせることで、現実世界の画像を仮想情報で補う技術である）。この開発の基礎は、ＬＣＤに基づくマイクロディスプレーである。改良された形態の場合に、この技術は、光学系の他の領域にも革新を起こすことができ、かつレンズ、プリズムおよび他の受動素子のような古典的な屈折素子の交代を引き起こす。

個別化可能な、または調節可能なレンズおよび拡張機能の両方の態様のもとで、例えば欧州特許第１４６３９７０号明細書（EP 1 463 970 B1）からは、メガネフレームを備えた両眼型電子メガネが公知であり、この枠は、弦が取り付けられている防塵密閉されたハウジングとして構成されていて、かつこの両眼型電子メガネは、ハウジング内に配置された少なくとも１つの電子ビデオカメラ、レンズが前方に向いている対物レンズ、およびＣＣＤセンサを有する。詳細には、プラスチックからなるレンズおよび個々のレンズの変形および／または回転による調節のためのガイド手段を備えた、モーターにより位置調節可能な、前側に配置されたレンズ系が予定され、このレンズ系は電子カメラと接続されている。このレンズ系およびカメラと、電気制御装置とが接続されていて、かつこの制御装置と、メモリとが接続されていて、このメモリは、作動の間に屈折異常およびひとみ距離の自動補正用に合わせるための基準値としての両目用の手動設定値を有する。非正視の補正は、明視距離または作動距離に関する自動調節を含めたレンズの屈折度および／または焦点合わせの調節により行われ、ここで、コントラスト制御された焦点合わせは、コントラスト制御された焦点合わせを持続的に調節するように制御装置を設計することにより行われる。このレンズ系は４つのレンズからなり、かつ拡大範囲は、２．５倍〜１０倍である。制御装置はモーター制御のために用いられ、かつ調節速度の向上のために、モーターの出力側にギヤユニットが配置されている。エネルギー供給のために、メガネフレーム内に蓄電池が配置されていて、かつメガネフレームに蓄電池の充電状態についての表示装置が予定されている。さらに、記録手段の接続用に、カメラと接続されているインターフェース回路が予定されている。さらに、弦の領域内にラジオ受信機および／または呼出受信機が配置されていて、これらの受信機は表示装置と接続されている。メガネ系の最初の利用の前に、メガネ装着者はひとみ距離および屈折異常の場合にはそのジオプトリー値を調節する。これらの構成はシステム内に記憶され、かつ他の全ての自動的に制御されるプロセスのためのベースとして用いられる。約２５ｃｍの明視距離と、無限大までの焦点合わせの間のズームのための鮮明化調節まで、単に数秒かかるだけである。機械的レンズ系は、物体を２．４倍に無段階でズームすることができる。物体は、（デジタルカメラと同様に）ボタンを押すことにより生じるズームの段階とは無関係に自動的に鮮明に写される。このオートフォーカスメガネは、チップ制御されたカメラ、モーター、および特別な表面処理されたレンズからなるメカトロニクス協働作用によって機能する。他の付加的機能は、メモリキー、マイクロフォン、音声コマンドデバイス、弦内のスピーカー、外部蓄電池パック、ビデオおよびオーディオの長期記録のためのメモリ、ならびにスポットライトなどであることができる。

このような多機能メガネの重要な光学機能は拡大系である。従来のテレスコープメガネは、観察される物体を拡大するために、メガネの下側領域内に固定されているレンズ系を利用する。このテレスコープメガネについて特徴的なのは、全体の視野のむしろ限定された領域だけを利用する固定された拡大系である。一般に、拡大系の場合には、要求に応じて、ケプラー系またはガリレオ系が使用される：ガリレオ系は正立型の拡大の実現を直接許容するが、それに対してケプラー系は、より大きな視野により際立っている。しかしながら、ケプラー式望遠鏡の場合には、倒立像が生じ、この倒立像は、場合により付加的な光学素子（プリズムまたはレンズ）によって変換される。拡大系の構造深度が重要である場合には、ガリレオ式望遠鏡が好ましい。

調節可能な光学素子、ことにレンズの開発のために今まで利用された原理は、適切な流体との関連で弾性膜、液体レンズのエレクトロウェッティング原理、または液晶の電気的に誘導された再配向に基づいている。エラストマー膜の場合には、膜の曲率変化を引き起こすために、薄いエラストマーシートにより形成される空洞内に液体を圧送するか、またはこの液体をリザーバー内に放出する。膜型レンズは、顕微鏡系内に組み込まれていることもある（Biomed. Opt. Express 5(2), 645-652 (2014)またはBiomed. Opt. Express 5(6), 1877-1885 (2014)参照）。しかしながら、この機械的解決策は、中速の切替時間を有するだけである、というのも膜空洞は切替過程で液体で満たすか、または空にしなければならないためである。さらに、多数の切替サイクルの際にエラストマー膜の安定性を調査しなければならない。さらに、膜型レンズの周辺部は、リザーバー、ポンプおよびモーターによって比較的嵩高となる。膜型レンズに基づいて、圧送過程を手動で実施する調節可能な視力補助具も市場に出された。この種のシステムは、必然的に極めて緩慢である。膜型レンズの代替品は、エレクトロウェッティングの原理に基づく液体レンズである。この制御可能な光学オートフォーカス液体レンズの利用分野は、スマートフォン、ウェブカメラ、および他の用途である。

調整可能なレンズの屈折度の範囲は、かなり大きく、かつ−１２から１２ジオプトリーにまで達し、切替時間は２０ｍｓで一連の用途にとって十分に速いが、マシンビジョン領域の高いサイクル時間にとっては不十分である。しかしながら、マシンビジョン領域での光学焦点合わせ素子内での用途にとって、開口、速度および解像度に関する他の要求が該当する。工業分野での焦点合わせのための先行技術は、対物レンズの機械的焦点合わせである。これは、動かされるべき質量（速度）のため、および長期間安定性（機械素子の摩耗）に関して限界に達している。この解決策の欠点は、無電圧状態が光学的にニュートラルではなく、発散レンズとなることにもある。さらに、開放開口は、レンズ素子の全体の直径との関連で制限されるので、環状の供給ユニットが、ことに頭部での適用の場合にレンズ素子を支配する。

したがって、エレクトロウェッティング原理に基づく素子も、膜型レンズも、嵩高な供給装置を有する構造形式に基づき、およびその重量により、ハイブリッド光学系にとって、および視力補助具またはテレスコープメガネにとって、それほど適してはいない。

液晶（ＬＣ−Liquid Crystal）を基礎とする切替可能なレンズは、これらの欠点を示さない。液晶に基づく切替可能な二重焦点メガネは、原則として、典型的な屈折レンズ内での薄い液晶層の配向の電界により誘導される変化に基づいている。屈折率コントラストにより、スイッチオン状態で、付加的レンズ素子が作動され、この付加的レンズ素子は鮮明な近方視を可能にする。スイッチオフ状態では、このレンズ素子は作動しておらず、かつ鮮明な遠方視が屈折レンズにより保証される。これらの状態の間の切替は、手動で、または傾斜検出器により行うことができる。

ウェブカメラまたは携帯電話内のカメラにおける用途については、数ミリメートルにすぎない直径のレンズで間に合うため、このことが技術的問題を極めて簡素化している。ここでの制限は、利用された効果の偏光依存性が強いことであり、この効果が付加的偏光子の使用により光の収率を低下させるか、または素子の構造が、２つの素子の択一的な直交の組合せにより明らかにより手間がかかるようになり、かつ製造において付加的な故障原因となる。ＬＣを基礎とするレンズの利点は、このレンズを用いると、例えば完全に機械素子を必要とせず、それにより頑丈で、かつ整備不要の光学系が可能となり、さらに構造深度および重量の低減を引き起こす望遠鏡系または焦点合わせ装置を実現することができることにある。

屈折レンズの場合、可能な屈折度は、一般に、光学密度の高い媒体と光学密度の低い媒体との間の界面の曲率半径により、および屈折率高低差により決定される。同様のことがＧＲＩＮレンズ（勾配屈折率）についても当てはまり、平板型液晶レンズもＧＲＩＮレンズと見なされる。ここでは、中心から周辺領域までの半径方向の屈折率高低差が、直径と関連して、決定する大きさである。これらのレンズタイプの全てにおいて次のことが通用する：媒体の層厚が一定に保たれる場合に、レンズの必要な直径が、達成されるべき屈折度を制限する。決定された屈折度においてレンズの直径を高める場合、層厚も高めなければならない。しかしながら、これは、液晶レンズの場合に、必要な切替電圧の二乗の増加と同時に、切替速度の低下も引き起こす。

これらの制限は、回折レンズ、または正確には位相ゾーンプレートによって克服することができるにすぎない。振幅変調に基づくフレネルゾーンプレートとは反対に、位相ゾーンプレートは、レンズ機能を達成するために、波長の半分の位相シフトを利用する。したがって、この場合には、振幅ゾーンプレートの場合のように半分だけではなく、全体の入射光が利用されるため、光の収率もかなり高められる。さらに、ガボール−ホログラムとしての実施により（ゾーンのバイナリな遷移の代わりに正弦波遷移）、焦点長さの典型的な周期性は所定の焦点長さに低減することができる。

無機材料からなる慣用の剛性の光学素子、例えばガラスからなるレンズまたは結晶質ビームスプリッターは、ますます有機材料に置き換えられている。無機材料は、確かに優れた光学特性および高い安定性という利点を有するが、嵩張ることと、手間のかかる製造技術とを特徴とする。有機材料は、本質的に容易に処理および加工すること、ことに構造化することができる（射出成形、印刷、ナノインプリント、３Ｄ印刷、レーザー構造化）。その他のごく本質的な利点は、多くの有機材料が、光、電圧、温度などのような外部刺激に応答し、それによりその物理特性が恒久的または可逆的に変わることにある。ＬＣＤにおける液晶の電圧に誘導される再配向は、液晶の電気光学的配向効果を基礎とする電気的に切替可能な、および調節可能な光学素子の利用についての最も有名な例である。アクチュエータまたは調整可能な格子中で利用可能なエラストマーの電圧により誘導される厚み変化または長さ変化は、別の例である。それにより、適切に調節可能であるか、または外部条件に能動的に応答する能動的光学系、またはインテリジェントな系が可能となる。

それに対して偏光依存性の問題は、巨視的に透過放射方向で等方性である特別なＬＣ系により除去することができた。これは、例えばＰＤＬＣ系（ポリマー分散型液晶）またはブルー相を有するポリマー安定化液晶（複雑な３Ｄ構造を有する等方性ＬＣ相）に当てはまる。しかしながら、ポリマー壁との高められた相互作用に基づき、高い切替電圧が必要である。それに加えて、相分離により引き起こされる、透過光の高められた散乱が生じ、このことが、結像する光学系のためのこの基本的な解決策の適性を著しく制限する。切替時間を短縮するためのコンセプトについても集中的に研究されているが、この場合、現在では、先行技術において重要な切替高低差によりサブミリ秒範囲に制限されている。

液体中での極性分子の電圧により誘導される配向は、以前から光学カー効果として公知である。しかしながら、例えばニトロベンゼンまたは二硫化炭素のような慣用の液体のカー定数は、レンズ内での用途のためには数桁程度低すぎ、かつ切替電圧は一桁程度高すぎる。

等方性液晶相の場合には、明らかにより高いカー定数が観察される。切替時間は、一桁のミリ秒範囲以下にある。液晶系および慣用のカー液体のこれらの問題のいくつかは、液晶の等方性溶融物および澄明点を越えたその等方相の形の液晶混合物により克服することができる。この場合、澄明点をわずかに越えた等方性溶融物の形の液晶の予備配向効果が利用される。これにより、急速に切り替わり、かつ十分に効率的な無偏光のカー系が生じる。しかしながら全く本質的な欠点は、澄明点をわずかに越えたこの効果の温度依存性が極端に強いことである。要約すると、エレクトロウェッティング原理、液晶性／ＬＣ配向または膜流体に基づく全ての変形形態は、光学的または幾何学的パラメータにおいて著しい制限を有する。

先行技術の上述の認識が示すように、電気光学カー効果の利用下で、ことに光の変調のために、多様に構成された装置が公知である。広い工業用途のためには、高い作動電圧と関連するこの効果の極めて強い温度依存性は欠点となる。

このために、本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436.2 A1）または未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）から、光学的に等方性の液体からの電気制御可能な光学素子、ことにレンズ、および液晶複合材料を基礎とするその製造方法は公知である。詳細には、カー混合物は、活性成分として双極性棒状分子とセミメソゲンとからなる混合物を有する。このカー混合物は、電気光学的カー効果に従って、カー混合物のセミメソゲンと双極性棒状分子とからなる活性複合材料の状態が、電場なしで作動温度範囲で等方性であり、かつ電圧Ｕを電気的に連続的に調節するかまたは一定の電圧を印加することにより、光学素子内で電圧により引き起こされる相高低差または屈折率高低差の変化が生じるように、薄層セル内で基板上に施された構造化されたおよび／または平らな導電層の間に、光重合により製造された目の粗い異方性網目構造を有する薄層を形成する。詳細には、薄層セルは、２つのガラス基板またはポリマー基板を有し、これら基板の内側表面にそれぞれ、導電層として導電性ＩＴＯ電極が設けられていてかつこれらには配向層が設けられている。冷却されたカー混合物中での目の粗い異方性ポリマー網目構造の製造は、混合された光開始剤、脂肪族モノマーおよび反応性メソゲンを用いて、ならびにＵＶ照射を用いて行われ、この場合、電圧Ｕの印加の際に、力線に沿って棒状分子の整列が行われる。これは、意外にも、セミメソゲンの分子骨格のほぼ半分がメソゲンを形成しかつ分子骨格の他のほぼ半分はメソゲンではない場合に、誘電異方性の強度は低下されず、この場合、棒状構造からの逸脱は、複合材料のメソゲン成分との顕著な相互作用を抑制しないという利点を有する。さらに、ホメオトロピック配向を引き起こす配向層は、架橋可能な基または重合可能な基を含む。異方性網目構造は、好ましくは、両方の基板界面に共有結合により固定され、それにより異方性の形の網目構造の長期間安定性は、作動温度範囲内の温度上昇によるカー液体の等方化の場合であっても長期間安定に維持される。これは、意外にも、作動温度範囲未満で、整列層の作用が、ホメオトロピック配向を強化し（つまり分子は基板に対して垂直に整列し）、かつ薄層セル中の網目構造は、両方の基板界面に固定されているという利点を有する。

本出願人の、未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436.2 A1）または未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）による、二枚の基板と、それぞれの基板の内側表面に施された導電層とを備えた、カー混合物で充填されたセルを有する電気制御可能な光学素子の製造方法は、
ａ）カー混合物は、活性成分として双極性棒状分子とセミメソゲンとからなる混合物、反応性メソゲン、光開始剤および脂肪族モノマーを有し、
ｂ）カー混合物を薄層セル中に充填し、
ｃ）カー混合物を、室温ＲＴよりも低い温度Ｔに冷却し、その際に、ホメオトロピック配向を有する液晶相を形成させ、かつ
ｄ）ホメオトロピックに配向した層のＵＶ照射によりラジカルを生成させ、このラジカルが、カー混合物中で脂肪族モノマーと架橋した反応性メソゲンからなる目の粗いルーズな異方性網目構造が生じるように、配向した反応性メソゲンの重合を引き起こす
ことを特徴とする。

本発明の基礎をなす課題は、電気光学カー効果に基づき低い閾電圧および作動電圧、この効果の最小化された温度依存性、および短い応答時間が達成されるように電気制御可能な光学素子を構成または製造することにある。ことに、本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436.2 A1）または未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）による薄層セルの場合に、レンズ効果を実現できるべきである。

この課題は、請求項１の上位概念に記載の電気制御可能な光学素子において、光学的に有効な表面プロフィールが、基板の内側表面上にまたは一方の基板もしくは両方の基板中に組み込まれていることにより解決される。

さらに、この課題は、請求項１２に記載の、二枚の基板と、それぞれの基板の内側表面上に施された導電層とを備えた、出発混合物で充填されたセルを有する電気制御可能な光学素子の製造方法において、
ａ）出発混合物は、活性複合材料としての双極性棒状分子とセミメソゲンとからなる混合物、反応性メソゲン、光開始剤および脂肪族モノマーを有し、
ｂ）出発混合物を薄層セルに充填し、
ｃ）出発混合物を、室温ＲＴよりも低い温度Ｔに冷却し、その際に、ホメオトロピック配向を有する液晶相を形成させ、
ｄ） ホメオトロピックに配向した層のＵＶ照射によりラジカルを生成させ、このラジカルが、出発混合物中で脂肪族モノマーと架橋した反応性メソゲンからなる目の粗いルーズな異方性網目構造が生じるように、配向した反応性メソゲンの重合を引き起こし、かつ
ｅ）光学的に有効な表面プロフィールを、基板の内側表面上にまたは一方の基板もしくは両方の基板中に組み込み、
電圧Ｕなしで作動温度範囲ＲＴでは、大きな双極子モーメントを有する棒状分子とセミメソゲンとからなる複合材料は、再び等方性であり、かつ電圧Ｕの印加の際に複合材料の分子は電気力線の方向に配向することにより解決される。

本発明の場合に、等方性液体中での電気光学カー効果（インターネット事典Wikipedia, https://de.wikipedia.org/wiki/Kerr-Effektも参照）が利用される。したがって、液晶状態は問題とならない。ことに本発明による光学素子の場合、光学カー効果の増強は、予備形成可能な目の粗いルーズな異方性網目構造に基づく自己組織化により引き起こされる。したがって、意外にも、本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436.2 A1）または未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）に記載された薄層セルにおいて特別なセル構成をもたらす本発明による複合材料の使用および本発明による製造技術により、従来のカー効果の欠点を取り除くことができる。活性複合材料の状態は、電界なしで作動温度範囲で等方性である。散乱を引き起こしかねない秩序のある分子のドメインまたはマイクロドメインは存在しない。ことに、さらにカー効果を高めるためおよびこの効果の温度依存性を最小化するために、付加的に、安定化されたメソゲンクラスターまたは剛性の棒状分子または反応性メソゲンの秩序化されたナノ粒子を出発混合物の成分として使用することができる。全体の複合材料は、電圧が印加されない場合には、液状の等方性の状態のままである。

これに基づく光学薄層素子は、電気的に連続的に調節可能であるか、もしくは定義された状態の間で切替可能な位相変調器、レンズ、および視力補助具である。この光学薄層素子は、光学的に等方性である、つまり無偏光で、かつ非散乱性であることを特徴とする。この光学薄層素子は、電気光学的な活性複合材料により実現され、この活性複合材料は透過方向で無偏光で使用することができ、かつ高い電気的に誘導可能な位相高低差および／または屈折率高低差により特徴付けられる。ことに、視力補助具としての用途の場合について、電圧Ｕの作動電圧範囲は、５Ｖ〜４０Ｖ、好ましくは５Ｖ〜２５Ｖにある。

本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436.2 A1）または未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）に記載された方法によって、新規種類の電気的に活性の液体を有する薄層セルを基礎とする無偏光の電気的に切替可能な光学素子が製造され、この液体の配向は、異方性ポリマー網目構造内での極性の棒状分子の相互作用により強化される。分子設計、および自己組織化によるカー効果の強化により、短い切替時間で、かつわずかな電圧で、明らかに高い屈折率変調または位相高低差が達成される。ことに視力補助具用の、電気的に切替可能な、または調節可能なレンズの例は、次のものである：
ａ）視力補助具用の電気的に高速切替可能な個別光学素子
ｂ）調整可能な、個々に調節可能な視力補助具
ｃ）テレスコープメガネ用の切替可能な拡大系。

本発明の発展形態の場合に、請求項２によると、電極は、表面プロフィールの下に施されているか、この中に組み込まれているか、またはこの上に配置されている。

さらに、薄層セルは、二枚のガラス基板またはポリマー基板を有し、これらの基板の内側表面にそれぞれ、導電層としての導電性ＩＴＯ電極が設けられ、かつそれに配向層が設けられていて、かつ冷却されたカー液体（出発混合物）中で混合された光開始剤、脂肪族モノマーおよび反応性メソゲンを用いた目の粗い異方性ポリマー網目構造の予備成形、ならびにＵＶ照射が行われ、その際、電圧Ｕの印加で、棒状分子の力線に沿った整列が行われる。

これは、意外にも、セミメソゲンの分子骨格のほぼ半分がメソゲン分子フラグメントからなり、かつ分子骨格の他のほぼ半分は非メソゲンである場合に、誘電異方性の強度が低下されず、この場合、棒状構造からの逸脱は、複合材料のメソゲン成分との顕著な相互作用を抑制しないという利点を有する。

さらに、ホメオトロピック配向を引き起こす配向層は、架橋可能な基もしくは重合可能な基を含み、かつ異方性網目構造は、有利に、両方の基板界面に共有結合により固定され、それにより異方性の形の網目構造の長期間安定性は、作動温度範囲内での温度上昇によるカー液体／出発混合物の等方化の場合であっても長期間安定に維持される。

これは、意外にも、作動温度範囲未満で、整列層の作用は、ホメオトロピック配向を強化し（つまり分子は基板に対して垂直に整列し）、かつ薄層セル中の網目構造は、両方の基板界面に固定され、かつ薄層セル中の網目構造は、両方の基板界面と、低温で、つまりＬＣ層が存在する温度で固定されているという利点を有する。作動温度範囲で、複合材料は等方性であり、かつ整列層は、電場により生じる配向を支援する。

他の利点および詳細は、図面を参照しながらの、本発明の好ましい実施形態の次の説明から推知することができる。

本発明による電気制御可能な光学素子において電極の光学的に有効な表面プロフィールおよび構造化についての多様な実施形態を示す。 本発明による電気制御可能な光学素子において電極の光学的に有効な表面プロフィールおよび構造化についての多様な実施形態を示す。 本発明による電気制御可能な光学素子において電極の光学的に有効な表面プロフィールおよび構造化についての多様な実施形態を示す。 本発明による電気制御可能な光学素子において電極の光学的に有効な表面プロフィールおよび構造化についての多様な実施形態を示す。 電気制御可能な光学素子の好ましい実施形態であり、左側は初期状態であり、右側は異方性網目構造の光化学的製造の後を示す。 ほぼ室温ＲＴでの図２による光学素子であり、左側が電圧Ｕの印加なし、右側が電圧Ｕの印加後を示す。 等方性カー複合材料の組成を示す。 セミメソゲンの好ましい実施形態の構成を示す。 異方性網目構造と基板との結合についての実施形態を示す。 異方性網目構造と基板との結合についての実施形態を示す。 本発明による、マシンビジョン領域についての実施例を示す。

図２および図３は、ことに、本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436.2 A1）または未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）に記載された薄層セルによる異方性網目構造９中での棒状分子５とセミメソゲン４との混合物を基礎とする出発混合物（以後カー液体Ｋという）の等方性複合材料の本発明によるカー効果の明確化のための、電気制御可能な光学素子の好ましい実施形態を示す。カーセルは、光線は電極間空間を電極に対して平行に通過し、この電極は典型的には金属からなり、かつ１ｃｍの間隔を有するカーセルとは異なるように構成されていることが強調される。本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436.2 A1）または未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）に記載された薄層セルの場合、光は電極間空間を電極（２ａ，２ｂ）に対して垂直に通過し、これらの電極は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ、Indium Tin Oxide）のような透明な導電材料からなり、かつ数μｍの間隔を有する。さらに、以後「等方性混合物」とは、液晶とセミメソゲンとからなる、作動温度範囲で等方性である混合物であると解釈される。網目構造９を（成分４〜８の関与の下で）生成する前の混合物は、等方性混合物、反応性メソゲン、脂肪族モノマーおよび光開始剤からなる。出発混合物は、ｉｎ−ｓｉｔｕのＵＶ照射による異方性網目構造の構築により、図２から４に示されているような本発明による複合材料に変換される。

本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436.2 A1）または未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）に利用された概念「前駆体混合物」は、出発混合物に置き換えることもできる。これは、棒状分子５とセミメソゲン４ならびに反応性メソゲン、光開始剤および脂肪族モノマーの混合物である。この出発混合物のＵＶ照射により、反応性メソゲン８と脂肪族モノマー７との光重合を用いて、異方性ポリマー網目構造９の形成が行われる。

さらに、本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436.2 A1）または未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）において、「予備形成」の概念とは、ホメオトロピック秩序状態での二官能性活性メソゲンからの目の粗い異方性ポリマー網目構造９の製造であると解釈される。網目構造９のメソゲン単位の、基板１ａ，１ｂに対して垂直方向のホメオトロピック整列は、室温の場合であっても（複合材料／カー液体Ｋの等方性の状態）または印加された電圧Ｕのスイッチオフの場合であっても維持される。異方性網目構造９は、電圧Ｕの印加により引き起こされる、棒状分子５とセミメソゲン４とからなる複合材料の活性成分の配向を支援する。これは、鎖セグメントのその分子構造および網目構造９の異方性３Ｄ構造により、両方の基板１ａ，１ｂの間の複合材料被膜（カー液体Ｋ）中で生じる。

さらに、本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436.2 A1）または未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）において、「メソゲン」の概念とは、単一物質、混合物またはポリマーの成分として液晶相を形成する形状異方性の分子単位であると解釈される。このメソゲンは、結晶状態と等方性融液との間の中間相（液晶相）を形成する、つまり、サーモトロピック液晶は、溶融により結晶から直接等方性液体に移行するのではなく、形状異方性の分子構造により、温度に依存して、配向秩序および位置秩序（サーモトロピック中間相）の段階的な崩壊が生じる。メソゲンの概念は、液晶（液晶分子）と同義でも用いられる。

液晶混合物の熱的特性および電気光学的特性、同様に秩序および澄明点は、多様な液晶の混合により極めて正確に調整することができる。必要とされる解決策にとって、等方性融液の形成のために、秩序を傷害する物質が必要である、つまり変更された中間分子相互作用は、いわゆる澄明点低下（澄明点、つまり液晶相から等方相への移行する温度の低下）を引き起こす。

本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436.2 A1）または未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）において、利用された概念の「光反応性セミメソゲン」または「光重合可能なセミメソゲン」は、本願の反応性メソゲン８である。

高い誘電異方性と高いカー定数とを有する双極性棒状分子５は、多数の棒状のサーモトロピック液晶にとってそれ自体典型的な特性である。分子長軸中に複数の芳香環を有する分子は、原則として、結晶としてまたは液晶として存在する。この構造は、結晶相および／または液晶相の形成を誘発する。本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６．２号（DE 10 2015 015 436 A1）および本出願人の未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）による主題にとって、双極性の棒状の高い誘電異方性と高いカー定数との特性の組合せが重要である。これは液晶であってもよいが、これは必要条件ではない。しかしながら、双極性棒状分子の液晶性は、物質の大きなプールとその特性の知識とを備えた良好な実行可能な出発位置であることが判明した。この種の分子は、カー定数に極めて高い寄与をもたらす。

本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６号（DE 10 2015 015 436 A1）または本出願人の未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）の主題において利用されたセミメソゲン４は、高い誘電異方性で高いカー定数を有するが、低い秩序傾向を示す、双極性であるが、非棒状分子であるので、これは融点より高い温度では少なくとも等方性液体として存在する。この種の分子は、今まで液晶の研究において、例えば液晶ディスプレーおよび他の電気光学素子における用途のために開発および研究されたものとは正反対である。

本発明によると、この種の双極性非棒状分子４は、双極性棒状分子５と類似の基本構造で開発された（原則：分子は類似の分子中で最も良好に溶解する）。低い秩序傾向は、嵩張った末端置換基および／または側方の置換基、棒状分子形状からの逸脱、キンク、低い長さ／幅比によってことに達成される。本発明によると、低い秩序傾向は、成分５との混合物中で澄明点の低下（澄明点低下）を引き起こすので、作動温度範囲ＲＴで液晶特性は生じず、混合物は等方性液体として存在する。

混合物の澄明点、つまり双極性棒状分子５の液晶性液体／等方性液体の相転移は、セミメソゲン４の添加により低下するため、作動温度範囲で等方性液体が存在する。このため、低下された秩序傾向または隠された液晶特性（出発混合物の液晶性は、場合により明らかにより低い温度で初めて生じる）を有する双極性非棒状分子４が開発され、これをセミメソゲン４という。この定義された概念は、本発明により請求された混合物中に多様な機能を導入する新たな種類の機能性材料を表す。セミメソゲン４の概念は新規であり、かつ適切に開発された機能性分子の特性の本発明による組合せを特徴付け、つまり本発明の本質的な状況を一語でまとめている。

さらに、セミメソゲン４は、エタノール、クロロホルムまたはベンゼンのような単純な溶媒ではなく、本発明による多機能分子４は、同様に印加された電場により配向し、配向および双極特性により混合物の光学的カー効果に寄与する。それに対して、上述のような慣用の溶媒は、セミメソゲン４とは反対に、カー効果を明らかに低下させる。

セミメソゲン４の構造は、異方性網目構造９の構築についても重要である。そのためこの分子構造は次のように構成されている：
ａ）出発混合物は、作動温度範囲（Ｔ＜ＲＴ）より低い温度で、ホメオトロピック配向液晶相を形成する、
ｂ）低温で液晶相が生じない場合に、異方性網目構造が、印加された配向電圧で、十分に棒状の分子５およびセミメソゲン４によって構築される。

混合物中のセミメソゲン４の濃度は、混合物の可能な限り高いカー定数を達成するために、高い誘電異方性と高いカー定数とを有する棒状分子（成分５）と比較して低いことが好ましい。セミメソゲン４の濃度は、１〜２０質量％の範囲内、有利に３〜５質量％の範囲内にある。

出発混合物／カー液体Ｋの本発明による複合材料は、大きな双極子モーメントを有する棒状分子５と、例えば液晶相のような秩序づけられた状態の形成を妨げる非棒状双極性セミメソゲン４と、光架橋可能な単官能性、二官能性、三官能性分子、ことに反応性メソゲン８と、光開始剤６との適切な組合せにより特徴付けられる。光開始剤とは、（ＵＶ）光の吸収により光分解反応で分解し、こうして反応性種を形成し、この反応性種が本発明によるカー液体中で反応を、ことに重合反応を開始（誘発）させる化合物である。反応性種とは、ラジカルまたはカチオンである。この場合、非共有結合型の相互作用および固定されたメソゲンクラスターを有する分子のような他の成分は、望ましい特性を明らかに改善する。

セミメソゲン４と言われる非棒状分子は、本発明によると、分子骨格の一方の部分は、好ましくはほぼ半分が棒状であり、かつそれにより他の棒状分子（例えば成分５）と相互作用することができ、分子の他方の部分は、非棒状であり、したがって液晶相の形成を困難にするかまたは妨げることにより特徴付けられる。さらに、本発明によるセミメソゲン４は、双極性分子であり、それにより、これは電場により整列させることができる。誘電異方性の程度は、棒状の液晶の程度と同等である。全ての成分の機能的関係は再度示される。本特許出願の出発点は、本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６号明細書（DE 10 2015 015 436 A1）および本出願人の未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1 (2)）に記載された等方性液体の形で高いカー定数を有する分子を基礎とする電気的に調節可能なおよび電気的に切替可能な光学薄層素子である。

そこに記載された出発混合物は、簡潔にまとめると、次のことからなる：
ａ）分子長軸中に複数の芳香環を有する原則として棒状の液晶であり、大きな双極子モーメントを有する棒状双極性分子、成分５（これはカー定数に高い寄与をもたらし、この構造は結晶相および液晶相の形成を引き起こす）および
ｂ）室温で有利に等方性液体である、非棒状双極性分子であるセミメソゲン（成分４）（これは成分５との混合の際に、作動温度範囲で液晶相の形成にとって立体障害として作用するために、出発混合物の液晶相の形成を妨げる）。双極性セミメソゲン４は、液晶秩序状態の形成を妨げるだけでなく、印加された電場により同様に配向しかつそれにより複合材料の光学カー効果に寄与する。

等方性の複合材料／カー液体Ｋの拡散および回転拡散は、もはや中間相によって制限されなくなり、等方性液体の高いダイナミズムを有し、かつ同時に、電圧下で高い異方性を引き起こし、液晶中でのみ観察されるような秩序状態を生じる。

他方で、セミメソゲン４の分子形状、その分子相互作用、およびその濃度は、作動温度範囲より低い温度（Ｔ＜ＲＴ）で出発混合物（カー液体Ｋ）のホメオトロピック配向の形成を許容するように構成されている。

出発混合物の他の成分は、例えばアクリラート基、メタクリラート基またはエポキシ基のような重合可能な基を有する、異方性網目構造９を形成するための反応性メソゲン８（これは反応性液晶／メソゲンである）、脂肪族モノマーおよび光重合により網目構造形成を生成するための光開始剤である。

セミメソゲン４は、高い誘電異方性、高いカー定数を有するが、低い秩序状態を示し、双極性であるが、非棒状分子であるので、これは等方性液体として存在する。この種の分子は、今まで液晶の研究において、例えば液晶ディスプレーおよび他の電気光学的液晶に基づく素子における用途のために開発および研究されたものとは正反対である。

非棒状セミメソゲン４は、室温ＲＴまたは作動温度範囲で液晶相の形成を抑制する。その機能は、棒状分子５の液晶相の澄明点低下を引き起こすことにある。このように平衡がとれた澄明点低下は、例えば嵩高い末端基により、側方の置換基により、小さな長さ／幅比により、棒状構造からの逸脱などにより達成することができる。

他方で、セミメソゲン４の分子形状、その分子相互作用、およびその濃度は、作動温度範囲より低い温度（Ｔ＜ＲＴ）で混合物のホメオトロピック配向の形成を許容するように構成されている。分子骨格の一方の半分は、つまりメソゲンであり、かつ複合材料のメソゲンとの顕著な相互作用により特徴付けられ、かつ他方の半分は非メソゲンであり、この場合、棒状構造からの逸脱は誘電異方性の強さを低下させない。同様に、これらの分子は、可能な限り高い双極子モーメントによっても特徴付けられ、それにより複合材料のカー効果の強さに寄与する。

ホメオトロピックに配向した層の（好ましくはＵＶパワーダイオードを用いた）ＵＶ照射によりラジカルが生成し、このラジカルが配向した反応性メソゲン８の重合を引き起こす。結果として、目の粗いルーズな異方性網目構造９が生じる。室温または作動温度範囲ＲＴで、大きな双極子モーメントを有する棒状分子と非棒状双極性セミメソゲンとからなる複合材料は再び等方性となる。電圧Ｕを印加する場合、複合材料の分子４および５は、電気力線の方向に配向する（ホメオトロピック、つまり基板面に対して垂直）（図３右）。

一実施態様の場合に、ホメオトロピックな配向を引き起こす整列層／配向層３は、架橋可能な基または重合可能な基を含む。この場合、異方性網目構造９は、有利に両方の基板界面と共有結合により固定され、それにより、この網目構造は、作動範囲への温度上昇による複合材料４、５の等方化の場合であっても、特別にその異方性の形態は長期間安定に維持される。本発明の範囲内で、光架橋可能な基または光重合可能な基を利用することもできる。

ポリマーを基礎とする異方性マトリックスまたは異方性網目構造９は、電気的に生じる切替状態を促進するために利用され、かつ切替電圧を低下させる。この異方性マトリックスは、成分４〜８の関与の下で、出発混合物中で特別な方法により作成される。補助的な網目構造９の作製により、ポリマーにより安定化されたブルー相、ポリマーにより安定化された等方相、および等方性ポリマー分散相の場合に当てはまるような、巨視的に知覚可能な相分離は引き起こされることがない。

配向機能を有する目の粗い異方性ポリマー網目構造９（バルク整列、配向層３）は、比較的わずかな温度依存性、わずかな切替電圧、および自己組織化による光学カー効果の強化を生じさせる。

極端な場合に、十分に高い電圧Ｕの印加、および正確に調整された複合材料の組成による適切な分子間相互作用の設定の場合には、これらによるだけで液晶相が形成される。

カー液体Ｋ中での秩序の固定による安定化によってよりわずかな温度依存性を得るために、等方性複合材料のカー効果は目の粗い異方性ポリマー網目構造９内での大きな双極子モーメントを有する形状異方性分子のナノスケールのクラスターおよびナノ粒子によって達成することができる。このため、共有結合によるか、または分子間相互作用により秩序のある配列で固定される形状異方性分子４のナノスケールのクラスターおよびナノ粒子が、出発混合物の成分として使用される。この種のナノスケールの異方性クラスターおよびナノ粒子は、異方性網目構造９内での棒状分子５および非棒状セミメソゲン４の混合物を基礎とする等方性複合材料のカー効果の上述のアプローチを拡張する。この相違は、大きな双極子モーメントを有する棒状分子５が、ナノスケールのクラスターまたはナノ粒子の形状で秩序のある配列で固定されて存在していることにある（ネマチック相の澄明点の直上での群の予備秩序効果と類似）。この種のクラスターおよびナノ粒子は、ナノスケールで小さい（１ｎｍ〜２００ｎｍ、好ましくは５〜２０ｎｍ）。ナノスケールの大きさに基づき、これらは複合材料の散乱を生じない。反応性基を有する棒状分子（反応性メソゲン）８は、光重合により、形成された液滴、ナノ粒子、または澄明点の直上でのネマチック予備秩序群の形で固定することができる。共有結合による固定の代わりに、これは非共有結合型の分子間相互作用（水素結合、イオン相互作用またはππ相互作用）によっても行うことができ、これにより同様に安定化された秩序のあるナノスケールの分子配置が生じる。この種の分子クラスターまたは球状もしくは非球状のナノ粒子は、（成分４〜８からなる）出発混合物中に分散される。結果として得られた複合材料は、等方性の非散乱性の液体である。

形状異方性分子に基づく、秩序づけて固定されたクラスターおよびナノ粒子は、一方でその高い安定した配向秩序によりカー効果の向上を引き起こし、かつことに溶液中で、または澄明点を超えた液晶材料（ＬＣ材料）中でのカー効果の顕著な温度依存性を最小化する。

分子間複合体形成の多様な温度依存性、およびカー液体Ｋ中での予備秩序効果の利用によりわずかな温度依存性を得るために、大きな双極子モーメントを有する生じる形状異方性分子５の複合体形成に基づく等方性複合材料のカー効果は、目の粗い異方性ポリマー網目構造９内での分子間相互作用により達成することができる。このため、大きな双極子モーメントを有する棒状分子５は、例えば水素結合、イオン性相互作用またはππ相互作用（例えばピリジン／酸、酸／酸など）のような分子間相互作用によって初めて形成される。分子間相互作用および予備配向効果の多様な温度依存性が、この効果の安定化のために利用される。棒状分子５の秩序傾向は、棒状分子５と非棒状セミメソゲン４との混合物に基づく等方性複合材料のカー効果の上述のアプローチに応じて、非共有結合型の分子間相互作用によって高められる。したがって、自己組織化によって、電圧により誘導される秩序効果または増強効果が引き起こされ、この効果が高すぎるカー定数を生じさせる。

分子間複合体形成の多様な温度依存性、およびカー液体Ｋ中での予備秩序効果の利用によりわずかな温度依存性を得るために、等方性複合材料のカー効果の熱的安定化は、分子間相互作用により形成されるセミメソゲン４により達成することができる。この場合、非棒状セミメソゲン４は、例えば水素結合またはイオン相互作用またはππ相互作用のような分子間相互作用によって初めて形成される。セミメソゲン４の形成により、室温ＲＴまたは作動温度範囲で等方相が生成される。温度上昇は、非共有結合型の相互作用の弱体化を引き起こし、かつ複合体は（部分的に）分解される。このようにして、これらの濃度は低下し、かつこうして秩序傾向の制御が可能である。複合体の熱的に誘導された分解、つまり例えば水素結合の低減された形成は、複合体形成により引き起こされる電荷の消し去りを引き上げ、かつフラグメントはより高い双極子モーメントを得る。このようにして、複合材料は、温度の上昇と共に、より高い誘電異方性を得て、かつカー効果は促進される。

本発明による活性複合材料を利用し、かつそれらを構造化された、または／および平坦な電極２の間で薄層の形で適用しながら、多彩な用途を実現することができる：
・ 屈折光学素子および回折光学素子、
・ 電気的に連続して調節可能な、または２つの状態の間で切替可能なレンズ、
・ 電気的に連続して調節可能で、かつ局所的に変更可能なレンズ（補正レンズ、非球面レンズ）、
・ 局所的に、かつ効果について連続的に調節可能な視力補正具または２つの状態の間で切替可能な視力補助具（切替可能な近方視部分）、
・ 電気制御可能な回折格子、
・ 偏光に依存しない位相変調器。

次に、本発明による電気制御可能な光学素子の構造を、図２および図３を参照しながら詳細に説明する。

セル基板１：
セル基板は、ガラスまたはプラスチックからなることができる。基板は、平坦であるか、もしくは凹状であるか、もしくは凸状であることができ、またはマイクロレンズを有していてもよい。基板１は、数μｍの均一な間隔でスペーサー（ガラス繊維片もしくはプラスチック繊維片または小球またはリソグラフィーにより作製されたポリマー構造）により保持される。光学接着剤によって、両方の基板１は端面で互いに固定される。

電極２：
ガラス基板またはプラスチック基板１に、透明電極２が設けられる。これらの透明電極は、好ましくはＩＴＯ、金属、もしくは導電性ポリマーからなる電極であり、これらの電極はスパッタリング、蒸着、印刷などにより基板１上に塗布される。電極２は、大面積であるか、または構造化されていてよく、この場合、構造化は、電極を塗布する際にマスクを用いた印刷により、または後からの（リソグラフィー）エッチングにより行うことができる。あるいは、本発明の範囲内で、大面積の電極は構造化することができる。

配向層／整列層３：
ＩＴＯ電極２上に整列層３の薄層（２０ｎｍ〜１μｍ）を塗布し、この整列層は低温でもしくは作動温度範囲未満（Ｔ＜ＲＴ）で複合材料のホメオトロピック配向を引き起こす。このために、本発明の範囲内で、ポリイミド、ポリビニルアルコール、感光性ポリマー、レシチンなどのようなポリマーが使用される。

任意に、整列層３は、反応性メソゲンまたはそれから形成される網目構造９の共有結合を可能にする（光）架橋可能な基を含む。

等方性混合物４および５：
等方性混合物は、作動温度範囲内で等方性である。異方性状態は、配向層を用いた界面配向により作動温度範囲より低い温度で達成される。この異方性中間状態は、反応性メソゲン８の光重合による異方性網目構造９の製造のために必要なだけである。次いで、作動温度範囲で、再び、棒状分子５および非棒状セミメソゲン４の等方性状態が調整される。

本発明による電気制御可能な光学素子の製造の間および作動の際の状態は、次のとおりである：
１． 室温ＲＴで、基板１の間の出発混合物（成分４〜８）の等方性の初期状態。
２． 光重合前の作動温度範囲より低い温度でのホメオトロピック状態（図２左参照）。
３． 作動温度範囲より下での光重合により作製される異方性網目構造のホメオトロピック状態（図２右参照）。
４． 電圧Ｕなしで、作動温度範囲での異方性網目構造を有する等方性状態（図３左参照）。
５． 電圧Ｕの印加による複合材料の配向。この配向は、異方性網目構造９により促進される（図３右）。
新規の高Δｎ材料を有する混合物の組合せ、秩序を設定もしくは解消し、かつカー効果に寄与する成分、および異方性ポリマー網目構造９のin-situでの生成により、本発明による複合材料は、典型的な液体中でのカー効果の利用と比べて、偏光に依存しない光学特性の電圧により誘導される変調の明らかな向上を有する。この場合、この複合材料は異なる機能成分から構成されている。

これは、一方で、大きな双極子モーメントを有する棒状分子５であり、作動温度範囲でのその秩序傾向は、室温で等方性の液体であり、かつ場合により低温でのみ液晶相、つまり制限されたメソゲン性を有する非棒状の双極性セミメソゲン（セミメソゲン４）により低減される。この場合、セミメソゲン４は、重要な役割を果たす、というのもこのセミメソゲンは、いわば棒状の高Δｎ化合物に対する障害として機能し、かつ作動温度範囲でのその秩序傾向を部分的に低下させ、かつＬＣ相のような秩序のある状態の形成を妨げるためである。しかしながら、このセミメソゲンは、同様に高い誘電異方性を有するため、このセミメソゲンは協力的にカー効果に寄与する。

他の本質的な成分は、光開始剤６と組み合わされた、光架橋可能な反応性メソゲン８である。作動温度範囲未満では、出発混合物はネマチックＬＣ相で存在し、この出発混合物は界面効果および／または電圧によりホメオトロピックに配向することができる。この状態でのＵＶ照射は、反応性メソゲン８の光重合により、目の粗いルーズで異方性の、かつ配向に作用する網目構造９の形成を引き起こす。しかしながら、生じる複合材料は、室温または作動温度範囲で等方性で、非散乱性で、かつ光学的に透明である。しかしながら、十分に高い電圧が印加される場合、等方性液体の極性の棒状分子５は、基板に対して垂直の力線の方向に配向し、それにより屈折率が変えられる。この場合、異方性網目構造９は、予備秩序効果により複合材料の棒状極性分子５の整列を促進し、かつそれにより光学カー効果を高める。その結果、先行技術と比較して、低い切替電圧で本質的に強い屈折率変調が達成される。さらに、このプロセスの温度依存性はかなり低減され、それにより工業的利用が可能となる。電圧により誘導された、必要な屈折率高低差または位相高低差は、本発明による複合材料中での電気光学カー効果に基づいて生じる。本発明による複合材料中での電圧により誘導された屈折率高低差は、極めて短い切替時間を特徴とする。

上述の構成の場合に、全ての切替状態は、透過放射方向に対して対称であり、したがって偏光に依存しない。全体として、本発明の複合材料は、レンズ機能を有する薄層素子の製造のための電気光学的な基本効果の利用を可能にする、というのも屈折率変調の値は明らかに高められ、切替時間は短縮され、かつ必要な切替電圧は低減されるためである。この場合、本発明による範囲内で、基本素子としてアドレス指定された回折レンズの新規の複合材料マスターを製造することができる。あるいは、能動フレネルゾーンプレートまたは位相ゾーンプレートの作製は、環状の非周期的電極構造およびその接続部の製造を必要とする。環状電極は、ＩＴＯで製造することができる。両方の方法は、切替可能なレンズ、基板または活性材料中のフレネル構造の実現のために適しており、この場合、本発明による切替可能な回折薄膜型レンズは、多様な光学用途のために設計され、かつ適合させることができる。

上記で説明したように、エレクトロウェッティング原理に基づく切替可能なレンズ、およびエラストマー膜の切替可能なレンズは、その重量、嵩張る供給部品、および制限された開口に基づき、視力補正具およびテレスコープメガネにとって余り適していない。ハイブリッド光学系の製造のためにも、このアプローチは限定的に利用可能であるにすぎない。

液晶を基礎とする切替可能なレンズは、これらの欠点を示さない。しかしながら、配向した液晶の偏光依存性は、このアプローチを著しく制限する。この欠点を克服するために、例えば偏光子または反対方向のＬＣ配向を有する複数の液晶素子（ＬＣ素子）（A.Y.G.; Ko, S.W.; Huang, S.H.; Chen, Y.Y.; Lin, T.H., Opt. Express 2011, 19, 2294-2300参照）または反対方向に配向する層（ことに、Ren, H.; Lin, Y.H.; Fan, Y.H.; Wu, S.T. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 141110; Lin, Y.H.; Ren, H.; Wu, Y.H.; Zhao, Y.; Fang, J.; Ge, Z.; Wu, S.T. Opt. Express 2005, 13, 8746-8752; Wang, B.; Ye, M.; Sato, S., Opt. Commun. 2005, 250, 266-273参照）のような付加的な光学部品を使用しなければならない。しかしながら、これにより、光の効率は低減され、このシステム構造は明らかに煩雑になり、かつ製造において付加的な故障原因が生じる。

ＰＤＬＣを基礎とする等方性液晶素子は、オフ初期状態で液滴の異なる配向に基づき、著しい散乱を示す。両方の状態で光学的にほぼ透明であるナノ−ＰＤＬＣ系は、同様に残留散乱を有する。さらに、必要な切替電圧は比較的高く、かつ切替時間はナノメートルのサイズの液滴と、それを取り囲むポリマーマトリックスとの相互作用により、他の液晶素子（ＬＣ素子）よりも明らかに長い。

液晶素子の場合に、誘電性再配向のプロセスは（特に無電界状態で）一般に比較的緩慢であるので、ここ数年では、ＬＣＤおよび他のＬＣ素子についてより短い切替時間を達成するために多くのアプローチが追求された。その例は次のものである：ＮＬＣの粘弾性パラメータの最適化、系の過変調（D.-K. YangおよびS.-T. Wu, Fundamentals of Liquid Crystal Devices (John Wiley, New York, 2006)参照）、サブ−μｍポリマー網目構造テンプレート内でのＮＬＣの「新たな整列」（J. XiangおよびO. D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 103, 051112 (2013)参照）、または「二周波」−ＬＣ（ＤＦＬＣ）によるもの（B. Golovin, S. V. Shiyanovskii,およびO. D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 83, 3864 (2003)参照）、表面安定化された強誘電性ＬＣ（ＳＳＦＬＣ）またはキラルスメチックＬＣ（G. Polushin, V. B. Rogozhin,およびE. I. Ryumtsev Doklady Physical Chemistry, 2015, Vol. 465, Part 2, pp. 298-300参照）。

極性分子の整列（例えばBing-Xiang Li, Volodymyr Borshch, Sergij V. Shiyanovskii, Shao-Bin Liu; Oleg D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 104, 201105 (2014)参照）に基づき、かつ配向された液晶のＬＣ配向ベクトルの誘電性再配向（フレデリックス効果）を必要としないカー効果は、ナノ秒範囲での切替時間を有する（１〜３３ｎｓ）。しかしながら、慣用のカー液体中で必要な切替電圧は、数百ボルト（３００〜９００Ｖ、Ｅ＝約１０⁸Ｖ／ｍ）であり、この場合、０．００１〜０．０１の電気的に誘導される複屈折の値が達成される。このアプローチは、複雑な制御回路により、ヒステリシス挙動、および不安定な切替状態により制限される（Su Xu, Yan Li, Yifan Liu, Jie Sun, Hongwen Ren, Shin-Tson Wu, Micromachines 2014, 5, 300-324）。

一つの代替策は、複雑な３Ｄ構造を有するブルー液晶相であるが、無電界状態では光学的に等方性である。この相は短い切替時間により特徴付けられるが、この相の熱的存在領域は極めて小さいことにより、レンズ用途にとっては適していない。ポリマー強化されたブルー相（ＰＳＢＰ、Su Xu, Yan Li, Yifan Liu, Jie Sun, Hongwen Ren, Shin-Tson Wu, Micromachines 2014, 5, 300-324参照）は、用途に関連する存在領域で、高い屈折率変調を示すが、ＯＦＦ状態で比較的高い切替電圧および明らかな散乱効果（Y. HasebaおよびH. Kikuchi,Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2007, 470,1; Young-Cheol YangおよびDeng-Ke Yang Applied Physics Letters 98, 023502, 2011参照）を有する。

電界中での極性分子の配向は、以前から光学カー効果として公知である。しかしながら、例えばニトロベンゼンまたは二硫化炭素のような慣用の液体のカー定数は、レンズ用途のためには数桁程度低すぎ、かつ重要な層厚にとっての切替電圧は一桁程度高すぎる。ネマチック液晶の等方性溶融物は、ミリ秒範囲およびサブｍｓ範囲での切替時間と共に、明らかに高いカー定数を有している（F. Costache, M. Blasl Optik & Photonik Volume 6, Issue 4, pages 29-31, December 2011参照）。これにより、急速に切り替わり、かつ効率的な無偏光のカー系が生じる。この効果は、明らかに２つの要因を有し、一方では、長く延びたπ系を有する棒状の極性の液晶は高いカー定数を引き起こし、他方では、この要因は澄明点超での分子群のネマチック予備配向効果において見られる。このことから生じる、この効果の極端に強い温度依存性は、このアプローチの本質的な欠点である。

記載されたこれらの欠点は、本発明による等方性複合材料により克服される。メソゲンおよびセミメソゲンの等方性混合物と異方性網目構造９との組合せにより、高速の切替時間と、中程度の切替電圧で、屈折率変調の高い値が達成される。この新規種類の材料コンセプトは、光学カー効果を基礎とする電気的に切替可能な、または調節可能な光学レンズおよび他の光学素子の製造のために利用することができる。

このために、極めて高い屈折率異方性を有する双極性棒状分子、ことに液晶化合物が選択され、かつこれに合わせて等方性セミメソゲンが開発され、かつ前者と混合されるので、こうして得られる両方の成分の混合物は、依然として潜在的に液晶特性を有する。ことにこれらの化合物は、電圧の印加なしで作動温度範囲で等方性液体として存在する。本発明によるセミメソゲン４は、構造、その特性の組合せおよび機能において、新たな種類の機能材料である。このために必要な特性の適切な分子設計による調節および効率的な合成を次に詳細に説明する。

本発明による複合材料は、光学特性および動的特性、ならびに次の：
−棒状分子、好ましくは高い屈折率異方性を有する液晶、
− 秩序の調節のためのセミメソゲン４、ならびに
− 異方性網目構造９の形成のための（光）重合可能な反応性メソゲン８
からなるこの混合物（図４参照）の主成分の分子間相互作用の正確な調整を必要とする。

本発明の場合に、カー混合物は、大きな屈折率異方性を有する棒状分子５、好ましくは液晶化合物を含む。この高い秩序傾向ならびにその高い融点および澄明点は、セミメソゲン４との混合により、この混合物が作動温度範囲（ことに室温ＲＴ）で等方性液体として存在するように低下する。手間のかかる一連の試験で、これらの特性の組合せの調節のために多様な分子的なアプローチを、例えば適切な長さ／幅比の調節により、剛性の芳香族環系の長さ、末端基の長さおよび分枝の変更により、および頭部基の極性の変更により、つまり一般に液晶相を抑制する適切な分子間相互作用の調節により調査した。極性のセミメソゲン４は、このセミメソゲンが電界中では同様に配向することができるが、混合物中でのメソゲン５の液晶特性を抑制するようにデザインされた。これらのセミメソゲンは、等方性で液状であり、かつ潜在的液晶特性を有しているにすぎない。

同様に必要とされる、カー混合物の光学特性および電気光学特性を考慮して、セミメソゲン４を任意の溶媒に置き換えることはできない。液晶の配向秩序は、本発明の場合には定義されて構築され、かつ調節されている。したがって、最終的な混合物は作動範囲で光学的に等方性の液体として存在するが、ネマチック予備配向傾向を有するべきである。しかしながら、この混合物は低温で液晶性であり、かつ整列層または電界の印加によりホメオトロピックに整列することができるべきである。この定義された配向秩序は、低温での光重合による異方性網目構造の構築のために必要である。

本発明の場合にはセミメソゲン４は、その分子設計により光学カー効果にも寄与するように他の機能を満たさなければならない。したがって、このセミメソゲンは同様に高い誘電異方性を有し、高い屈折率異方性に寄与し、かつ電界内での混合物の協力的な配向を促進するべきである。これらの多様な特性のこの組合せは、次の構造的特徴により可能となる：
（１） 液晶秩序の解消は、アルキル末端基の二次的または三次的分枝および／または側方の置換基により達成することができる。
（２） 高い誘電異方性、高いカー定数、または高い屈折率異方性は、極性の頭部基のバリエーションにより、および剛性の分子部分内の複素環の導入により達成される。

セミメソゲン４の基本的構造様式は図５から導き出すことができる。

等方性セミメソゲン４の記載された機能性は、適切に置換されたビフェニルに基づき達成することができる。ことに分枝した末端基は、分子の幅を露骨に拡大し、転移温度の顕著な低下を引き起こす。変更された長さ／幅比により、ネマチック相の形成は妨げられるか、またはこのような相の存在領域を著しく減少することができる。このことは、例えば脂肪族末端基の分枝としてメチル基およびエチル基を組み込むことにより達成され、この場合、末端基での分枝の位置が極めて重要である。

この構造特性は、次に、ａ）二次分枝を有する末端基について、Ｒ＝ＣＮ

およびｂ）三次分枝を有する末端基について、Ｒ＝ＣＮ

が示されている。

高い誘電異方性および光学異方性を有する、つまり高いΔε値およびΔｎ値を有する等方性セミメソゲン４を合成する目的は、例えば、極性の頭部基により促進することができる。一方で電気的に誘導可能な複屈折に高い寄与を提供し、他方で高い誘電異方性に寄与する特に適切な基として、ビフェニル構造のパラ位での次の置換、つまり極性の頭部基を有するメソゲン単位の置換が有利である：

さらに、セミメソゲン４の永久双極子モーメント、およびそれによる誘電異方性Δεは、フェニル環をヘテロ芳香環に交換することにより高めることができる。分子形状はヘテロ芳香環によりわずかに変化するだけであるが、A. Boller, M. Cereghetti, H. Scherrer, Z. Naturforsch., Teil B, 33, 433 (1978)によると、誘電特性への強い影響が期待され、この場合、頭部基に対する比較において、１つまたは複数のヘテロ原子の位置は、双極子モーメントが加法的に挙動するように選択される。誘電異方性の向上の他に、分極率異方性の向上、およびそれによる高い複屈折率も期待される。これは、ことにピリミジン環を有するセミメソゲン４および頭部基の変更について次のように表される。

誘電異方性は、さらに剛性の環の極性基により高めることができる。側方の置換基は、同時に二量体形成により双極子モーメントの部分相殺に対抗することができる。

例えば、ことに２つのフッ素原子を３，５位に導入することが、８．５単位程度の誘電異方性の向上を引き起こす（P. Kirsch, A. Hahn, Eur. J. of Org. Chem. (2005), (14), 3095-3100参照）。側方の３，５−置換の場合に、部分電荷は、分子縦軸に沿って維持される（つまり双極子モーメントは縦軸に対して平行）、このことから正の誘電異方性が生じる。同時に、これらの側方の置換基は、転移温度の低下を引き起こす。ことに、極性置換基の導入による誘電異方性の向上は、次のように表される。

本発明の場合に、等方性混合物の電界により誘導された整列の促進は、異方性ポリマー網目構造９により行われる。潜在的液晶複合材料のネマチック予備秩序効果と組み合わせた網目構造９の配向されたメモリ効果は、光学カー効果を強化する。

網目構造９の他の重要な課題は、切替プロセスの温度依存性を明らかに低下させることにある。網目構造９の構築のために、ことに芳香族反応性メソゲン８および脂肪族モノマーを、棒状分子、好ましくはメソゲンとセミメソゲン４とからなる等方性混合物中に導入する。これらは、低温での複合材料のホメオトロピックに秩序づけられた状態での光重合により重合され、かつ目の粗い異方性網目構造９を形成する。反応性メソゲン８の混合は、出発混合物中でのならびに網目構造の構築後の最終的な複合材料中での分子間相互作用の調整を必要とする。付加的に網目構造９の高い安定性を達成するために、網目構造９は整列層３の官能化により基板と共有結合されている。図６は、多次元の異方性網目構造の生成を示す、つまり：
ａ） ホメオトロピックに配向した混合物（予備複合材料）中での反応性メソゲン８を有する等方性混合物（図６ａ参照）、および
ｂ） 網目構造安定化分子による網目構造９と整列層３との共有結合（図６ｂ参照）。

整列層３の界面との網目構造９の共有結合は、電気光学的切替挙動および長期間安定性の明らかな改善を引き起こす。このため、温度安定性の活性基（例えばＯＨ基）を有する整列材料は官能化されるため、この基は二官能性反応性メソゲン８と結合することができる。ラジカル光重合によって引き起こされた網目構造形成は、両方の官能化された整列層３との結合を含むので、異方性網目構造９は、界面安定化されてセルに永続的に張り巡らされる。界面での結合サイトの必要な濃度は、この場合、適切な様式で調節することができる。このため、整列層３は、被覆および乾燥後に相応する反応性溶液で変性されてよく、官能性化合物は、被覆材料中にすでに含まれているかまたは整列層の表面がプラズマ法によって相応して官能化されてもよい。

脂肪族モノマーおよび芳香族の反応性メソゲン８に基づく網目構造形成による複合材料の特性の改善の他に、場合による凝離現象も抑制される。

本発明によるカー複合材料は、例えばレンズの適用分野のため、ことに視力補助具およびテレスコープメガネのために、次の要求プロフィールに対応する：
− 高いカー定数
− 高い誘電異方性
− セミメソゲン４による作動温度範囲内で等方性でかつ流体状
− 双極性棒状分子５および極性セミメソゲン４による高い電気的に誘導可能な屈折率変調
− 全体の作動温度範囲内での良好な均質性（物質の混和性、低い相分離傾向）
− 低い回転粘度によるわずかな切替時間
− 可視スペクトル領域内でのわずかな吸収
− 高い（光）化学的安定性。

さらに、このアプローチの偏光非依存性および高速の切替時間は、液晶を基礎とするアプローチに比べて本質的な利点である。本発明による複合材料は、棒状極性分子の大きなカー定数と高い秩序傾向により特徴付けられる液晶系の利点を、わずかな回転粘度と極めて短い切替時間により特徴付けられる等方性液晶の利点と組み合わせる。

本出願人の未公開の独国特許出願１０２０１５０１５４３６号明細書（DE 10 2015 015 436 A1）および本出願人の未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）による主題から出発して、次に、本発明による表面構造の使用下でのレンズの実施態様、ことに構造化された電極による、開発されたカー混合物の局所的に異なる配向によるレンズ効果を示す。光学的に有効な表面プロフィールＯの課題は、レンズ機能の実現にある。十分な屈折率高低差または誘導化された位相シフトの際に、光は位置に依存する角度で偏向され、全ての光線は焦点に集められる。

図１ａに示されている本発明の一実施態様は、基板１ｂの内側表面上にまたは基板１ｂ中にまたは両方の基板１ａおよび１ｂ中に光学的に有効な表面プロフィールＯが組み込まれて存在していることを特徴とする。この表面プロフィールＯは、この場合、例えば、フレネルレンズ、位相板または表面格子であってよい。表面プロフィールＯは、充填された薄層セルの無電圧状態で光学的に不活性である、というのも、この材料は、本発明による（電気活性）複合材料Ｋとほぼ同じ屈折率を有するためである。電圧Ｕの印加により、電気光学的活性材料の屈折率が変化するので、光学機能が実現される。フレネルレンズの場合には、薄層セルＤの電圧に依存する屈折度が生じる。レンズの屈折度の大きさは、この場合、印加された電圧Ｕの高さに依存する。表面格子の場合には、ビームスピリッター、ビームコンバイナー、モノクロメーター、マルチプレクサーまたはデマルチプレクサーが実現される。

本発明の一実施態様は、光学的に有効な表面プロフィールＯが、回折レンズまたはフレネルレンズとして構成されていることを特徴とする。この表面プロフィールＯは、適切な屈折率高低差で、プロフィールの高さに依存する相高低差または偏向角を生成するので、プロフィールの異なる位置から出発する全ての光線は、一つの焦点にまとまる（収束レンズ）かまたは外見上仮想焦点から出発する（発散レンズ）。

本発明の他の実施態様は、光学的に有効な表面プロフィールＯは、回折格子として構成されていることを特徴とする。このような表面プロフィールＯは、適切な屈折率高低差で、位置に依存しないが、光波長に依存する偏向角を生成するので、同じ波長の全ての放射線は同じ角度で偏向される。このようにして、多色性の光線を空間的に分離されたスペクトルに分割することが行われる。そのため、この実施態様の場合に、切替可能または調節可能なモノクロメーターが実現される。

光学的に有効な表面プロフィールＯを利用する利点は、レンズまたはモノクロメーターまたは他のアクティブな光を生成する素子の光学機能を、複雑な電極構造（１ａ，１ｂ；２ａ，２ｂ）を必要とせずに作成することができ、かつそれにより、必要な電場を生成するために、簡単な平坦な電極を利用することができることにある。光学素子の無電圧状態では本発明により、表面プロフィールＯと電気光学材料との間で透過放射方向で屈折率の差が存在しないため、全体の素子はこの状態では光学的にニュートラルである。

本発明の他の実施態様の場合に、フレネルレンズまたは回折レンズとして構成されている表面プロフィールＯの材料の屈折率は、無電圧の電気光学的に活性な材料の屈折率よりも適切に高い。このようにして、同じ素子を用いて、電圧に依存して、収束レンズまたは発散レンズを実現することができる。レンズプロフィール／表面プロフィールＯの光学特性を選択することにより、電気調節可能なレンズは、無電圧の状態での収束レンズから、電圧の印加の際に発散レンズになるか、またはその逆になるかどうかを決めることができる。

本発明の他の実施態様の場合に、薄層セルの両方の基板１ａおよび１ｂ上に、光学的に有効な表面プロフィールＯが存在する。このようにして、例えば、切替可能なレンズの屈折度を、全体のプロフィールの同じ構造深さで二倍にすることができる。

本発明の他の実施態様の場合に、両方の基板１ａおよび１ｂの内側表面上にそれぞれ、互いに逆平行に配置されている表面格子Ｏとして表面プロフィールＯが存在する。このようにして、平行ビームスプリッターを実現することができ、この場合、強度比は制御可能である。

本発明の一実施態様の場合に、表面プロフィールＯは、基板（１ａ，１ｂ）内に組み込まれている。これは、例えば、光学ガラス中に、微細切削、研磨、エッチングまたはリソグラフィー法により行うことができる。光学的に有効な表面プロフィールＯは、印刷、マイクロプリンティングまたはナノプリンティングによっても製造することができる。

他の方法は、光学的に適したプラスチックのプレスにあり、その際、プレスツールは所望な表面プロフィールＯのネガ型を有する。後者のネガ型は製造において著しく低コストである。

さらに、本発明の一実施態様の場合に、表面プロフィールＯは、任意の適切な基板（１ａ，１ｂ）上に複製することができる。このため、まず、所望の表面プロフィールＯから、原型（マスター）を金属ブロック（例えば真鍮または洋銀）の表面に微細切削によりまたは他の方法により製造する。この原型を適切な材料を用いて鋳造することによりスタンプが作成される。特に適した材料として、好ましくは硬質シリコーンが使用される。硬質シリコーンは、極めて良好な鋳型精度に加えて、さらに原型からの良好な離型性により優れている。このように製造されたスタンプは、熱的または光化学的硬化性材料を用いて予め被覆された適切な基板（１ａ，１ｂ）上に押し付けられる（あるいはスタンプも被覆されていてよい）。この材料の硬化後に、基板（１ａ，１ｂ）からスタンプを取り外し、その際、硬化性材料／表面プロフィールＯの適切な選択により、これは基板（１ａ，１ｂ）上に残留し、こうして原型の複製として光学的に有効な表面プロフィールＯが形成される。複製のために適した材料は、例えばＵＶ硬化性プラスチックである。この製造の変法は、極めて低コストである。

基板１ａおよび１ｂの内側に、透明電極２ａ，２ｂが設けられていて、この透明電極はＩＴＯまたは他の（部分的に）透明な導電性材料からなる。これらの電極２ａ、２ｂは、絶縁材料３（図２参照）で被覆されていて、同時に絶縁され、かつ電気活性複合材料Ｋの出発混合物の活性成分４，５および反応性メソゲン８が作動温度範囲より下では平面に対して垂直（ホメオトロピック）に整列する。電極２ａ，２ｂは、表面プロフィールＯの下方に施されている（図１ａ参照）か、その中に組み込まれているか、またはその上に配置されている（図１ｂ参照）。本発明のこの実施態様の場合、好ましくは平面電極２ａ，２ｂが使用される。

図１ａおよび図１ｂは、それぞれ光学的に有効な表面構造Ｏを備えたセルを表し、図１ｃおよび図１ｄのセル（以下を参照）は、この種の表面構造を有しないが、平坦に構造化された電極２ａ，２ｂ（例えばＩＴＯからなるリングまたは縞状電極）により特徴付けられる。図１ａおよび図１ｂの光学的に有効な（ポリマーの）表面構造Ｏと比べて、これらは、本質的にわずかな厚み（約６０ｎｍ）を有するので、さほどの光学作用は有しない。

図１ａおよび図１ｂの光学的に有効な表面構造Ｏを有するセルは、二枚のガラス基板１ａ，１ｂを有し、その内側表面にそれぞれ、大面積の導電性ＩＴＯ電極２ａ，２ｂが設けられている。電極２ａ，２ｂ上に絶縁層および整列層３が施される。材料に応じて、整列層３は、両方の機能を満たすこともできる。基板１ａ，１ｂの一方または両方の基板１ａ，１ｂ上には、レンズ作用を有するポリマーの表面構造Ｏが存在する。光学的表面構造Ｏは、材料およびプロセス条件（プラズマ処理）に応じて、本発明の範囲内で、整列層３として機能することができ、絶縁機能も同様に、この材料が１００ｎｍの最小厚みを有する場合に付与される。しかしながら、絶縁層または整列層３は、あるいは、表面構造Ｏ上に施されるか、または表面構造Ｏが全体の電極面２ａ，２ｂを覆わない場合には、その下に施されてもよい。スペーサー（図面には示されていない）は、基板１ａ，１ｂの一定の間隔を作り出し、これらは、液晶ディスプレー技術の当業者に公知の材料で長期間安定性に固定される。セルは電気光学的活性混合物または複合材料Ｋの前駆体混合物で満たされ、引き続き密閉される。

より良好な分かり易さを達成するために、図１ａおよび図１ｂには、上述の実施態様を考慮しながら簡素化されている（つまり絶縁層または整列層３およびスペーサーは省略された）。しかしながら、図６ａおよび図６ｂに示された構造と同じ構造に基づいている。ＩＴＯ電極上に整列層３の薄層（２０ｎｍ〜１μｍ）を塗布し、この整列層は低温でもしくは作動温度範囲未満（Ｔ＜ＲＴ）で複合材料Ｋのホメオトロピック配向を引き起こす。このために、特定のポリイミド、ポリビニルアルコール、感光性ポリマー、レシチンなどのようなこのために公知のポリマーが使用される。任意に、整列層３は、反応性メソゲン８またはそれから形成される網目構造９の共有結合を可能にする（光）反応性基を含むことができる。

多様な組合せもしくは変形形態が可能であるが、これらは次の機能を満たさなければならない：
１− 絶縁層：電流の流れを防ぐための電極２ａ，２ｂの絶縁
２− 整列層３：低温で前駆体混合物のホメオトロピック整列を作り出すための整列機能
３− 異方性網目構造９の固定：異方性網目構造９の基板１ａ，１ｂとの共有結合による固定。

しかしながら、特定の材料からなるフィルム／層もいくつかの機能を担うことができる。例えば、光学的に有効な表面構造Ｏは、それぞれその下にある電極２ａ，２ｂの絶縁体の機能を担ってもよい。適切な材料および方法工程の場合に、表面構造Ｏは、ホメオトロピック整列も生じさせてもよい。

異方性網目構造９の固定は、整列層３の成分としての官能基によるか、または整列層３のプラズマ処理によるか、または生成された反応基を用いた光学的表面構造Ｏの表面の変性により達成することができる。この種の反応基は、反応性メソゲン８と共有結合することができ、それにより網目構造９を安定に固定することができる。

図１ａおよび図１ｂの光学的に有効なポリマーの表面構造Ｏとは反対に、図１ｃおよび１ｄのセルの電極構造は、本質的にわずかな厚み（約６０ｎｍ）を有する。構造化された電極２ａ，２ｂの上方に、同様に絶縁層または整列層３が必要である。本発明のこの他の実施態様は、電極２ｂまたは両方の電極２ａ，２ｂが構造化されているか、または一方のまたは両方の電極２ａ，２ｂは、個別電極のセットであり、これらの個別電極は、個別に、グループで、またはそれら全体で制御されることを特徴とする（図１ｃおよび１ｄ参照）。この実施態様の発展形態は、一方の（下側の）電極が、リング電極２ｂのセットとして（図１ｃ参照）構成され、かつ他方の（上側）の電極が、平面電極２ａとして構成されることを特徴とする。リング電極２ｂの幅および直径は、この場合、好ましくは、これらの電極がゾーンプレートの要件に対応するように設計されている。記載された電極２を有する充填された薄層セルＤに電圧Ｕを印加する際に、上側電極２ａと下側電極２ｂとの間に、電気活性材料中で、電場の作用下にない領域とは異なる屈折率を有する領域が生じる。このようにして、本発明による電気活性複合材料Ｋ中に、光学機能を生成する屈折率プロフィールが形成される。本発明の発展形態の場合に、相−ゾーンプレートが実現され、これが透過する光に回折レンズとして作用する（図１ｃ）。

ことに構造化された電極を有するセルを有する本発明の他の実施態様は、両方の電極２ａおよび２ｂが、縞状電極のセットとして構成されていることを特徴とする（図１ｄ）。両方のセット２ａおよび２ｂが互いに直交するように配置されていて、かつ個々に制御される場合、電圧Ｕの印加の際に異なる相高低差のピクセルを作成することができる。全体の薄層セルＤは、この場合に可変に構造化可能な相マスクとして作用する。両方のセット２ａおよび２ｂが互いに平行となるように配置されている場合、電圧の印加により屈折率格子を実現することができ、これは、ビームスプリッター、ビームコンバイナー、モノクロメーター、マルチプレクサーまたはデマルチプレクサーとして作用する。

薄層セル中の電極２ａ，２ｂの課題は、電気光学活性材料の屈折率の調節のために必要な電場を生成することにある。

電界強度は、所与の電圧Ｕの場合に電極２ａ，２ｂの間隔と共に明らかに低下するため、電極２ａ，２ｂは、所望のように、電気光学活性材料に可能な限り近く位置するべきであり、この場合、後者の電気光学活性材料は、適切な材料からなる薄層によって、電極２ａ，２ｂから絶縁することができる。これは、基板１ａ，１ｂの場合に、光学的に有効な表面プロフィールＯは大抵は必要ない、というのもこれらは同時に絶縁体として機能するためである。

本発明の一実施態様の場合に、薄層セルの構築のために、ガラス基板１ａ，１ｂが利用され、これらのガラス基板には、内側に向いた側に透明な導電層が設けられている。これは、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなることができる。この基板１ａ，１ｂ上に表面プロフィールＯが配置されていない場合、絶縁層は、例えばスピンコーティングおよび引き続く熱処理により、適切なポリアミドが、十分であるがわずかな層厚（約１００ｎｍの厚み）で平坦に施される。しかしながら、この場合に、電極（２ａ，２ｂ）を後に接続するために、熱処理の前に基板縁部で絶縁材料を除去しなければならない。この使用された材料は、同時に、液晶をホメオトロピックに配向するために適しているべきである。

本発明の他の実施態様の場合に、表面プロフィールＯの材料は、電流を伝導するために適している。この実施態様は、無機導電層を施す典型的な方法には適していない基板材料を利用することもできるという利点を有する。この場合、後から、適切な絶縁層を施すことができる。

本発明の他の実施形態の場合に、光学的に有効な表面プロフィールＯは、基板１ａ，１ｂ内に組み込まれる。引き続き、適切な材料および方法を用いて、導電性の透明層が、構造化された表面Ｏ上に施される。引き続き、これに、すでに上述したように、絶縁層が設けられる。この実施態様は、例えば、プラスチック基板を使用することができ、この場合、表面プロフィールＯは製造プロセスにおいてすでにプレスによって施されるという利点を有する。

視力補助具のために、本発明によるレンズは、中速の切替時間での無偏光の電気的に調節可能な近方視野、および適用に応じて＜４２Ｖの非臨界の切替電圧を有する。レンズの直径は、適切な視野を可能にし、かつ切替可能なレンズの屈折度は、一桁のジオプトリー範囲の値にある。光学機能は、本質的に光の波長に余り依存せず、かつ回折効率はかなり高いので、「ゴースト画像」は避けられる。さらに、本発明によるレンズは典型的なメガネガラスと組み合わせることができ、かつ素子の制御のためにわずかな重量および構造体積を有するので、本発明によるレンズは通常のメガネガラスと一緒にまたはメガネフレーム内に組み込むことができる。

本発明の範囲内で、視力補助具のための利用は、調整可能な、個別に調節可能な視力補助具に拡張することができる。透過性ＬＣディスプレーと同様に、画素化された電極スクリーンの利用により、極めて小さな領域に対して光学特性を個別に調節することができる。したがって、例えば乱視の修正のために必要となるような、方向依存性の屈折度を有する回折レンズを作製することが可能である。レンズの調節を、次いで、欧州特許第１４６３９７０号明細書（EP 1 463 970 B1）の両眼の電子メガネにおいて記載されているように個別に合わせることができかつ記憶することができる。

本発明の範囲内で、本発明によるレンズの、テレスコープメガネ用の切替可能な拡大系での使用が可能である。拡大系では、視力補助具の領域の場合と部分的に類似する要件が存在する。しかしながら、接眼レンズおよび対物レンズの屈折度は明らかにより強くなければならない。しかしながら、必要な開口においてこれらの要件は、ことに接眼レンズにとって明らかにより低い。この拡大系にとって、２．５倍の倍率で十分である。目標とされる着用時の高い快適性を可能にするために、個別素子の場合と同様にできる限りわずかな重量を有する系も実現可能である。ここでは、本発明による解決策は、現在利用可能なテレスコープメガネとは明らかに異なっている。別の本質的な利点は、もちろん、オフ状態で全体の視野が利用され、この視野は組み込まれた制御素子および供給素子に制限されないことにもある。

本発明によるレンズは、次の表から明らかなように、次の技術的要件を満たす：
ａ）視力補助具用の、ことに切替可能な近方視部分を有する視力補助具用の無偏光の電気的に調節可能な近方視野、
ｂ）調整可能な、個別に調節可能な視力補助具（透過型アクティブマトリックスディスプレーの場合に類似して、μｍで構造化された電極の利用下での画素的制御を備えた視力補助具）および
ｃ）テレスコープメガネまたは多機能メガネ用の切替可能な拡大系。

満たされる他の要件は、高い透明性、再現性、高い信頼性、および「ゴースト」を避けるための高い充填係数ならびに偏光非依存性機能様式である。さらに、個別の素子はオフ状態で光学的にニュートラルである。例えば身体には適用されない対物レンズのような工業的装置用の切替可能なレンズにおける本発明による用途の場合、１００Ｖまでの比較的高い切替電圧も同様に許容可能である。

本出願人の未公開の独国特許出願第１０２０１５０１５４３６号明細書（DE 10 2015 015 436 A1）および本出願人の未公開の国際公開第２０１７／０９２８７７号（WO 2017/092877 A1）に基づき基礎となる電気制御可能な光学素子の実施態様は、図示された、および記載された実施例に限定されるものではなく、ここに記載された実施例の主旨で同じに作用する全ての実施態様も含む。例えば、側方置換されたビフェニルを基礎とする合成はセミメソゲンの製造のために、および最終的カップリング反応のための触媒の合成は置換ビフェニルの製造のために実施することができ；５個のセミメソゲンを製造するために、５個の置換アリールボロン酸を合成し、特性決定することができ；多様な材料でのフレネルレンズの型取りのために、ＰＤＭＳ注型物の製造を含めて、利用可能なフレネルレンズの表面の特性決定は、プロフィールメータを用いて実施することができ（Sylgard 184（シリコーンエラストマーキット）中での表面格子の型取りのためのエポキシ混合物を含めた、表面格子およびマイクロレンズアレーのスタンプの製造、およびNOA65（光学接着剤：粘度１２００（ｃｐｓ）、屈折率ｎ_d １．５２）を用いたレプリカの製造、ことに回折格子（対応するフレネルゾーンプレート用のモデル構造として利用する、線形表面格子の製造のための鋸歯プロフィールの表面格子の型取り方法）の製造）；表面格子の型取りは、マスター（市販の回折格子）を用いて行われ、このマスターはネガ型コピーとしてＰＯＭＳ内で型取られ、次いでこの「スタンプ」を用いてＮＯＡを用いた別の型取り工程によりポジ型レプリカを製造することができ、このポジ型レプリカは、とりわけ切替可能な光学素子の構築のために適している；Suzuki-Miyauraによるアリール−アリールカップリング（Ｃ−Ｃ結合の形成によるビフェニルまたはビフェニル誘導体の合成）または類似の反応の相応するメカニズムの適用、および中間体のクロマトグラフィーによる精製の適用（ことに中間的な精製操作を用いた多段階合成）。本発明による電気制御可能な光学素子の適用分野は、工業の多様な領域にわたり、ことに以下の領域にわたる：

測定工業
− 測定ヘッド内でのカーセルによる試料の分析
− ウェハ検査システム
− 顕微鏡または内視鏡内の偏光子
− 電界強度の測定

製造工業
− ＩＣまたはＬＣＤ用のマイクロリソグラフィー投影露光装置
− 印刷版の露光用の光変調器
− ＣＤまたはＤＶＤに記録する際の偏光方向に回転する素子

情報伝達工業
− １００ＧＨｚまでの信号（光学的信号）のデジタル化のための、カーセルを用いた、および後続する偏光フィルタありまたは偏光フィルタなしの高速光スイッチ

医療工業
− ＭＲＴ系（核磁気共鳴断層撮影系）での光学変調器
− 顕微鏡または内視鏡内の偏光子

マシンビジョンまたは画像認識（英語でmachine vision）の分野は、一般に、ヒトの視覚的システムの能力に倣うという課題設定のコンピュータ支援されたソリューションを説明し、かつ過去２０年において工業的に非常に大きく成長した。とりわけ、マシンビジョンシステムは、現在、自動車工業および品質保証の分野での工業的製造プロセスにおいて使用されている。背景には、生産の間の製品の工業的製造を同時に特性決定し、かつ測定し、かつそれにより同じ程度に高い品質を保証することが必要とされる（品質保証）。このために、ますますカメラ技術に補助され、この場合、生産サイクル内の製品を装置に合わせて製造の間に撮影し、かつこの画像はリアルタイムでコンピュータ制御して評価される。この場合、製品エラーは即座に認識され、欠陥のある製品はさらなる製造から取り除かれる。このプロセスのための基礎として、とりわけ、後続する評価が安定に機能することができるために、製品を正確にかつ鮮明に写し取る高精密な対物レンズが必要となる。

この種の方法は、小型の部材、超小型の部材、または微細構造化された部材の製造の場合でもますます利用される。被写界深度は、この場合、三次元の製品の特性決定のために、重大な問題である。極めて小さな対象物の場合、小さな特徴を写し取り、かつ評価するマクロ対物レンズが利用される。しかしながら物理的な理由から、マクロ対物レンズは、対象物中での被写界深度範囲が極めて小さいという問題が生じる。これは、評価の際に問題を引き起こす。というのも不鮮明な画像の場合、小さな細部の評価がもちろん不可能となるためである。物理的理由から、比較的小さな開口を通して被写界深度を高めることは、解像能力の低下を意味し、このジレンマは解決することができない。この問題を回避する一つの可能性は、フォーカス列を介して三次元空間での評価を可能にするために、いくつかの画像を撮影することにある。このための古典的な解決策は、対物レンズの焦点合わせである。カスタマ領域からの典型的な自動フォーカスシステムは、使用不可能である、というのも、それにより小さな３Ｄ画像スタックが作成されないためである。再焦点合わせする方法は、現在、対物レンズを機械的送りにより移動する（焦点合わせする）ことに基づいている。しかしながら、機械的方法は緩慢であり、長期間安定性に関する問題を有する。よって、マシンビジョン領域では、極めて短い切替時間および大きなサイクル数を有する切替可能なシステムが必要である。

マシンビジョン領域での調節可能な素子の使用は、測定の問題および装置的環境に極めて著しく依存するので、基本的解決策を具体的な個々の場合に常に合わせなければならない。工業的環境では、画像認識（エッジ認識のためのフィルタのようなツール、幾何学対象物などの認識のためのコントラスト分析を用いて）の技術は今日うまく使用されている。コンピュータは、例えば品質制御を支援し、かつ単純な対象物を測定する。ここでは、環境条件が決定的であり、この環境条件は、そのアルゴリズムの誤りのない進行のために重要である（カメラ位置、照明、コンベアベルトの速度、対象物の状態、パターン分析など）。

マシンビジョン領域のための電気切替可能な、焦点合わせする素子の技術的基本パラメータは、極めて高い再現性の他に次のものである：
切替時間：＜１ｍｓ
切替電圧：＜１００Ｖ
直径：＞１０ｍｍ
回折効率：＞９０％
焦点距離：＜１０００ｍｍ。

全ての用途に関して、さらに、非接触の１Ｄ測定、２Ｄ測定および３Ｄ測定を可能にするために、高い透明性、再現性、高い信頼性、および「ゴースト発生」の回避のための高い充填ファクタならびに偏光に依存しない機能様式のような他の要求が課される。さらに、個別の素子はオフ状態で光学的にニュートラルであるのが好ましい。他の分野とは反対に、この領域では、微調整のために古典的な光学系と切替可能なレンズとのハイブリッドシステムが考えられる。

視覚補助具のためのレンズおよびマシンビジョン領域のためのレンズの要件プロフィールは明らかに異なる。切替電圧、焦点距離および直径はそれほど重要ではなく、それに対してオン／オフ切替時間および平面に関する高い光学品質が重要である。

マシンビジョン領域についての実施例を、次に、図７を用いてより詳細に記載および説明する。微細切削により製造された、フレネルレンズのマスター（ことにＡＲＣＡＰ（非鉄合金の銅−ニッケル−亜鉛）材料、構造直径１２ｍｍ）を、適切な方法で、熱硬化性シリコーンを用いて型を取る。こうして製造されたスタンプを、光学基板上に原型構造の複製を行うために利用する。このために基板１ａ，１ｂとして、必要な平面性により特徴付けられるガラスディスクまたはポリマーディスクが用いられる。これらは、予め必要な機能層を備えていて、この機能層は、一方で必要な電気絶縁性を保証し、かつ他方で平坦な透明電極２ａ，２ｂを実現する（例えばＩＴＯ）。表面構造Ｏの複製用の材料として、好ましくはＵＶ硬化性材料が使用されるが、他の熱硬化性材料も、このために使用することができる。表面構造Ｏを有するこの基板１ａ、および例えばＩＴＯ電極２ａ，絶縁層および整列層３を有する他の基板１ｂの使用下で、１ａと１ｂとの間に、２〜１０μｍの基板間隔で薄層セルＤが組み立てられる。これを、引き続き複合材料前駆体で充填し、密封し、場合により異方性網目構造９の構築のための加工に供される。最終的に、薄層セルＤは、電気的に接続され、かつ適切な方法で機械的に嵌め込まれる。この素子は、μｓ範囲で焦点面の高速変化を可能にするマクロ対物レンズＭを製造するために、機械的に他の光学素子と適切な方法で組み合わされる。

詳細には、図７は、カメラモジュールＣ、ことにＣＣＤカメラモジュールまたはＣ−ＭＯＳカメラモジュールの前方近くに配置された、薄層セルＤと古典的な対物レンズＭＯ（ことに、個々のレンズの変形および／または回転による調節のためのガイド手段を有する、プラスチックからなる、有利に３〜５つのレンズ、図示された場合にはレンズのレンズシステムを有する）からなるマクロ対物レンズＭを示す。対物レンズＭＯは、レンズシステムの所望の焦点距離を調節するために４つのレンズ、つまり光学的に有効な４つの面を有する。カメラモジュールＣは、中間メモリＺおよび評価電子機器Ａと接続されていて、この場合、制御装置（図面には示されていない）と組合せて、生産サイクル内の製品を装置に合わせて製造の間に撮影し、かつこの画像をリアルタイムでコンピュータ制御して評価することができる。この場合、製品エラーは即座に認識され、欠陥のある製品はさらなる製造から取り除かれる。中間メモリＺ中に保存された、フォーカス列の画像（ピクセルグラフィックデータまたはベクトルグラフィックデータ）は、参照座標の利用下で、互いに細部に忠実に重ねられ、評価電子機器を用いて、（ピクセルグラフィックまたはベクトルグラフィックにおいて）参照画像と比較することにより評価される。これは、ピクセルグラフィックもしくはベクトルグラフィックにおけるその都度の画像部分の変化または三次元空間内の３Ｄ対象物の移動を含めた個々の画像の部分領域（タイル）についても当てはまる。マクロ対物レンズＭ、カメラモジュールＣ、中間メモリＺおよび評価電子機器Ａの電力供給は、１つのモジュールＳＴによって行われる。

薄層セルＤへの電圧の印加は、本発明によると、棒状分子５およびセミメソゲン４の整列を引き起こし、それにより切替可能な素子Ｄの光学機能が実現される。このように、ハイブリッド対物レンズ、つまり古典的な対物レンズＭＯと電気により調節可能なまたは切替可能なレンズとの組合せが実現され、かつ高められた被写界深度を有する新規のマクロ画像用の高速な、焦点合わせ可能なレンズ素子によるフォーカス列の利用を可能にする。マクロ対物レンズＭは、フォーカス列を介して、評価（被写界深度）のために利用可能な領域を、個々の撮影（絞りＦ＃２．８、ＭＡＧ＝１）の物理的に可能な被写界深度領域と比べて２０倍拡大する。例えば、最大被写界深度は、０．１６８ｍｍの範囲内にある（いわゆる錯乱円の鮮鋭度の基準として０．０１５ｍｍのぼかしと仮定する場合）。原則として、この場合にそれどころか、この領域はさらに大きくすることができる。というのも、フォーカス列は原則としてほぼ任意に拡大可能であるためである。制限は、単に対物レンズデザインおよび撮影時間および評価時間によって課せられるだけである（これは、評価のために明らかにより高いデータ量を生じさせ、かつ高い画像撮影頻度を必要とする）。電気活性液体に基づくマクロ対物レンズＭの大きな利点は、アクティブな機械的要素を完全に省くことができ、それによりロバストでかつメンテナンス不要の光学系が可能となることにある。さらに、それにより、奥行寸法および重量の著しい低減と結びつき、それにより薄層セルＤの小型化および集積化が支援される。製品の精密かつ鮮鋭な結像により、後接された評価は、安定して機能することができ、秒単位のサイクルで測定かつ調査され、これは、１日あたり６００，０００サイクルを越えることに相当する。

本発明の範囲内で、構造化された電界強度の分布は、場合によっては、構造化された配向分布を引き起こし、それにより放射経路に影響を及ぼしてよい。最も簡単な場合には、これは半径方向の電界密度分布であってよい。例えば、誘電率の変化を有する素子（異なる誘電率および湾曲界面を有する材料の２つの異なる厚みの層）が、放射形成のために、好ましくは数ミリメートルの調節可能なレンズ用に使用可能である。

さらに、本発明は、これまでに請求項１および１１に定義された特徴の組合せに限定されるのではなく、開示された全ての全体の個別の特徴の所定の特徴の各々の任意の他の組合せにより定義することもできる。これは、原則として、実際に請求項１および１１の各々の個別の特徴を省くか、または本願の他の箇所で開示された個別の特徴の少なくとも１つに置き換えることができることを意味する。

１ａ，１ｂ 基板
２ａ，２ｂ 導電層、導電性ＩＴＯ電極
３ 配向層、整列層、絶縁体
４ 非棒状セミメソゲン
５ 双極性棒状分子
６ 光開始剤
７ 脂肪族モノマー
８ 反応性メソゲン
９ 異方性網目構造、ポリマー網目構造
１０ 架橋したメソゲン
Ａ 評価電気機器
Ｃ カメラ
Ｄ 薄層セル
Ｋ 出発混合物、カー液体、電気活性複合材料
Ｍ マクロ対物レンズ
ＭＯ 対物レンズ
Ｏ 表面プロフィール
ＲＴ 作動温度範囲
Ｕ 電圧
ＳＴ 電源
Ｚ 中間メモリ

Claims (13)

1. 二枚の基板（１ａ，１ｂ）と、それぞれの前記基板（１ａ，１ｂ）の内側表面上に施された導電層（２ａ，２ｂ）とを有する、出発混合物（Ｋ）が充填されたセル（Ｄ）を有する電気制御可能な光学素子であって、前記出発混合物（Ｋ）は、活性成分として双極性棒状分子（５）とセミメソゲン（４）とからなる混合物を有し、かつカー混合物（Ｋ）は、電気光学カー効果に従って、前記カー混合物（Ｋ）のセミメソゲンと双極性棒状分子（４，５）との活性複合材料の状態が、電場なしで作動温度範囲で等方性であり、かつ電圧Ｕの電気的連続的調節によるか、または一定の電圧の印加により、光学素子内で電圧により引き起こされる相高低差または屈折率高低差の変化が生じるように、薄層セル（Ｄ）中で基板（１ａ，１ｂ）上に施された構造化された、および／または平坦な導電層（２ａ，２ｂ）の間に光重合により製造された目の粗い異方性網目構造（９）を有する薄層を形成する、電気制御可能な光学素子において、光学的に有効な表面プロフィール（Ｏ）が、基板（１ａまたは１ｂ）の内側表面上に、または基板（１ａまたは１ｂ）中に、または両方の基板（１ａおよび１ｂ）中に導入されていることを特徴とする、電気制御可能な光学素子。
2. 基板（１ａまたは１ｂ）の内側表面上の前記表面プロフィール（Ｏ）は、無電圧状態で、充填された前記薄層セル（Ｄ）とほぼ同じ屈折率の材料を有するフレネルレンズ、位相板または表面格子であり、かつ前記状態で前記カー混合物（Ｋ）と同様に光学的に不活性であり、かつ電圧Ｕの印加により、前記電気光学的活性材料の屈折率が変化するので、光学機能が達成されることを特徴とする、請求項１記載の電気制御可能な光学素子。
3. 前記電極（２ａ，２ｂ）は、前記表面プロフィール（Ｏ）の下側に施されているか、その中に組み込まれているか、またはその上に配置されていることを特徴とする、請求項１または２記載の電気制御可能な光学素子。
4. 電極（２ｂ）または両方の電極（２ａ，２ｂ）は構造化されているか、または一方もしくは両方の電極（２ａ，２ｂ）は個別電極のセットであり、前記個別電極は、個別に、グループで、またはそれら全体で制御可能であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気制御可能な光学素子。
5. 前記薄層セル（Ｄ）は、二枚のガラス基板またはポリマー基板（１ａ，１ｂ）を有し、前記基板の内側表面にそれぞれ導電層として導電性ＩＴＯ電極（２ａ，２ｂ）が設けられていて、かつこれに配向層（３）が設けられていて、かつ冷却された前記カー混合物（Ｋ）中での目の粗い異方性ポリマー網目構造の製造は、混合された光開始剤、脂肪族モノマー（７）および活性メソゲン（８）ならびにＵＶ照射を用いて行われ、電圧Ｕの印加の際に、力線に沿って前記棒状分子の整列が行われることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気制御可能な光学素子。
6. ホメオトロピック配向を引き起こす前記配向層（３）は、架橋可能な基または重合可能な基を含み、かつ前記異方性網目構造（９）は、好ましくは、両方の前記基板界面に共有結合により固定されていて、それにより、その異方性の形の網目構造の長期間安定性は、作動温度範囲内の温度上昇による前記カー液体の等方化の場合であっても長期間安定に維持されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の電気制御可能な光学素子。
7. 大きな双極子モーメントを有する前記棒状分子（５）は、前記カー混合物（Ｋ）の活性成分として、部分的にまたは完全にナノスケールのクラスターまたはナノ粒子の形であり、かつこの分子クラスターまたは球状および非球状のナノ粒子は、出発混合物（４，５，６，７，８）中に分散され、それにより、一方で秩序づけて固定されたクラスターまたはナノ粒子の高度に安定な配向秩序によりカー効果の向上が達成され、他方で澄明点を越える溶液または液晶材料中でのカー効果の温度依存性は最小化されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気制御可能な光学素子。
8. 前記双極性棒状分子（５）の分子間相互作用は、ピリジン／酸または酸／酸の水素結合、イオン性相互作用およびππ相互作用に基づき形成され、かつ前記カー効果の安定化のために前記分子間相互作用および予備配向効果の多様な温度依存性が利用されることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気制御可能な光学素子。
9. 前記カー混合物（Ｋ）の活性成分としての前記セミメソゲン（４）は、分子間相互作用により形成され、かつ温度上昇が、非共有結合型の相互作用の弱体化を引き起こし、ここで前記複合体は部分的に分解されることを特徴とする、請求項１記載の電気制御可能な光学素子。
10. 高い誘電異方性および光学異方性を有する等方性セミメソゲン（４）を合成するために、極性の頭部基として
    

    

    によるビフェニル構造のパラ位に置換基が導入されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気制御可能な光学素子。
11. ピリミジン環を有するセミメソゲン（４）におけるフェニル環のヘテロ芳香環への交換、および
    

    

    による頭部基の変更により、前記セミメソゲン（４）の永久双極子モーメントおよびそれによる誘電異方性が高められていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気制御可能な光学素子。
12. ａ）前記出発混合物（Ｋ）は、活性成分として双極性棒状分子（５）とセミメソゲン（４）とからなる混合物、反応性メソゲン（８）、光開始剤（６）および脂肪族モノマー（７）を有し、
    ｂ）前記出発混合物（Ｋ）を薄層セル（Ｄ）に充填し、
    ｃ）前記出発混合物（Ｋ）を、室温ＲＴよりも低い温度Ｔに冷却し、その際に、ホメオトロピック配向を有する液晶相を形成させ、
    ｄ）ホメオトロピックに配向した層のＵＶ照射によりラジカルを生成させ、前記ラジカルが、前記出発混合物（Ｋ）中で脂肪族モノマー（７）と架橋した反応性メソゲン（１０）からなる目の粗いルーズな異方性網目構造（９）が生じるように、配向した前記反応性メソゲン（８）の重合を引き起こし、かつ
    ｅ）光学的に有効な表面プロフィール（Ｏ）を、基板（１ａまたは１ｂ）の内側表面上にまたは一方の基板（１ａまたは１ｂ）中にもしくは両方の基板（１ａおよび１ｂ）中に組み込み、
    電圧Ｕなしで作動温度範囲では、大きな双極子モーメントを有する棒状分子（５）とセミメソゲン（４）とからなる前記複合材料は、再び等方性であり、かつ電圧Ｕの印加の際に前記複合材料の分子は電気力線の方向に配向する、
    二枚の基板（１ａ，１ｂ）と、それぞれの前記基板（１ａ，１ｂ）の内側表面上に施された導電層（２ａ，２ｂ）とを有する、カー混合物で充填されたセルを有する電気制御可能な光学素子の製造方法。
13. ホメオトロピック配向を引き起こす、一方または両方の配向層（３）は、光架橋可能な基または光重合可能な基を含むことを特徴とする、請求項１２記載の方法。

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