JP5596025B2 - 有効な電極構造の動的な再構築を利用する電気光学装置 - Google Patents
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Description
上述のように、本発明は、本明細書に記載のLCレンズ等の調整可能光学装置での利用に適した、周波数依存性材料の様々な化学組成物を提供する。このような材料は、ビームステアリング装置やシャッター等のような他の周波数依存性光学用途にも利用できることが当業者には分かるであろう。周波数依存性材料の均質又は不均質層をレンズ、ビームステアリング装置、及び/又はシャッター構造に組み込むことで、周波数調整による電場の空間変調がもたらされる可能性がある。つまり、調整を周波数で制御することができる。このような装置は、調整可能焦点調節、回折、ステアリングなどに利用できる。
(i)重合性モノマー(直鎖又は環状)化合物、
(ii)反応開始剤、
(iii)最終組成物の誘電率又は導電性を変化させる添加物、
(iv)重合体のガラス表面への接着力を向上させる接着剤(接着剤は、表面処理剤として用いて又は前記溶液に直接組み込むことで接着力を向上させることができる)、及び
(v)前記混合物の粘度を変化させる充填剤。
対応する光学装置の周波数依存性を制御するために本明細書で使用される特定の材料は、様々な特性の多種多様な駆動信号を利用することができる。これら信号の特徴には、周波数変動が挙げられ、更には振幅や動作周期制御も挙げることができる。これらの幾つかの例について、以下に詳述する。
周波数を制御する一つの方法は、いわゆる「パルス幅変調」(PWM)信号を利用するものである。図22には、PWM信号のパラメータ、すなわち振幅と周期、そして動作周期又は曲線因子(「FF」)が表されている。図示するように、PWM信号は合計周期で規定される特徴を有しており、パルス持続時間は動作周期で決まる。PWM信号の周波数領域特性を図23に概略的に示すが、これは、様々な曲線因子に対するPWM波形の周波数成分を表している。パルス列は、波形頂点に対応する優位周波数(f0)を有することが分かる。また一方、このような波形のフーリエ級数が示すように、低振幅の高周波数成分は矩形波に含まれる。そのため、動作周期50%の矩形波パルス列のエネルギーのほとんどはPWM信号周期に相当する「中心」周波数にて含まれるが、一部のエネルギーは他の周波数にももたらされる。これは、図23に示す「高FF」包絡線で表される曲線因子に見られる。低い曲線因子の場合、中心周波数から離れたところにおけるPWM信号中のエネルギー量は高い曲線因子の場合に比べて大きい。この場合、より多くのエネルギーを高周波数域に有するブロードな包絡線になる。高い曲線因子(動作周期)の場合、中心周波数から離れたところにおけるPWM信号のエネルギー量が低い曲線因子の場合に比べて小さくなる。例えば、PWM動作周期を50%から5%まで低下させると、RMS電圧が正規化数1.0から0.1まで一桁減少するが、それと同時に、高周波数域でのエネルギーがかなり増加する。
PWM信号又はAM信号については上記に具体的に述べているが、駆動信号については、1つの周波数のみに基づくか又は複数の個々の周波数成分を組み合わせたものが利用可能である。このような「複雑な周波数」信号は、例えば、様々な周波数の個々の信号を全て一緒に、予め決められた(が、動的に変動する)比率で混合して組み合わせたものであってもよい。PWM法とは異なり、複雑な周波数信号は、矩形波型の信号形態に依存するとは限らず、また、高周波数成分と低周波数成分の度合いを変えるために曲線因子の調節を利用しない。
図27Aは、幾何学形状の固定電極を用いた、本発明の調整可能LCレンズの概略図を表している。図から分かるように、LC層2702は、上部基材と下部基材2713及び2724それぞれの間に挟まれている。平坦な下部電極2708(これはITO層であってよい)は、下部基材に設けられており、また、LC層2702のLC分子を予め決められた方向に整列させるための配向用コーティング2710(例えば、ラビング処理したポリイミド)がコーティングされている。LC層と隣接する上部基材の表面にも、LC分子を整列させるための配向用コーティング2710がコーティングされている。下部基材2708の他に、電極システムは上部電極構造2712も備えており、これは、湾曲した電極2716(これはITO層であってもよい)がコーティングされたレンズ様の高分子構造体2714から形成されている。上部電極構造2712は複合可変電極構造体(CVES)であって、周波数依存性複素誘電率を有する材料の層2706が更に備わっている。必ずしもそうとは限らないが、前記層2706は、可変導電性を有する屈折率整合層(IMLVC))であってもよく、この材料はLCセル2713の上部基材とレンズ様の高分子構造体2714の間に配置される。この材料の複素誘電率や電荷移動度は、(例えば、上部及び下部電極間に印加される電圧で駆動周波数を変えることで)動的に変化させることができる。
図32Aには、本発明の更に別の実施態様を表している。この実施態様では、LC層とは別個の周波数依存性材料を用いない代わりに、それ自体が所望の周波数依存特性を示すLC材料3202が利用されている。周波数依存性材料はそれ自体が液晶の一部であるが、LC層内には所望の形状の電場が得られる。孔パターン導電性リング3204は上部電極として機能し、一方、平坦な下部電極3223はLC層3202のもう一方の面に配置されている。配向処理したコーティング3222はラビング処理したポリイミドであってよく、更に前記構造には上部基材3213と下部基材3224がそれぞれ配置されている。この実施例では、前記構造は、任意の中間層3225を利用しており、これは、電極3204及び3223が発生させる電場を更に成形する機能を有している。図32Bに示す別の実施態様は、このような中間層がないこと以外は、本質的には同じである。この実施例では、(孔パターン電極によってもたらされる)電場がLC層の電荷移動度によって弱まるので、孔パターン電極とLC層が接近しているにもかかわらず、レンズ様の屈折率分布を発生させる場を形成させる可能性がある。図33の結果に示すように、パターン電極による電場発生は、電荷移動度を有する液晶を用いるときに重要である。
Claims (21)
- 通過する光の伝播を制御する可変光学装置であって、
前記光が通過する液晶層であって、前記液晶層の光学特性によって前記通過する光の伝播を制御する前記液晶層と、
前記液晶層に作用する電場を発生させるように配置された電極システムと、
周波数成分を含む駆動信号を発生させて前記駆動信号を前記電極システムに加える電気信号発生装置と、
前記駆動信号の周波数成分に含まれる周波数に応じて電荷移動度が変化して前記電場の空間プロファイルを変化させる周波数依存性材料と、を有し、
前記電気信号発生装置が前記周波数成分に含まれる前記周波数を変化させ、前記周波数に応じて前記液晶層の前記光学特性が変化することを特徴とする、可変光学装置。 - 前記駆動信号は、前記液晶層の前記光学特性を変化させるために調整される前記周波数成分を1つのみ含んでいる、請求項1に記載の可変光学装置。
- 前記光の伝播を制御する際に、前記信号発生装置は、前記光学特性を変化させるための前記駆動信号の電圧振幅設定を変化させずに前記駆動信号の周波数成分の周波数を調整する、請求項2に記載の可変光学装置。
- 前記駆動信号は、前記液晶層の前記光学特性を変化させるために調整される前記周波数成分の複数組合せで構成され、前記複数の周波数成分を前記電極システムに同時に加える、請求項1に記載の可変光学装置。
- 前記信号発生装置が、前記駆動信号の振幅を変えることで前記光の伝播を制御する、請求項1、2又は4に記載の可変光学装置。
- 前記液晶層が、低角のプレチルトアライメント層を備えており、前記信号発生装置が、前記液晶層内で液晶を回位させない駆動信号を適用するように作動する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の可変光学装置。
- 前記可変光学装置がレンズであり、前記液晶層が低角のプレチルトアライメント層を備えており、前記信号発生装置が、前記アライメント層で定義される基底状態付近に前記液晶層内の液晶を留まらせない駆動信号を適用するように作動することで、前記電場に対する前記液晶の改善された応答によって像収差を軽減する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の可変光学装置。
- 前記可変光学装置が、異なる方向に液晶配向させて前記可変光学装置の偏光感度を低下させる少なくとも2つの液晶層を備えている、請求項1〜7のいずれか1項に記載の可変光学装置。
- 前記電極システムが、
少なくとも1層の上部液晶層と少なくとも1層の下部液晶層の間に配置された環状の中間電極と、
透明な上部電極と、
透明な下部電極と、
を備えており、前記周波数依存性材料が、前記環状の中間電極付近に配置された材料層を構成しており、そのため前記周波数依存性材料で変調される前記空間プロファイルが、前記環状の中間電極と前記透明な上部電極の間の少なくとも1層の上部液晶層と、前記環状の中間電極と前記透明な下部電極の間の少なくとも1層の下部液晶層と、で同一である、請求項8に記載の可変光学装置。 - 前記液晶層が実質上平面である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の可変光学装置。
- 前記可変光学装置が屈折率分布型レンズ(GRIN)である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の可変光学装置。
- 前記レンズが、3ジオプタより大きく調整可能で可変な屈折力を有する、請求項11に記載の可変光学装置。
- 前記電極システムが、孔パターン又は環状の電極を備えている、請求項1〜12のいずれか1項に記載の可変光学装置。
- 前記周波数依存性材料が、前記電極システムの前記孔パターン電極又は環状電極付近の薄い材料層を構成する、請求項13に記載の可変光学装置。
- 2つの異なる前記周波数依存性材料を有し、前記2つの異なる周波数依存性材料が非平面で接触している、請求項1〜12のいずれか1項に記載の可変光学装置。
- 前記電極システムが湾曲した電極を備えている、請求項15に記載の可変光学装置。
- 前記周波数依存性材料が、前記液晶層の液晶に含まれている不純物又はドーパント物質を含む、請求項1〜16のいずれか1項に記載の可変光学装置。
- 前記信号発生装置が、パルス幅変調回路を備えている、請求項1〜17のいずれか1項に記載の可変光学装置。
- 前記信号発生装置が、パルス幅変調回路を備え、
前記パルス幅変調回路は、前記光の伝播を制御する際に、前記光学特性を変化させるための前記駆動信号の電圧振幅設定と動作周期設定を変化させる、請求項1,2,4、5のいずれか1項に記載の可変光学装置。 - 前記周波数依存性材料が半導体材料を含む、請求項1〜19のいずれか1項に記載の可変光学装置。
- 前記信号発生装置は、前記液晶をアライメント層で定義される基底状態から再配向して前記液晶層の前記光学特性を空間的に一様にする第1駆動信号と、前記液晶層の前記光学特性を空間的に一様としない第2駆動信号を発生するように構成されている、請求項1〜20のいずれか1項に記載の可変光学装置。
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