KR20120049235A - 조정 가능한 전기-광학 액정 렌즈 및 이러한 렌즈를 형성시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 액정을 포함한 전기-광학 렌즈에 관한 것으로서, 렌즈의 배율이 전기장의 인가에 의해 변경될 수 있는, 전기-광학 렌즈에 관한 것이다. 일 구체예에서, 액정-기반 렌즈는 인접한 전극들 사이에 저항 브릿지가 위치된 고리 전극을 포함하며, 바람직한 구체예에서, 수 개의 전극 고리에 대한 입력 연결부는 렌즈 상에 이격되어 있다. 다른 구체예에서, 위상 리셋을 이용함으로써 광학적 배율을 증가시킬 수 있는 액정-기반 렌즈가 제공되며, 여기서 일 구체예에서, 이러한 렌즈는, 전극의 각 그룹을 가로지르는 위상 변화를 동일하게 되도록 하고 이전 그룹에 대해 매칭되도록 하는 전극의 각 세트에 고정된 위상 항이 부가될 수 있도록, 액정 셀의 마주하는 측면 상의 기판의 표면 상에 고리 전극을 포함한다.

Description

조정 가능한 전기-광학 액정 렌즈 및 이러한 렌즈를 형성시키는 방법 {TUNABLE ELECTRO-OPTIC LIQUID CRYSTAL LENSES AND METHODS FOR FORMING THE LENSES}

상호 참조

본 출원은 35 U.S.C §119에 따라 2009년 6월 19일에 출원된 미국가출원번호 제61/269,110호를 우선권으로 주장하며, 이러한 문헌은 전문이 본원에 참고로 포함된다.

정부 권리의 진술

미국정부는 본 발명의 지불완료 실시권(paid-up license) 및 제한된 상황에서 미국 공군에 의해 부여된 협약 번호(contract number) FA 7014-07-C-0013에 의해 제공되는 바와 같이 합리적인 조건으로 타인에게 허용하도록 특허 소유권자에게 요구하는 권리를 가지고 있다.

발명의 분야

본 발명은 액정을 포함하는 전기-광학 렌즈에 관한 것으로서, 렌즈의 배율(power)이 전기장의 인가에 의해 변경될 수 있는 전기-광학 렌즈에 관한 것이다. 일 구체예에서, 액정-기반 렌즈는 인접한 전극들 사이에 위치된 저항 브릿지(resistive bridge)를 구비한 고리 전극을 포함하며, 바람직한 구체예에서, 상기 렌즈 상에 수 개의 전극 고리를 위한 입력 연결부가 이격되어 있다. 다른 구체예에서, 위상 리셋(phase reset)을 이용함으로써 광학적 배율(optical power)을 증가시킬 수 있는 액정-기반 렌즈가 제공되는데, 여기서 일 구체예에서, 이러한 렌즈는, 전극의 각 그룹을 가로지르는 위상 변화를 동일하게 되도록 하고 이전 그룹에 대해 매칭되도록 하는 고정된 위상 항이 전극의 각 세트에 부가될 수 있도록, 액정 셀의 마주하는 측면 상의 기판의 표면 상에 고리 전극을 포함한다.

렌즈의 광학적 배율(optical power)을 변경시키기 위해 복굴절 액정을 이용하는 전기-광학 렌즈는 공지되어 있다. 이러한 것들은 통상적인 유리 또는 플라스틱 광학 렌즈에 비해 전기장의 신중한 인가에 의해 렌즈의 광학적 배율을 변경시킬 수 있다는 고유한 장점을 가지고 있다. 현존하는 액정 전기-광학 렌즈의 하나의 단점은, 단일 렌즈가 형성시킬 수 있는 광학적 배율의 크기가 현재 제한적이라는 것이다.

전기-광학 액정 렌즈의 하나의 기본적인 구조는 얇은 액정층이 두 개의 투명 기판 사이에 샌드위칭되어 있는 구조이다. 각 기판의 내부 표면 상에, 투명한 금속성 전극 구조물이 형성된다. 전기장이 존재하지 않을 때, 액정 분자의 특정 배향을 형성시키기 위해 전극층의 상단 상에 정렬층이 형성된다. 전기장은, 전압이 하나의 전극층에 인가되고 전기적 전위가 전극들 사이에 발생될 때 액정층을 가로질러 형성된다. 전극 구조물이 패턴화되는 경우에, 전기장에서의 구배(gradient)가 형성되어 액정층의 굴절률의 구배를 일으킨다. 적절한 디자인의 전극 구조 및 인가된 전압을 갖는, 전기-광학 렌즈가 제작될 수 있다.

단일 렌즈로 수 개의 광학적 배율을 발생시키기 위해 전극 구조물을 이용한 전기-광학 액정 렌즈가 디자인되고 제작되었다.

구형의 전기-광학 액정 렌즈의 기본적인 구조는 환형의 고리 전극 디자인의 구조를 갖는데, 여기서 하나 또는 두 개의 기판 상의 투명한 전극이 인접한 이웃 고리들로부터 전기적으로 절연된 원환체 고리로 구성된다. 이러한 렌즈의 종래 디자인은 고리 전극 폭 및 공간이 흔히 렌즈의 광학적 배율을 결정한다는 측면에서 제한적이다. 그러나, 매우 많은 수의 매우 좁은 전극들이 제작되고 개별적으로 다루어질 수 있는 경우에, 이론적으로, 매우 큰 수의 광학적 배율이 이러한 렌즈에 의해 발생될 수 있다.

각 인접한 전극들 사이의 광학적 위상 변화가 일 웨이브(wave)의 약 1/8 미만이어야 하며 렌즈를 가로지르는 전체 위상 변화가 100 웨이브(wave) 만큼 높아야 한다는 것을 고려하여, 먼저 소자에 수 백개의 입력 연결부에 의해 다루어지는 수 백개의 고리로 이루어진 전극 구조물이 연속적인 조정을 위해 요구되는 것으로 나타난다. 그러나, 이는 허용 가능한 해법이 아닌데, 왜냐하면 이러한 전극을 형성시키기 위해 필요한 포토리소그래피(photolithography)가 수월치 않기 때문이다. 또한, 각 전극을 연결시키고 전기적으로 다루기 위한 버스 구조물(bus structure)의 제작은 힘든 일(overwhelming task)이고 얻어진 소자를 매우 복잡하고 다루기 힘들게 만들 것이다.

위상-랩핑(phase-wrapping)의 이용은 렌즈에 수 백개의 입력 연결부를 제작하는 문제점을 경감시키는데 도움을 줄 수 있다. 종래에, 문헌["Liquid Crystal Based Electro-Optic Diffractive Spectacle Lenses and Low Operating Voltage Nematic Liquid Crystals" by Joshua Naaman Haddock, a Dissertation submitted to the Faculty of the College of Optical Sciences in partial fulfillment of the Requirements for a Degree of Doctor of Philosophy in the Graduate College of the University of Arizona in 2005]에서는, 하나의 그룹에 대한 위상 변화가 대략적으로 일 웨이브(one wave)인 방식으로 전극이 그룹핑될 수 있는 것으로 나타내고 있다. 이에 따라, 입력 연결부의 갯수는 각 그룹에서의 고리의 갯수로 제한된다. 그러나, 이러한 계획은 단지, 전극의 각 그룹을 가로지르는 위상 변화가 일 웨이브의 배수에 매우 가까운 경우에 고효율을 제공한다. 이에 따라, 각 전극 그룹을 가로지르는 위상 변화는 연속적인 방식으로 변경되지 않을 수 있으며, 결과적으로 렌즈는 다중 배율로 연속적으로 조정되지 못할 수 있다.

미국공개번호 제2008/0212007호는 한 쌍의 마주하는 투명 기판들 사이의 액정층; 액정층과 제 1 투명 기판의 내측을 향하는 표면 사이에 위치된 저항 패턴화된 전극 세트; 및 액정층과 제 2 투명 기판의 내측을 향하는 표면 사이의 전도층을 포함하는 전기-광학 소자에 관한 것으로서, 상기 전도층 및 저항 패턴화된 전극 세트가 전기적으로 연결되며, 상기 저항 패턴화된 전극 세트가 하나 이상의 전기적으로 분리된 전극들을 포함하며, 소정의 전압 강하가 소정의 위상 지연 프로파일을 제공하기 위해 각 전극을 가로질러 인가되는 전기-광학 소자에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 입력 연결부의 수가 감소된 조정 가능한 액정-기반 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 리셋 또는 위상 랩핑이 존재하지 않는 조정 가능한 액정-기반 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고리 전극을 구비한 렌즈로서, 렌즈 상에 입력 연결부가 바람직하게 균일하게, 예를 들어 매 5개 초과의 전극 고리, 및 바람직하게 매 약 10개의 전극 고리의 간격으로 이격되어 있는, 고리 전극을 구비한 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적어도 두 개, 및 바람직하게 모든 인접한 전극들이 저항기에 의해 연결된, 고리 전극을 포함한 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전극 고리들 사이에 투명한 저항 브릿지를 구비한 렌즈로서, 상기 저항 브릿지가 전도성 코팅, 바람직하게 일 구체예에서 인듐 주석 옥사이드로부터 형성된, 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고리 전극 및 저항 브릿지가 동일한 물질을 이용하여 형성된 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고리 뿐만 아니라 저항 브릿지를 패턴화시키기 위해 포토리소그래피를 이용하여 두 개의 전극 고리 사이에 저항 브릿지를 형성시키는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성된 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 리셋을 포함하고 위상 랩핑을 이용하는 조정 가능한 액정-기반 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 둘 모두의 기판이 패턴화된 전극을 포함하는, 액정층의 마주하는 측면 상에 위치된 기판을 구비한 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 각 기판 상에 위치된 패턴화된 전극층을 구비한 두 개의 투명 기판을 포함하는 조정 가능한 렌즈로서, 전기-활성 액정 물질이 기판들 사이에 위치되며, 패턴화된 전극층들 중 하나가 광학적 위상 지연에 대해 미세 제어를 제공하며, 다른 하나의 층이 미세 제어 전극들 중 적어도 두 개의 그룹에 대해 위상의 조동 제어(coarse control)를 제공하는, 조정 가능한 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 하나의 기판 층의 전극이 제 2 기판의 전극층의 적어도 두 개의 전극을 중첩시키며 상기 중첩이 기판의 평면 방향으로 이루어지는 조정 가능한 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 두 개의 기판 표면 상에 패턴화된 전극을 제공하기 위한 것으로서, 이에 의해 고정된 피스톤 위상 항(fixed piston phase term)이, 전극의 각 그룹을 가로지르는 위상 변화가 동일하게 되고 또한 이전 그룹에 대해 위상 매칭될 수 있는 블레이즈드 전극 구조(blazed electrode structure)에 의해 한 섹션에서 전극의 각 세트에 부가된, 패턴화된 전극을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 구체예에서, 적어도 두 개의 실질적으로 투명한 기판, 각 기판에 작동 가능하게 연결된 실질적으로 투명한 전도성 전극층을 포함하는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자로서, 상기 전극층의 적어도 하나가 패턴화되고 복수의 고리 전극을 포함하며, 적어도 하나의 고리 전극이 저항 브릿지에 의해 인접한 고리 전극에 전기적으로 연결되며, 전기-활성 액정 물질층이 적어도 두 개의 실질적으로 투명한 기판들 사이에 존재하는, 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자가 기술된다.

본 발명의 다른 양태는 기판 상에 적어도 두 개의 전도성 전극 고리를 형성시키는 실질적으로 투명한 기판; 및 상기 전극 고리 사이에 위치되고 이를 전기적으로 연결시키는 저항 브릿지를 제공하는 단계를 포함하는, 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자를 제조하는 방법이다.

본 발명의 또 다른 양태는 기판에 작동 가능하게 연결되고 실질적으로 투명한 전도성 전극층을 구비하고 상기 전극층이 패턴화되고 복수의 고리 전극을 구비한 제 1의 실질적으로 투명한 기판; 기판에 작동 가능하게 연결된 실질적으로 투명한 전도성 전극층을 구비하고 상기 제 2 전극층이 패턴화되고 복수의 고리 전극을 구비한 제 2의 실질적으로 투명한 기판; 및 제 1의 실질적으로 투명한 기판과 제 2의 실질적으로 투명한 기판 사이에 존재하는 전기-활성 액정 물질층을 포함하는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자로서, 제 2 기판 상의 적어도 하나의 고리 전극이 제 1 기판의 적어도 두 개의 고리 전극을 평면 방향으로 덮는, 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자이다.

본 발명의 또 다른 양태는 적어도 두 개의 실질적으로 투명한 기판, 각 기판 상의 실질적으로 투명한 전도성 전극층, 및 기판들 사이에 배치된 전기 활성 물질을 포함하는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자로서, 각 기판 상의 전극층이 패턴화되고 복수의 고리 전극을 포함하며, 하나의 층의 패턴화된 전극이 광학적 위상 지연에 대해 미세 제어를 제공하며, 다른 층의 전극이 미세 제어 전극들 중 적어도 두 개의 그룹에 대해 위상의 조동 제어를 제공하는, 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자이다.

도면과 함께, 본 발명의 상세한 설명을 읽음으로써 본 발명이 더욱 잘 이해될 것이며 그밖의 특징 및 장점들은 명확하게 될 것이다.
도 1은 고리 전극을 포함한 액정-기반 광학 렌즈를 형성시키기 위해 이용된 기판의 평면도로서, 여기서 인접한 전극들은 저항 브릿지에 의해 연결되어 있다.
도 2는 특히 저항 브릿지를 도시하는 영역 2-2를 포함하는, 도 1에 도시된 패턴화된 기판의 일부의 상세 평면도를 도시한 것이다.
도 3은 절연체에서 비아(via)를 통해 고리 전극에 연결된 버스 라인의 일 구체예의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 액정-기반 조정 가능한 렌즈의 일 구체예의 단면도이다.
도 5는 고리 전극들 사이에 위치된 저항 브릿지에 대한 다른 구조의 다른 구체예의 평면도이다.
도 6은 기판 위에 고리 전극을 포함한 전극층을 포함하는 기판의 일 구체예의 평면도이다.
도 7은 절연체에서 비아를 통해 고리 전극에 연결된 버스 라인의 일 구체예의 평면도이다.
도 8은 기판 위에 복수의 전극 고리를 포함한 마주하는 기판의 일 구체예의 하면도이다.
도 9는 본 발명의 소자의 일부에 대한 입력 라인 연결부에 대한 2-층 디자인의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 액정-기반 조정 가능한 렌즈의 다른 구체예의 단면도이다.

본 발명의 전자-광학 소자는 전기적으로 조정 가능(electrically tunable)하고 투명 기판들 사이에 위치한 액정층을 포함하는 렌즈이고, 그러한 렌즈에서, 액정 물질은 전기장의 존재하에 재정렬 가능하다. 전압이 액정 물질을 함유하는 셀을 가로질러 인가되면, 액정 물질의 배향 축이 변화되며, 여기서, 패턴화된 전극 구조의 사용은 액정층의 굴절율에 구배를 생성시키는 전기장 내의 구배를 생성시킨다. 렌즈의 촛점 길이는 인가된 전기장을 조정함으로써 조정된다.

위상 랩핑(phase wrapping) 없는 조정 가능한 렌즈

이하, 도면을 참조하여 보면, 도 4는 본 발명의 전자-광학 소자(10)의 한 가지 구체예의 일부의 단면도를 예시하고 있다. 소자(10)는 한 가지 구체예에서 한 쌍의 기판(20, 22), 바람직하게는, 평면이며 서로 평행한 한 쌍의 기판(20, 22)을 포함한다. 기판은 도면에는 도시되지 않은 스페이서에 의해서 요망되는 거리로 유지된다. 거리의 범위는 다양할 수 있으며, 한 가지 구체예에서, 약 5 내지 약 100 마이크론이다. 전극층(30)은 하부 기판(20)상에 존재하고 전극층(32)은 상부 기판(22)상에 존재하며, 하부 전극층(30)은 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이 패턴화된 전극으로서 예시된다. 정렬층(50)은 기판(20, 22)상에, 바람직하게는 전극층(30, 32)상에 존재한다. 액정층(60)은 기판(20, 22) 사이에 존재하고 정렬층(50)과 접촉되어 있다. 본원에서 사용된 용어 "층"은 균일한 두께일 필요가 없으며, 층이 그 의도된 목적을 수행하는 한, 결함 또는 고르지 못한 두께가 존재할 수 있다.

소자(10)는 렌즈이기 때문에, 기판(20, 22)은 요망되는 광전송(optical transmission)을 제공해야 하고, 바람직하게는 투명하다. 기판(20, 22)은 평면이거나 굴곡될 수 있다. 본 기술분야에 공지된 바와 같은 다양한 물질, 예컨대, 유리, 석영(quartz) 또는 폴리머가 사용될 수 있으며, 유리가 바람직하다. 기판은 바람직하게는 비-복굴절성 물질이거나, 이들의 복굴절 효과를 최소화시키기 위해서 정렬되거나 보정된다.

전도성 전극층(30, 32)은 임의의 공지된 방법에 의해서 기판상에 증착될 수 있다. 바람직하게는, 패턴화된 전극(30)이 포토-리소그래피 공정(photo-lithographic process)을 이용함으로써 형성된다. 전극층 물질은 임의의 무기의 실질적 전도성 재료일 수 있다. 적합한 재료의 예는 금속 옥사이드, 예컨대, 인듐 옥사이드, 주석 옥사이드 및 인듐 주석 옥사이드를 포함하며, 바람직하게는 인듐 주석 옥사이드이다. 전도성 전극층의 두께는 일반적으로 약 100 내지 약 2,000 옹스트롬이다. 전극층은 요망되는 전도성을 제공하기 위해서 충분히 두꺼워야 한다. 전도성 전극층의 저항률은 일반적으로는 약 10 내지 약 1,000 ohm/sq이고, 바람직하게는 약 10 내지 약 200 또는 300ohm/sq이다.

정렬층(50)은, 전압이 소자(10)에 인가되지 않은 때에, 액정내의 특별한 방향성 배향을 유도하기 위해서 사용된다. 폴리아미드 및 폴리비닐 알코올을 포함하지만, 이로 한정되는 것이 아닌, 정렬층으로서 사용하기에 적합한 다양한 물질이 본 기술분야에 공지되어 있다. 정렬층(50)의 두께, 예컨대, 약 100 내지 약 1,000 옹스트롬의 두께는 요망되는 방향성 배향을 액정 물질에 부여하기에 충분해야 한다. 본 기술분야에 공지된 바와 같이, 정렬층(50)은 일부 구체예에서 러빙(rubbing)에 의해서 처리되어서, 전기장이 액정 물질에 인가되기 전에 실질적으로 균일한 분자 배향을 액정 물질에 부여한다.

일반적으로, 전기장의 존재하에 조절될 수 있는 배향성 질서를 지니는, 네마틱(nematic), 스메틱(smectic) 또는 콜레스테릭(cholesteric) 상 형성 액정, 또는 폴리머-함유 액정, 예컨대, 폴리머 액정, 폴리머 분산된 액정 또는 폴리머 안정화된 액정을 포함한 임의의 액정 물질이 사용될 수 있다. 네마틱 액정이 한 가지 구체예에서 바람직하다. 적합한 액정 물질에 의해서 보유되는 바람직한 특성은 많은 어려움 없이 액정을 정렬시키는 능력, 신속한 스위칭 타임(rapid switching time), 및 낮은 전압 임계치(voltage threshold)를 포함한다.

도 1은 위에 전극층(30)이 존재하는 기판(22)의 한 가지 구체예를 예시하고 있다. 전극층(30)은 패턴화되고 복수의 전극, 예컨대, 중심 디스크(35)의 형태로 고리를 둘러싸는 고리(34)들의 모양의 복수의 전극을 포함하고, 여기서, 인접 고리들 가장 안쪽의 고리(34) 및 디스크(35)는, 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이, 저항 브릿지(38)를 제외하고는, 전기적 절연 갭(36)에 의해서 서로 전기적으로 분리되어 있다. 절연 갭(36)은 인접 전극들 사이에 위치한 개방 공간이거나 비-전도성 절연 물질, 예컨대, 이산화실리콘일 수 있다. 한 가지 바람직한 구체예에서, 갭(36)은 상기 개방 공간이다. 고리(34)들은 바람직하게는 실질적으로 환형 및 동심형 고리이지만, 이들은 사용되는 물질 및 기술로 인해서 모두가 완벽한 기하학적 모양으로서 형성될 수 없다. 이는 본원에서 사용된 용어 "고리"가 고리-유사 구조, 예를 들어, 타원형 고리인 구조를 포함함을 의미한다. 유사하게, 디스크(35)는 바람직하게는 원형이지만, 또한 고리-유사할 수 있다. 전극은 동일한 평면에 존재하거나, 절연체에 의해서 분리된 상이한 평면에 존재할 수 있어서, 저항 브릿지(38)가 상이한 평면에서 전극을 연결시킬 수 있다.

고리의 폭은 한 가지 구체예에서 인접 전극들 사이의 최대 상 차이가 약 1/8 웨이브(wave) 미만이도록 설정된다.

기판, 즉, 고리(34) 및 중심 디스크(35) 둘 모두에 존재하는 전극들의 수는 다양하다. 한 가지 구체예에서, 일반적으로 약 20 내지 약 2,000, 바람직하게는 약 50 내지 약 200개의 전체 전극이 기판상에 존재한다.

본 발명에 따르면, 전극들중 하나 이상의 그룹, 즉, 둘 이상의 전극, 바람직하게는, 모든 또는 실질적으로 모든 존재하는 전극이 저항성 디바이더(divider) 네트워크의 일부이다. 전극 구조는 인접 전극들 사이의 위상 지연(phase retardation)에서의 일련의 실질적인 선형 변화가 확립될 수 있게 설계되고, 이는 포커싱 옵틱(focusing optic)을 생성시키는데 요구되는 포물선 r² 위상 프로파일을 생성시킬 것이다. 저항성 디바이더 네트워크는 도 1, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같은 인접 전극 고리(34)들 또는 고리(34)와 디스크(35)를 연결시키는 요망되는 저항을 지닌 저항 브릿지(38)를 포함한다. 소자의 디자인에 따라서, 저항성 디바이더 또는 브릿지(38)는 일반적으로 약 100 내지 약 2,000 ohm, 바람직하게는 약 800 내지 약 1,200ohm의 저항을 지닐 수 있다. 저항 브릿지(38)는 전기 전도성 재료, 바람직하게는 비-전도성 재료 또는 각각의 인접 전극(34, 35) 사이에 요망되는 저항을 생성시키는 것을 돕는 전도성 재료가 없는 영역에 의해서 경계를 이루고 있는 전기 전도성 재료를 포함하는 저항 경로를 포함한다.

저항 브릿지의 전도성 재료는 전도성 전극층(30)에 대해서 정의된 바와 같은 임의의 재료일 수 있다. 전도성 전극층(30)의 재료는 저항 브릿지의 전도성 재료와는 상이할 수 있지만, 바람직하게는 동일한 재료이다. 한 가지 구체예에서, 인듐 주석 옥사이드가 저항 브릿지의 바람직한 전도성 재료이다. 본 발명의 중요한 이점으로서, 요망되는 전극층(30)을 생성시키기 위해서 이용되는 방법, 예를 들어, 포토리소그래피가 각각의 저항 브릿지(38)의 패턴을 생성시키기 위해서 이용된다. 따라서, 패턴화된 전극층 및 저항 브릿지는 단일 공정 단계 내에서 포토리소그래피를 이용함으로써 생성된다. 따라서, 저항 네트워크를 형성시키기 위한 추가의 재료들 또는 공정 단계들이 요구되지 않는다.

또한, 전압에 의한 액정 위상 변화가 또한 선형인 경우라면, 연속적으로 조정 가능한 렌즈가 단지 두 개의 입력 연결부, 즉, 가장 안쪽의 고리, 즉, 디스크(35)에서의 하나의 입력 연결부 및 가장 바깥쪽의 전극 고리에서의 하나의 연결부로 제작되어서, 다중 버스 라인(multiple buss line)에 대한 필요를 없앨 수 있다. 이러한 구체예는 액정 소자의 이용 가능한 위상 변화의 작은 부분만이 이용되는 경우에 특히 유용하다.

액정 소자의 전압 대 위상 관계가 전체의 가능한 포물선 위상 변화중 작은 부분에 걸쳐서 선형으로 여겨지는 구체예에서, 각각의 전극을 고정된 저항 브릿지에 의해서 연결시키고 렌즈상에 고르게 거리를 둔 몇 개의 전극 고리들을 위한 입력 연결부를 제공하는 것이 바람직하다. 한 가지 구체예에서, 입력 연결부는 n 번째 전극 고리 마다 연결시키며, 여기서, n은 2 이상이다. 따라서, 한 가지 구체예에서, 가장 안쪽 고리 또는 디스크(35)에서 연결된 입력 연결부를 제공하고, 고리, 예를 들어, 약 10 내지 약 100개의 전극 고리, 바람직하게는 약 10 내지 약 20개의 전극 고리의 수에 기초하여 추가의 입력 연결부를 제공하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 기판(22)이 100개의 고리 전극을 포함하고, 여기서, 그러한 고리 전극들중 하나가 가장 안쪽의 디스크 전극인 구체예에서, 전극들 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 및 100에 입력 연결부들이 제공된다. 따라서, 이러한 구체예에서, 액정 재료를 위한 위상 대 전압 관계는 저항 브릿지가 사용되지 않았던 상기 방법의 범위의 1/10에 걸쳐서 선형임이 단지 요망된다. 유사하게, 20개의 입력 연결부가 사용되는 구체예에서, 선형성은 전체 범위의 1/20에 걸쳐서 단지 요구되거나, 다섯 번째 전극마다 요망된다. 도 1은 제 1 전극 및 전극층(30)의 10 번째 전극에 각각 연결된 입력 연결부(70)를 예시하고 있다.

요망되는 전극에 대한 입력 연결부(70)는 기판에 가장 가까운 전극 측 상에 또는 기판과는 떨어져 있는 반대 전극 측 상에 위치할 수 있다. 입력 연결부들은 바람직하게는 절연 재료, 예컨대, 이산화실리콘을 전극층과 입력 연결부 사에에 증착시킴으로써 형성된다. 각각의 입력 연결부는 도 3에 도시된 바와 같은 절연체 내의 비아(via)를 통해서 적절한 전극에 연결된다. 입력 연결부가 기판으로부터 떨어져 있는 전극 측에 위치하는 구체예에서, 입력 연결부는 전극층상에 얇은 절연체의 층을 증착시키고, 이어서, 각각의 입력 연결부를 위한 절연 층상에 입력 연결 라인을 성장시킴으로써 제조될 수 있다.

예시적인 구체예에서, 액정층, 예를 들어, 약 25㎛의 두께를 지니며 머크(Merck)사로부터 입수 가능한 액정 18349를 포함하는 액정층은 약 1cm의 렌즈 직경에 대해서 약 0.5 디옵터(diopter)의 광학적 배율(optical power)을 줄 것이다. 더 높은 광학적 배율은 액정층 두께를 증가시킴으로써 달성될 수 있지만, 결국은 전기장에서의 비-선형성이 광학적 성능을 떨어뜨릴 것이고; 다양한 광학적 배율들 사이의 스위칭 이완 시간(switching relaxation time)이 또한 액정 두께와 함께 증가할 것이다. 추가의 광학적 배율은 또한 다중 전자-광학 소자(10)를 스택킹(stacking)함으로써 달성될 수 있다.

적절한 전압이 본 기술분야에서의 전문가에게는 공지된 바와 같이 입력 연결부(70)를 통해서 소자(10), 즉, 전극층(30)에 인가된다. 비패턴화된 전극층(32)은 접지로서 역할을 한다. 전압은 사용된 액정 재료 및 전극들 사이의 액정 재료의 두께를 포함하지만 이로 한정되는 것은 아닌 많은 인자에 기초하여 소자(10)에 인가된다. 전극, 예를 들어, 회로, 프로세서 또는 마이크로프로세서에 인가된 전압을 조절하기 위한 다양한 방법이 본 기술분야에 공지되어 있다.

위상 랩핑을 지닌 조정 가능한 렌즈

본 발명의 추가의 구체예는 위상 랩핑을 이용하는 조정 가능한 전자-광학 소자에 관한 것이다. 그러한 소자는 위상 리셋의 사용을 통해서 더 높은 광학적 배율을 달성하는 이점이 있다.

배경 기술에서 기재된 위상 랩핑 방법과는 대조적으로, 본 발명의 구체예는 개별적인 출력 연결부를 지니기 위한 각각의 전극 고리를 필요로 하지 않지만, 그와 동시에, 조정 가능한 위상-랩핑된 렌즈를 가능하게 한다.

이러한 구체예에서, 패턴화된 전극이 액정 재료의 측중 한 측상의 기판 표면들 둘 모두 상에 제공되고, 그에 따라서, 고정된 "피스톤(piston)" 위상 기간이 블레이즈드 전극 구조의 한 구역내의 전극 세트 각각에 부가될 수 있다. 이는 전극들의 각각의 그룹을 가로지른 위상 변화가 동일하게 하고, 이어서, 또한 선행 그룹과 관련하여 위상 매칭되게 한다.

도 10은 본 발명의 전자-광학 소자(110)의 한 가지 구체예의 한 부분의 단면도를 예시한다. 소자(110)는 일반적으로 둘 모두 서로 평행한 기판(120, 122)의 쌍을 포함한다. 이는 기판들이 평면이고/거나 굴곡된 기판 등일 수 있음을 의미한다. 전극층(130)은 하부 기판(120) 상에 존재하고, 전극층(132)은 상부 기판(122)상에 존재하며, 전극층들 둘 모두는, 본원에서 추가로 설명된 바와 같이, 패턴화된 전극이다. 정렬층(150)은 각각의 기판(120, 122), 바람직하게는 전극층(130, 132) 및 배치된 인접 액정층(160) 상에 존재하며, 여기서, 각각의 성분들 각각에 대해서는 상기 본원에서 기재된 재료, 명세사항 및 형태 등이 여기서 참조로 통합된다.

도 6은 각각의 입력 연결부(170)를 각각 지니는 복수의 전극을 포함한 기판(120)의 한 가지 구체예의 평명도를 예시하고 있다. 전극은 일반적으로, 본원에서 기재된 바와 같이, 고리-유사 원형 또는 디스크 전극(135) 및 복수의 고리 전극(134)을 포함한다. 바람직한 구체예에서, 전극층(130)은 상이한 평면내에 배치된 인접 전극들을 포함한다. 예를 들어, 도 9를 참조할 수 있다. 절연 재료(140)는 고리 전극(134)들의 상이한 평면들을 분리한다. 입력 연결부/전극 고리 연결부는 도 7에 도시된 바와 같이 비아(via)를 통해서 형성된다.

도 8은, 도 10에 예시된 바와 같은 기판(120)에 비해서 액정층(160)의 반대 측상에 배치되게 구성되고, 중심 고리-유사 원형 전극 또는 디스크 전극(135)을 둘러싸는 복수의 전극 고리(134)를 포함한 전극층(132), 즉, 본 경우에서의 반대 전극층을 포함하는 기판(122)의 한 가지 구체예를 예시하고 있다. 본 발명에 따르면, 반대 전극층(132)상의 단일 고리 또는 디스크 구조는 하부 기판(120)의 전극 고리보다 더 넓거나 더 큰 면적을 지니고, 둘 이상의 고리의 하나 이상의 그룹을 덮거나 이들과 중첩된다. 면적 측정은 특정의 전극이 배치되는 장소의 기판의 평면에 일반적으로 수직 또는 직각인 서로로부터 액정 재료 층을 직접적으로 가로지러 분산된 전극에 대해서 이루어진다. 특히, 도 8은 몇 개의 그룹, 예를 들어, 기판(120)상의 하부 전극층(130)의 4개의 미세한-고리 전극(134)들 상에 피스톤-유사 위상 변화를 제공하는 조악한 반대 전극층을 위한 디자인을 예시하고 있다. 입력 연결부(170)는 상부 전극층(132)의 전극의 각각을 위해서 제공된다.

도 10에 예시된 바와 같이, 액정 재료(160)는 기판(120, 122)과 전극층(130, 132) 사이에 위치된다.

위상 랩핑을 지닌 조정 가능한 렌즈를 포함한 본 발명의 구체예의 방법중 한 가지 예는 다음과 같다.

기술의 예로서, 0.25 디옵터 스텝 또는 그 미만 내에서 1.5 디옵터 범위에 걸쳐서 광학적으로 조정 가능한 소자가 요망되는 것이 확실하다. 이러한 조정 가능한 전자-광학적 렌즈를 달성하기 위해서, 이러한 예에서 4 개의 고리의 그룹들에 모든 전극을 지니는 미세한-고리 구조(즉, 전극 고리 n은 고리 n+4와 동일한 전압을 지닌다)가 제작된다. 반대-전극 고리 구조는 반대 전극 고리의 각각의 전극 고리가 훨씬 더 넓은 면적을 지니고, 일반적으로 기판의 평면에 실질적으로 수직 또는 직각인 방향으로 반대 전극의 고리들, 즉, 4 개의 미세한 고리들의 한 그룹을 덮는 장소의 다른 기판상에 존재한다. 도 8은 도 6에 예시된 4 개의 미세한-고리 전극들의 몇 개의 그룹들 상에 피스톤-유사 위상 변화를 제공하는 조악한 반대-전극층을 위한 디자인을 예시하고 있다. 넓은 고리들, m은 12개의 고리들(고리 m은 고리 m+12와 동일한 전압을 지닌다)내로 접지된다. 따라서, 렌즈를 전기적으로 구동시키기 위해서 요구되는 16개의 입력 연결부, 즉, 반대-전극의 넓은 고리들을 위한 12개와 제 1 전극의 미세한 고리들을 위한 4개가 존재한다. 이러한 디자인에 의해서, 얼마나 많은 수의 미세한 전극의 그룹이 하나의 위상 지연 웨이브(wave)를 얻기 위해서 사용되는 지를 선택하여, 정확한 위상 표현을 위한 지연 웨이브당 미세한 고리의 최소 수 또는 전압이 8임을 알 수 있다. 따라서, 위상 지연의 웨이브당 4개의 미세한 전극 고리의 2, 3, 4, 6 또는 12개의 그룹을 지니도록 선택할 수 있으며, 1개의 지연 웨이브당 12개의 그룹은 가장 큰 효율을 생성하지만 가장 작은 광학적 배율을 생성하고, 웨이브당 2 개의 그룹은 가장 낮은 효율을 생성하지만 가장 큰 광학적 배율을 생성한다.

이러한 예의 경우에, 요망되는 변화의 범위는 1.5 디옵터이고, 그리하여 -0.75 내지 +0.75 디옵터의 배율 범위를 지니는 가변 렌즈가 요구된다. 어떻게 전극이 그룹을 이루는지에 대한 선택에 의해서, 렌즈의 가장 높은 배율이 +0.75 디옵터인 것으로 요구되는 경우, 2, 3, 4, 6 또는 12 개의 전극 그룹을 지닌 렌즈의 배율은 +0.75, +0.5, +0.375, +0.25 또는 +0.125 디옵터일 것이다. 소자는 반대의 전기적 극성으로 작동하기 때문에, 소자는 또한 동일한 음성(negative)의 광학적 배율을 생성시킬 것이다.

따라서, 이러한 위상-랩핑된 전자 렌즈의 구체예는 11의 광학적 배율 수준에 걸쳐서 조정 가능하다. 물론, 이러한 배율 범위는 고정된 배율 렌즈를 부가함으로써 상쇄될 수 있다. 예를 들어, 상기 예의 소자를 -2.25 디옵터의 통상의 렌즈와 조합함으로써, 11 스텝으로 -1.5로부터 -3.0 디옵터까지 조정할 수 있다. 대안적으로, 상기 소자를 +1.75 디옵터의 통상의 렌즈와 조합함으로써, +1.0으로부터 +2.5 디옵터까지 조정할 수 있다.

전극에 인가된 전압을 더욱 명백하게 예시하기 위해서, 위상 지연이 인가된 전압의 선형 함수이고 전압을 특정하기보다는 각각의 전극이 중심 전극에 대해서 특정의 위상 지연을 생성시키는 전압을 지닌다고 말할 수 있는 LC 소자가 필요하다.

그러한 정의에 의하면, 음성 렌즈의 경우에, 각각의 그룹내의 4 개의 미세한 전극에 인가된 전압은 다음과 같다:

여기서, 이러한 예에서의 j는 상대적인 렌즈 배율에 상응하게 2, 3, 4, 6 또는 12이다.

이러한 예에서의 반대-전극을 위한 전압은 위상에 상응할 것이다;

위상(라디안)=

특정의 예로서, 이러한 렌즈를 -0.5 디옵터(j=3)인 것으로 조정하는 것을 고려해야 한다. 미세한 전극에 인가된 전압은 하기 기재된 위상에 상응할 것이다:

반대 전극에 인가된 전압은 하기 기재된 위상을 나타낼 것이다:

이어서, 중심 전극으로부터 계수하고 계산하면, 각각의 미세한 고리의 위치에서의 상대적인 위상은 다음과 같을 것이다:

상기 예시된 바와 같이 광학적 배율의 각각에 상응하는 미세한 전극 및 반대 전극에 인가된 전압은 전원 및 렌즈와 소통하는 메모리 칩에 저장될 수 있다. 그러한 칩은 요구시에 요망되는 광학적 배율을 제공하도록 프로그램화된다.

본 발명의 조정 가능한 렌즈 소자, 예를 들어, 도면에서 예시된 소자(10, 110)는 렌즈, 예를 들어, 유리 또는 안경, 카메라, 다양한 디스플레이, 망원경, 줌 렌즈, 파면보상기(wavefront corrector) 및 사람의 눈에서의 결함을 진단하기 위해서 사용되는 장비를 포함하지만 이로 한정되는 것은 아닌 많은 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 본 발명의 조정 가능한 렌즈는 통상의 렌즈 및 광학장치가 사용되는 곳이라면 어느 곳이나 사용될 수 있다.

특허 법령에 따라서 최상의 방식 및 바람직한 구체예를 기재하고 있지만, 본 발명의 범위는 이로 제한되는 것이 아니며, 첨부된 특허청구범위의 범위에 의해서 한정되어야 한다.

Claims (24)

1. 두 개 이상의 실질적으로 투명한 기판, 각 기판에 작동 가능하게 연결된 실질적으로 투명한 전도성 전극층을 포함하며,
   상기 전극층의 하나 이상이 패턴화되고 복수의 고리 전극을 포함하며, 하나 이상의 상기 고리 전극이 인접한 고리 전극에 저항 브릿지에 의해 전기적으로 연결되며, 두 개 이상의 실질적으로 투명한 기판 사이에 전기-활성 액정 물질층이 존재하는, 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
2. 제 1항에 있어서, 입력 연결부가 고리 전극들 중 하나 이상에 작동 가능하게 연결되며, 렌즈 소자가 제 1 전압이 입력 연결부를 통해 고리 전극에 인가될 때 제 1 광학적 배율에서 제 2 광학적 배율로 조정 가능한, 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
3. 제 1항에 있어서, 저항 브릿지가 저항을 갖는 전기 전도성 재료를 포함하는 저항 경로를 포함하며, 상기 전도성 재료가 인접한 고리 전극들을 연결시키는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
4. 제 3항에 있어서, 저항 브릿지의 전도성 재료가 약 100 내지 약 2,000 옴(ohm)의 저항을 가지며, 전도성 재료가 비-전도성 재료, 또는 전도성 재료가 존재하지 않는 영역에 의해 경계를 이루는, 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
5. 제 4항에 있어서, 저항 브릿지의 전도성 재료의 저항이 약 800 내지 약 1,200 옴인, 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
6. 제 3항에 있어서, 전극층이 인듐 옥사이드, 주석 옥사이드, 및 인듐 주석 옥사이드 중 하나 이상을 포함하며, 전극층 각각의 두께가 독립적으로 약 100 내지 약 2,000 옹스트롬이며, 전극층의 저항률이 약 10 내지 약 1,000 ohms/sq이며, 저항 브릿지의 전도성 재료가 인듐 옥사이드, 주석 옥사이드 및 인듐 주석 옥사이드 중 하나 이상을 포함하는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
7. 제 1항에 있어서, 정렬층이 각 전극층 상에 존재하며, 기판이 약 5 내지 약 100 마이크론의 거리로 유지되는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
8. 제 1항에 있어서, 기판이 비-복굴절 물질, 정렬된 물질(aligned material), 또는 보충 물질(compensated material), 또는 이들의 조합물을 포함하는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
9. 제 3항에 있어서, 패턴화된 전극층이 약 20 내지 약 2,000개의 전극을 포함하는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
10. 제 9항에 있어서, 입력 연결부가 패턴화된 전극층의 가장 안쪽의 고리에 작동 가능하게 연결되며, 입력 연결부가 약 10개 내지 약 100개의 전극 고리의 각각에 대해 추가적으로 제공되며, 저항 브릿지가 각 인접한 고리 전극의 쌍 사이에 제공되는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
11. 실질적으로 투명한 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 두 개 이상의 전도성 전극 고리를 형성시키는 단계; 및
    상기 전극 고리들 사이에 위치되고 이를 전기적으로 연결시키는 저항 브릿지를 형성시키는 단계를 포함하는, 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자를 제조하는 방법.
12. 제 3항에 있어서, 전극 고리 및 저항 브릿지가 포토리소그래피를 이용하여 형성되는 방법.
13. 제 3항에 있어서, 저항 브릿지를 형성시키는 단계가 비-전도성 재료, 또는 전극 고리들 사이에 저항을 형성시키는 전도성 재료가 존재하지 않는 영역에 의해 경계를 이루는 전기 전도성 재료를 포함하는 저항 경로를 제공함을 포함하는 방법.
14. 제 13항에 있어서, 저항 브릿지의 전도성 재료가 약 100 내지 약 2,000 옴(ohm)의 저항을 갖는 방법.
15. 기판에 작동 가능하게 연결된 제 1의 실질적으로 투명한 전도성 전극층을 구비하고 상기 제 1 전극층이 패턴화되고 복수의 고리 전극을 구비하는 제 1의 실질적으로 투명한 기판; 기판에 작동 가능하게 연결된 제 2의 실질적으로 투명한 전도성 전극층을 구비하고 상기 제 2 전극층이 패턴화되고 복수의 고리 전극을 구비하는 제 2의 실질적으로 투명한 기판; 및 제 1의 실질적으로 투명한 기판 및 제 2의 실질적으로 투명한 기판 사이에 존재하는 전기-활성 액정 물질층을 포함하며,
    제 2 기판 상의 하나 이상의 고리 전극이 제 1 기판의 두 개 이상의 고리 전극을 평면 방향으로 덮는, 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
16. 제 15항에 있어서, 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중 하나 이상의 동일한 전극층의 인접한 고리 전극이 상이한 평면에 배치되며, 각 고리 전극이 입력 연결부를 포함하는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
17. 제 16항에 있어서, 제 2 기판 상의 하나 이상의 고리 전극이 제 1 전극층의 고리 전극의 수 개의 그룹에 대해 피스톤형 위상 변화를 제공하는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
18. 제 15항에 있어서, 정렬층이 각 전극층 상에 존재하며, 제 1 기판 및 제 2 기판이 약 5 내지 약 100 마이크론의 거리로 유지되는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
19. 제 15항에 있어서, 소자가 이에 인가된 전압의 선형 함수인 위상 지연(phase retardation)을 갖는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
20. 제 19항에 있어서, 각 전극이 제 1 전극층 및 제 2 전극층 각각의 중심 전극에 대해 특정의 위상 지연을 형성시키는 전압을 갖는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
21. 두 개 이상의 실질적으로 투명한 기판, 각 기판 상의 실질적으로 투명한 전도성 전극층, 상기 기판들 사이에 배치된 전기 활성 물질을 포함하며,
    상기 각 기판 상의 전극층이 패턴화되고 복수의 고리 전극을 포함하며, 하나의 층의 패턴화된 전극이 광학적 위상 지연에 대해 미세 제어를 제공하며, 다른 층의 전극이 미세 제어 전극들 중 두 개 이상의 그룹에 대해 위상의 조동 제어를 제공하는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
22. 제 21항에 있어서, 다른 층의 전극이 미세 제어 전극들 중 4개 이상의 그룹에 대해 위상의 조동 제어를 제공하는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
23. 제 22항에 있어서, 소자가 이에 인가된 전압의 선형 함수인 위상 지연을 갖는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.
24. 제 23항에 있어서, 각 전극이 제 1 전극층 및 제 2 전극층 각각의 중심 전극에 대해 특정의 위상 지연을 형성시키는 전압을 갖는 조정 가능한 전기-광학 렌즈 소자.

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