TW201426143A - 電容性耦合電場控制裝置 - Google Patents

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Karen Asatryan
Amir Tork
Armen Zohrabyan
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Abstract

一個空間非均勻的電極結構，其用於控制一個空間非均勻電場，以控制一個可調諧的液晶透鏡，該空間非均勻的電極結構可實現預定的空間非均勻電廠輪廓，其中採用複數個不同的電浮置的相鄰電極段之間的複合電容性耦合。透過對有限個電極施加初始電位，以形成一個所希望的電場分佈。

Description

電容性耦合電場控制裝置
本發明係關於一種液晶光學裝置，更詳而言之，係關於液晶光學裝置的控制電極。
液晶(LC)顯示器(LCD)和液晶透鏡(LCL)在本發明所屬之技術領域中是已知的。在大部分使用液晶的情況下，係形成一個漸變折射率(GRIN)的光學透鏡，並透過控制裝置的光通孔(Clear Aperture,CA)內空間的液晶分子的相對取向梯度來控制該透鏡。而該液晶分子的取向是對電場敏感的，梯度(對應於LCL的光學倍率)可以透過改變電驅動參數(電位、頻率或他們的組合)來控制，而沒有任何宏觀的機械運動或形變。
對應於空間非均勻的電場用於控制液晶分子的取向，各種液晶透鏡的設計已經被揭露，例如，佐藤進的“可變聚焦透鏡的液晶裝置”(Applications of Liquid Crystals to Variable-Focusing Lenses,OPTICAL REVIEW Vol.6,No.6(1999)471-485)。其中，該液晶裝置揭示了一種使用複數個電極排列(如在液晶顯示器中使用的那種)以產生一種類似透鏡的電場空間分佈的方法。然而，其製造和動態控制的複雜性降低了該液晶裝置的吸引力和工業價值。
佐藤進所描述的另一種方法100是結合使用的孔狀電極(HPE)102和均勻透明電極(TUE)104(在底部基板105上)，如第1A圖所繪示(以下，液晶單元中的液晶對準層和其他標準元素將被省略，以簡化附圖。此外，各種設計和實施例的示意性橫截面視圖中也會如此簡化)。在兩個電極102和104之間的電位差106會生成一個空間非均勻電場150(在ACB各點之間，如第1B圖中示意性地示出)。因此，如果電位200(以及相應的電場)具有適當的空間分佈，那麽相應的重新定向的液晶分子108和裝置100的光通孔(CA)110內的折射率調製，可以實現所需的球面型(或者非球面，下同)，從而形成品質好的透鏡100。這樣的透鏡的光學倍率(以屈光度為單位，OP)可表示為：OP=2 L△n/r2，其中，L是液晶層112的厚度，△n是透鏡100的中心(C點周圍)和週邊(A和B點周圍)的折射率差，以及r是光通孔110的半徑。焦點距離F(單位為米)是光學倍率OP的倒數，F=1/OP。這樣的設計實現了更簡單的製造，但仍然有一些重要的缺點，亦即HPE 102和TUE 104之間的距離(由液晶的厚度為L和頂部基板的厚度H決定)必須是比較大的，以確保液晶層112內平滑的電場空間分佈(150)。此電極間距L+H必然會增加控制的液晶透鏡100所需的電位(幾十伏特)。
在A.F.Naumov等人發表的一篇題為“液晶自適應鏡片與莫代爾控制”的文章("Liquid-Crystal Adaptive Lenses with Modal Control"，OPTICS LETTERS/Vol.23，No.13/July 1，1998)中，揭示了一個液晶透鏡200的設計(如圖2所示)，它使用的HPE 202設置在液晶單元內(佐藤進設計的頂部基板101，如第1A圖 中所繪示，被倒置翻轉了180度)。在這種情況下，HPE 202和TUE 104非常接近(只有液晶層212的厚度L作為間隔)和小於5伏特(V)的電位206足夠控制液晶透鏡200的光學倍率。然而，該設計會留下一個問題：液晶層212內的電場分佈將有一個突變的特性。為了解決在電場分佈的突變，需要一個高電阻率或弱導電性層(WCL)214被設置到HPE 202表面，該高電阻率或弱導電性層會由於一個非常高的薄層電阻Rs而使上述之電場分佈更加平滑，薄層電阻Rs被定義為R=(d σ)-1，其中，d是WCL層214的厚度，σ是WCL層214的導電性。
這一平滑的概念可以理解為：電位從HPE202的周邊向中心衰減的情況，在一個經典的RC電路中，兩個電極TUE104和HPE202之間互相重疊部分形成電容的衰減，其中在兩個電極上覆蓋有WCL材料214，電極之間含有絕緣的液晶層212。同時，WCL214的薄層電阻Rs主要起到電阻R的作用。
由於微型照相機的“RC因數”(其光通孔110的尺寸範圍為1.5至2毫米)和厚度為L的LC層212的介電常數ε LC，使得WCL 214的薄層電阻Rs大概為幾十MΩ，以實現一個平滑的電場分佈。由於這種電阻的過渡區(也稱為滲流區)的電氣性能，這種薄膜的製造是非常困難的。
此外，消費產品的照像機都應該適用於非偏振光線。這需要使用兩個LC層212(在垂直的平面上使液晶分子取向的取向表面結構被預先地取向，如第3A圖所繪示)處理非偏振光線的兩個正交的偏振方向。要使兩個半透鏡200以同樣的方式聚焦，且需要兩個WCL具有相同的Rs(誤差在3%內)。這使與偏振 無關的完整的透鏡300的製造具有非常嚴格的條件，因為薄層電阻製造的重複性是非常差的，如第3B圖所繪示。這種方法的另一個基本缺點是：電位的衰減(從HPE 202的外周，即點A或B，朝透鏡的中心點C的衰減)，該衰減是很難被控制，且是由RC電路的物理性質所決定的，以獲得特定的非球面分佈，而該非球面分佈是得到良好的光學圖像質量的條件。此外，所有具有適當的Rs值的材料都是對溫度變化非常敏感的。
先前技術發展替代辦法以解決部分的Naumov構造中的問題。其中之一是LensVector所揭示的WO2009/153764，其中，該技術使用一個單一WCL 314以消除嚴格的生產可重複性的要求，如第4圖所繪示。在配置300中，HPE 302和WCL 314被設置在兩個基板105(幾乎是對稱的)之間，基板作為兩個正交偏振的LC層312的底部和頂部基板。因此，同一組的控制電極結構(HPE 302和WCL 314)用來控制兩個相同的液晶層312。
另一種方法400，如第5A和5B圖所繪示，係Wang等人所發表的“具有低驅動電位的薄液晶透鏡”(B.Wang,M.Ye,M.Yamaguchi,and S.Sato,“Thin Liquid Crystal Lens with Low Driving Voltages”,Japanese Journal of Applied Physics 48(2009)098004)。在該薄液晶透鏡之構造中，在WCL層414靠近LC層412，同時在HPE 402的中間有一個額外的電連接的圓盤形電極(DSE)416，DSE和HPE都被設置在液晶單元400的外側。儘管該構造有助於避免短暫的分子取向缺陷(被稱為向錯)，也可以實現更好的控制電場分佈500，但該構造仍然有幾個缺點，其中包括WCL 414的製造問題。因為該構造仍然需要兩個WCL(每個 LC層各設一個)，或只使用一個WCL 414和控制電極(HPE 402，DSE 416)，但WCL必須設置在相對遠離TUE 104的位置，因為現在兩個LC層412必須由相同的HPE 402和DSE 416電場控制結構進行控制。此外，需要有兩個獨立的連續可變的電位V1 106和V2 406來驅動液晶透鏡400。因此，接地的TUE 104和HPE 402上的施加電位V1 106可能會產生一個空間非均勻的電位分佈和相應的光學倍率，如第5B圖所繪示之實線500。同時，在DSE 416上施加電位V2 406，可能會產生一個均勻的電位(如第5B圖所繪示之實線和虛線的水平線)，進而避免了向錯的出現或允許光學倍率的連續控制和防止透鏡400的像差。電位106或406的絕對值也仍然高於Naumov的方法中使用的電位206(由於頂部電極101的高度H造成的電極104/402間的額外距離)。最後一個方法係由Ye等人發表的“低電位驅動液晶透鏡”(“Low-Voltage-Driving Liquid Crystal Lens”,Japanese Journal of Applied Physics 49(2010)100204,RAPID COMMUNICATION)所揭示，其中，該液晶透鏡包括上下翻轉頂部基板101，以及在電極上塗覆1μm的SiO2薄膜，並使用(如WCL 414)高電阻性的水性熱固性塗料薄膜(TWH-1，三菱材料電子化學的產品)。最後，該液晶透鏡在雙電位106/406的控制方案中仍然有一些明顯的波前(像差)問題。
為了解決存在的像差(波前)問題，在本發明的先前技術的參考文獻WO2012/079178中，LensVector揭示了另一種方法600，其中，該方法在Naumov設計的一對半液晶透鏡200的兩個正交偏振的液晶層212之間設置一個透明的浮置(非連接)導 電層(一般圓盤型)，如第6圖所繪示的完整透鏡結構600。浮置導電層618的使用明顯地改善了波前輪廓(相對於佐藤進和Naumov的設計方案)和使用該LC透鏡600的相機的調製轉換函數(MTF)。此外，透鏡600是頻率控制的且所需的唯一驅動電位206非常低。
其他的習知技術也被揭露以解決上述之三個問題(較差的WCL 214的生產重複性，高電位106/406和不合適的波前)。其中之一是橋本在“液晶光學元件及其製造方法”中揭示的結構700，如第7圖所繪示的美國專利號US7619713B2。與Naumov的方法相比，該設計的基本不同處是不使用WCL 214。事實上，橋本提出了使用光學透明的複數個同心環形電極718(CRSE)，透過高電阻率的橋720相互關聯(如第7圖所繪示的側視圖和第8圖所繪示的頂視圖)。該電阻橋結構提供與WCL(214)同樣的作用，係用於在光圈上創造一個電位空間分佈。該方法的優點是，電阻橋720中的複數個電阻值(R1，R2等)可以進行分別調整，以獲得所需的波前。此外，該方法需要使用兩個小的電位V1 206和V2 706，應用於中心702和外部的環形電極202的外周，而TUE 104接地，以驅動透鏡700。
另一種方法800是博斯等人提出的“可調諧光電液晶透鏡和用於形成鏡片的方法”，美國專利US2011/0025955A1，如第9圖所繪示。除了使用電阻橋720(橋本所揭示的)，該方法中更包括複數個單獨控制的CRSE 818。然而，除了製造上的問題，該鏡片的動態控制是複雜的(類似於液晶顯示器)。
另一個多層環的方案是由Y Kato等人提出的“自動 聚焦的裝置”，美國專利US2007/0268417A1，該方案的中央DSE和週邊HPE分別連接到電源，使用相應的電位V1和V2，而所有中間CRSE是透過電阻橋連接到DSE和HPE。該方法仍然存在著製造問題。
在上述提及的解決方案中，無論是電阻橋720或複數個單獨控制的同心電極718/818，都必須進行控制，以實現波前形狀控制和限制較低的電位。然而，這些方法700/800也有顯著的缺點。其中缺點之一是電場的突變，特別是在各個電極段718/818的周邊。因此，在一個電極段718/818覆蓋的區域中，電位是均勻的，而在該些電極段718/818之間會存在突變。這需要將電極段718/818之間的間距設置的非常小以使電位突變的影響降到最低。此外，由於波前的相對平坦區域會降低相機的MTF，因此需要非常多的電極段718/818。這反過來要求提高該些電極段718/818在電阻橋720上的製造精度，而對這些結構的電位分佈的動態控制，也變得非常困難。
對應於上面描述的問題，目前業界需要發展另一種方式以產生非均勻的電場，使透鏡裝置更容易製造和控制，同時採用低電位也能提供良好的光學質量。根據上述內容中建議的解決方案，採取不同的方法可以取得這樣的效果。是以本發明提出一種空間非均勻電場的生成方法及該裝置的製造方法，用於一個電可變液晶透鏡或圖像穩定裝置。
本發明揭示一種空間非均勻的電極結構，該電極結構產生一個預定的空間非均勻電場分佈，透過對有限數量的電極 提供初始電位差，以形成複數個不同的非連接的(或浮置)相鄰的電極段之間的複合電容性耦合，從而產生所期望的電場分佈。
在一些實施例中，所連接的(供電的)電極之一是均勻的透明電極(例如ITO)，且具有電位UTUE；第二連接的電極是一個孔型(或環形)電極，其具有另一電位UHPE；其餘的電極段i是非連接的(即浮置)，並且具有遞減的電位Ui，該電位Ui的數值取決於它們相對於相鄰電極的位置(放置在相同的或者另一個平面內)，更取決於在雙層浮置電極段(具有電位UHPE，U1，2，3...)和該具有電位UTUE的透明均勻電極之間的中間分離層。其中，該中間分離層也可以包括具有複數(實部和虛部)的介電常數的材料。
空間非均勻的電極結構可以包括兩個平面上的複數個浮置的同心的電極排列，該兩個平面被具有實部和虛部的介電常數的材料層分離，且形成不同的浮置電極區的電位Uup，m和Udown，m+1之間的預設電耦合度(m區在上層和m+1區在底層)。
複數個浮置的同心電極排列可以設置在一個均勻的透明電極(具有電位U1)和另一個具有可變電位Uv的均勻的透明電極之間，介電(絕緣)層被放置在雙層的浮置電極段和兩個均勻透明電極之間。
在本發明的一些實施例中，液晶透鏡或光學裝置中的液晶單元具有：優選平面的單元壁；至少一個及優選兩個的單元壁上的對準塗層；與單元壁相接觸的液晶材料；一個電極結構，其中該電極結構具有由至少一個絕緣層隔開的複數個電容性 耦合的電極段；以及一個對置電極，其中該對置電極可以由在液晶單元內的電極段和對置電極產生一個電場，其中，在該複數個電極段的第一個電極段上施加一個電位，可以在隨後的電容性耦合的該複數個電極段上產生遞減的電位，該液晶透鏡或光學裝置中的液晶單元之特徵在於，該複數個電極段的排列對應於液晶單元的光通孔上的所希望的電場空間分佈。該複數個電極段之間的重疊量和由基本絕緣層所提供的分隔，透過電容連接，決定了被連接的一個或複數個電極段到未連接的一個或複數個電極段上的電位分佈。在該些實施態樣中，可以透過電位的空間分佈，與任何電容電路相同，可以使用驅動信號的頻率來控制其空間分佈，上述的電極結構可以設置在單元壁的內側，以降低工作電位值，對置電極可以被設置為均勻的電極或電容性耦合的複數個電極段也可以設置為均勻的電極。
本發明所建議的解決方案的一個方面是，液晶透鏡或光學裝置中的液晶單元具有：優選為平面的單元壁；優選的單元壁上的取向塗層；與單元壁接觸的液晶材料；電極結構，其中該電極結構由至少一個絕緣層隔開的複數個電容性耦合的電極段；一個對置電極，其中，該對置電極可以由在液晶單元內的電極段和對置電極產生一個電場，其中，在該複數個電極段的第一個電極段上施加一個電位，可以在隨後的電容性耦合的該複數個電極段上產生遞減的電位，該液晶透鏡或光學裝置中的液晶單元特徵在於：該電極段的排列對應於液晶單元的光通孔上的所希望的電場空間分佈。
本發明所建議的解決方案的另一個方面是一個與偏 振無關的液晶光學裝置，其中該與偏振無關的液晶光學裝置包括：在平面且大致平行的液晶單元壁之間的一對液晶層，其中該每個液晶層被夾在該單元壁的一對相應的對準層之間，該每對對準層根據每個相應的液晶層所對應的取向方向，選擇預定的液晶分子取向，其中，該取向方向被設置為基本上彼此正交，用於提供一個可與偏振無關地操作的該液晶光學裝置；每個液晶單元的電極結構，該電極結構包括：在該液晶層之間的一個環形電極，每個環形電極限定一個光通孔；設置在每個光通孔內的第一組複數個電容性耦合的浮置電極段；在相應的液晶層的相對側的對置電極；以及在該環形電極之間的至少一個電場控制結構提供該電容性耦合，而由在液晶單元內的電極段和對置電極之間產生一個電場，其中，在該環形電極上施加一個電位，可以在隨後的電容性耦合的該複數個電極段上產生遞減的電位，該與偏振無關的液晶光學裝置特徵在於該電極段的排列對應於液晶單元的光通孔上的所希望的電場空間分佈。
100‧‧‧裝置透鏡
101‧‧‧頂部基板
102‧‧‧孔狀電極(HPE)
102A、102B、202A、202B、901、902、x、y‧‧‧電極
104‧‧‧均勻透明電極(TUE)
105‧‧‧底部基板
106‧‧‧電位V1
108‧‧‧重新定向的液晶分子
110‧‧‧光通孔
112‧‧‧液晶層
150‧‧‧空間非均勻電場
200‧‧‧液晶透鏡
202、302、402‧‧‧HPE
206‧‧‧電位V1
212‧‧‧液晶層
214‧‧‧高電阻率或弱導電性層(WCL)
300‧‧‧與偏振無關的完整的透鏡
314‧‧‧WCL
400‧‧‧薄液晶透鏡
406、706‧‧‧電位V2
412‧‧‧LC層
414‧‧‧WCL層
416‧‧‧圓盤形電極(DSE)
500‧‧‧控制電場分佈
600‧‧‧完整透鏡結構
618‧‧‧浮置導電層
700‧‧‧結構
718‧‧‧同心環形電極(CRSE)
720‧‧‧電阻橋
800‧‧‧方法
818‧‧‧單獨控制的CRSE
1000‧‧‧液晶透鏡的幾何形狀
1002、1003‧‧‧相鄰的同心環結構
1006‧‧‧驅動電位
1007‧‧‧中間材料層
1009‧‧‧電場控制層
1011‧‧‧TUE
1203‧‧‧矩形電極
1303‧‧‧蝴蝶型電連接電極結構
1403‧‧‧馬耳他十字連接電極結構
1503‧‧‧第三電接通的電極
1604‧‧‧高介電常數的材料
1700‧‧‧電容性耦合的液晶透鏡
1732‧‧‧孔狀電極(HPE2)
1734‧‧‧控制圓盤電極(CDE)
1810、1810X、1810Y、1910、CA‧‧‧光通孔
1900‧‧‧光束方向控制裝置
1912‧‧‧共同控制的LC
1960‧‧‧單元壁
A‧‧‧重疊區域的面積
C‧‧‧電容
D‧‧‧WCL層214的厚度
d‧‧‧板之間的間隔距離
F‧‧‧焦點距離
GRIN‧‧‧漸變折射率的光學透鏡
H‧‧‧頂部基板的厚度
ITO‧‧‧均勻的透明電極
i‧‧‧非連接的(即浮置)電極段
L‧‧‧LC厚度
LC‧‧‧液晶
LCD‧‧‧顯示器
LCL‧‧‧液晶透鏡
OP‧‧‧光學倍率
R‧‧‧電阻
R‧‧‧光通孔110的半徑
Rs‧‧‧薄層電阻
Udown、UHPE、Ui、Um、UTUE、Uup‧‧‧電位
△n‧‧‧透鏡100的中心
σ‧‧‧WCL層214的導電性
εr‧‧‧間隔材料的靜態的相對介電常數
ε0‧‧‧真空的介電常數
θ(deg)‧‧‧傾斜的程度
△n‧‧‧稜鏡的折射率之間的差異
第1A圖係繪示先前技術中，液晶透鏡(具有偏振相關性的半透鏡)使用相對於液晶單元的外部的環形電極配合透明均勻電極，兩電極設置的距離足夠遠，且由一個可變的電位V1驅動；第1B圖係繪示先前技術中，在第1A圖中所繪示的幾何形狀的透鏡可以實現的空間不均勻(AC和B點之間)的電場電位分佈；第2圖係繪示先前技術中，液晶透鏡(具有偏振相關性的半透 鏡)用塗敷在液晶單元環形電極內側的高電阻或弱導電層，配合透明均勻電極，且由一個可變的電位V1和頻率F驅動；第3A圖係繪示與偏振無關的液晶透鏡(全透鏡)由兩個第2圖中繪示的液晶透鏡旋轉90度組成，其中，該與偏振無關的液晶透鏡使用兩個弱導電層；第3B圖係繪示用於製造如第3A圖中所繪示的全透鏡的薄層電阻值的可製造和可接受範圍的典型分佈；第4圖係繪示其他的與偏振無關的液晶透鏡(全透鏡)，其中，該與偏振無關的液晶透鏡僅使用一個弱導電層；第5A圖係繪示先前技術中其他的液晶透鏡(具有偏振相關性的半透鏡)，其中，該其他的液晶透鏡使用一個額外的圓盤形的電極和使用兩個可變電位V1和V2來控制透鏡；第5B圖係繪示先前技術中的電場電位分佈，其中，該電場電位分佈顯示了僅連通環形電極的情況(實線)和同時連通圓盤形電極的情況(由實線和虛線組成的水平線)，V1=V2；第6圖係繪示與偏振無關的液晶全透鏡，其中，該液晶全透鏡使用一個共同的浮置導電層來校正光的波前；第7圖係繪示先前技術中偏振相關的液晶半透鏡，其中，該液晶半透鏡使用複數個透明的同心環電極，其中一部分的同心環電極形成電阻橋接耦合，其他的同心環電極被連接到電源；第8圖係繪示第7圖的先前技術的透鏡的俯視圖；第9圖係繪示先前技術中偏振相關的液晶半透鏡，其中，該液晶半透鏡使用複數個透明的同心環電極，該些同心環電極被連接到電源，且被單獨地控制； 第10圖係繪示本發明所揭露的電容性耦合的解決方案；第11圖係繪示本發明所揭露的電容性耦合的設置；第12圖係繪示第11圖中本發明的方案的實驗設置和電容性耦合的理論資料的比較數值示意圖；第13A圖係繪示本發明的偏振相關的液晶半透鏡，其中，該偏振相關的液晶半透鏡採用兩個平面上的複數個透明的同心環電極是浮置的(除了外部環形電極和均勻底部電極)，且利用電容效應形成電耦合；第13B圖係繪示第13A圖中使用的頂部基板上設置有兩個平面上的複數個透明的同心環電極，該複數個透明的同心環電極是浮置的(除了外部的環形電極)；第13C圖係繪示第13B圖的上平面的環結構的頂視圖；第13D圖係繪示第13B圖的下平面的環結構的頂視圖；第13E圖係繪示第13A圖中的半透鏡結構實驗得到的清晰的光學倍率(單位為屈光度)；第13F圖係繪示第13A圖中的半透鏡結構實驗得到的RMS像差(以μm為單位)；第14A圖係繪示與偏振無關的全液晶透鏡的幾何形狀，其中，該與偏振無關的全液晶透鏡使用第13A圖中描述的電容性耦合的概念，首先分別製造了兩個半透鏡，接著按照該兩個半透鏡的分子軸旋轉90度(在垂直的平面上)彼此連接；第14B圖係繪示與偏振無關的全液晶透鏡的幾何形狀，其中，該與偏振無關的全液晶透鏡使用第13A圖中描述的電容性耦合的概念，如第14B圖所繪示，該與偏振無關的全液晶透鏡僅使 用一個共同的中間基板，其中，該共同的中間基板應用於兩個液晶層，且該兩個液晶層的分子取向位於垂直的平面內(旋轉90度)；第15A圖係繪示另一種類型的頂部基板(其可以用於如第13A圖所繪示的電容性耦合透鏡)，其中，該基板不僅連接到兩層複數個透明同心浮置環電極，更連接到一個被電接通的均勻透明電極；第15B圖係繪示第13A圖中的半透鏡結構配合第15A圖引入的額外的透明均勻電極形成的光學倍率值(以屈光度為單位)與控制電位的關係圖；第15C圖係繪示第13A圖中的半透鏡結構配合第15A圖額外的透明均勻電極形成的各種光學倍率值的波形(相對於徑向/橫向座標)；第15D圖係繪示第13A圖中的半透鏡結構配合第15A圖引入的額外的透明均勻電極形成的實驗光學倍率和RMS像差與第15A圖所繪示的透明均勻電極的控制電位的關係圖；第16A圖係繪示第13A圖中的使用電容性耦合的與偏振無關的全透鏡結構配合第15A圖所繪示的改變過的透明均勻電極，如第16A圖所繪示，本發明分別製造了兩個半透鏡，接著按照該兩個半透鏡的分子軸旋轉90度(在垂直的平面上)彼此連接；第16B圖係繪示第13A圖中的使用電容性耦合的與偏振無關的全透鏡結構配合第15A圖所示的改變過的透明均勻電極，其中，該與偏振無關的全透鏡結構僅使用一個共同的中間基板，其中，該共同的中間基板係應用於兩個液晶層，且該兩個液晶層的 分子取向位於垂直的平面內(旋轉90度)；第17A圖係繪示本發明的方案採用的另一個幾何形狀，透過在相鄰的同心環電極之間使用離散的橋接(在不同的方向取向)來形成電容性耦合，而不是使用第二個平面的同心環電極；第17B圖係繪示本發明的方案採用的另一個幾何形狀，透過在相鄰的同心環電極之間使用離散的橋接(大致相同的方向取向)來形成電容性耦合，而不是使用第二個平面的同心環電極；第17C圖係繪示本發明的方案採用的另一個幾何形狀，透過在相鄰的同心環電極之間使用一個單一的(具有一個軸的)蝴蝶型連接電極來形成電容性耦合，而不是使用離散的橋接；第17D圖係繪示浮置的環形電極(在平面1內)和具有電位V1的蝴蝶型電容性電極(在平面2內)的組合；第17E圖係繪示本發明的方案採用的另一個幾何形狀，透過在相鄰的同心環電極之間使用一個雙(具有兩個軸的)馬耳他十字連接電極來形成電容性耦合，而不是使用離散的橋接；第17F圖係繪示增加第三連接電極(在平面3內，施加電位V2)，其中，該增加第三連接電極是蝴蝶電極之外的額外電極，係以互補的方式，在透鏡的徑向(橫向)方向上控制電場分佈；第18A圖係繪示本發明的方案採用的另一種幾何形狀，透過使用一個高介電常數層，而不是第二平面內的同心環電極，在相鄰的同心環電極之間形成電容性耦合；第18B圖係繪示如第18A圖所示的半透鏡中，複數個不同的光學倍率的情況下，波前相對於徑向(橫向)的座標的關係圖；第19A圖係繪示分段的外部連接電極實現傾斜、圖像穩定和 額外的像差校正功能；第19B圖係繪示分段的頂部浮置的非連接同心電極結構實現傾斜、圖像穩定和額外的像差校正功能；第19C圖係繪示分段的底部浮置的非連接同心電極結構實現傾斜、圖像穩定和額外的像差校正功能；第20A和20B圖係繪示本發明的解決方案的另一個實施例，雙極型液晶透鏡的幾何形狀的俯視圖和剖視圖；第21圖係繪示本發明的解決方案的另一個實施例，另一個雙極型液晶透鏡的另一個幾何形狀；第22圖係繪示本申請的技術方案中，光學倍率的光通孔的可變性；第23A圖係繪示習知技術的液晶稜鏡光學裝置的幾何形狀；第23B圖係繪示第23A圖中習知技術的液晶稜鏡的在光通孔上的電位分佈；第24A和24B圖係繪示習知技術中的折射率梯度透鏡引起的光束轉向；第25圖係繪示習知技術中試圖減少光束轉向光學裝置所需的電位；第26圖係繪示本發明的技術方案的光束轉向裝置的幾何形狀；第27圖係繪示本發明的技術方案的柱面透鏡具有可變的光通孔；以及第28圖係繪示本發明的技術方案中，如第26圖中的光束轉向裝置的幾何形狀的變形，其中，該光束轉向裝置具有較大的孔 徑。
以下藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，熟習此項技藝之人士可由本文所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點及功效。
上述提到的技術問題可以由基於電容性耦合的一種方法解決。第10圖係繪示實現這種耦合的工作原理，係採用兩個設置得足夠近的電極901/902，以實現其電位的耦合，舉例說明，電極901/902之間形成電容C=εr ε0 A/d，其中，A是兩個板的重疊區域的面積，εr是兩塊板之間的間隔材料的靜態的相對介電常數，ε0為真空的介電常數，而d是板之間的間隔距離。
本發明的解決方案是從電連接的電極901到另一個浮置電極902的電位的耦合或轉移。如第11圖所繪示，在距離接地電極d=100μm的位置上設置兩個電極，兩個電極具有不同的重疊面積，其間被厚度0.5μm的介電材料SiO2分隔。如第12圖所繪示之理論和實驗的數值，在頂部電連接的電極901上施加相同的電位V1，在浮置電極902上形成電位Vi，Vi與重疊的面積A的關係如第12圖所繪示。
本發明的解決方案的第一實施例，基於電容性耦合，新的液晶透鏡的幾何形狀1000如第13A圖所繪示，透過對兩個相鄰的同心環結構1002/1003(設置在不同的平面上，設置在中間材料層1007的兩側)之間的耦合度的控制，實現電場的空間分佈的控制。亦即是在TUE 104(在底部基板105的頂面上)和設置在 頂部基板101的底部的外側環形結構202之間施加一個單一的驅動電位1006，該外側環形結構202可以被認為是一個HPE 202。其中，該電極的平面被稱為平面2，更接近液晶層的電極所在的平面被稱為平面1。且在第13A圖中的液晶透鏡將只聚焦光的一個偏振方向，因此，幾何形狀1000代表的是一個半透鏡。
電位從HPE 202耦合到中間層1007的另一側表面的最接近的環型電極(RSE)1003上。這種漸進地在平面1和平面2之間的電極段202/1002/1003的耦合可以由液晶透鏡1000設計參數而設計和控制，例如中間材料層1007的厚度和複合介電常數，寬度值w和頂部(平面2)1002和底部(平面1)1003的環形電極之間的間隙g，它們具有不同的半徑，如第13B、13C和13D圖所繪示。
在第13B圖的實施例中的重疊在每個電極段上是均勻的重疊。然而，可以理解的是，可以由RSE的一部分的重疊來形成耦合。例如，可以是RSE 1002/1003上一個沿橫向延伸的凸出邊緣互相重疊。
這種方法的優點是很多的。其中之一是沒有區域是沒有電極202/1002/1003的。至少有一個電極段(平面1或平面2)面對著TUE 104。因此，相對於前面提到的電極段718/818的習知技術方案，電位變化更加平緩。此外，只需要一個電位206，以控制這樣的透鏡1000。還要注意的是，可以使用衆所周知的技術，ITO電極以在光學上隱藏環形結構1002/1003，以增加該結構1000中的光傳輸。
本發明的解決方案的實驗確認，清晰光學倍率(COP= 電驅動下可實現的最大光學倍率與不加電位時的光學倍率之間的差異)相對於單一的驅動電位的關係圖，如第13E圖所繪示，以及RMS像差相對於驅動電位的關係圖，如第13F圖所繪示。需要注意的是，在一個建議的實施例中，為避免使用相對較高的電位(10V以上)，具有負殘留(不可電控)的光學倍率的液晶透鏡可以在不使用0V(低於液晶重新取向的閾值)或高於10V的電壓的情況下，實現零光學倍率(遠距離物體的成像)。
注意的是，在本發明所建議的解決方案的另一個實施例中，該中間材料層1007也可以具有不可忽略的複合介電常數(一個非常弱的導電層，V-WCL)，可以實現空間電位分佈調整的頻率依賴性。在這種情況下，可以使用低電位1006(不使用負殘留的光學倍率)，因為電位可以是固定的(或減少其所需的可變範圍)，並且透過改變驅動信號的頻率而改變電場的空間形狀，從而動態控制液晶透鏡1000的光學倍率。為實現頻率(例如，頻率在100kHz的數量級上變化)控制電場，V-WCL的典型的薄層電阻值可以在105MΩ這一數量級。然後，在浮置環形電極之間形成最大的耦合效應的頻率產生一個基本上均勻的電場(從液晶透鏡1000的週邊向中心)，該均勻電場使液晶層212的所有分子垂直於液晶單一1000的基板101/105對準，形成一個零光學倍率。然後，使用對應於較低的耦合效應的頻率，這將實現類似透鏡的電場和相應的更高的光學倍率。
還要注意，外部電極(HPE)202可以在雙環結構1002/1003的較低的平面上連接到電源，而不一定是連接到位於頂部基板101和中間層1007之間的環形電極1002，而是連接到位於 中間材料107和液晶層212(或它的對準層等)之間的環形電極1003，如第13B圖的側視圖。
在本發明所建議的解決方案的另一個實施例中，兩個如第13A圖中所示的半透鏡1000透過兩者的分子取向軸90度旋轉後進行組裝(例如，膠合)，如第14A圖所示。這使得具有兩個正交的線性偏振方向分量的非偏振光可以具有相似的聚焦特性。每個線性偏振光被一個半透鏡1000聚焦，從而形成與偏振無關操作的全透鏡。
此外，如第14B圖所示，可以將一個單一的中間基板101夾在兩個電容性耦合的同心環電極1002之間。然後，兩個正交取向的LC層212中的每一個都可以在單一的共同的中間基板101的每一側上製造。在這種情況下，可以減少印刷步驟和對準過程的數量，顯著降低製造成本。此外，液晶透鏡的整體厚度也可以減少。
在本發明所建議的解決方案的另一個實施例中，如第15A圖所示，採用一個額外的TUE 1011，其中，該層被稱為電極平面3。在這種情況下，為了更好地控制電場的空間分佈，使用一個額外的電位1006 V2。電位206 V1施加在先前所描述的雙層電容性耦合同心環電極1002/1003(僅施加在外部環202上)和底部TUE 104(此處未顯示)之間，該電位206提供了空間上非均勻的類似透鏡的電場，折射率調製功能和相應的所需要的高光學倍率。此外，為了控制透鏡的輪廓，特別是以減少光學倍率向零(在V1不接近於零的狀態下)，電位1006 V2被施加到額外的TUE 1011上。在極端情況下，如果由該電極(1006)V2產生的電場比由施加 至環形電極202上的電位(206)V1產生的電場更強，則整個光通孔(110)的LC分子(108)會基本垂直對準於單元1000的側壁表面，從而產生零光學倍率。該方法提供了幾乎任意大的隔離(即絕緣性)作為中間層1007的可能性。
模擬確認了上一段所述之實施例的性能。相應的模擬參數為：LC厚度L=40μm，介電玻璃基板厚度為50μm(在附加電極和雙環形電極結構之間)，W1=170μm，g1=30μm，W2=g2=100μm，中間介電材料的厚度=1μm，介電常數=8，HPE電極202電位=5V，附加均勻電極1011電位=2.26V，以及電位V2是可變的。獲得的光學倍率和波前像差的結果分別如第15B圖和第15C圖所示。相應的實驗結果，清晰的光學倍率(屈光度)和RMS像差(微米)相對於電位V2(施加於額外的TUE)的關係如第15D圖所示。
在本發明所建議的解決方案的另一實施例中，與偏振無關的液晶透鏡1100可以包括兩個上述的半透鏡1000，將其分子取向旋轉90度(正交)，然後將兩者膠合在一起，如第16A圖所示。
此外，可以採用一個單一(或公共)的中間基板1001，夾在額外的TUE 1011之間，鄰接第一中間層1007(用於隔離或絕緣)，接著鄰接電容性耦合的雙層浮置環電極結構1002/1003，如第16B圖所示。該技術方案採用更少的印刷和定位操作，降低了製造成本。
根據本發明所提出的解決方案的另一個實施例，使用其他形式的浮置電極以提供電容性耦合。亦即是上面提到的雙 環結構1002/1003可以被只有一層的同心浮置環電極1002(平面1)取代，從而在平面2內使用非同心圓的(例如矩形)電容橋1203，而實現電容性耦合，如第17A圖。在這種情況下，中間材料1007設置在一層的環電極層1002和透明的(例如矩形)電容橋接電極1203之間，如第17A圖所示。電極1203的分佈可以是不同的，包括均勻的圓周分佈，如第17A圖所示，或基板線性的排列，如第17B圖所示。由於矩形電極1203(相對於同心環形電極1002)的相對位移是給定的(水平)方向，這可以減小在同心環形電極1002的一側的耦合重疊面積，製造過程可以簡化，但同樣的位移將增加相對方向的重疊面積。整體的重疊面積將保持幾乎相同。由於每個環電極(1002)被認為是導電的，在該環電極(1002)上的全部電位分佈將是相同的。
第17C圖係繪示另一種實施例，其中透過使用一個單一的(具有一個軸的)蝴蝶型連接(電位V1)的電極結構1303(放置在平面2)，以替換離散的電容橋接1203，以和相鄰的同心環電極1002(平面1)之間形成漸變的電容性耦合。這種方法顯著地降低了製造的要求。
第17D圖係繪示浮置的環形電極1002(平面1內)和具有電位V1(平面2內)的蝴蝶型電連接的電極1303組合，以形成電容性耦合。
第17E圖係繪示另一個實施例，其中透過使用一個十字的(具有兩個軸的)或馬耳他十字連接(電位V1)的電極結構1403(放置在平面2)，以替換離散的電容橋接1203，以和相鄰的同心環電極1002(平面1)之間形成電容性耦合。
第17F圖係繪示增加了第三電接通的電極1503(平面3和施加電位V2)，其作為蝴蝶電極1403外的額外電極，形成互補的方式以控制透鏡橫向方向上的電場分佈。這種情況下，透過設定電位V1和V2，可以獲得沿著透鏡表面的均勻的電場分佈，從而形成零光學倍率。
本發明所建議的解決方案另一個實施例中，一個具有高介電常數的材料1604替換了一個浮置環形電極層1003。如第18A圖所示，電場控制層1009僅由一層浮置複數個同心環形電極1002和覆蓋其上的具有高介電常數的材料層1604組成。在這種情況下，類比的結果，如第18B圖所示，是在相鄰的浮置環電極1002之間的預定的電位耦合可以透過以下因素確定：環形電極的數目，該些相鄰的浮置環電極1002的相對間距(g)，寬度(W)，厚度和高介電常數層1604的介電常數，以產生對應於各光學倍率值的所需的波前，如第18B圖所示。
在本發明所提出的解決方案的另一個實施例中，使用電連接的電極202的額外圓周分隔段，如第19A圖所示，和浮置的電極結構1002/1003，如第19B和19C圖所示，以產生非中心對稱的、非對稱的、非球面或傾斜等形式的波前，以實現各種功能，如額外的像差校正、傾斜或光學防抖。
在本發明所提出的解決方案的另一個實施例中，使用平行取向的電連接的電極202和浮置電極結構1002/1003(而不是同心環結構)，以產生柱面透鏡型的單個或陣列裝置，以實現拍攝、2D與3D電視等。
在本發明所提出的解決方案的另一個實施例中，使 用下述的印刷方法以製造兩層浮置的電容性耦合的複數個同心環電極1002/1003。根據不同的製造需要(單一的中間玻璃1001或分離的多片玻璃101)，此印刷方法可以應用到玻璃基板的一個或兩個表面。一個非限制性的實施例中，相應的製造過程可以從使用基板(玻璃，聚合物，陶瓷等)表面覆蓋參數匹配的均勻ITO層開始，然後蝕刻或鐳射切除或其他工藝成形，然後覆蓋一定厚度，例如數百納米，和一定介電常數的中間材料層。然後另一透明導電性電極層圖案成形後沈積在其上，或均勻地沈積在其上，然後被圖案化成形。
上述的非限制性實施例中，光學倍率的變化是單極的，亦即只能是負的光學倍率或正的光學倍率。
在本發明所提出的解決方案的另一個實施例中，透過使用和分割頂部均勻控制電極(UCE)1011為一個孔狀電極(HPE2)1732和一個控制圓盤電極(CDE)1734，電容性耦合的液晶透鏡1700的光學倍率的調諧範圍可以基本上被加倍，其中孔狀電極(HPE2)1732和控制圓盤電極(CDE)1734可以設置於相同基板表面，如第20A和20B圖所示，也可以設於不同的基板表面，如第21圖所示。
這些幾何形狀的液晶透鏡1700具有雙極功能，如第22圖所示，可以具有由負轉變為正的光學倍率，反之亦然。HPE2 1732的直徑大於如第13A圖和第15A圖所示的HPE1 202的直徑。該驅動方法包括：對於正光學倍率的調諧，V_CDE=V_HPE2，均小於V_HPE1； 對於負光學倍率的調諧，V_CDE大於V_HPE1，並且V_HPE2保持浮置或具有電位V_HPE2，且V_HPE1V_HPE2V_CDE。
柱面透鏡，光束整形，光束方向控制和光束控制的光學裝置
如果裝置具有無需機械運動的動態光束控制的能力，許多現代的裝置將大大受益。例如：成像，3D投影，LED照明，太陽能聚光等。液晶裝置已被認為是上述的光束控制裝置的很好的選擇。
習知技術試圖基於折射或衍射的原理，製造包括液晶稜鏡的光束控制裝置。這種光束方向控制裝置的基本元件的一個實施例如第23A圖所示。第24A圖係繪示在整個光通孔中，基態(非驅動狀態)下，均勻的液晶分子取向分佈。其中液晶分子(橢圓形108)均勻取向，左(L)和右(R)箭頭具有相似的相位延遲，並且不會有轉向效果。如果V1<V2的電位差被施加到第23A圖所繪示的幾何形狀，整個光通孔(110)中的液晶分子會受到電位差的影響，如第23B圖所示。第24圖B顯示相應的液晶分子對準梯度。在這種情況下，左側光線比右側光線經歷更多的相位延遲。如果液晶層具有正的介電各向異性，如果該光線的偏振方向在圖紙的平面內，這一相位延遲的差將迫使入射光束傾斜(如稜鏡)。
透過使用下面的簡化公式(電可變折射率的傾斜原理)，可估計傾斜的程度θ(deg)(180/π)△n d/CA，其中△n為稜鏡的左(L)和右(R)角的折射率之間的差異。
透過將V1和V2電極設置的足夠遠離液晶層112和底 部均勻ITO電極，參考頂部基板的厚度H，可以獲得可接受(平滑)的梯度以實現光束轉向。頂部的兩個電極(102A和102B)之間的距離決定了光通孔，而頂部電極(102A和102B)和底部電極(104)之間的距離決定了電場的分佈。需要指出該幾何形狀的兩個問題，電極間遠的位置設置增加了所需要的電位，而電極102A與102B的位置決定了一個固定的光通孔。
類似的習知技術的液晶透鏡方案如第2A圖所示，而如第25圖所示，如果將光束轉向控制裝置的幾何形狀中的電極102A與102B放入液晶單元中(更接近底部的均勻電極)，如第25圖所示，所需要的電位可能會顯著減小。然而，為了避免電位和電場分佈的空間突變，必須將弱導電層(WCL)214沈積在電極102A與102B上。然而，重複地生產這樣的WCL 214(通常為半導體)是非常困難的，因為所需的薄層電阻通常處於材料的逾滲區(percolation zone)，很小的製造參數的變化會極大地改變薄層電阻。其結果是產率下降和成本增加。
如第7圖和第8圖中所示的液晶透鏡700，第7和第8圖係繪示先前技術的液晶透鏡的幾何形狀，其中該液晶透鏡採用線性電極，而不是中心對稱電極，其中複數個線性電極透過精確設計的電阻橋720相互關聯。一些中間電極可以被額外地主動控制。然而，這種結構的製造也很困難。
根據本發明所建議的解決方案，提出了在線性電極結構之間使用電容性耦合，如第26圖所示的切面圖，兩個線性電極結構被沈積和蝕刻在兩個不同的平面上，由隔離層或絕緣層分隔。為簡潔起見，需要指出的是，第26圖中所示的切面圖中的圖 像和操作與第13A圖是相似的，除了各個電極段是在垂直於橫截面方向上是線性延伸的，且第13A圖中的HPE電極202被替換為電極202A及202B，其上被分別施加電位V1與V2。相對於第13A圖，其工作原理也適用，並且由於幾何形狀的差異，本發明的方案的液晶分子受到一個逐漸下降的電位控制。肯定的是，液晶透鏡光線裝置所具有的幾何層的結構，比照也適用於柱面透鏡，光束方向控制裝置，光束控制裝置，光束整形裝置等，如下述切面圖所示，第10圖、11、12、13A、13B、13C(關於柱面透鏡的光學倍率)，13D(關於柱面透鏡的光學倍率)，13E(關於柱面透鏡的光學倍率)，13F(關於柱面透鏡的光學倍率)，14A、14B、15A、15B(關於柱面透鏡的光學倍率)，15C(關於柱面透鏡的光學倍率)，15D(關於柱面透鏡的光學倍率)，16A、16B、18A、18B(關於柱面透鏡的光學倍率)，20B、21和22(關於柱面透鏡的光學倍率)。
具體回到光束方向控制裝置，最左端電極202A和最右端電極202B被施加電位，而它們之間則會形成電位降。在本發明所建議的解決方案的另一實施例中，可以透過主動控制中間電極(不是電容性耦合作用下的浮置電極)，以實現一個可變的光通孔1810。亦即是，對於給定的幾何形狀和材料，如第27圖所示，透過從端部的電極202A或202B之一開始選擇一系列的線性電極，兩個端部電極都被施加相同的電位而啟動，該兩個端部電極之間的電位形成衰減，從而決定電極202A和202B之間光通孔方向上的距離。參照第27圖，如果只有電極202A和202B被驅動，則光通孔1810在電極202A和202B之間延伸；如果電極202A和電極y被相同的電位V1驅動，而電極202B被電位V2驅動，那麽 光通孔1810Y在電極y和電極202B之間延伸；如果電極202A，y和x被V1驅動，而電極202B被V2驅動，則光通孔1810X在電極x和202B之間延伸。另外，光通孔可以在裝置製造後選擇，並且，最重要的是，液晶材料存在的光學異向性可以透過所需的光通孔1810被傳遞(和充分地利用)。
兩個可選擇的參數是起到相反的作用的。希望得到一個更大的光通孔1810以增加入射光的進光量，然而對於相同的層厚度，如第26圖中電極202A和202B之間的更大的間距會形成電極202A和202B之間的更加平滑的電場下降，因此根據上述方程，或得到一個較低的最大轉向角。使電極202A和202B更加接近，可以增加轉向角的角度，但是代價是獲得更少的進光量。根據本發明所建議的解決方案，如第28圖所示，由複數個共同控制的LC區域1912組成的光束方向控制裝置1900提供一個大的光通孔1910，同時獲得一個較大的光束轉向角。特別是如第28圖所示，除了兩端部的線性電極202A和202B，可以對光通孔1910上的線性電極施加如圖的相同電位V1和V2。一些電容性耦合的線性電極被設置在被驅動的線性電極之間。在每個液晶區域1912中的被驅動的線性電極之間的間距越小，使得光束的偏轉角越大。此外，被驅動的電極還使液晶區域1912之間產生尖銳的電位差。為了減少這些間隙區域的光散射，可以採用可選的單元壁1960。作為非限制性的特徵，單元壁1960可以是透明的或吸光的。
雖然上述實施例主要描述了液晶對準電場的組構，但雙頻率的液晶設置也是已知的，用於使液晶與電場在一個範圍的頻率對準，並且使液晶在另一個範圍內的頻率與電場正交對 準。在某些情況下，透過使用特定的頻率，使液晶的取向返回到接近基態的狀態，從而實現更快的操作。
901、902‧‧‧電極
εr‧‧‧間隔材料的靜態的相對介電常數
A‧‧‧重疊區域的面積
d‧‧‧板之間的間隔距離

Claims (22)

  1. 一種液晶透鏡或光學裝置，包括：液晶單元，具有：平面單元壁；對準塗層，在該單元壁上；液晶材料，與該單元壁接觸；電極結構，具有：複數個電容性耦合的電極段，由至少一個絕緣層隔開；對置電極，其中，電場可提供在該液晶單元內的該等電極段和該對置電極之間；其中，在該複數個電極段的第一電極段施加的電位在該複數個電極段中隨後的電容性耦合的電極段上產生減小的電位；其中，該等電極段的設置對應於跨越該液晶單元的光通孔的所希望的電場空間輪廓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該光學裝置是柱面透鏡，該環形電極包括一對基本平行的電極，而該第一電容性耦合的電極段包括基本平行的電極條。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該光學裝置是液晶透鏡，該環形電極包括大致圓形的孔，而該第一複數個電容性耦合的電極段包括複數個基本上同心的電容性耦合電極段。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中，每個電容性耦合的 電極段和每個環形電極複包括圓周形子段，用於藉由該光學裝置提供波前控制。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之裝置，其中，該電極結構包括設置在該第一複數個電容性耦合電極段上的絕緣層和高介電常數層的一者。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中，該至少一個電極結構包括第二複數個電浮置電容性耦合的電極段，該第二複數個電極段的每個電極段都與該第一複數個電極段中的相鄰電極段部分重疊。
  7. 如申請專利範圍第5或6項所述之裝置，其中，該電極結構包括以下一者：電介質基板，在基本上平的透明導電電極層上；以及絕緣層，在基本上平的透明導電電極層上。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中，該電極結構包括以下一者：複數個電浮置的導電透明電容橋，每個電容橋都與該第一複數個電極段中的鄰近電極段部分重疊；蝴蝶形電導通的透明電極，與該第一複數個電極段中的每個電極段部分重疊，該部份重疊隨著該光通孔的半徑逐漸增加；以及第一馬耳他十字形連接的透明電極，與該第一複數個電極段中的每個電極段部分重疊。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中，該電極結構包括第二馬耳他十字形電極，與該第一馬耳他十字形電極在方向上互 補的。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中，該基本上平的透明導電層包括第二環形電極和該環形電極內的圓盤形電極，以實現該光學裝置的雙極性操作。
  11. 一種與偏振無關的液晶光學裝置，其包括：一對液晶層，在平面且基本上平行的液晶單元壁之間，每個液晶層被夾在該單元壁上的一對相應的對準層之間，每對對準層在該相應的液晶層中選擇預定的液晶分子取向，以定義相應的指向器取向，該等指向器基本上彼此正交，用於提供該液晶光學裝置與偏振無關地操作；電極結構，包括：對每個液晶單元：環形電極，在該電極層之間，每個環形電極定義光通孔；第一複數個電浮置的電容性耦合電極段，在該光通孔內；對置電極，跨越該相應的液晶層；以及至少一個電場控制結構，在該環形電極之間，以提供該電容性耦合，其中，電場可提供在該液晶單元內的該等電極段和該對置電極之間；其中，在該環形電極上施加的電位，在該複數個電極段中隨後的電容性耦合的電極段產生減小的電位；其中，該等電極段的設置對應於跨越該液晶單元的光通孔 所希望的電場空間輪廓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中，該光學裝置是柱面透鏡，該環形電極包括一對基本平行的電極，而該第一電容性耦合的電極段包括基本平行的電極條。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中，該光學裝置是液晶透鏡，每個該環形電極包括大致圓形的孔，而該第一複數個電容性耦合的電極段包括複數個基本上同心的電容性耦合電極段。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，其中，每個電容性耦合的電極段和每個環形電極複包括圓周形子段，用於藉由該光學裝置提供波前控制。
  15. 如申請專利範圍第11至14項中任一項所述之裝置，其中，該至少一個電極控制結構在每一側包括以下一者：設置在該第一複數個電容性耦合電極段上的絕緣層及高介電常數層。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中，該至少一個電極控制結構在每一側包括第二複數個電浮置電容性耦合的電極段，該第二複數個電極段的每個電極段都與該第一複數個電極段中的相鄰電極段部分重疊。
  17. 如申請專利範圍第15或16項所述之裝置，其中，該至少一個電極控制結構在每個液晶層側包括以下一者：一對電介質基板，夾持基本上平的透明導電的中間電極層；以及一對絕緣層，夾持一對基本上平的透明導電的中間電極層中的相應一者。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中，該至少一個電極控制結構在每一側包括以下一者：複數個電浮置的導電透明電容橋，每個電容橋都與該第一複數個電極段中的相鄰電極段部分重疊；蝴蝶形連接的透明電極，與該第一複數個電極段中的每個電極段部分重疊，該部份重疊隨著該光通孔的半徑逐漸增加；以及第一馬耳他十字形連接的透明電極，其中，與該第一複數個電極段中的每個電極段部分重疊。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中，該至少一個電極控制結構在該對第一馬耳他十字形電極之間的每一側包括與該對第一馬耳他十字形電極在方向上互補的一對第二馬耳他十字形電極。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之裝置，其中，該每個該基本上平的透明導電層包括第二環形電極和該第二環形電極內的圓盤形電極，以實現該光學裝置的雙極性操作。
  21. 如申請專利範圍第1至20項中任一項所述之裝置，復包括一動信號控制器，係被配置提供至少一個具有預設的電位和頻率的可變電信號，該電位和頻率為依據該裝置所希望的可變光學屬性而選擇。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之裝置，其中，該裝置是可調諧透鏡，且光學能量是根據該透鏡的至少一部份可調光學倍率範圍的該電信號的頻率而進行控制。
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