TWI716766B - 可撓曲、可調節透鏡放大率之液晶單元及透鏡 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種採用液晶(LC)作為用於實現電可調諧光學件之材料的可撓曲光學元件，其係可摺疊的。一種製造該可撓曲元件之方法包括圖案化光聚合。該等LC光學件可包括因無偏振片性質而具有正交配向之LC指向矢之一對LC層、可撓曲聚合配向層、可撓曲基板及用於控制電場之模組。該等LC光學件之透鏡放大率可藉由控制電場跨越光學區之分佈而改變。可使用該等配向層中之電極組態、驅動信號及錨定強度的組合提供透鏡放大率控制。

Description

可撓曲、可調節透鏡放大率之液晶單元及透鏡
本發明係關於電活性光學件及使用此類光學件之透鏡，詳言之，係關於可撓曲液晶單元及透鏡。
在軟性隱形眼鏡由隱形眼鏡穿戴者操控時，其會遭受變形。在一些情況下，透鏡可在短摺疊半徑內對折，小至大約2毫米。因此，軟性隱形眼鏡應係足夠可撓曲的，以承受此變形而不會損害合理的可使用壽命。亦需要的是，在變形恢復後能夠恢復透鏡之尺寸及保持其光學性質的意義上而言，透鏡應具有彈性。已在考慮到可撓性及彈性的情況下開發出多種聚合物，包括水凝膠隱形眼鏡及聚矽氧水凝膠隱形眼鏡。
在電活性透鏡中，電活性組件，諸如液晶單元，可包埋於由可撓曲及彈性聚合物製成之透鏡主體中。然而，電活性組件可限制整個透鏡主體之可撓性及彈性兩者。
需要提供具有可撓曲及彈性電活性組件的透鏡。
描述一種電可調諧透鏡，其包含第一及第二配向層，以及在透鏡之光學路徑中經受限於第一與第二配向層之間的包含液晶之作用層。描述其中第一電極安置於第一配向層上方且具有安置於作用層之孔徑區域上方之第一圖案化開口(諸如圓孔)的實施例。此外，第二電極安置於第二配向層下方且具有第二圖案化開口，該第二電極經佈置以結合第一電極在作用層中誘發電場。第一及第二圖案化開口的形狀可為圓形。在一些實施例中，第一及第二圖案化開口具有半徑相同之圓形形狀。在一些實施例中，第一及第二圖案化開口具有半徑不同之圓形形狀。
在包括具有圖案化開口之第一電極及第二電極之實施例之可撓曲或彈性版本中且在本文所描述之其他實施例中，彈性聚合物柱之陣列安置於作用層中，經組態以在其原始形狀彎曲及恢復之後維持作用層之厚度。
本文所描述之電可調諧透鏡之實施例可具有安置於第一配向層上方及第二配向層下方之電阻層以改良電場線貫穿作用層的分散。
第一及第二配向層中之一者或兩者可包含包括液晶部分之聚合層。
在一些實施例中，第三配向層安置於第一與第二配向層之間，且包含液晶之第二作用層經受限於第三配向層與第二配向層之間。襯墊電極可安置於第一作用層與第二作用層之間。
在包括具有圖案化開口之第一及第二電極之實施例中且在本文所描述之其他實施例中，驅動器可電連接至第一及第二電極。驅動器可經組態以跨越第一及第二電極施加驅動信號。在各種實施例中，驅動器可施加具有可調節工作循環之驅動信號。驅動器可使用脈寬調變施加驅動信號。驅動器可施加具有DC偏移之驅動信號。
在一些實施例中，驅動器可施加包括初始較高場功率區間接著後續較低場功率區間的驅動信號，其中較低場功率區間經組態以在較低場功率區間期間確立目標透鏡放大率。較高場功率區間接著較低場功率區間之組合可減少液晶部分在作用層中，尤其靠近透鏡之孔徑區域之邊緣的向錯。
在本文所描述之實施例中，第一及第二配向層中之至少一者具有大於10-4 J/m2 之錨定強度。描述其中配向層包含包括液晶部分之聚合層、具有大於10-4 J/m2 之錨定強度的實施例。此類型之聚合層可為可撓曲的且可具有彈性。
此外，描述電可調諧透鏡，其包含第一、第二、第三及第四配向層，具有在第一與第二配向層之間的包含液晶之第一作用層，及在第三與第四配向層之間的包含液晶之第二作用層。第一電極安置於第一配向層上方且具有安置為與第一作用層之孔徑對準的第一圖案化開口。第二電極安置於第四作用層上方且具有安置為與第二作用層之孔徑對準的第二圖案化開口。襯墊電極安置於第一作用層與第二作用層之間。驅動器電連接至第一及第二電極且電連接至襯墊電極。驅動器經組態以將第一驅動信號施加至第一電極及將第二驅動信號施加至第二電極。可將襯墊電極維持在參考電位(諸如接地電位)下，或另外用於產生第一及第二驅動信號。驅動信號經佈置以結合襯墊電極在第一及第二作用層中誘發電場，以調諧透鏡之光學功率。上文所論述之許多特徵可適用於具有兩個作用層以及具有圖案化開口之外部電極及中間襯墊電極之此類型的電可調諧透鏡。
此外，描述彈性或可撓曲、電可調諧液晶透鏡。液晶透鏡包括具有在其摺疊且返回至其原始形狀之後實質上保持的單元間隙厚度的單元。因此，液晶透鏡之形狀及光學性質可在摺疊後恢復。
所描述之實施例包括電活性單元，其包含在聚合配向層之間的間隙中的液晶以及安置於配向層之間的間隙中的聚合物柱陣列。
在本文所描述之實例中，配向層中之一或多者包含包括經嵌入液晶部分之可撓曲聚合材料。
本文所描述之電可調諧透鏡之一些實例包含第一配向層及第二配向層；在第一配向層與第二配向層之間的間隙中之彈性聚合物柱陣列，該陣列中之柱自第一配向層延伸至第二配向層；經受限於第一與第二配向層之間的間隙中在該陣列中之柱周圍的液晶；及經佈置以在液晶中誘導電場之一或多個電極。
偏振無關實例包括第三配向層及在第二配向層與第三配向層之間的第二間隙中之彈性體柱之第二陣列，該第二陣列中之柱自第二配向層延伸至第三配向層。此外，液晶經受限於第二間隙中，在第二陣列中之柱周圍。實例中之第二配向層可包括液晶部分，該等液晶部分具有與光學路徑正交配向及靠近鄰近於第一所提及之間隙的第一表面平行的指向矢，及與靠近鄰近於第二提及之間隙的第二表面之光學路徑正交及與靠近第一表面之指向矢正交配向之指向矢。
描述用於製造可撓曲液晶單元之方法，包括藉由光聚合根據圖案在液晶層中形成聚合物柱。在本文所描述之實施例中，該方法包括組裝其間具有間隙之第一可撓曲配向層及第二可撓曲配向層；形成跨越第一可撓曲配向層與第二可撓曲配向層之間的間隙延伸之可撓曲或彈性聚合物柱；及在間隙中提供包圍柱之液晶材料。在本文所描述之實施例中，該方法包括在間隙中提供液晶材料與聚合物前驅體材料之組合，及藉由誘發聚合物前驅體與液晶之相分離及根據圖案對聚合物進行聚合而形成彈性柱。
下文描述對裝置及方法之各種組合及添加。
在審閱以下圖式、實施方式以及申請專利範圍之後可以看出本發明之其他態樣以及優點。
參看圖式1至圖22提供本發明之實施例的詳細描述。
圖1說明其中嵌入有之電活性單元11的透鏡10。透鏡10為可撓曲的且可包含例如水凝膠材料或聚矽氧水凝膠材料。電活性單元11包括電活性材料及用於改變透鏡之折射能力的至少一個電子組件。如圖1中所說明，透鏡10在由實際上由使用者操縱之可撓曲材料製成時可摺疊。舉例而言，當透鏡10為隱形眼鏡時，則使用者在自眼部插入及移除透鏡時可摺疊該透鏡。當如圖式之下部部分中所說明的摺疊透鏡時，摺疊之半徑R尤其在區域12中可能極小。舉例而言，透鏡可按約1至9 mm之摺疊半徑摺疊。當透鏡摺疊時，電活性單元11可變形。
在本文所描述之實施例中，在其摺疊之後，當返回至其原始形狀時，其恢復其形狀及其可調諧或可調節光學性質的意義上，電活性單元為彈性的。
圖2說明在上文所描述的意義上為彈性之可撓曲單層液晶單元。液晶單元包括安置在上部(第一)聚合層24與下部(第二)聚合層27之間的間隙中之液晶層25 (亦即，包含液晶之作用層)，其中聚合層24、27包含與液晶部分混合之可撓曲或彈性聚合物，該等聚合層24、27經組態以充當用於液晶層25之配向層。聚合層24、27具有液晶部分，該等液晶部分具有在層之中心區域中的豎直指向矢及在表面上之水平指向矢。在此實例中之上部聚合層24中，表面附近之指向矢與可為光軸之z軸5正交，且相對於液晶層25之主表面水平，延伸至說明的平面之中及之外。在此實例中之下部聚合層27中，相對表面上之指向矢相對於液晶層25之主表面水平，延伸至說明的平面之中及之外。此實例中之指向矢的定向使得液晶層25之上部及下表面上之配向方向彼此平行。
在此實例中，液晶層25至少在液晶單元之有效孔徑上在聚合層24、27之間具有均勻厚度T。出於本說明書之目的，當單元之使用者感知到光學效能落入對於具有標稱均勻厚度之單元預期的範圍內時，液晶層在單元之有效孔徑上具有均勻厚度，因此範圍可在經受環境、製造及材料變化之商業製造設定中發生。
柱(例如柱26)之陣列安置在液晶層內部之聚合層24、27之間的間隙中。陣列中之柱自上部聚合層24延伸至下部聚合層27，且傾向於維持厚度T。柱(例如，26)可包含聚合物或聚合物材料。較佳地，柱為彈性的。又，較佳地，聚合層包含彈性聚合物或彈性體。
液晶材料受限於第一與第二聚合層之間的間隙中，在柱陣列中之柱周圍，且充當單元之主動元件，從而回應於所施加電場改變單元之光學性質。
在此實例中，用於在液晶層25中施加電場之電組件安置在介電聚合物(在此實例中包括層20、22、29)中。電組件包括電阻層23、在上部聚合層24上方之經圓形孔圖案化的電極層21，及在下部聚合層27下方之透明襯墊電極層28。就此而言，且在本文中描述之其他實施例中，對於液晶層中之電場向量之形狀的更複雜控制，圖案化電極層可具有除一些實施例中之圓形孔以外的圖案，包括像素化圖案及環形圖案。
在一個代表性實施例中，液晶單元之基板包括各自包含約17 µm厚聚二甲基矽氧烷(PDMS)之介電層20、22。介電層29同樣包含約17 µm厚或更少之PDMS。經圖案化及襯墊電極層21、28可包含約1 µm厚或更少之可撓曲電極材料。液晶層25可為約30至40 µm厚，諸如約34 µm厚。上部及下部聚合層可為約6至7 µm厚。在此實例中，單元具有約98 µm之總厚度。
在另一實施例中，液晶單元之基板包括包含PDMS之介電層20、22，各介電層具有15 µm至20 µm之厚度。類似地，介電層29可包含PDMS且具有15 µm至20 µm之厚度。經圖案化及襯墊電極層21、28可包含具有0.1 µm至1 µm之厚度的可撓曲電極材料。液晶層25可為25 µm至45 µm厚。上部及下部聚合物層可各自具有5 µm至10 µm之厚度。
在代表性實施例中，液晶層25之厚度T為約34 µm。
在一些實施例中，厚度T在液晶層25之整個光學區中為恆定厚度，其中光學區為利用可調諧透鏡效應之有效孔徑。
在此實例中，單元之均勻厚度可為自光學件之中心至有效孔徑之邊緣變化小於1.2微米之厚度。在一些實施例中，厚度T在有效孔徑內之變化可維持在0.5微米內。
本文中描述之液晶單元的實施例可在經小半徑摺疊且返回至原始形狀之後維持光學性質。舉例而言，在包含在液晶層摺疊之前具有約10 µm平均原始厚度T之單元間隙的一實施例中，平均厚度T可返回至其原始厚度之10%內，或返回至在9至11 µm範圍內之平均厚度。在其他實施例中，平均厚度T可返回至其原始厚度之2%內，或返回至在9.8至10.2 µm範圍內之平均厚度。單元間隙或液晶層之平均厚度可藉由量測多個部位處之厚度且將彼等量測值相加在一起並除以量測次數而判定。量測值可沿液晶層之單個直徑(若該液晶層具有環形形狀)獲取，或其可沿液晶層周圍之隨機點獲取。
視特定實施之需求而定，起液晶層之基板作用的可撓性介電層20、22、29之材料可選自適用於透鏡之各種聚合物及彈性體，及其組合，包括含PDMS材料、含PET (聚對苯二甲酸伸乙酯)材料，及含甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)材料。
視特定實施之需求而定，可用於圖案化電極層21及透明襯墊電極層28之代表性材料可為聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT:PSS)、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、石墨烯、銀奈米線及銅金屬網，及材料組合。
電阻層23之功能在於有助於將電場分佈至透鏡之有效孔徑的中心中。電阻層23具有相對於電極相對較高之電阻，且可被稱作高電阻層。藉由電阻層23，在一些實例中工作電壓可降低。電阻層之薄層電阻可視透鏡材料及規格而定為約106 至108 Ω/sq。電阻層可藉由將PEDOT:PSS溶液與PVA (聚(乙烯醇))溶液混合而製得。薄層電阻可例如藉由兩種溶液之間的重量比控制。
液晶(LC)為具有雙折射性之光學各向異性材料。考慮正入射至LC光學件之線性偏振光及LC分子之偏振方向及長軸在同一平面中。光經歷藉由光之偏振方向與LC之指向矢之間的角度判定之有效折射率。另外，LC分子之定向可由外部電場控制。因此，具有均勻厚度之LC層上的不均勻電場將產生LC分子之定向的空間分佈。LC分子之定向的空間分佈亦將形成有效光學路徑之空間分佈。利用適當設計，有效光學路徑之空間分佈可藉由不同透鏡放大率實現透鏡效應。
LC可為偏振相關的，其在與偏振器組合使用時可花費至少50%之光效率。為實現偏振無關LC光學件，可使用一對具有相同厚度及正交配向LC指向矢的LC層，如圖3A至圖3D中展示之實例中所實施。使用該對具有正交指向矢之LC層，光之兩個本徵極化經歷相同相移，產生偏振無關之可調諧透鏡。
圖3A至圖3D說明在上文所描述的意義上為彈性之可撓曲雙層液晶單元的替代性實施例。此等替代性實施例可使用上文關於圖2所論述的材料製得。
在圖3A中，單元包括第一液晶層45及第二液晶層48。第一液晶層45安置在上部(第一)液晶聚合層44與中間(第二)液晶聚合層47之間的間隙中。第二液晶層48安置在中間液晶聚合層47與下部(第三)液晶聚合層50之間的間隙中。
上部聚合層44具有在鄰近於液晶層45之下表面上之指向矢，該等指向矢與液晶層45之表面平行，且與圖示平面正交。中間聚合層47具有在鄰近於液晶層45之上表面上之指向矢，該等指向矢與液晶層45之表面平行，且與圖示平面正交(亦即，與上部聚合層44之下表面上的指向矢平行)。中間聚合層47具有在鄰近於液晶層48之下表面上之指向矢，該等指向矢與液晶層48之表面平行，且與圖示平面平行(亦即與中間聚合層47之該上表面上的指向矢正交)。下部聚合層50具有在鄰近於液晶層48之上表面上之指向矢，該等指向矢與液晶層48之表面平行，且與圖示平面平行(亦即，與中間聚合層47之下表面上的指向矢平行)。
聚合層44、47、50充當液晶層之配向層。中間聚合層47具有在其上表面及下表面上之正交指向矢。上部及下部聚合層44、50在一些實施例中可由其他配向層材料，諸如磨毛聚醯亞胺層替代。歸因於光學損耗及其他問題，在中間聚合層中利用磨毛聚醯亞胺可並非切實可行的。因此，較佳實施例中之液晶層之間的配向技術涉及使用具有在其上表面及下表面上之正交指向矢的液晶聚合層。
液晶層45及48包含受限於間隙中之液晶材料，且在聚合層之間具有在合理的製造及光學效能容限內之相同厚度。
柱(例如46)陣列安置在上部聚合層44與中間聚合層47之間的間隙中，且由液晶層45中之液晶材料包圍。陣列中之柱自上部聚合層44延伸至中間聚合層47，傾向於維持如上文所論述之厚度。
柱(例如49)之第二陣列安置在中間聚合層47與下部聚合層50之間的間隙中。柱之第二陣列由液晶層48中受限於間隙中的液晶材料包圍。
在此實例中，電組件安置在包括層40、43、52之介電聚合物基板中。電組件包括電阻層41、安置於上部聚合層44上方之圖案化電極層42，及在下部聚合層50下方之透明襯墊電極層51。
圖3A之液晶單元可在經小半徑摺疊且返回至原始形狀之後維持其光學性質。
一般而言，當經由圖案化電極施加電場時，雙層液晶單元可為非偏振光提供正透鏡放大率。由液晶層增添之透鏡放大率可藉由改變所施加電場之振幅、頻率、工作循環、DC偏移或脈衝形狀中之一或多者調諧。
圖3B至圖3D說明類似於圖3A之雙層液晶單元的雙層液晶單元之替代性組態。相同附圖標號用於指代相似組件，其在一些例項中並未再次描述。圖3B至圖3D中描述之液晶單元可同樣在經小半徑摺疊且返回至原始形狀之後維持其光學性質。
如圖3B中所示，在替代性組態中，聚醯亞胺層可與電阻層一起使用以改良其均勻性。因此，在圖3B中，藉由添加與電阻層41接觸之聚醯亞胺層60修改雙層液晶單元。
在圖3C中，說明一實施例，其中藉由添加與電阻層41接觸之聚醯亞胺層60及藉由移動上部圖案化電極層42與上部聚合層44之上表面接觸而修改雙層液晶單元，從而消除圖3A及圖3B中所示之介電基板之層43的區域。其具有降低可撓曲液晶單元之必需工作電壓及總厚度之作用。
在圖3D中，說明一實施例，其中藉由移動電阻層41與上部聚合層44之上表面接觸，消除介電基板之層43的許多區域及消除圖3B及圖3C之聚醯亞胺層而相對於圖3A之結構修改雙層液晶單元。其進一步降低結構之總體厚度並消除對聚醯亞胺層之要求。
圖4(a)至圖4(f)中說明製造與圖2之可撓曲液晶單元相同的可撓曲液晶單元的方法的實施例。
圖4(a)說明作為該製程之第一說明階段的空製程單元。空製程單元由在單元形成期間充當覆蓋層之上玻璃層80及下玻璃層82組成。玻璃層經塗佈有基板介電材料70、72、79、電極材料71、78、電阻層73及配向層，該等配向層在此實例中為如上文所論述之聚合層74、77。上部電極材料71經圖案化以界定用以誘導如上文所論述之可變電場來提供可調諧透鏡放大率的孔。下部電極材料78係按襯墊形狀安置。聚酯薄膜隔片75安置於上部聚合層74與下部聚合層77之間以界定其中將形成液晶層及柱陣列之間隙76。在此實例中，聚酯薄膜隔片75界定35 µm之間隙厚度。
如圖4(b)中所示，在製造之下一階段中，例如依賴於毛細管力將液晶材料與聚合物前驅體之組合注入至間隙76中。在一些實施例中，該組合包括液晶單體部分100、光引發劑101及液晶部分102。更具體而言，在一個實例製程中，組合由比率為99 wt%: 0.5 wt%: 0.5 wt%之向列LC (LCM-1656)、液晶單體(RM257)及光引發劑(IRG184)組成。LCM-1656可自LC Matter Corp., (例如，Orlando, FL, USA; lcmatter.com)獲得，RM-257及IRG-184可自Merck或Merck KgaA (Darmstadt, Germany, merckgroup.com)獲得。所選擇材料較佳地引起聚合物柱之形成，該等聚合物柱具有充足硬度以抵抗嚴重變形，但具有良好彈性以便使結構中之單元間隙在彎曲後復原。
圖4(c)說明製造製程中之下一階段。組合材料經注入至間隙76中之單元與界定孔112、113之陣列的微影遮罩110對準。隨後將結構暴露於光化輻射111，諸如本實例中之UV輻射。在暴露期間，在相分離過程中，液晶部分125漂移遠離經由孔112、113暴露於紫外光之區域，而液晶單體120、121漂移進入暴露區域中。
如圖4(d)中所說明，在暴露於光化輻射111期間，藉由在液晶單體120、121當中進行光聚合以形成在聚合層74、77之間延伸之柱的陣列而形成聚合物鏈135。
可在低於100℃及在所描述之實例中接近室溫(約20至25℃)之低溫下進行暴露於光化輻射111。此低溫光聚合實現製造而不會損害在光聚合製程期間由玻璃蓋支撐之結構層。
在下一階段中，如圖4(e)中所示，自微影系統移除單元，其中彈性聚合物柱自下部聚合層77之上表面延伸至上部聚合層74之下表面且液晶填充間隙並包圍該等柱。
圖4(f)說明接下來的階段，其中移除玻璃層(蓋) 80、82，留下可撓曲、可調諧液晶單元，諸如圖2中所示之液晶單元。
在此實例中使用UV可固化聚合物藉由聚酯薄膜隔片密封液晶單元。在此實例中，柱在藉由光聚合固化期間形成於液晶與單體之混合物中。在另一實例中，可在第一步驟中形成柱，接下來移除未固化材料而留下柱之網狀物，接著在移除之後在柱之網狀物周圍注入液晶。在一些實例中，可在固化期間藉由使用經圖案化遮罩限定密封區域及藉由與用以製造柱相同的材料封閉單元來密封液晶單元。
此製造製程可藉由添加中間聚合層及第二聚酯薄膜隔片以限定第二間隙來擴展至諸如圖3A至圖3D中所示之雙層單元。否則，類似處理步驟適用於雙層單元。
圖5說明微影遮罩110之代表性佈局，該微影遮罩可用於參考圖4(c)及圖4(d)所描述之製程之階段中。在此實例中，遮罩佈局包含在水平及豎直尺寸上直徑約50 µm且間距約500 µm的圓孔250、251之陣列。使用上文所論述之材料選擇用於約35 µm厚之液晶層之此佈局。可根據特定實施例之需要選擇其他佈局。孔的密度經轉化為安置於聚合層之間的間隙中之柱的密度。應對密度進行選擇以免顯著干擾單元之電光效能，同時在上文所論述之意義上維持充足彈性以使得在藉由摺疊變形之後單元之形狀返回至其原始形狀。
孔無需如圖5中所說明為圓形的，而是可為橢圓形、矩形或其他更複雜形狀。可使用經驗方法或模擬判定較佳形狀及形狀之密度。
圖6(a)至圖6(f)說明用於製造聚合層之方法之實施例的各階段，該等聚合層在上文所論述之實施例中用作配向層。圖6(a)說明包括空製程單元之製程的階段，該空製程單元由塗佈有諸如ITO之導體之各別層802、806之玻璃層800、801及諸如經磨毛聚醯亞胺之配向層803、805組成，該等配向層803、805已經組態以根據上述實例所需之定向將聚合層中的液晶材料之指向矢配向於聚合層之相對表面上。聚酯薄膜隔片804維持厚度可根據設計調節之玻璃層800、801之間的間隙810。舉例而言，圖2中之上部聚合層24及下部聚合層27之厚度為約7 µm，且圖3A至圖3D中之聚合層47之厚度為約35 um。
如圖6(b)中所說明，在約90℃之溫度下將包括部分852之液晶材料、單體851及光引發劑850之混合物注入空製程單元中。由於配向層803、806，根據藉由配向層803、806設定之方向在混合物中對可為具有液晶性質之內消旋體的單體及液晶進行配向。在此實例中，在圖示平面中及平行於配向層802、805之平面對呈此液相之指向矢進行配向。
如圖6(c)中所示，導電ITO層802、806連接至900處之電源供應器，該電源供應器施加高AC電壓，該高AC電壓使單體(例如單體856)及液晶部分(857)之分子平行於與玻璃蓋之表面正交之z軸5重定向。然而，歸因於由配向層提供之強錨定力，靠近配向層表面之分子定向(例如分子定向854、855)保持平行於摩擦方向。
如圖6(d)中所說明，在施加AC電場的同時使結構暴露於光化UV輻射910。此輻射觸發光引發劑並活化單體之光聚合。在單體反應形成聚合物鏈時，具有經嵌入液晶部分之聚合膜在兩個玻璃蓋之間形成。由聚合產生之聚合物網狀物(例如網狀物860)截留且有助於維持液晶分子在聚合層中之定向。
如圖6(e)中所說明，在聚合完成後，可移除電場及UV輻射。隨後，如圖6(f)中所示，自聚合層1000剝除玻璃蓋802、801以及ITO及配向層(配向層802、803及805、806)。
其結果是，此實例中之聚合層可為光學各向異性的，係因為穿過遠離與配向層接觸之表面之中心處的大部分聚合層的液晶部分之指向矢位於z軸上。聚合層之表面上之液晶分子仍平行於配向層之表面安置並受限於聚合物網狀物。因此，聚合層之表面可用於在上述結構中對液晶層中之液晶分子進行配向。
此製程可藉由在製造期間改變配向層803、805之摩擦方向及材料來設定液晶分子在聚合層之表面上的不同定向。此外，藉由在聚合期間施加可變電場，可導致貫穿聚合層之配向方向傾斜，引起被動透鏡效應。
在一個特定實例中，聚合層由反應性液晶原基(RM257)、液晶(MLC2144)及光引發劑(IRG184)組成，其中RM257 : MLC2144 : IRG184之比率 = 79 wt%:20 wt%: 1 wt%。RM257為具有CAS 174063-87-7之1,4-雙[4-(3-丙烯醯基氧基丙氧基)苯甲醯氧基]-2-甲苯。IRG184為具有CAS 947-19-3之1-羥基環己基苯基酮。
在一個實施例中，用於形成如參考圖4(a)至圖4(f)所論述之柱的目的之反應性單體的使用可與聚合層形成中之反應性單體相同(例如RM257)。在其他實施例中，聚合物前驅體在兩個程序中可不同。此外，在一些實施例中，不同聚合物前驅體及液晶材料可用於不同聚合層。
用於製造聚合層之材料不限於RM257、IRG184及MLC2144。替代材料可包括其他液晶單體及光引發劑。此外，液晶(MLC2144)可由其他向列液晶替代。
為形成錨定強度大於10-4 J/m2 之聚合配向層，聚合物網狀物在聚合配向層之表面上之排序應較強。在一種達成聚合物網狀物之此強排序之技術中，用於圖6(a)至圖6(f)之製程中之配向層803、805為具有強錨定強度的配向層，諸如聚醯亞胺AL 22620或聚醯亞胺SE 7492。可利用其他用於達成聚合配向層之表面上之強排序的技術。
圖7說明形成於彎曲型基板上之可撓曲單層液晶單元。可使用上述製程，例如利用製程單元中具有彎曲表面之玻璃蓋製造此結構。液晶單元包括安置於聚合層324與聚合層327之間的間隙中的液晶層325，其中聚合層324及327包含與液晶部分混合之可撓曲或彈性聚合物，該等聚合層324及327經組態以充當用於液晶層325之配向層。聚合層324、327具有液晶部分，該等液晶部分具有在層之中心區域中的豎直指向矢及在表面上之水平指向矢。在此實例中之上部聚合層324中，表面上之指向矢相對於液晶層325之主表面水平且平行於圖示平面。在此實例中之下部聚合層327中，上表面上之指向矢相對於液晶層325之主表面水平且平行於圖示平面。下部聚合層327之下表面上之指向矢平行於上表面上之指向矢。此實例中之指向矢的定向使得在液晶層25之上表面及下表面上之配向方向彼此平行。
柱(例如柱326)之陣列安置於液晶層325中。陣列中之柱自上部聚合層324延伸至下部聚合層327，且傾向於維持液晶層325之厚度。
較佳地，柱及聚合層包含彈性聚合物或彈性體。
液晶經受限於第一聚合層與第二聚合層之間的間隙中，在柱陣列中之柱周圍。
在此實例中，電組件安置在介電聚合物中(在此實例中包括層320、322、329)。電組件包括電阻層323、在上部聚合層324上方之圖案化電極層321，及在下部聚合層327下方之襯墊電極層328。
在一個代表性實施例中，液晶單元之基板包括包含PDMS之介電層20、22。
在各種實施例中，單元之曲率半徑可在約100 mm至8 mm或更低之範圍中。舉例而言，曲率半徑可在100 mm至1 mm之範圍內。
圖7中所示之液晶單元的實施例可在經小半徑摺疊且返回至原始形狀之後維持光學性質。
圖8說明形成於彎曲型基板上之可撓曲雙層液晶單元。在圖8中，單元包括第一液晶層425及第二液晶層428。第一液晶層425安置在上部(第一)液晶聚合層424與中間(第二)液晶聚合層427之間的間隙中。第二液晶層428安置在中間液晶聚合層427與下部(第三)液晶聚合層430之間的間隙中。
上部聚合層424具有在鄰近於液晶層425之下表面上之指向矢，該等指向矢與單元之z軸5正交且平行於圖示平面。中間聚合層427具有在鄰近於液晶層425之上表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交且與圖示平面平行(亦即，與上部聚合層424之下表面上的指向矢平行)。中間聚合層427具有在鄰近於液晶層428之下表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交，且與圖示平面正交(亦即，與中間聚合層427之上表面上的指向矢正交)。下部聚合層430具有在鄰近於液晶層428之上表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交且與圖示平面正交(亦即，與中間聚合層427之下表面上的指向矢平行)。
聚合層424、427、430充當用於液晶層之配向層。中間聚合層427具有在其上表面及下表面上之正交指向矢。上部聚合層424及下部聚合層430在一些實施例中可由其他配向層材料(諸如磨毛聚醯亞胺層)替代。
柱(例如柱426)之陣列安置於上部聚合層424與中間聚合層427之間的間隙中且由液晶層425中受限於該間隙中之液晶材料包圍。陣列中之柱自上部聚合層424延伸至中間聚合層427，傾向於維持如上文所論述之厚度。
柱(例如柱429)之第二陣列安置在中間聚合層427與下部聚合層430之間的間隙中。柱之第二陣列由液晶層428中受限於間隙中之液晶材料包圍。
在此實例中，電組件安置在包括層432、433、434之介電聚合物基板中。電組件包括電阻層423、安置在上部聚合層424上方之圖案化電極421、及在下部聚合層430下方之襯墊電極層431。
圖7及圖8之彎曲實施例可為單元之電活性組件提供被動加成性透鏡放大率。
圖7及圖8中所示之液晶單元的實施例可在經小半徑摺疊且返回至原始形狀之後維持光學性質。
圖9說明利用液晶分子在液晶層中之混合配向的雙層液晶單元之另一實施例。單元包括第一液晶層505及第二液晶層508。第一液晶層505安置在例如可包含PDMS之上部豎直配向層504與中間聚合層507之間的間隙中。第二液晶層508安置於中間聚合層507與下部豎直配向層510之間的間隙中。
中間聚合層507具有在鄰近於液晶層505之上表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交(與液晶層505之表面平行)且與圖示平面正交。中間聚合層507具有在鄰近於液晶層508之下表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交且與圖示平面平行(亦即，與中間聚合層507之上表面上的指向矢正交)。
鄰近於上部豎直配向層504及下部豎直配向層510之液晶層505、508中之指向矢以豎直方式平行於z軸5佈置於圖示平面中。歸因於中間聚合層507之配向功能，在正交平面中，液晶層中之指向矢在如所說明之液晶層505、508之上表面與下表面之間扭曲。
液晶層505及508在聚合層之間具有在合理的製造及光學效能容限內之相同厚度。
柱(例如柱506)之陣列安置於上部配向層504與中間聚合層507之間的間隙中且由液晶層505中受限於該間隙中之液晶材料包圍。陣列中之柱自上部配向層504延伸至中間聚合層507，傾向於維持如上文所論述之厚度。
柱(例如柱509)之第二陣列安置在中間聚合層507與下部配向層510之間的間隙中。柱之第二陣列由液晶層508中受限於間隙中之液晶材料包圍。
在此實例中，電組件安置在包括層512、510、500、504之介電聚合物基板中。電組件包括電阻層502、聚醯亞胺層501、安置於上部配向層504上方之圖案化電極層503及在下部配向層510下方之襯墊電極層511。在此結構中，回應時間可比參考圖3A至圖3D描述之結構之回應時間快。然而，可調諧範圍可更小。
圖10說明與圖9之實施例相同的替代實施例，且相同附圖標號用以指代相同組件且不再描述。在此實施例中，圖案化電極523之位置及電阻膜521/聚醯亞胺薄膜522結構顛倒，以使得圖案化電極523上覆於電阻膜521。在其他方面，結構類似且可以類似方式起作用。
圖9及圖10之液晶單元可在經小半徑摺疊且返回至原始形狀之後維持其光學性質。
在替代實施例中，可不利用圖案化電極。可藉由一對透鏡襯墊形電極隨著將具有空間分佈之介電常數或表面之介電層添加至該結構中來產生不均勻電場。
圖11說明具有未經電極圖案化之透明電極601及610之結構的實施例。
圖11中所示之單元包括第一液晶層604及第二液晶層607。第一液晶層604安置在上部(第一)液晶聚合層603與中間(第二)液晶聚合層606之間的間隙中。第二液晶層607安置在中間液晶聚合層606與下部(第三)液晶聚合層609之間的間隙中。
上部聚合層603具有在鄰近於液晶層604之下表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交(與液晶層604之表面平行)且與圖示平面正交。中間聚合層606具有在鄰近於液晶層604之上表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交(與液晶層604之表面平行)，且與圖示平面正交(亦即，與上部聚合層603之下表面上的指向矢平行)。中間聚合層606具有在鄰近於液晶層607之下表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交(與液晶層607之表面平行)，且與圖示平面平行(亦即，與中間聚合層606之上表面上的指向矢正交)。下部聚合層609具有在其鄰近於液晶層607之上表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交(與液晶層607之表面平行)，且與圖示平面平行(亦即，與中間聚合層606之下表面上的指向矢平行)。
液晶層604及607在聚合層之間具有在合理的製造及光學效能容限內之相同厚度。
柱(例如柱605)之陣列安置於上部聚合層603與中間聚合層606之間的間隙中且由液晶層604中受限於該間隙中之液晶材料包圍。陣列中之柱自上部聚合層603延伸至中間聚合層606，傾向於維持如上文所論述之厚度。
柱(例如柱608)之第二陣列安置在中間聚合層606與下部聚合層609之間的間隙中。柱之第二陣列由液晶層607中受限於間隙中之液晶材料包圍。
在此實例中，電組件安置於包括層600、602、611之介電聚合物基板中，電組件包括安置於上部聚合層603上方之扁平透明電極601及在下部聚合層609下方之扁平透明電極610。
在此類結構中，不需要電阻層或圖案化電極。然而，該結構之總厚度可增加。聚合層603、606、609充當用於液晶層之配向層。中間聚合層606具有在其上表面及下表面上之正交指向矢。在此實例中，隨著層602中之介電材料之匹配曲線，上部聚合層603之上表面603A為彎曲型的。在對扁平透明電極601及610施加電壓時，該曲線可引起不均勻電場之產生。
圖11之液晶單元可在經小半徑摺疊且返回至原始形狀之後維持其光學性質。
圖12說明使用扁平透明電極而非圖案化電極之另一實施例。在圖12中，說明利用液晶分子在液晶層中之混合配向的雙層液晶單元。圖12中之單元包括第一液晶層704及第二液晶層707。第一液晶層704安置在例如可包含PDMS之上部豎直配向層703與中間聚合層706之間的間隙中。第二液晶層安置於中間聚合層706與下部豎直配向層709之間的間隙中。
中間聚合層706具有在鄰近於液晶層704之上表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交(與液晶層704之表面平行)且與圖示平面正交。中間聚合層706具有在鄰近於液晶層707之下表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交(與液晶層707之表面平行)，且位於圖示平面中(亦即，與中間聚合層706之上表面上的指向矢正交)。彎曲聚合層702安置於上部配向層703上方且與上部配向層703接觸。其在扁平透明電極701及710之間的電場路徑中形成曲面703A。
PDMS層充當用於該結構之豎直配向層703、709。其結果是，鄰近於上部豎直配向層703與下部豎直配向層709之液晶層704、707中的指向矢以豎直方式沿光學路徑佈置。歸因於中間聚合層706之配向功能，在正交平面中，液晶層中之指向矢在如所說明之上表面與下表面之間扭曲。
液晶層704及707在聚合層之間具有在合理的製造及光學效能容限內之相同厚度。
柱(例如柱705)之陣列安置於上部配向層703與中間聚合層706之間的間隙中且由液晶層704中受限於該間隙中之液晶材料包圍。陣列中之柱自上部配向層703延伸至中間聚合層706，傾向於維持如上文所論述之厚度。
柱(例如柱708)之第二陣列安置在中間聚合層706與下部配向層709之間的間隙中。柱之第二陣列由液晶層707中受限於間隙中之液晶材料包圍。
在此實例中，電組件包括安置於彎曲聚合層702上方之扁平透明電極層701及在下部配向層709下方之扁平透明電極層710。介電基板層700、711安置於單元之相對表面上。
圖12之液晶單元可在經小半徑摺疊且返回至原始形狀之後維持其光學性質。
如上文所提及，液晶分子在液晶及聚合物薄膜中之定向可由在光聚合期間施加之外部電場定義。藉由在該製程期間施加不均勻電場，所得液晶聚合物薄膜可具有固定透鏡放大率。使用液晶聚合物透鏡與可撓曲電活性組件組合的透鏡放大率可為結構增添透鏡放大率。
圖13中展示具有由液晶聚合層增添之透鏡放大率之實例性雙層液晶電活性單元。
在圖13中，單元包括第一液晶層954及第二液晶層957。第一液晶層954安置在上部(第一)液晶聚合層953與中間(第二)液晶聚合層956之間的間隙中。第二液晶層957安置在中間液晶聚合層956與下部(第三)液晶聚合層959之間的間隙中。
上部聚合層953具有在其表面之間的經分佈以誘導透鏡放大率之指向矢，且具有在其上表面及下表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5表面正交(與液晶層954之表面平行)且與圖示平面正交。在此實例中，上部聚合層953之表面之間的指向矢之傾斜量與其在平行於z軸5及正交於圖示平面之平面中相對於光學區之中心線的位置成函數。
中間聚合層956具有在鄰近於液晶層954之上表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交(與液晶層954之表面平行)，且與圖示平面正交(亦即，與上部聚合層953之下表面上的指向矢平行)。中間聚合層956具有在鄰近於液晶層957之下表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交(與液晶層957之表面平行)，且與圖示平面平行(亦即，與中間聚合層956之上表面上的指向矢正交)。表面與中間聚合層956之間的指向矢以豎直方式佈置。
下部聚合層959具有在其表面之間的經分佈以誘導透鏡放大率之指向矢，且具有在其上表面及下表面上之指向矢，該等指向矢與z軸5正交(與液晶層957之表面平行)且與圖示平面平行(亦即，與中間聚合層956之下表面上之指向矢平行)。在此實例中，下部聚合層959之表面之間的指向矢之傾斜量與其在平行於z軸5及平行於圖示平面之平面中相對於光學區之中心線的位置成函數。其結果是，上聚合層與下聚合層中之表面之間的指向矢的定向彼此正交。
聚合層953、956、959充當用於液晶層之配向層。
液晶層954及957在聚合層之間具有在合理的製造及光學效能容限內之相同厚度。
柱(例如柱955)之陣列安置於上部聚合層953與中間聚合層956之間的間隙中，且由液晶層954中受限於該間隙中之液晶材料包圍。陣列中之柱自上部聚合層953延伸至中間聚合層956，且傾向於維持如上文所論述之厚度。
柱(例如柱958)之第二陣列安置在中間聚合層956與下部聚合層959之間的間隙中。柱之第二陣列由液晶層957中受限於間隙中之液晶材料包圍。
在此實例中，電組件安置在包括層950、961、962之介電聚合物基板中。電組件包括接觸聚醯亞胺層951A之電阻層951B、安置於上部聚合層953上方之圖案化電極層952及在下部聚合層959下方之透明襯墊電極層960。
上部聚合層953及下部聚合層959中之經分佈指向矢向電活性單元提供經增添之透鏡放大率。在一些實施例中，由聚合層953及959提供之被動透鏡放大率可與由液晶層提供之電活性功率組合，以使得能夠利用透鏡結構聚焦於附近目標及遠處目標。
圖13之液晶單元可在經小半徑摺疊且返回至原始形狀之後維持其光學性質。
圖14說明用於透鏡之可調諧電活性液晶單元之一實施例，其中藉由移除第二液晶層48下方之襯墊電極層51及提供具有圖案化開口之第二電極42A而相對於圖3D之結構修改雙層液晶單元。第二電極42A安置於介電聚合物40A中。此外，電阻層41A安置於配向層50下方。圖14中與圖3A至圖3D之實施例之元件相同的元件具有相同元件符號，且沒有再次描述。
第一電極42及第二電極42A中之圖案化開口可具有圓形形狀。在一些實施例中，圖案化開口具有半徑相同的圓形形狀。在其他實施例中，圖案化開口可具有半徑不同的圓形形狀。此外，在其他實施例中，圖案化開口可具有圓形以外的形狀。
圖14之實施例中之圓形開口經安置為與可調諧透鏡之孔徑對準，經組態以利用電場功率誘發具有適合於控制液晶部分在第一及第二作用層中之配向的電場線，以獲得可調諧透鏡放大率。
在替代實施例中，可使用如圖11及圖12之情形中之襯墊電極及彎曲型聚合層代替具有孔圖案化開口之第一電極42及第二電極42A。此外，在替代方案中，可使用如上文所論述之聚合層提供被動透鏡放大率。
圖15說明用於透鏡之可調諧電活性液晶單元之一實施例，其中藉由在含有液晶之第一作用層與第二作用層(亦即，液晶層45與液晶層48)之間插入襯墊電極150而相對於圖14之結構修改雙層液晶單元。圖15中與圖14之實施例相同的元件具有相同元件符號，且沒有再次描述。
在此實施例中，透明的可撓曲襯墊電極150安置於第二配向層47下方之介電聚合物155、156中。另一配向層47A安置於襯墊電極150下方，且與第二液晶層48之上部表面接觸。
第一電極42及第二電極42A可具有如上文關於圖14所論述之圖案化開口。
包括第一驅動信號源160及第二驅動信號源161之驅動器電連接至第一圖案化電極42及第二圖案化電極42A，以施加用於第一液晶層45之第一驅動信號及用於第二液晶層48之第二驅動信號。在一些實施例中，在製造及效能規範內，第一驅動信號與第二驅動信號可相同。在其他實施例中，第一及第二驅動信號可在脈衝形狀、工作循環、DC偏移、振幅及頻率中至少一者方面不同，且在一些實施例中，第一及第二驅動信號可在脈衝形狀、工作循環、DC偏移、振幅及頻率中多於一者方面不同。驅動信號之特徵可例如藉由特定透鏡放大率之校準及待達成的其他效能特徵決定。
在一些實施例中，驅動器耦接至襯墊電極150，且向該襯墊電極施加DC參考電壓或地面電位。在一些實施例中，可存在彼此分離且安置在第一與第二作用層(液晶層)之間的第一及第二襯墊電極。第一驅動信號可耦合在第一電極與第一襯墊電極之間，且第二驅動信號可耦合在第二電極與第二襯墊電極之間。
圖16說明用於透鏡之可調諧電活性液晶單元之一實施例，其中藉由在第一與第二作用層(425、428)之間插入襯墊電極450，以及藉由用具有圖案化開口之第二電極421A (諸如參考圖14及圖15論述之電極42A)替代圖8之襯墊電極而相對於圖8之結構修改彎曲型雙層液晶單元。圖16中與圖8之結構相同的元件具有相同元件符號，且沒有再次描述。
在此實施例中，透明的可撓曲襯墊電極450安置於第二配向層(聚合層427)下方的介電聚合物455、456中。另一配向層(聚合層427A)安置於襯墊電極450下方，且與第二液晶層428之上部表面接觸。
第二電極421A安置於介電聚合物433A、434A中。此外，電阻層423A安置於聚合層430下方。
包括第一驅動信號源460及第二驅動信號源461之驅動器電連接至第一圖案化電極421及第二圖案化電極421A，以施加用於第一液晶層425之第一驅動信號及用於第二液晶層428之第二驅動信號。在一些實施例中，在製造及效能規範內，第一驅動信號與第二驅動信號可相同。在其他實施例中，第一及第二驅動信號可在脈衝形狀、工作循環、DC偏移、振幅及頻率中至少一者方面不同，且在一些實施例中，第一及第二驅動信號可在脈衝形狀、工作循環、DC偏移、振幅及頻率中多於一者方面不同。驅動信號之特徵可例如藉由特定透鏡放大率之校準及待達成的其他效能特徵決定。
在一些實施例中，驅動器耦接至襯墊電極450，且向該襯墊電極施加DC參考電壓或地面電位。在一些實施例中，可存在彼此分離且安置在第一與第二作用層之間的第一及第二襯墊電極。第一驅動信號可耦合在第一電極與第一襯墊電極之間，且第二驅動信號可耦合在第二電極與第二襯墊電極之間。
可藉由使用具有較強錨定強度的配向層，諸如錨定強度大於10-4 J/m2 的配向層來降低向錯效應。可如上文所論述使用聚合物配向層來製造具有足夠強度的配向層。
圖17為展示驅動信號之圖表，該驅動信號具有不等於50%之工作循環。在此實例中，驅動信號為AC方波，其中正峰值及負峰值之幅度相同。然而，正向脈衝之脈衝寬度τ小於信號之50%週期T。藉由控制驅動信號之工作循環，可在作用單元中之電場中誘發可由於離子效應或撓曲電效應而調節透鏡放大率的DC偏移。在其他實例中，驅動信號可為正弦波、鋸齒波或具有不同脈衝形狀或混合脈衝形狀的其他信號。
圖18為展示驅動信號之圖表，其中正峰值及負峰值之幅度不相同，從而引起DC偏移。在此實例中，驅動信號之工作循環為50%。藉由控制在驅動信號中產生DC偏移的正峰值及負峰值之幅度，可在作用單元中之電場中誘發可由於離子效應或撓曲電效應而調節透鏡放大率的DC偏移。
在一些實施例中，可施加具有可調節工作循環及可調節的正峰值及負峰值之幅度之組合的驅動信號。
在一些實施例中，可使用脈寬調變來施加驅動信號，以達成所要透鏡放大率特徵。可使用指示例如所選透鏡放大率下之聚集品質的反饋來應用脈寬調變，以便即時控制環境因素。液晶透鏡之透鏡放大率在正電壓或負電壓下由於離子效應或撓曲電效應而不同。改變脈衝可提供具有正DC偏移或負DC偏移的平均電壓，且因此改變透鏡放大率。
驅動信號之其他可調節態樣包括頻率及幅度。一般而言，頻率及幅度決定液晶層中用於調節液晶部分中之指向矢的電場強度。
出於論述之目的，圖19為可調諧液晶單元之簡化圖示，該液晶單元具有帶有圖案化開口之第一電極480、輔助分散電場線之電阻層481以及諸如襯墊電極之第二電極482。液晶層安置於第一電極480與第二電極482之間。液晶層包括具有根據單元中之配向層(圖中未示)配向的部分(例如，485)的液晶，其具有例如呈被動狀態之所施加偏壓。該等配向層可包含如上文詳細論述之聚合物配向層。液晶單元可包括如上文所描述之彈性柱。液晶單元可與如上文所論述之另一單元組合。
圖20說明圖19之液晶單元，其中所施加的初始驅動信號誘發相對較高功率電場，其由以分散模式自第一電極480延伸至第二電極482的場力線表示。回應於初始驅動信號，液晶層中之液晶部分可變成實質上均一豎直配向。在此實施例中，在施加初始驅動信號之後，施加如由圖21表示的具有較低功率電場的驅動信號，該較低功率電場由圖21中以分散模式自第一電極480延伸至第二電極482的場力線表示。圖21之驅動信號在初始驅動信號之後施加，且允許液晶部分針對目標透鏡放大率鬆弛成所要定向。
圖22為展示驅動信號之圖表，該驅動信號具有如參考圖21及圖22論述之初始較高功率區間及後續較低功率區間。在初始較高功率區間中，驅動信號具有第一頻率f1及第一幅度V1，以建立如圖20中之相對均一電場分佈。在後續較低功率區間中，驅動信號具有第二頻率f2及第二幅度V2，以設定如圖21中之透鏡放大率。頻率及幅度之組合確立電場功率，電場功率可引起作用層中液晶部分之可控制配向，且可用於更快速地調節單元之液晶層中之透鏡放大率，其中透鏡場之周邊具有更少向錯。相比於後續較低場功率區間中之驅動信號的頻率f2及幅度V2，初始較高場功率區間中之驅動信號可具有較低頻率f1及較高幅度V1。在一些實施例中，初始較高功率區間可為單一高幅度脈衝，而非多個循環之集合。亦可在各種組合中應用頻率及幅度之其他組合以及包括DC偏移、可調節工作循環及脈寬調變之驅動信號，以達成用於特定實施方案之初始及後續場功率。在一個實例中，f1、V1可為500 Hz、500毫秒40 Vrm，而f2、V2可為4 KHz、35 Vrm。
所描述的可撓曲液晶單元技術適用於可撓曲透鏡，諸如隱形透鏡，其在結構被摺疊後將恢復至其原始形狀及原始光學特性之意義上可為彈性的。
可撓曲液晶單元之實施例可包括全基於聚合物之光學件。在一些實施例中，液晶單元可包括偏振器或不包括偏振器。在一些實施例中，存在單一液晶層。在其他實施例中，存在兩個或更多個液晶層。
所描述的用於在液晶層內製造柱陣列之技術係基於包括聚合物前驅物及液晶材料之混合物之低溫下光聚合。根據例如使用微影光罩所形成的圖案，光聚合誘導前驅物之相分離及聚合以形成柱陣列。
本文中所描述之可撓曲液晶單元可在不斷裂的情況下自身摺疊，且可在恢復電活性透鏡之光學特性的同時恢復原始形狀。
舉例而言，液晶層之厚度在摺疊前後可保持，使得摺疊前後之平均厚度保持在初始厚度之10%內。此外，液晶層之厚度在摺疊前後可為均一厚度，例如自光學件之中心至光學件之有效孔徑之邊緣，變化小於1.2 µm。
描述用於實施可撓曲光學元件之技術，該等可撓曲光學元件使用液晶實現電可調諧光學件。液晶光學件可包括具有正交配向液晶指向矢以允許無偏振器操作的一對液晶層，其具有可撓曲聚合物配向層、可撓曲基板及用於控制電場之模組。液晶光學件之透鏡放大率可藉由控制電場在整個光學區上之分佈而改變。對於患有近視及老花眼之患者，可使用本文中所描述之技術實施可撓曲隱形透鏡，其具有用於聚焦較遠目標之負透鏡放大率及用於聚焦較近目標之加性透鏡放大率。在一些實例中，可藉由光學層堆疊之被動結構與液晶層之電光活性結構之組合提供負透鏡放大率。因此，可理解，可撓曲隱形透鏡可包括如本文中所描述的使用液晶之可撓曲光學元件。
描述一種採用液晶(LC)作為用於實現電可調諧光學件之材料的可撓性光學元件。該等LC光學件可包括具有正交配向LC指向矢以用於無偏振器操作的一對LC層、可撓曲聚合物配向層、可撓曲基板及用於控制電場之模組。該等LC光學件之透鏡放大率可藉由控制電場跨越光學區之分佈而改變。如本文中所描述之液晶單元可包括在包含可撓曲聚合物之隱形透鏡中。
對於患有近視及老花眼或同時患有遠視及老花眼之患者，描述具有支援聚焦較遠目標之負透鏡放大率及支援聚焦較近目標之加性正透鏡放大率的可撓曲隱形透鏡。LC光學件可以電性方式提供加性正透鏡放大率，且可與具有被動初始負透鏡放大率的可撓曲隱形透鏡組合用於彼等患者。
已以特定次序描述本文中所描述之製造製程。步驟中之一些可組合、並行執行或以不同順序執行，而不影響所達成之功能。在一些狀況下，如讀者將瞭解，只要亦進行某些其他改變，重新排列步驟將達成相同結果。在其他狀況下，如讀者將瞭解，只要符合某些條件，重新排列步驟將達成相同結果。
儘管參考上文詳述的較佳實施例及實例揭示本發明，但應理解，此等實例意欲為說明性而非限制性意義。預期熟習此項技術者將容易地想到各種修改及組合，該等修改及組合將在本發明之精神及以下申請專利範圍之範疇內。
5:z軸 10:透鏡 11:電活性單元 12:區域 20:介電層 21:經圓形孔圖案化電極層 22:介電層 23:電阻層 24:聚合層 25:液晶層 26:柱 27:聚合層 28:透明襯墊電極層 29:介電層 40:層 40A:介電聚合物 41:電阻層 41A:電阻層 42:圖案化電極層 42A:第二電極 43:層 44:上部液晶聚合層 45:第一液晶層 46:柱 47:中間液晶聚合層 48:第二液晶層 49:柱 50:下部液晶聚合層 51:透明襯墊電極層 52:層 70:基板介電材料 72:基板介電材料 79:基板介電材料 71:電極材料 78:電極材料 73:電阻層 74:聚合層 75:聚酯薄膜隔片 76:間隙 77:聚合層 78:下部電極材料 80:上玻璃層 82:下玻璃層 100:液晶單體部分 101:光引發劑 102:液晶部分 110:微影遮罩 111:光化輻射 112:孔 113:孔 120:液晶單體 121:液晶單體 125:液晶部分 135:聚合物鏈 150:襯墊電極 155:介電聚合物 156:介電聚合物 160:第一驅動信號源 161:第二驅動信號源 250:圓孔 251:圓孔 321:圖案化電極層 324:聚合層 323:電阻層 325:液晶層 326:柱 327:聚合層 328:襯墊電極層 329:層 421:圖案化電極 421A:第二電極 423:電阻層 423A:電阻層 424:上部(第一)液晶聚合層 425:第一液晶層 426:柱 427:中間(第二)液晶聚合層 427A:聚合層 428:第二液晶層 430:下部(第三)液晶聚合層 431:襯墊電極層 432:層 433:層 433A:介電聚合物 434:層 434A:介電聚合物 450:襯墊電極 455:介電聚合物 456:介電聚合物 460:第一驅動信號源 461:第二驅動信號源 480:第一電極 481:電阻層 482:第二電極 501:聚醯亞胺層 502:電阻層 503:圖案化電極層 504:上部豎直配向層 505:第一液晶層 506:柱 507:中間液晶聚合層 508:第二液晶層 509:柱 510:下部豎直配向層 511:襯墊電極層 512:層 521:電阻膜 522:聚醯亞胺薄膜 523:圖案化電極 600:層 601:透明電極 602:層 603:上部(第一)液晶聚合層 604:第一液晶層 605:柱 606:中間(第二)液晶聚合層 607:第二液晶層 608:柱 609:下部(第三)液晶聚合層 610:透明電極 611:層 700:介電基板層 701:扁平透明電極層 702:彎曲聚合層 703:上部豎直配向層 703A:曲面 704:第一液晶層 705:柱 706:中間聚合層 707:第二液晶層 708:柱 709:下部豎直配向層 710:扁平透明電極層 711:介電基板層 800:玻璃層 801:玻璃層 802:層 803:配向層 804:聚酯薄膜隔片 805:配向層 806:配向層 810:間隙 850:光引發劑 851:單體 852:部分 854:分子定向 855:分子定向 856:單體 857:液晶部分 860:聚合物網狀物 900:電源供應器 910:光化UV輻射 950:層 951A:聚醯亞胺層 951B:電阻層 952:圖案化電極層 953:上部(第一)液晶聚合層 954:第一液晶層 955:柱 956:中間(第二)液晶聚合層 957:第二液晶層 958:柱 959:下部(第三)液晶聚合層 960:透明襯墊電極層 961:層 962:層 1000:聚合層
圖1為展示摺疊如本文所描述之具有電活性單元之可撓曲透鏡之簡化圖示。
圖2說明具有單一液晶層之可撓曲液晶電活性單元。
圖3A、圖3B、圖3C及圖3D說明具有兩個液晶層之偏振無關的可撓曲液晶電活性單元之替代實施例。
圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)、圖4(e)及圖4(f)說明用於可撓曲電活性單元之製造製程中之各階段。
圖5展示與圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)、圖4(e)及圖4(f)之製程相同的製程中所使用的微影遮罩的實例佈局。
圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)、圖6(e)及圖6(f)說明與圖2及圖3A、圖3B、圖3C及圖3D之結構中所使用的聚合層相同的聚合層之製造中的各階段。
圖7說明彎曲型可撓曲液晶電活性單元之實例。
圖8說明具有雙層液晶之彎曲型可撓曲液晶電活性單元之實例。
圖9說明具有在液晶層中之混合配向之雙層液晶單元之實例。
圖10說明具有在具有替代電極位置之液晶層中之混合配向的雙層液晶單元之實例。
圖11說明具有彎曲型介電層之雙層液晶單元之實例。
圖12說明利用液晶層中之混合配向的具有彎曲型介電層之雙層液晶單元之另一實例。
圖13說明液晶聚合膜中具有透鏡放大率之雙層液晶單元之實例。
圖14說明與圖3D之液晶單元相同但經修改以使得上部電極及下部電極均具有圖案化開口之雙層液晶單元的實例。
圖15說明具有中間襯墊電極以及具有圖案化開口之第一及第二外部電極之雙層液晶單元的實例。
圖16說明與圖15之雙層液晶單元相同之雙層液晶單元之實例，該雙層液晶單元係彎曲而非扁平的。
圖17為具有工作循環之用於液晶單元之驅動信號的圖表，該驅動信號經組態以誘導作用層中之DC偏移。
圖18為展示用於液晶單元之驅動信號之圖表，該驅動信號中具有DC偏移。
圖19為安置於孔圖案化頂部電極與處於不偏狀態之襯墊電極之間的具有液晶部分之作用層的簡化圖。
圖20為圖19之結構之簡化圖，其中初始經施加驅動信號具有相對高的場功率，從而誘導液晶部分之豎直配向。
圖21為圖19之結構之簡化圖，其中後續經施加驅動信號具有比圖20之場功率低的場功率，其經設定為確立較佳透鏡放大率。
圖22為展示驅動信號之圖表，該驅動信號包括如參考圖20及圖21論述之初始較高場功率區間及後續較低場功率區間。
10:透鏡
11:電活性單元
12:區域

Claims (34)

  1. 一種電可調諧透鏡，其包含：第一配向層及第二配向層；包含液晶之作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一配向層與該第二配向層之間；安置於該第一配向層上方之第一電極，該第一電極具有安置於該作用層之孔徑區域上方之第一圖案化開口；安置於該第二配向層下方之第二電極，該第二電極具有第二圖案化開口，該第二電極經佈置以結合該第一電極在該作用層中誘導電場；及電連接至該第一電極及該第二電極之驅動器，該驅動器經組態以跨越該第一電極及該第二電極施加具有可調節工作循環之驅動信號。
  2. 如請求項1之電可調諧透鏡，其中該第一圖案化開口及該第二圖案化開口具有圓形形狀。
  3. 如請求項1之電可調諧透鏡，其中該第一圖案化開口及該第二圖案化開口具有半徑相同之圓形形狀。
  4. 一種電可調諧透鏡，其包含：第一配向層及第二配向層；包含液晶之作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一配向層與該第二配向層之間； 安置於該第一配向層上方之第一電極，該第一電極具有安置於該作用層之孔徑區域上方之第一圖案化開口；安置於該第二配向層下方之第二電極，該第二電極具有第二圖案化開口，該第二電極經佈置以結合該第一電極在該作用層中誘導電場；及安置於該第一配向層上方之第一電阻層及安置於該第二配向層下方之第二電阻層。
  5. 如請求項1之電可調諧透鏡，其包括在該第一配向層與該第二配向層之間的該作用層中之彈性聚合物柱之陣列，該陣列中之柱自該第一配向層延伸至該第二配向層。
  6. 一種電可調諧透鏡，其包含：第一配向層及第二配向層；包含液晶之作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一配向層與該第二配向層之間；安置於該第一配向層上方之第一電極，該第一電極具有安置於該作用層之孔徑區域上方之第一圖案化開口；及安置於該第二配向層下方之第二電極，該第二電極具有第二圖案化開口，該第二電極經佈置以結合該第一電極在該作用層中誘導電場；其中該第一配向層及該第二配向層中之至少一者包含聚合層，該聚合層包括液晶部分。
  7. 一種電可調諧透鏡，其包含： 第一配向層及第二配向層；包含液晶之作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一配向層與該第二配向層之間；安置於該第一配向層上方之第一電極，該第一電極具有安置於該作用層之孔徑區域上方之第一圖案化開口；及安置於該第二配向層下方之第二電極，該第二電極具有第二圖案化開口，該第二電極經佈置以結合該第一電極在該作用層中誘導電場；在該第一配向層與該第二配向層之間的第三配向層；及包含液晶之第二作用層，其經受限於該第三配向層與該第二配向層之間。
  8. 如請求項7之電可調諧透鏡，其包括安置於該第一作用層與該第二作用層之間的襯墊電極。
  9. 一種電可調諧透鏡，其包含：第一配向層及第二配向層；包含液晶之作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一配向層與該第二配向層之間；安置於該第一配向層上方之第一電極，該第一電極具有安置於該作用層之孔徑區域上方之第一圖案化開口；及安置於該第二配向層下方之第二電極，該第二電極具有第二圖案化開口，該第二電極經佈置以結合該第一電極在該作用層中誘導電場；其中該作用層在小於10mm之摺疊半徑內彎曲之前具有平均厚度X， 及在自該彎曲恢復之後具有平均厚度Y，其中Y=X±10%X。
  10. 如請求項4之電可調諧透鏡，其包括電連接至該第一電極及該第二電極之驅動器，該驅動器經組態以跨越該第一電極及該第二電極施加具有可調節工作循環之驅動信號。
  11. 如請求項1之電可調諧透鏡，其包括電連接至該第一電極及該第二電極之驅動器，該驅動器經組態以使用脈寬調變跨越該第一電極及該第二電極施加驅動信號。
  12. 如請求項1之電可調諧透鏡，其包括電連接至該第一電極及該第二電極之驅動器，該驅動器經組態以跨越該第一電極及該第二電極施加具有DC偏移之驅動信號。
  13. 一種電可調諧透鏡，其包含：第一配向層及第二配向層；包含液晶之作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一配向層與該第二配向層之間；安置於該第一配向層上方之第一電極，該第一電極具有安置於該作用層之孔徑區域上方之第一圖案化開口；安置於該第二配向層下方之第二電極，該第二電極具有第二圖案化開口，該第二電極經佈置以結合該第一電極在該作用層中誘導電場；及電連接至該第一電極及該第二電極之驅動器，該驅動器經組態以跨 越該第一電極及該第二電極施加包括初始較高場功率區間及後續較低場功率區間之驅動信號，該較低場功率經組態以在該較低場功率區間期間確立目標透鏡放大率。
  14. 一種電可調諧透鏡，其包含：第一配向層及第二配向層；包含液晶之作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一配向層與該第二配向層之間；安置於該第一配向層上方之第一電極，該第一電極具有安置於該作用層之孔徑區域上方之第一圖案化開口；及安置於該第二配向層下方之第二電極，該第二電極具有第二圖案化開口，該第二電極經佈置以結合該第一電極在該作用層中誘導電場；其中該第一配向層及該第二配向層中之至少一者之錨定強度大於10-4J/m2。
  15. 如請求項14之電可調諧透鏡，其中該第一配向層及該第二配向層中之至少一者包含包括液晶部分之聚合層。
  16. 一種電可調諧透鏡，其包含：第一配向層及第二配向層；包含液晶之作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一配向層與該第二配向層之間；安置於該第一配向層上方之第一電極及安置於該第二配向層下方之 第二電極；及電連接至該第一電極及該第二電極之驅動器，其經組態以跨越該第一電極及該第二電極施加具有可調節工作循環之驅動信號。
  17. 如請求項16之電可調諧透鏡，其中該第一配向層及該第二配向層中之至少一者之錨定強度大於10-4J/m2。
  18. 一種電可調諧透鏡，其包含：第一配向層及第二配向層；包含液晶之作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一配向層與該第二配向層之間；安置於該第一配向層上方之第一電極及安置於該第二配向層下方之第二電極；及電連接至該第一電極及該第二電極之驅動器，其經組態以跨越該第一電極及該第二電極施加具有DC偏移之驅動信號，其中該第一配向層及該第二配向層中至少一者具有大於10-4J/m2之錨定強度。
  19. 一種電可調諧透鏡，其包含：第一配向層及第二配向層；包含液晶之作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一配向層與該第二配向層之間；安置於該第一配向層上方之第一電極及安置於該第二配向層下方之第二電極；及 電連接至該第一電極及該第二電極之驅動器，該驅動器經組態以跨越該第一電極及該第二電極施加包括初始較高場功率區間及後續較低場功率區間之驅動信號，該較低場功率經組態以在該較低場功率區間期間確立目標透鏡放大率。
  20. 如請求項19之電可調諧透鏡，其中該第一配向層及該第二配向層中之至少一者之錨定強度大於10-4J/m2。
  21. 一種電可調諧透鏡，其包含：第一配向層及第二配向層；包含液晶之作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一配向層與該第二配向層之間；安置於該第一配向層上方之第一電極及安置於該第二配向層下方之第二電極；及電連接至該第一電極及該第二電極之驅動器，其經組態以使用脈寬調變跨越該第一電極及該第二電極施加驅動信號以控制透鏡放大率。
  22. 如請求項21之電可調諧透鏡，其中該第一配向層及該第二配向層中之至少一者之錨定強度大於10-4J/m2。
  23. 一種電可調諧透鏡，其包含：第一配向層、第二配向層、第三配向層及第四配向層；包含液晶之第一作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第一 配向層與該第二配向層之間；包含液晶之第二作用層，其在該透鏡之光學路徑中經受限於該第三配向層與該第四配向層之間；安置於該第一配向層上方之第一電極，該第一電極具有經安置為與該第一作用層之孔徑區域對準的第一圖案化開口；及安置於該第四配向層下方之第二電極，該第二電極具有經安置為與該第二作用層之孔徑區域對準的第二圖案化開口；及安置於該第一作用層與該第二作用層之間的襯墊電極；及電連接至該第一電極及該第二電極之驅動器，其經組態以將第一驅動信號施加至該第一電極及將第二驅動信號施加至該第二電極，且經佈置以結合該襯墊電極在該第一作用層及該第二作用層中誘導電場。
  24. 如請求項23之電可調諧透鏡，其中該第一圖案化開口及該第二圖案化開口具有圓形形狀。
  25. 如請求項23之電可調諧透鏡，其中該第一圖案化開口及該第二圖案化開口具有半徑相同之圓形形狀。
  26. 如請求項23之電可調諧透鏡，其包括安置於該第一配向層上方之第一電阻層及安置於該第四配向層下方之第二電阻層。
  27. 如請求項23之電可調諧透鏡，其包括：在該第一配向層與該第二配向層之間的該第一作用層中之彈性聚合 物柱之第一陣列，該陣列中之柱自該第一配向層延伸至該第二配向層；及在該第三配向層與該第四配向層之間的該第二作用層中之彈性聚合物柱之第二陣列，該陣列中之柱自該第三配向層延伸至該第四配向層。
  28. 如請求項23之電可調諧透鏡，其中該第一配向層及該第四配向層中之至少一者包含聚合層，該聚合層包括液晶部分。
  29. 如請求項23之電可調諧透鏡，其中該第一作用層在小於10mm之摺疊半徑內彎曲之前具有平均厚度X，及在自該彎曲恢復之後具有平均厚度Y，其中Y=X±10%X。
  30. 如請求項23之電可調諧透鏡，其中該第一驅動信號及該第二驅動信號在DC偏移、頻率、工作循環及幅度中之至少一者上不同。
  31. 如請求項23之電可調諧透鏡，其中該驅動器經組態以使用脈寬調變提供該第一驅動信號及該第二驅動信號。
  32. 如請求項23之電可調諧透鏡，其中該第一驅動信號及該第二驅動信號中之至少一者包括初始較高場功率區間及後續較低場功率區間，該較低場功率經組態以在該較低場功率區間期間確立目標透鏡放大率。
  33. 如請求項23之電可調諧透鏡，其中該第一配向層、該第二配向層、該第三配向層及該第四配向層中之至少一者之錨定強度大於10-4J/m2。
  34. 如請求項23之電可調諧透鏡，其中該第一配向層、該第二配向層、該第三配向層及該第四配向層中之至少一者包含包括液晶部分之聚合層，並具有大於10-4J/m2之錨定強度。
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