WO2020053463A1 - Dispositivo optico configurable - Google Patents

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WO2020053463A1
WO2020053463A1 PCT/ES2019/070599 ES2019070599W WO2020053463A1 WO 2020053463 A1 WO2020053463 A1 WO 2020053463A1 ES 2019070599 W ES2019070599 W ES 2019070599W WO 2020053463 A1 WO2020053463 A1 WO 2020053463A1
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optical
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spiral
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Morten Andreas Geday
Manuel CAÑO GARCIA
Jose Manuel Oton Sanchez
Patxi Xabier QUINTANA ARREGUI
Jacob Andreas Geday
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Universidad Politecnica De Madrid
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    • G02F2203/62—Switchable arrangements whereby the element being usually not switchable

Definitions

  • the present invention relates to a configurable (or reconfigurable) optical device capable of introducing a radial variation in the phase profile of arbitrary incident radiation.
  • the device is based on one or several cascading liquid crystal cells, provided with electrodes structured in such a way that all the electrodes are accessible from the periphery of the cell, being able, therefore, to be addressed independently.
  • the specific design of the electrodes which is part of the invention, allows the manufacture of reconfigurable lenses and wavefront correctors.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing the aforementioned configurable optical device.
  • the device object of the present invention has application in the field of design and commercialization of optical devices for different types of industries, such as the aerospace, health, security, transport, communications, etc.
  • Lenses based on light diffraction are also well known, also known as Fresnel lenses, which are fixed focus diffractive lenses, without topological load (or zero topological load),
  • spiral diffractive lenses Certain types of vortex lenses such as spiral diffractive lenses are known in the state of the art.
  • a spiral diffractive lens is characterized by its profile, which is described by its topological load, and if it is a focusing lens, by its focal length.
  • Vortex optical beams or vortices, are less common and poorly understood by the general public.
  • a vortex is an optical beam in which the phase of the light varies spatially in an azimuth manner around the center of the beam.
  • the phase varies a number that is an integer multiple of 2TT, by one turn around the center of the beam.
  • the number, an integer multiple of 2TT is known as the topological load of the vortex.
  • the elements defined in this patent are all elements that change the topological load of an incident beam.
  • a type of contact lens is known, such as that disclosed in US 5408281 A, which has a spiral geometry and focusing ability.
  • US 2008226844 A1 is known, dedicated to configurable spiral phase sheets, but based on non-uniform alignment and which does not use cascading lenses.
  • WO 2012/080532 defines a reconfigurable beam reflectarray for frequencies in the terahertz and millimeter wave ranges, based on reconfigurable resonant dipole structures in liquid crystal cells.
  • the present invention takes advantage of some of the basic properties of liquid crystals (LC’s), specifically their optical and dielectric molecular anisotropy.
  • LC liquid crystals
  • the fluid nature of LC’s combined with their intrinsic dielectric anisotropy implies that, on a macroscopic scale, the material tends to orient itself offering its highest dielectric constant to the applied field.
  • the molecules In the most common LC’s, the nematic calamitics, the molecules have an elongated shape; the major axis of the molecule corresponds approximately to the axis of the highest dielectric constant and to the optical axis of anisotropy, also called the indicatrix. Thus, the highest refractive index and the highest dielectric constant are parallel to the major axis of the molecule. These materials are the so-called positive LC’s.
  • an isotropic material can become anisotropic by applying an electric field.
  • the index tends to increase in the field direction, and decrease in the perpendicular direction.
  • LC LC
  • the refractive index or indices perceived by the light passing through an LC can be modified by means of applied electric fields, causing the Optical Light Path (OLP) or the polarization state (SOP of the Optical Light) to vary.
  • OHP Optical Light Path
  • SOP polarization state
  • Modifying the SOP is the foundation on which liquid crystal displays (LCDs) are based. By controlling the SOP, you can control - with the help of one polarizer or two polarizers - the amount of light that passes through the system.
  • An LCD is usually made up of a backlit LC cell or provided with a rear mirror, on which the LC cell is positioned between polarizers.
  • the cell has an electrical excitation system made up of segment-shaped electrodes (alphanumeric displays) or a rectangular matrix of pixels like the one carried by mobile phones, projectors and TVs.
  • OLP variations form the foundation for LC lenses, and for more generic LC photonic devices such as spatial light modulators (SLMs). These devices allow manipulating at least one of the polarizations of the incident wavefront.
  • SLMs spatial light modulators
  • Clear LC lenses are typically based on concentric electrodes to which different voltages are applied.
  • the connection of concentric elements is complex if you do not opt for multilayer electrode assemblies, which in turn present their own problems. Consequently, complex targeting schemes with very limited tunability ranges, or interlocking spiral-shaped electrodes must be used.
  • SLM's are based on technologies derived from the commercial production of LCDs, although they must be prepared to reach maximum phase delays of 2TT, instead of the delay p usually required of LCD screens.
  • High performance SLMs are They are based on rectangular matrixes of very high density pixels, which allow almost arbitrary adjustments of the wavefronts. However, most screens are direct vision, with a pixel size of tens of pm (less than the visual acuity of the human eye), or transmissive or reflective projection devices such as LCoS (liquid crystal on Silicon, liquid crystal on silicon).
  • Direct vision devices generally employ thin-layer transistors (TFTs) in an active array, which reduces the number of electrodes required to control the large number (millions) of individual pixels carried on a screen. A significant portion of the active area of the screen is occupied by TFTs and their circuitry, reducing the so-called fill factor (light transmission) of the screen.
  • TFTs thin-layer transistors
  • the problem is compounded in transmissive projection devices, because the small size of their pixels reduces the fill factor to the point that the resolution of such devices is limited in practice.
  • LCoS reflective devices transistors and microelectronic circuitry are installed behind the screen and do not affect the fill factor.
  • control electronics are above the pixels or below the active area, which is not desirable in certain applications, specifically those in which the LC cell is exposed to intense electromagnetic radiation or ionizing radiation, which can deteriorate the micro and nanoelectronic elements of the circuits.
  • the present invention is presented within this context. It is a transparent device made up of electrodes with various shapes, capable of generating LC lenses of any profile with an arbitrary number of pixels, which are directed from the perimeter of the active area.
  • the device has several advantages over current devices:
  • liquid crystals Apart from liquid crystals, there are other materials with an electro-optical effect where the optical anisotropy of the material changes when an electric field is applied. In these materials, the refractive index tends to increase in the field direction, and decrease in the perpendicular or vice versa direction.
  • LCs can be replaced by materials with an electro-optical effect such as Lithium Niobate or by liquids that show a Pockels or Kerr effect.
  • the configurable optical device object of the present invention comprises a configurable optical element or several configurable optical elements arranged in cascade.
  • Each optical element comprises an active zone consisting of an input surface (or transparent substrate) and an output surface (or transparent substrate) for light beams.
  • Each optical element includes at least a first transparent electrode and at least one transparent counter electrode (or second electrode).
  • the electrical connections for the electrodes are located in the perimeter area of each optical element, so that there are no connection tracks that penetrate the active area.
  • the first electrode of at least one of the optical elements is divided into sections, so that the device is configured to generate electric fields of different intensity between each section of the first electrode and the second electrode.
  • the device is configured so that, by applying a potential difference between different sections of the electrodes of each optical element, different electric fields are generated that vary the degree of commutation in different areas of the active zone of each optical element, thus generating a OLP variation profile in each of the optical elements of the device.
  • This configures a certain topological charge and a certain focus of the incident light beam, according to the pattern of electric fields applied to the sections of the first electrode.
  • the optical elements are liquid crystal cells (or polymerizable liquid crystal cells) with their corresponding electrodes.
  • the optical elements could be made up of some other electro-optical material (with the ability to vary its refractive index in the presence of an electric field) and its corresponding electrodes.
  • partial commutations are allowed (depending on the number and arrangement of sections of the electrodes), which allow locally varying the refractive index of different areas of each optical element.
  • the counter electrode is also divided into sections.
  • both electrodes are configured both to present different electric potentials in each section, and to present equal electric potentials in each section.
  • the distribution of sections of the first electrode can be different from the distribution of sections of the counter-electrode, thus allowing the device to be reconfigured (tuned) to create two independent sets of optical path profiles, which changes the topological load and the focus of an incident light beam in different ways.
  • Optical elements in which the counter electrode is not divided into sections, or optical elements in which the counter electrode is divided into sections, or a cascade of optical elements in which one has the counter may be cascaded. Electrode divided into sections and another have the counter-electrode without division of sections.
  • an optical element acts as a variable spiral diffractive lens.
  • an optical path with a certain focus distance and topological load is produced.
  • the optical path profile of the optical element corresponds to that of a spiral diffractive lens with a first focusing distance and a first topological charge
  • the optical path profile of the optical element corresponds to that of a spiral diffractive lens with a second focusing distance and a second topological load.
  • a pair of optical elements works together, emulating a variable diffractive lens.
  • a pair of optical elements works together, emulating a variable axicon.
  • a pair of optical elements works together, emulating a variable spiral diffractive lens.
  • a pair of optical elements works together, emulating the combination of at least two of the following systems: a lens, an axicon or a spiral phase sheet.
  • the optical path profile of at least one of the adjacent cascaded optical elements may correspond to that of a spiral diffractive lens, while the optical path profile of at least one of the remaining adjacent optical elements cascaded may correspond to that of a spiral phase sheet.
  • the first electrode of two adjacent optical elements placed in cascade is divided into sections, the distribution of the sections of the first electrode of an optical element being a mirror image of the distribution of the sections of the first electrode of the adjacent optical element .
  • the switching profile of the two adjacent optical elements placed in cascade corresponds to that of two spiral diffractive lenses with inverse topology, and the combination of elements emulates a diffractive lens.
  • the switching profile of two adjacent optical elements placed in cascade corresponds to that of two spiral diffractive lenses.
  • both spiral diffractive lenses are cascaded, with a certain separation distance between them, so that the focal length of both lenses coincide, allowing them to function as a tunable telescope or beam expander, varying the topological load and focus of the lenses, applying the appropriate patterns of electric fields to the electrode sections of the optical elements.
  • a third element is added to the previous embodiment so that the combination of elements results in a device that does not affect the topological load of light.
  • At least one of the electrodes of at least one optical element includes structures with variable electromagnetic resonance frequencies according to the degree of commutation of the adjacent liquid crystal.
  • the electrodes are pole-shaped having electromagnetic resonance frequencies for frequencies in the terahertz and millimeter wave and micron wave ranges.
  • a phase profile can be generated for these frequencies the same as the phase profile generated for the light beam embodiments.
  • the present invention in turn contemplates a method of manufacturing a configurable optical device.
  • the manufacturing method comprises:
  • each optical element comprises an active area consisting of an input surface and an output surface for light beams, where each optical element comprises at least a first transparent electrode and at least a second transparent electrode, where each optical element has electrical connections for the electrodes, said electrical connections being located in the perimeter area of each optical element outside the active area, where each of the optical elements of the device changes the topological load of an incident light beam.
  • the optical elements are liquid crystal lenses, each lens being made up of a liquid crystal cell located between at least a first electrode and at least a second electrode.
  • the method contemplates that the liquid crystal of the lenses is polymerizable also known as reactive mesogen (RM of Reactive Mesogen).
  • the method then comprises the possibility of curing (by UV radiation or another curing method) the polymerizable liquid crystal, obtaining a diffractive device with a fixed or partially tunable phase variation profile.
  • the method comprises applying an electric field between the electrodes of two adjacent optical elements placed in cascade creating a switching profile of the two adjacent optical elements corresponding to that of two spiral diffractive lenses. Also, according to a possible embodiment, the method comprises positioning both diffractive lenses in a spiral cascade, with a certain separation distance between them, so that the focal length of both lenses coincide, allowing them to function as a telescope or expander of tunable beams, varying the topological load of the lenses.
  • Figure 1 Shows a schematic view of a classic liquid crystal cell, LC.
  • Figure 2 shows a schematic view of a liquid crystal cell in which the first electrode is divided into sections, the LC having positive dielectric anisotropy.
  • Figure 3 shows a schematic view of a liquid crystal cell in which the first electrode is divided into sections, the LC having negative dielectric anisotropy.
  • Figure 4 shows a schematic view of a blue phase LC.
  • Figure 5 schematically shows the effect that the different degrees of switching of the nematic LC ( Figures 2 and 3) have on an incident beam of linearly polarized light in the same plane of the paper.
  • Figure 6 shows a situation identical to that shown in Figure 5, in a blue phase LC device like the one shown in Figure 4.
  • Figure 7 shows an example of a phase diffractive lens (Fresnel lens) (C), whose effect on the phase is equivalent to that of a thick lens (A).
  • Fresnel lens Fresnel lens
  • FIG. 8A Schematically shows an example of Spiral Phase P ⁇ ate (SPP) with topological charge 1.
  • Figure 8B Schematically shows an example of spiral phase sheets (SPP) with topological charge 2.
  • Figure 9A shows a Spiral Diffractive Lens (SDL) where a hyperbolic radial phase variation with a topological load 1 has been introduced.
  • SDL Spiral Diffractive Lens
  • Figure 9B shows a spiral diffractive lens, SDL, where a hyperbolic radial phase variation with a topological load 2 has been introduced.
  • Figure 10A shows an embodiment consisting of a cascade optical vortex generating spiral phase sheet (SPP) with the spiral diffractive lens (SDL) of Figure 9A.
  • SPP cascade optical vortex generating spiral phase sheet
  • SDL spiral diffractive lens
  • Figure 10B shows an embodiment consisting of a cascade optical vortex generating spiral phase sheet (SPP) with the spiral diffractive lens (SDL) of Figure 9B.
  • SPP cascade optical vortex generating spiral phase sheet
  • SDL spiral diffractive lens
  • Figure 1 1A shows a front view of the arrangement shown in Figure 10A.
  • Figure 1 1 B shows a front view of the arrangement shown in Figure 10B.
  • Figure 12A shows the result of “chopping” into 2TT sections, the arrangement shown in Figure 1 1 A.
  • Figure 12B shows the result of “chopping” into 2TT sections, the arrangement shown in Figure 1 1 B.
  • Figure 13A shows a simplified 8-electrode structure that is used to generate vortices with topological charges of 1.
  • Figure 13B shows a simplified 8-electrode structure that is used to generate vortices with topological charges of 2.
  • Figure 14A shows a diffractive lens with a simplified 8-electrode structure to generate spiral diffractive lenses (SDL) with topological charges of 1.
  • Figure 14B shows a diffractive lens with a simplified 8-electrode structure to generate spiral diffractive lenses (SDL) with topological charges of 2.
  • Figure 15A shows two cascade spiral diffractive lenses, with topological loads of 1 and -1.
  • Figure 15B shows two cascade spiral diffractive lenses, with topological loads of 2 and -2.
  • Figure 16A shows the result of associating the spiral diffractive lenses of Figure 15A.
  • Figure 16B shows the result of associating the spiral diffractive lenses of Figure 15B.
  • Figure 17A shows the cascade association of two different spiral diffractive lenses, with topological loads of 1 and -1.
  • Figure 17B shows the cascade association of different spiral diffractive lenses, with topological loads of 2 and -2.
  • Figure 18A shows the result of associating the spiral diffractive lenses of Figure 17A.
  • Figure 18B shows the result of associating the spiral diffractive lenses of Figure 17B.
  • Figure 19A Shows a spiral diffractive lens structure like the one shown in Figure 14A, but with a more twisted spiral pattern.
  • Figure 19B shows a spiral diffractive lens structure like the one shown in Figure 14B, but with a more twisted spiral pattern.
  • the present invention relates, as already mentioned above, to a configurable optical device.
  • the device is based on an optical element or a pair of optical elements (1), which are preferably LC cells with multiple electrodes (4, 5).
  • Each LC cell is constructed as a classic LC cell (see Figure 1) with the LC (1 .a) sandwiched between two transparent substrates (1 .b.1 and 1 .b.2) with electrodes (4, 5) likewise transparent, and treated with an alignment agent or layer (1 .d.1 and 1 .d.2).
  • the LC When an electric field is applied between the counter electrode (5) or upper electrode (as shown in the figures) and the first electrode (4) or lower electrode (as shown in the figures), the LC is aligned up to a certain point that depends on the viscosity of the material, the anchoring forces of the surface layers (1 .d.1 and 1 .d.2), the thickness of the LC (1 .a) and the intensity of the electric field.
  • At least one of the electrodes is separated into sections (41), and the appropriate electric field is applied between each section of electrodes (41) and counter-electrode (5).
  • Figures 2, 3 and 4 show three different switching states corresponding to three different switching voltages (V1 ⁇ V2 ⁇ V3) in a positive nematic LC (2nd in Figure 2), a negative nematic LC (3rd in Figure 3) and a blue phase LC (4.a in Figure 4).
  • the layers marked b, and d, as well as the electrode layer (4, 5) are analogous to the layers of the optical element (1) in Figure 1.
  • LC status is denoted by ellipses (ellipticity indicates degree of anisotropy) and orientation indicates macroscopic orientation of the optical axis.
  • the alignment layers (d) of the nematic cells are conditioned to produce a homogeneous alignment in the case of liquid crystals with positive dielectric anisotropy ( Figure 2) and homeotropic in the case of liquid crystals with negative dielectric anisotropy ( Figure 3).
  • the LC switching occurs in a plane perpendicular to the substrates (in the Figures 2 and 3 on the paper plane).
  • the alignment layers (d in Figure 4) are not essential.
  • Figure 5 shows the effect that the different degrees of switching of the nematic LC ( Figures 2 and 3) have on an incident beam of linearly polarized light in the same plane of the paper.
  • Light falls from an isotropic medium (5.1), passes through an anisotropic medium (5.11), and exits into a new isotropic medium (5.111). If the dimensions of the electrode sections (41) are small enough, the light recombines in a direction slightly deviated from the incident direction. Continuous horizontal, or nearly horizontal, lines show the progression of the beam assuming a flat incident wave.
  • Figure 6 shows an identical situation to Figure 5 in a device with blue phase LC (6. II) as described in Figure 4. In this case the incident beam does not need to be polarized.
  • the devices of the invention are composed of an optical element (1) or several optical elements (1) or cascade mounted LC cells. Each of them introduces a spatial distribution of relative phase differences to an incident wavefront.
  • the induced phase difference ranges from 0 to a full wavelength (l), equivalent to a range of 0 - 360 ° or 0 - 2p radians.
  • the LC cells can be joined or separated by a certain distance.
  • cells can emulate composite optical elements, such as telescopes or beam expanders.
  • Each cell works similarly to a Spiral Diffractive Lens (SDL) or a Spiral Phase Piate (SPP).
  • SDL Spiral Diffractive Lens
  • SPP Spiral Phase Piate
  • the phase equivalence between delays multiples of 2p radians is used, which allows to reduce the optical thickness of the device in intervals equivalent to 2TT delays.
  • the phase difference can be achieved by modifying the physical thickness - a microscopic version of the well-known Fresnel lenses - or the effective index of refraction, as in the examples shown in Figures 2, 3 and 4.
  • Figure 7 shows an example of a phase diffractive lens (C), whose effect on phase is equivalent to that of a thick lens (A).
  • the lens is cut into sections (B) whose thickness is A / (n1 -n2), with n1 being the index of the material (typically glass, n1 « 1.5) and n2 the index of the surrounding medium (typically air, n2 « 1.0).
  • the diffractive lens has a OLP spatial variation of 0 to 1, but has the same performance, at first approximation, as the thicker lens with much greater OLP variation.
  • the relative phase delay, d, between different areas of the wavefront that propagates through different points of the diffractive lens is (2TT / A) * (n1 -n2) * d, where d is the thickness.
  • Each section produces relative delays, d, between 0 and 2p for thicknesses d between 0 and A / (n1 -n2).
  • the delay difference comes from the fact that the wavefront propagates in different proportions in different media (typically air and the glass or plastic lens).
  • the state of the LC can be modified by means of a magnetic field, or heat, achieving the same effect.
  • LiNb03 Lithium Niobate
  • LiNb03 Lithium Niobate
  • liquids that show Pockels or Kerr effect which are electro-optical and whose refractive indexes can be varied or reoriented by applying an electric field.
  • the present invention relates to an optical device formed by a reconfigurable optical element (1), typically LC, or several reconfigurable optical elements (1), typically LC, in cascade, glued to each other, or located at a certain distance .
  • the elements have certain variable optical properties that can be modified by external control.
  • LC elements are diffractive lenses spiral (SDL) whose topological load, and whose focal length can be reconfigured.
  • the focal length of the element can be designed to be finite or infinite. If the focal length is infinite, the SDL is transformed into a spiral phase sheet (SPP) like those shown in Figure 8.
  • SPP spiral phase sheet
  • the electrode sections (41) of these sheets are shaped as non-spiral circular sectors (figures 13A and 13B);
  • the name of the SPP sheet refers to the spiral profile that the phase delay adopts.
  • Finite focal length SDL spiral diffractive lenses are manufactured from LC cells whose electrode sections (41) are shaped as spiral sectors. Each section (41) has an origin very close to the center, and it widens and rotates as it approaches the outer perimeter zone. All sections of the electrodes (41) reach the perimeter area, so that they can be connected to the external control electronics by direct excitation with independent contacts.
  • the spiral shape of the electrode sections (41) determines the distortion of the wavefront that occurs as a result of the action of the two LC elements in cascade.
  • the two-element LC cascade device is capable of emulating a conventional phase diffractive lens (Figure 7C) with a fidelity that depends on the number of sections of the electrodes (41).
  • To exactly emulate an ideal phase diffractive lens would require an infinite number of elements; the greater the number of sections of the electrodes (41), the greater the approximation achieved.
  • the first of the preferred embodiments consists of two cascading elements.
  • one of the LC cells is a spiral phase sheet (SSP), with a reconfigurable azimuthal variable phase profile, as shown in Figures 8A and 8B.
  • the darkest shading corresponds to a phase difference of zero radians, while the lightest area represents a difference of 2p radians.
  • the patterns shown in the figures correspond to delay sheets that generate optical vortices with a topological load of 1 ( Figure 8A) and 2 ( Figure 8B).
  • the patterns shown in Figures 8A and 8B are two configurations of the same element.
  • the other reconfigurable LC element in this embodiment has a spiral component formed by a number of sections of the electrodes (41) that are excited at different voltages in order to generate a phase delay profile between 0 and 2p radians.
  • Figure 9A shows the element in a spiral diffractive lens configuration, SDL, which introduces a hyperbolic radial phase variation with a topological load 1; in the configuration of the same element in Figure 9B the radial phase variation is also hyperbolic, but the topological load is 2 and the focal length is half that of Figure 9A.
  • the topological load is determined by the number of spirals, while the focal length is smaller the greater the rotation of each spiral.
  • the gray scale range shows delays ranging from 0 (black) to 2p radians (white).
  • the patterns shown in Figures 9A and 9B are two configurations of the same element.
  • FIG. 10 The embodiment is shown in Figure 10, consisting of a spiral phase sheet (SPP) generating optical cascade vortices with a spiral diffractive lens (SDL).
  • SPP spiral phase sheet
  • SDL spiral diffractive lens
  • the central axis is indicated, which usually coincides with the optical path.
  • the two mentioned configurations appear in Figures 10A and 10B.
  • the distributions of Figure 1 1 can be cut into 2TT sections, taking advantage of the phase equivalency between delays multiples of 2p radians, analogously to the lens of Figure 7A. As a result, the phase distributions of figure 12 are obtained.
  • the phase delays of figures 12A and B vary between 0 (black) and 2p radians (white).
  • the two phase difference maps in Figure 12 correspond to phase diffractive lenses with a hyperbolic phase variation underlying the definition. of the spiral diffractive lenses (SDL) of Figure 9.
  • Figure 13 shows a simplified structure of 8 electrode sections (4) that is used to generate topological loads of 1 (Figure 13A) and 2 ( Figure 13B).
  • the gray scale in Figure 13 represents different electric field strengths applied to the electrodes. The applied field is greater the lighter the gray level.
  • the spiral diffractive lens structures of Figure 9 can also be approximated with a common electrode section geometry (41), as shown in Figure 14.
  • the gray scale in Figure 14 represents different electric field strengths applied to the electrode sections (41), in order to generate equidistant phase differences in the LC cells. The applied field is greater the lighter the gray level.
  • the active area in Figure 14 is reduced to the spiral zone.
  • the external part is only a visual guide to observe the eight electrode sections (41) addressed in both topologies and potentially can be the connection area of the electrode sections (41).
  • the number of different focal lengths that can be achieved is determined by the number of electrode sections (4) that contain both patterns. Likewise, the number of electrode sections (4) establishes the greater or lesser fidelity with which the discrete electrode pattern reproduces the ideal analog phase variation. In the examples of the figures, only 8 electrodes have been used for simplicity. The actual devices of the invention generally include tens or hundreds of electrode sections (41).
  • the second preferred embodiment consists of two LC cells with electrode sections (41) that form reconfigurable spiral diffractive lenses.
  • the cells have opposite topological charges: one of them increases the phase differences in a clockwise direction while the other increases them in a counterclockwise direction.
  • the two lenses are designed with the same topological load and focal length. Topological loads cancel, so the resulting phase difference lacks angular momentum.
  • a diffractive lens is obtained that behaves like conventional diffractive lenses, with the advantage of being reconfigurable and with the connection of the electrode sections (41) in the area of the perimeter (3) or outer part, leaving the active area ( 2) or inner part with its entrance surface and its exit surface free and clear of connections and electronic components.
  • FIG. 15A Two cascading spiral diffractive lenses are shown in Figure 15.
  • the lenses in Figure 15A are configured to have topological loads 1 and -1, while those in Figure 15B are configured to have topological loads 2 and -2.
  • both configurations of Figure 16 can be achieved with the same pattern of electrode sections (41) by applying different electric fields, as shown in Figure 14.
  • the two LC cells of the second preferred embodiment may be identical, provided that one of the cells is flipped over in the cascade assembly, facing two faces The same so that the direction of rotation of the spiral is reversed, causing the sign of topological charge to be opposite in each cell.
  • two cascading reconfigurable LC cells configured with opposite topological charges are used, that is, they increase the phase clockwise and counterclockwise respectively.
  • the cells have sections of electrodes (41) configured as spiral diffractive lenses.
  • the spirals are not necessarily adjusted to generate the same focal length, although the number of spirals - and consequently the topological load - is the same.
  • the output beam will have a phase difference profile without any induced angular momentum.
  • the above two preferred embodiments are particular cases thereof.
  • the first embodiment would be an extreme case where one of the LC cells is a spiral diffractive lens with infinite focal length, i.e. a spiral phase sheet.
  • the second is the case where the focal length of both lenses is the same.
  • FIG 17 Different spiral lenses are shown in Figure 17, with two-to-two topological charges although with opposite signs.
  • Each of the cells has a variable focal length.
  • Figure 17A shows two cells configured with topological loads 1 and - 1 respectively. Cascading the lenses produces a phase difference distribution that, if cut into 2p sections like the ones shown in Figure 12, generates a spiral diffractive lens like the one shown in Figure 18A.
  • Figure 17B shows two cells configured with topological loads 2 and -2 respectively. Cascading the sheets produces a phase difference distribution that, if cut into 2p sections like the ones shown in Figure 12, generates a diffractive phase lens like the one shown in Figure 18B.
  • the pattern of sections of the active electrodes (41) of the two LC cells is generally different.
  • one of the cells could have a pattern like the one shown in Figure 14, while the other could have a different, more twisted pattern, like the one shown in Figure 19.
  • the spiral lenses generated by the elements of Figure 19, for any non-zero topological load, have a focal length less than the equivalent lenses in Figure 14.
  • the LC cells that make up the device do not necessarily have complementary topologies.
  • the equivalent spiral diffractive lens will be a sheet with a sum topological charge of the two cells.
  • This embodiment can be applied in systems where the topological load is irrelevant for its functionality. It would also be useful in systems in which it is interesting to maintain the central singular point, characteristic of light beams with topological charge; in such cases, obviously, the cancellation of topological loads is not appropriate.
  • the conventional continuous electrode (5) or conventional electrode patterns mentioned in this invention are substituted for excitation of the liquid crystal and consequent generation of phase differences.
  • the electrodes are replaced by an array of interconnected resonant poles. These poles typically resonate at frequencies in the microwave region (GHz or THz), as described in WO 2012080532 A1.
  • the structure of the device remains the same, as shown in Figure 1, and the device generates the same type of offset patterns as shown above.
  • the fundamental difference is in the interaction between the electromagnetic wave and the device:
  • the phase shift is not the consequence of a delay of the electromagnetic wave when passing through a variable index material, as in previous embodiments, but the consequence of the interaction between the electromagnetic wave and dipoles (or sections of electrodes) with variable resonance frequencies.
  • the resonance frequency of a dipole, or set of dipoles By varying the resonance frequency of a dipole, or set of dipoles, the phase shift introduced into the electromagnetic wave is varied.
  • the resonant frequency of a dipole - and consequently the phase delays introduced by the dipole - is determined by the switching state of the adjacent LC.
  • the switching state of the LC is controlled by connecting the resonant dipoles to a low frequency AC electrical signal and to the desired voltage.
  • all the dipoles corresponding to a section (41) of an electrode (4) are exclusively characterized by a single LC switching state.
  • the dipoles are interconnected and distributed in areas equivalent to the electrodes (4) shown above.
  • two spiral diffractive lenses are placed at a given distance, so that the focal length of both lenses coincide.
  • the position of the point of coincidence of the focal lengths between both devices can be changed.
  • any residual topological charge residue can be removed including a third optical element (1), for example a spiral phase sheet.
  • the seventh preferred embodiment is the simplest implementation of all, but can only be applied in those environments where the topological load of the output beam is irrelevant. Such could be the case of an intraocular lens such as that of US 005408281 A.
  • the embodiment consists of a single element, with the specific design of electrodes described above, and its eventual application as a focusing device, specifically to the generation of lenses with focus reconfigurable represents an innovative contribution.
  • LC devices generally possess a pattern of electrode sections (41) on a first electrode (4) (or first plate) of the cell and a counter-electrode (5) or continuous electrode on the opposite part of the cell;
  • This counter-electrode (5) (or second electrode) is known as the ground plane and is shown continuous in Figures 2, 3 and 4.
  • the eighth preferred embodiment is a variation of the elements of the previous embodiments, minus the fifth.
  • the difference is that the counter electrode (5) of one or several elements is divided into sections (41) the same as the first electrode (4) in the same optical element (1) ( Figures 2, 3 and 4). But the section pattern on the counter electrode (5) is different from the section pattern (41) on the first electrode (4).
  • one of the electrodes (4 or 5) could have the pattern corresponding to a spiral lens like the one in Figure 14, while the other adjoining electrode (5 or 4) of the same cell could have the pattern corresponding to the spiral lens of Figure 19.
  • one or more elements are filled with a polymerizable liquid crystal. This makes it possible to tune the devices with an electric field and cure them while the electric field is applied (usually by means of UV light), which would obtain a fixed lens profile, once the liquid crystal has polymerized. Once the LC is polymerized, the lens can be removed from its cell as an extremely thin lens, whereby the electrodes (4 and 5) in this embodiment are not necessarily transparent.
  • This embodiment represents an innovative way of manufacturing fixed lenses, with or without topological loading, that can be used in association with other fixed or adjustable optical elements.
  • the shape of the sections (41) of the electrodes (4) or of both electrodes (electrodes and counter-electrodes), in one or more LC elements, determines the characteristics of the lens, both in relation to its nominal focal length as in its spherical aberrations. It is trivial to generate lenses with a hyperbolic, spherical or any other quadratic profile, or axicons; It is even possible to introduce spherical or other aberrations by designing the electrode sections appropriately.
  • the process to design the first electrodes (4) or active electrodes is as follows:
  • the lens is defined with the desired profile, including aberrations if it is the case.
  • This lens is cut into sections 0 - 2TT, corresponding to a diffractive lens.
  • a spiral phase sheet configured as an optical vortex of the desired topology is subtracted from this diffractive lens.
  • Each of the discrete sections (41) extends from the periphery of the LC cell to the center (the section can be continuous or a set of dipoles).
  • a contact zone outside the active zone is defined for each discrete section (41).
  • Both electrodes are manufactured and treated with a suitable alignment agent or layer.
  • the cell is assembled with at least one, or potentially two, electrodes (4 and 5) with the designed patterns.
  • the cell is filled with the desired liquid crystal, which has adequate birefringence, and sealed.

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Abstract

Dispositivo óptico configurable que comprende un elemento óptico (1), o varios elementos ópticos (1) dispuestos en cascada, donde cada elemento óptico (1) comprende una zona activa (2) constituida por una superficie de entrada (21) y una superficie de salida (22) para haces de luz, y un perímetro (3). Cada elemento óptico (1) comprende al menos un primer electrodo (4) transparente y al menos un contra- electrodo (5) transparente cuyas conexiones eléctricas están situadas en la zona del perímetro (3). El dispositivo está configurado para que, mediante la aplicación de una diferencia de potencial entre los electrodos (4,5) de cada elemento óptico (1), se genere un campo eléctrico que haga variar el grado de conmutación en distintas áreas de la zona activa (2) de cada elemento óptico (1), generándose así un perfil de variación de camino óptico de en cada uno de los elementos ópticos (1) del dispositivo, que permite enfocar un haz de luz incidente de diferentes maneras, según el campo eléctrico aplicado a cada uno de los electrodos.

Description

DISPOSITIVO ÓPTICO CONFIGURABLE
DESCRIPCIÓN
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un dispositivo óptico configurable (o reconfigurable) capaz de introducir una variación radial en el perfil de fase de una radiación incidente arbitraria.
El dispositivo está basado en una, o varias células de cristal líquido en cascada, provistas de electrodos estructurados de tal modo que todos los electrodos son accesibles desde la periferia de la célula, pudiendo, en consecuencia, ser direccionados de forma independiente. El diseño específico de los electrodos, que forma parte de la invención, permite la fabricación de lentes reconfigurables y correctores de frente de onda.
La presente invención se refiere también a un método de fabricación del dispositivo óptico configurable mencionado anteriormente.
El dispositivo objeto de la presente invención tiene aplicación en el ámbito del diseño y comercialización de dispositivos ópticos para diferentes tipos de industrias, tales como la industria aeroespacial, sanitaria, seguridad, transporte, comunicaciones, etc.
Problema técnico a resolver y Antecedentes de la invención
Las lentes empleadas comúnmente se basan en la refracción de la luz. También son muy conocidas las lentes basadas en la difracción de la luz, conocidas también como lentes Fresnel, que son lentes difractivas de enfoque fijo, sin carga topológica (o de carga topológica zero),
En el estado de la técnica se conocen ciertos tipos de lentes de vórtice tales como las lentes difractivas en espiral. Un lente difractiva en espiral está caracterizada por su perfil, que se describa por su carga topológica, y en caso de ser una lente de enfoque, por su distancia focal.
Haces ópticos de vórtice, o vórtices, son menos comunes y poco conocidos por el publico en general. Un vórtice es un haz óptico en cual la fase de la luz varia espacialmente de una manera azimutal alrededor del centro del haz. Típicamente la fase varía un número que es múltiplo entero de 2TT, en una vuelta alrededor del centro del haz. El número, múltiplo entero de 2TT, se conoce como la carga topológica del vórtice.
Los elementos definidos en esta patente son todos elementos que cambian la carga topológica de un haz incidente.
Asimismo, se conoce un tipo de lente de contacto, como la divulgada en el documento US 5408281 A, que tiene una geometría espiral y capacidad de enfoque.
Asimismo, se conoce el documento US 2008226844 A1 , dedicado a láminas de fase espiral configurables, pero basadas en un alineamiento no uniforme y que no emplea lentes en cascada.
Asimismo, se conoce el documento WO 2012/080532, que define un reflectarray de haz reconfigurable para frecuencias en los rangos de terahercios y de ondas milimétricas, basadas en estructuras de dipolos resonantes reconfigurables en células de cristal líquido.
No se conoce hasta la fecha ningún dispositivo óptico que emplee una misma estructura de electrodos pasivos para generar lentes difractivas en espiral con distinta distancia focal, dependiente únicamente del campo aplicado a los distintos electrodos y sin efectos de dentado (en inglés aliasing) presente en los dispositivos pixelados.
No se conoce hasta la fecha ningún dispositivo óptico que combine dos estructuras generadoras de vórtices en cascada. La combinación de tales estructuras en cascada de la presente invención permite emular, mediante un único dispositivo, prácticamente todo tipo de lente óptica, así como configurar sus características ópticas en función de las necesidades. Un dispositivo de este tipo puede competir con moduladores espaciales de luz (SLM), con las ventajas añadidas de tener un mayor factor de llenado, de no tener efectos de dentado y de carecer de componentes electrónicos en la parte activa del mismo, transmitiendo, por tanto, mayor cantidad de luz. Además es estructural y electrónicamente más simple y, por tanto, más económico.
La presente invención aprovecha algunas de las propiedades básicas de los cristales líquidos (LC’s), en concreto su anisotropía molecular óptica y dieléctrica. La naturaleza fluida de los LC’s combinada con su anisotropía dieléctrica intrínseca implica que, a escala macroscópica, el material tiende a orientarse ofreciendo su constante dieléctrica más alta al campo aplicado.
En los LC’s más comunes, los calamíticos nemáticos, las moléculas tienen forma alargada; el eje mayor de la molécula corresponde aproximadamente al eje de la mayor constante dieléctrica y al eje óptico de anisotropía, también llamado indicatriz. Así pues, el índice de refracción mayor y la mayor constante dieléctrica son paralelas al eje mayor de la molécula. Estos materiales son los llamados LC’s positivos.
Existen LC’s de anisotropía dieléctrica negativa, en los cuales el eje molecular coincide con el mayor índice de refracción (la indicatriz) y la menor constante dieléctrica. En esta descripción se asumen anisotropías uniaxiales, aproximación que resulta válida para todos los casos relevantes de cristal líquido (LC) en esta invención.
En otros materiales LC’s, como las llamadas fases azules, un material isótropo puede transformarse en anisótropo al aplicar un campo eléctrico. En tales casos, el índice tiende a aumentar en la dirección del campo, y disminuir en dirección perpendicular.
Adicionalmente los LC’s son fluidos ordenados. Poseen un orden macroscópico intrínseco generado por fuerzas viscoelásticas intermoleculares que se extiende a cientos de pm, lo cual permite alinearlos, en ausencia de campos externos, con interacciones superficiales relativamente débiles.
Así pues, se puede conseguir inducir un alineamiento preferencial del LC mediante el adecuado tratamiento superficial, el cual se transmite al resto del material, siempre que el volumen del LC esté confinado en una célula con caras paralelas situadas a corta distancia. Dicho alineamiento puede eventualmente alterarse aplicando un campo eléctrico externo. La conmutación entre un estado y otro queda determinada por el plano definido por la dirección de alineamiento y la dirección del campo eléctrico.
Como consecuencia, el índice o índices de refracción que percibe la luz que atraviesa un LC pueden modificarse por medio de campos eléctricos aplicados, haciendo que varíe la longitud de camino óptico (OLP del inglés Optical Light Path) o el estado de polarización (SOP del inglés State of Polarization) de la luz incidente.
La modificación del SOP es el fundamento en que se basan las pantallas de cristal líquido (LCD). Al controlar el SOP, se puede controlar -con la ayuda de un polarizador o de dos polarizadores- la cantidad de luz que atraviesa el sistema. Un LCD está usualmente formado por una célula de LC retroiluminada o provista de un espejo posterior, sobre el que se sitúa la célula de LC entre polarizadores. La célula posee un sistema de excitación eléctrica formado por electrodos en forma de segmentos (pantallas alfanuméricas) o bien una matriz rectangular de píxeles como la que llevan los teléfonos móviles, proyectores y TV’s.
Las variaciones de OLP constituyen el fundamento de las lentes de LC, y de dispositivos fotónicos de LC más genéricos como los moduladores espaciales de luz (SLM). Estos dispositivos permiten manipular al menos una de las polarizaciones del frente de onda incidente.
Las lentes transparentes de LC suelen estar basadas en electrodos concéntricos a los que se aplican distintas tensiones. El conexionado de elementos concéntricos resulta complejo si no se opta por montajes multicapa de los electrodos, los cuales a su vez presentan sus propios problemas. En consecuencia, se deben emplear esquemas complejos de direccionamiento con rangos de sintonizabilidad muy limitados, o bien electrodos entrelazados con formas espirales.
Los SLM’s se basan en tecnologías derivadas de la producción comercial de LCDs, si bien deben prepararse para alcanzar retardos máximos de fase de 2TT, en lugar del retardo p usualmente exigido a las pantallas LCD. Los SLM de altas prestaciones se basan en matrices rectangulares de píxeles de muy alta densidad, que permiten ajustes casi arbitrarios de los frentes de onda. No obstante, la mayoría de pantallas son de visión directa, con un tamaño de píxel de decenas de pm (inferior a la agudeza visual del ojo humano), o bien dispositivos de proyección transmisivos, o reflexivos como los LCoS (liquid crystal on Silicon, cristal líquido sobre silicio).
Los dispositivos de visión directa emplean generalmente transistores de capa delgada (TFT) en una matriz activa, lo cual reduce el número de electrodos necesarios para controlar el gran número (millones) de píxeles individuales que lleva una pantalla. Una porción significativa del área activa de la pantalla está ocupada por los TFT y su circuitería, reduciendo el así llamado factor de llenado (la transmisión de luz) de la pantalla. El problema se agrava en los dispositivos transmisivos de proyección, porque el pequeño tamaño de sus píxeles reduce el factor de llenado hasta el punto de que la resolución de tales dispositivos está limitada en la práctica. En los dispositivos reflexivos LCoS los transistores y la circuitería microelectrónica se instalan detrás de la pantalla y no afectan al factor de llenado.
En cualquiera de los casos, la electrónica de control está sobre los píxeles o debajo del área activa, lo cual no es deseable en ciertas aplicaciones, en concreto aquellas en que la célula LC está expuesta a radiación electromagnética intensa o a radiaciones ionizantes, las cuales pueden deteriorar los elementos micro y nanoelectrónicos de los circuitos.
La presente invención se presenta dentro de este contexto. Se trata de un dispositivo transparente formado por electrodos con formas variadas, capaz de generar lentes de LC de cualquier perfil con un número arbitrario de píxeles, que se direccionan desde el perímetro del área activa. El dispositivo presenta varias ventajas sobre los dispositivos actuales:
• Es transparente, a diferencia de la mayoría de SLMs de alta resolución.
• Carece de elementos electrónicos en el área activa
• Puede direccionarse con un número arbitrario de píxeles individuales, sin interconexión ni solapamiento de electrodos en ninguna zona.
• Tiene un factor de llenado notablemente alto, tan sólo limitado por la separación entre electrodos • Carece intrínsicamente de efectos de dentado o aliasing
Aparte de los cristales líquidos, existen otros materiales con efecto electro-óptico donde la anisotropía óptica del material cambia al aplicar un campo eléctrico. En estos materiales, el índice de refracción tiende a aumentar en la dirección del campo, y disminuir en dirección perpendicular o al revés. En la presente invención se pueden sustituir los LCs por materiales con efecto electróptico como el Niobato de Litio o por líquidos que muestren efecto Pockels o Kerr.
Descripción de la invención
A la vista del estado de la técnica anterior, se presenta el siguiente dispositivo óptico configurable (y/o sintonizable), objeto de la presente invención.
El dispositivo óptico configurable objeto de la presente invención comprende un elemento óptico configurable o varios elementos ópticos configurables dispuestos en cascada. Cada elemento óptico comprende una zona activa constituida por una superficie (o sustrato transparente) de entrada y una superficie (o sustrato transparente) de salida para haces de luz.
Cada elemento óptico incluye al menos un primer electrodo transparente y al menos un contra-electrodo (o segundo electrodo) transparente.
Las conexiones eléctricas para los electrodos están situadas en la zona del perímetro de cada elemento óptico, de manera que no existen pistas de conexión que penetren en la zona activa.
Según una posible forma de realización, el primer electrodo de al menos uno de los elementos ópticos está dividido en secciones, de manera que el dispositivo está configurado para generar campos eléctricos de distinta intensidad entre cada sección del primer electrodo y el segundo electrodo.
El dispositivo está configurado para que, mediante la aplicación de una diferencia de potencial entre distintas secciones de los electrodos de cada elemento óptico, se generen distintos campos eléctricos que hagan variar el grado de conmutación en distintas áreas de la zona activa de cada elemento óptico, generándose así un perfil de variación de OLP en cada uno de los elementos ópticos del dispositivo. Esto configura una determinada carga topológica y un determinado enfoque del haz de luz incidente, según el patrón de campos eléctricos aplicados a las secciones del primer electrodo.
Según una posible forma de realización, los elementos ópticos son células de cristal líquido (o células de cristal líquido polimerizable) con sus electrodos correspondientes. Alternativamente al cristal líquido, los elementos ópticos podrían estar constituidos por algún otro material electro-óptico (con capacidad de variar su índice de refracción ante la presencia de un campo eléctrico) y sus electrodos correspondientes.
Se permite así que existan conmutaciones parciales (según el número y disposición de secciones de los electrodos), que permiten variar localmente el índice de refracción de diferentes zonas de cada elemento óptico.
Según una posible forma de realización, también el contra-electrodo está dividido en secciones. En este caso, ambos electrodos están configurados tanto para presentar potenciales eléctricos distintos en cada sección, como para presentar potenciales eléctricos iguales en cada sección. La distribución de secciones del primer electrodo puede ser diferente de la distribución de secciones del contra-electrodo, permitiendo así que el dispositivo pueda ser reconfigurado (sintonizado) para crear dos juegos independientes de perfiles de camino óptico, lo cual cambia la carga topológica y el enfoque de un haz de luz incidente en distintas maneras.
Se pueden disponer en cascada elementos ópticos en los que el contra-electrodo no esté dividido en secciones, o elementos ópticos en los que el contra-electrodo sí esté dividido en secciones, o una cascada de elementos ópticos en los que uno tenga el contra-electrodo dividido en secciones y otro tenga el contra-electrodo sin división de secciones.
Según una posible forma de realización, un elemento óptico actúa como una lente difractiva espiral variable. En función del patrón aplicado, se produce un camino óptico con una determinada distancia de enfoque y carga topológica. Así, mediante la aplicación de un primer patrón adecuado de campos eléctricos, el perfil del camino óptico del elemento óptico se corresponde con el de una lente difractiva en espiral con una primera distancia de enfoque y una primera carga topológica, mientras que mediante la aplicación de un segundo patrón adecuado de campos eléctricos, el perfil del camino óptico del elemento óptico se corresponde con el de una lente difractiva en espiral con una segunda distancia de enfoque y una segunda carga topológica.
Según otra posible forma de realización, una pareja de elementos ópticos actúa conjuntamente, emulando una lente difractiva variable.
Según otra posible forma de realización, una pareja de elementos ópticos actúa conjuntamente, emulando un axicon variable.
Según otra posible forma de realización, una pareja de elementos ópticos actúa conjuntamente, emulando una lente difractiva espiral variable.
Según otra posible forma de realización, una pareja de elementos ópticos actúa conjuntamente, emulando la combinación de al menos dos de los siguientes sistemas: una lente, un axicon o una lámina de fase espiral.
Así pues, mediante la aplicación de los correspondientes campos eléctricos, el perfil del camino óptico de al menos uno de los elementos ópticos adyacentes colocados en cascada puede corresponderse al de una lente difractiva en espiral, mientras que el perfil del camino óptico de al menos uno de los restantes elementos ópticos adyacentes colocados en cascada puede corresponderse al de una lámina en fase espiral.
Según una realización particular, el primer electrodo de dos elementos ópticos adyacentes colocados en cascada está dividido en secciones, siendo la distribución de las secciones del primer electrodo de un elemento óptico una imagen especular de la distribución de las secciones del primer electrodo del elemento óptico adyacente.
Así pues, mediante la aplicación de los correspondientes campos eléctricos, el perfil de conmutaciones de los dos elementos ópticos adyacentes colocados en cascada corresponde al de dos lentes difractivas en espiral con topología inversa, y la combinación de elementos emula una lente difractiva. Según otra realización particular, mediante la aplicación de los correspondientes campos eléctricos, el perfil de conmutaciones de dos elementos ópticos adyacentes colocados en cascada corresponde al de dos lentes difractivas en espiral. Preferentemente, ambas lentes difractivas en espiral están posicionadas en cascada, con una determinada distancia de separación entre ellas, de manera que la distancia focal de ambas lentes coincida, lo que permite que funcionen como telescopio o expansor de haz sintonizables, variando la carga topológica y enfoque de las lentes, aplicando los patrones adecuados de campos eléctricos a las secciones de los electrodos de los elementos ópticos.
Según otra realización particular, se añade un tercer elemento a la realización anterior para que la combinación de elementos resulte en un dispositivo que no afecta a la carga topológica de la luz.
Según una posible forma de realización, al menos uno de los electrodos de al menos un elemento óptico incluye estructuras con frecuencias de resonancia electromagnética variables según el grado de conmutación del cristal líquido adyacente.
Según una posible forma de realización, los electrodos tienen forma de polos que tienen frecuencias de resonancia electromagnética para frecuencias en los rangos de terahercios y de ondas milimétricas y de ondas micrométricas. Aplicando un campo de polarización a los dipolos se puede generar un perfil de fase para estas frecuencias igual que el perfil de fase generado para las realizaciones para haces de luz.
La presente invención contempla a su vez un método de fabricación de un dispositivo óptico configurable.
El método de fabricación comprende:
- disponer un elemento óptico o varios elementos ópticos colocados en cascada, donde cada elemento óptico comprende una zona activa constituida por una superficie de entrada y una superficie de salida para haces de luz, donde cada elemento óptico comprende al menos un primer electrodo transparente y al menos un segundo electrodo transparente, donde cada elemento óptico dispone de conexiones eléctricas para los electrodos, estando situadas dichas conexiones eléctricas en la zona del perímetro de cada elemento óptico fuera de la zona activa, donde cada uno de los elementos ópticos del dispositivo cambia la carga topológica de un haz de luz incidente.
- aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos de cada elemento óptico, produciéndose así un campo eléctrico que haga variar el índice de refracción del elemento óptico, generándose así un perfil de conmutaciones selectivas en cada uno de los elementos ópticos del dispositivo, variando así el perfil del camino óptico de cada elemento óptico, lo cual cambia la carga topológica de un haz de luz incidente.
De manera preferente, el método contempla que los elementos ópticos sean lentes de cristal líquido, estando cada lente constituida por una célula de cristal líquido situada entre al menos un primer electrodo y al menos un segundo electrodo.
Asimismo, de manera preferente, el método contempla que el cristal líquido de las lentes sea polimerizable también conocido como mesógeno reactivo (RM del Inglés Reactive Mesogen). El método comprende entonces la posibilidad de curar (mediante radiación UV u otro método de curado) el cristal líquido polimerizable, obteniéndose un dispositivo difractivo con un perfil de variación de fase fijo o parcialmente sintonizable.
Según una posible forma de realización, el método comprende aplicar un campo eléctrico entre los electrodos de dos elementos ópticos adyacentes colocados en cascada creando un perfil de conmutaciones de los dos elementos ópticos adyacentes correspondiente al de dos lentes difractivas en espiral. Asimismo, según una posible forma de realización, el método comprende posicionar ambas lentes difractivas en espiral en cascada, con una determinada distancia de separación entre ellas, de manera que la distancia focal de ambas lentes coincida, lo que permite que funcionen como telescopio o expansor de haz sintonizables, variando la carga topológica de las lentes.
Breve descripción de las figuras Como parte de la explicación de al menos una forma de realización preferente del dispositivo, se han incluido las siguientes figuras, en donde con carácter ilustrativo y no limitativo se representa lo siguiente.
Figura 1 : muestra una vista esquemática de una célula de cristal líquido, LC, clásica.
Figura 2: muestra una vista esquemática de una célula de cristal líquido en la que el primer electrodo está dividido en secciones, teniendo el LC anisotropía dieléctrica positiva.
Figura 3: muestra una vista esquemática de una célula de cristal líquido en la que el primer electrodo está dividido en secciones, teniendo el LC anisotropía dieléctrica negativa.
Figura 4: muestra una vista esquemática de un LC en fase azul.
Figura 5: muestra esquemáticamente el efecto que los diferentes grados de conmutación del LC nemático (Figuras 2 y 3) tienen sobre un haz incidente de luz linealmente polarizada en el mismo plano del papel.
Figura 6: muestra una situación idéntica a la mostrada en la Figura 5, en un dispositivo LC en fase azul como el mostrado en la Figura 4.
Figura 7: muestra un ejemplo de lente difractiva en fase (lente de fresnel) (C), cuyo efecto sobre la fase es equivalente al de una lente gruesa (A).
Figura 8A: muestra esquemáticamente un ejemplo de láminas de fase espiral (SPP, del inglés Spiral Phase Píate) con carga topológica 1.
Figura 8B: muestra esquemáticamente un ejemplo de láminas de fase espiral (SPP) con carga topológica 2. Figura 9A: muestra una lente difractiva espiral (SDL, del inglés Spiral Diffractive Lens) en donde se ha introducido una variación de fase radial hiperbólica con una carga topológica 1 .
Figura 9B: muestra una lente difractiva espiral, SDL, en donde se ha introducido una variación de fase radial hiperbólica con una carga topológica 2.
Figura 10A: muestra una realización consistente en una lámina de fase espiral (SPP) generadora de vórtices ópticos en cascada con la lente difractiva espiral (SDL) de la Figura 9A.
Figura 10B: muestra una realización consistente en una lámina de fase espiral (SPP) generadora de vórtices ópticos en cascada con la lente difractiva espiral (SDL) de la Figura 9B.
Figura 1 1A: muestra una vista frontal de la disposición mostrada en la Figura 10A.
Figura 1 1 B: muestra una vista frontal de la disposición mostrada en la Figura 10B.
Figura 12A: muestra el resultado de“trocear” en secciones 2TT, la disposición mostrada en la Figura 1 1 A.
Figura 12B: muestra el resultado de“trocear” en secciones 2TT, la disposición mostrada en la Figura 1 1 B.
Figura 13A: muestra una estructura simplificada de 8 electrodos que se emplea para generar vórtices con cargas topológicas de 1.
Figura 13B: muestra una estructura simplificada de 8 electrodos que se emplea para generar vórtices con cargas topológicas de 2.
Figura 14A: muestra una lente difractiva con estructura simplificada de 8 electrodos para generar lentes difractivas de espiral (SDL) con cargas topológicas de 1. Figura 14B: muestra una lente difractiva con estructura simplificada de 8 electrodos para generar lentes difractivas de espiral (SDL) con cargas topológicas de 2.
Figura 15A: muestra dos lentes difractivas de espiral en cascada, con cargas topológicas de 1 y -1.
Figura 15B: muestra dos lentes difractivas de espiral en cascada, con cargas topológicas de 2 y -2.
Figura 16A: muestra el resultado de asociar las lentes difractivas en espiral de la Figura 15A.
Figura 16B: muestra el resultado de asociar las lentes difractivas en espiral de la Figura 15B.
Figura 17A: muestra la asociación en cascada de dos lentes difractivas en espiral distintas, con cargas topológicas de 1 y -1.
Figura 17B: muestra la asociación en cascada de lentes difractivas en espiral distintas, con cargas topológicas de 2 y -2.
Figura 18A: muestra el resultado de asociar las lentes difractivas en espiral de la Figura 17A.
Figura 18B: muestra el resultado de asociar las lentes difractivas en espiral de la Figura 17B.
Figura 19A: muestra una estructura de lente difractiva en espiral como la mostrada en la Figura 14A, pero con un patrón en espiral más retorcido.
Figura 19B: muestra una estructura de lente difractiva en espiral como la mostrada en la Figura 14B, pero con un patrón en espiral más retorcido.
Descripción detallada La presente invención se refiere, como ya se ha mencionado anteriormente, a un dispositivo óptico configurable.
El dispositivo está basado en un elemento óptico o una pareja de elementos ópticos (1 ) que, preferentemente, son células de LC con electrodos (4, 5) múltiples.
Cada célula LC está construida como una célula clásica de LC (ver Figura 1 ) con el LC (1 .a) emparedado entre dos sustratos transparentes (1 .b.1 y 1 .b.2) con electrodos (4, 5) igualmente transparentes, y tratados con un agente o capa de alineamiento (1 .d.1 y 1 .d.2).
Cuando se aplica un campo eléctrico entre el contra-electrodo (5) o electrodo superior (tal como se muestra en las figuras) y el primer electrodo (4) o electrodo inferior (tal como se muestra en las figuras), el LC se alinea hasta un determinado punto que depende de la viscosidad del material, las fuerzas de anclaje de las capas superficiales (1 .d.1 y 1 .d.2), el espesor del LC (1 .a) y la intensidad del campo eléctrico.
Para crear un perfil de conmutación arbitrario se separa al menos uno de los electrodos en secciones (41 ), y se aplica el campo eléctrico adecuado entre cada sección de electrodos (41 ) y contra-electrodo (5).
Las Figuras 2, 3 y 4 muestran tres estados de conmutación diferentes que corresponden a tres tensiones de conmutación distintas (V1 <V2<V3) en un LC nemático positivo (2.a en Figura 2), un LC nemático negativo (3.a en Figura 3) y un LC en fase azul (4.a en Figura 4). En cada una de las figuras, las capas marcadas b, y d, así como la capa de electrodos (4, 5), son análogas a las capas del elemento óptico (1 ) en la Figura 1 . El estado del LC se denota con las elipses (la elipticidad indica el grado de anisotropía) y la orientación indica la orientación macroscópica del eje óptico.
Las capas de alineamiento (d) de las células nemáticas (Figuras 2 y 3) están acondicionadas para producir un alineamiento homogéneo en el caso de cristales líquidos con anisotropía dieléctrica positiva (Figura 2) y homeotrópico en el caso de cristales líquidos con anisotropía dieléctrica negativa (Figura 3). Así pues, la conmutación del LC se produce en un plano perpendicular a los sustratos (en las figuras 2 y 3 en el plano del papel). Para el LC en fase azul, las capas de alineamiento (d en la Figura 4) no son imprescindibles.
En la Figura 5 se observa el efecto que los diferentes grados de conmutación del LC nemático (Figuras 2 y 3) tienen sobre un haz incidente de luz linealmente polarizada en el mismo plano del papel. La luz incide desde un medio isótropo (5.1), atraviesa un medio anisótropo (5.11) y sale a un nuevo medio isótropo (5.111). Si las dimensiones de las secciones de los electrodos (41 ) son suficientemente pequeñas, la luz se recombina en una dirección ligeramente desviada de la dirección incidente. Los trazos continuos horizontales, o casi horizontales, muestran la progresión del haz supuesto una onda incidente plana.
La Figura 6 muestra una situación idéntica a la Figura 5 en un dispositivo con LC en fase azul (6. II) como el descrito en la Figura 4. En este caso no se necesita que el haz incidente esté polarizado.
Los dispositivos de la invención se componen de un elemento óptico (1 ) o varios elementos ópticos (1 ) o células de LC montadas en cascada. Cada una de ellas introduce una distribución espacial de diferencias relativas de fase a un frente de onda incidente. La diferencia de fase inducida oscila entre 0 y una longitud de onda completa (l), equivalente a un rango de 0 - 360° o 0 - 2p radianes. Según la forma de realización de la invención que se trate, las células de LC pueden estar unidas o separadas una cierta distancia. En el segundo caso, las células pueden emular elementos ópticos compuestos, como telescopios o expansores de haz.
Cada célula funciona de modo similar a una lente difractiva espiral (SDL, del inglés Spiral Diffractive Lens) o a una lámina de fase espiral (SPP, del inglés Spiral Phase Píate). En estas lentes en forma de láminas se aprovecha la equivalencia de fase entre retardos múltiplos de 2p radianes, lo cual permite reducir el espesor óptico del dispositivo en intervalos equivalentes a retardos 2TT. La diferencia de fase se puede conseguir modificando el espesor físico -una versión microscópica de las conocidas lentes de Fresnel- o el índice efectivo de refracción, como en los ejemplos mostrados en las Figuras 2, 3 y 4. En la Figura 7 se observa un ejemplo de lente difractiva de fase (C), cuyo efecto sobre la fase es equivalente al de una lente gruesa (A). La lente está troceada en secciones (B) cuyo espesor es A/(n1 -n2), siendo n1 el índice del material (típicamente vidrio, n1 «1.5) y n2 el índice del medio circundante (típicamente aire, n2 «1.0).
La lente difractiva tiene una variación espacial de OLP de 0 a l, pero tiene el mismo funcionamiento, en primera aproximación, que la lente gruesa de mucha mayor variación de OLP.
El retardo de fase relativo, d, entre diferentes zonas del frente de onda que se propaga por distintos puntos de la lente difractiva es (2TT/A)*(n1 -n2)*d, siendo d el espesor. Cada sección produce retardos relativos, d, entre 0 y 2p para espesores d entre 0 y A/(n1 -n2).
En el caso mostrado en figura 7, la diferencia de retardo, o de OLP, proviene de que el frente de onda se propaga en diferentes proporciones en medios distintos (típicamente aire y la lente de vidrio o plástico).
Se puede conseguir la misma variación espacial de OLP con un dispositivo plano de caras paralelas en el que d es constante, pero donde exista una distribución espacial de índices de refracción en secciones equivalentes a las mencionados anteriormente.
Aunque actualmente el material electroóptico más fácil de adaptar al dispositivo propuesto sería el LC conmutado por un campo eléctrico, se puede modificar el estado del LC mediante un campo magnético, o calor, consiguiendo el mismo efecto.
También existen materiales alternativos como el Niobato de Litio (LiNb03), o líquidos que muestran efecto Pockels o Kerr, que son electro-ópticos y cuyos índices de refracción se pueden variar o reorientar aplicando un campo eléctrico.
La presente invención se relaciona con un dispositivo óptico formado por un elemento óptico (1 ) reconfigurable, típicamente de LC, o varios elementos ópticos (1 ) reconfigurables, típicamente de LC, en cascada, pegados uno a otro, o situados a una distancia determinada. Los elementos poseen ciertas propiedades ópticas variables que pueden modificarse por control externo. Los elementos LC son lentes difractivas espiral (SDL) cuya carga topológica, y cuya distancia focal pueden ser reconfiguradas. La distancia focal del elemento puede ser diseñada para ser finita o infinita. Si la distancia focal es infinita, la SDL se transforma en una lámina de fase espiral (SPP) como las que se muestran en la Figura 8. Las secciones de los electrodos (41 ) de estas láminas tienen forma de sectores circulares no espirales (figuras 13A y 13B); el nombre de la lámina SPP se refiere al perfil espiral que adopta el retardo de fase.
Las lentes difractivas espiral SDL de distancia focal finita se fabrican con células LC cuyas secciones de los electrodos (41 ) tienen forma de sectores espirales. Cada sección (41 ) tiene un origen muy próximo al centro, y va ensanchando y rotando a medida que se aproxima a la zona perimetral externa. Todos las secciones de los electrodos (41 ) alcanzan la zona perimetral, de manera que pueden conectarse a la electrónica de control externa por excitación directa con contactos independientes.
La forma espiral de las secciones de los electrodos (41 ) (ver figuras 14 A y 14B) determina la distorsión del frente de onda que se produce como resultado de la acción de los dos elementos LC en cascada. El dispositivo de dos elementos LC en cascada es capaz de emular una lente difractiva de fase convencional (Figura 7C) con una fidelidad que depende del número de secciones de los electrodos (41 ). Para emular exactamente una lente difractiva de fase ideal se necesitaría un número infinito de elementos; cuanto mayor es el número de secciones de los electrodos (41 ), mayor es la aproximación conseguida.
A continuación se describen distintas formas de realización de la invención.
La primera de las realizaciones preferidas consiste en dos elementos en cascada.
En esta realización una de las células LC es una lámina de fase espiral (SSP), con un perfil de fase variable azimutal reconfigurable, como se muestra en las Figuras 8A y 8B. El sombreado más oscuro corresponde a una diferencia de fase de cero radianes, mientras que la zona más clara supone una diferencia de 2p radianes. Los patrones mostrados en las figuras corresponden a láminas de retardo que generan vórtices ópticos con una carga topológica de 1 (Figura 8A) y de 2 (Figura 8B). Los patrones mostrados en las figuras 8A y 8B son dos configuraciones del mismo elemento. El otro elemento LC reconfigurable de esta realización posee una componente espiral formada por un número de secciones de los electrodos (41 ) que se excitan a diferentes tensiones con el fin de generar un perfil de retardos de fase entre 0 y 2p radianes.
En la Figura 9A se muestra el elemento en una configuración de lente difractiva espiral, SDL, que introduce una variación de fase radial hiperbólica con una carga topológica 1 ; en la configuración del mismo elemento en Figura 9B la variación de fase radial es también hiperbólica, pero la carga topológica es 2 y la distancia focal es la mitad que la de la Figura 9A. En general, la carga topológica viene determinada por el número de espirales mientras que la distancia focal es tanto menor cuanto mayor es el giro de cada espiral. Al igual que en el elemento anterior, el rango de escalas de gris muestra retardos que oscilan entre 0 (negro) y 2p radianes (blanco). Los patrones mostrados en las figuras 9A y 9B son dos configuraciones del mismo elemento.
En la Figura 10 se muestra la realización, consistente en una lámina de fase espiral (SPP) generadora de vórtices ópticos en cascada con una lente difractiva espiral (SDL). Se indica el eje central, que habitualmente coincide con el camino óptico. Las dos configuraciones mencionadas aparecen en las Figuras 10A y 10B.
Poniendo en cascada la lámina de fase espiral de la Figura 8A con la lente difractiva espiral de la Figura 9A se genera un retardo de fase equivalente a la lámina de fase mostrada en la Figura 1 1 A. Del mismo modo, la lámina de fase espiral de la Figura 8B junto con la lente difractiva espiral de la Figura 9B producen un retardo equivalente a la lámina de fase de la Figura 1 1 B. Los retardos de fase de las Figuras 1 1 A y B varían entre 0 (negro) y 4p radianes (blanco).
Las distribuciones de la Figura 1 1 se pueden trocear en secciones 2TT, aprovechando la equivalencia de fase entre retardos múltiplos de 2p radianes, de manera análoga a la lente de la Figura 7A. Como resultado se obtienen las distribuciones de fase de la figura 12. Los retardos de fase de las Figuras 12A y B varían entre 0 (negro) y 2p radianes (blanco).
Los dos mapas de diferencias de fase de la Figura 12 se corresponden con lentes difractivas de fase con una variación de fase hiperbólica que subyace en la definición de las lentes difractivas espiral (SDL) de la Figura 9. Los mapas, y en consecuencia las dos configuraciones, por lo tanto, corresponden a dos lentes difractivas de fase con diferentes focos.
Para emular las láminas de fase espiral generadoras de vórtices ópticos, que se mostraban en la Figura 8, se puede utilizar una geometría de electrodos en secciones angulares (41 ) común a ambas estructuras. La Figura 13 muestra una estructura simplificada de 8 secciones de electrodos (4) que se emplea para generar cargas topológicas de 1 (Figura 13A) y de 2 (Figura 13B). La escala de gris de la Figura 13 representa diferentes intensidades de campo eléctrico aplicadas a los electrodos. El campo aplicado es tanto mayor cuanto más claro es el nivel de gris.
De igual modo, las estructuras de lentes difractivas espiral de la Figura 9 pueden asimismo aproximarse con una geometría de secciones de los electrodos (41 ) común, tal como se muestra en la Figura 14. Al igual que en el caso anterior, se utiliza una estructura simplificada de 8 secciones de los electrodos (41 ) para generar cargas topológicas de 1 (Figura 14A) y de 2 (Figura 14B). La escala de gris de la Figura 14 representa diferentes intensidades de campo eléctrico aplicadas a los secciones de los electrodos (41 ), con el fin de generar diferencias de fase equidistantes en las células de LC. El campo aplicado es tanto mayor cuanto más claro es el nivel de gris.
El área activa de la Figura 14 se reduce a la zona espiral. La parte externa tan solo es una guía visual para observar las ocho secciones de electrodos (41 ) direccionados en ambas topologías y potencialmente puede ser la zona de conexión de las secciones de electrodos (41 ).
Combinando en cascada dos células LC, una con el patrón de secciones de electrodos (41 ) de la Figura 13, y la otra con el patrón de la Figura 14 se consigue un dispositivo que funciona como lente difractiva como las que se muestran en la Figura 12. La distancia focal puede variarse entre dos o más valores, modificando las tensiones aplicadas a cada uno de las secciones de electrodos (4).
El número de distancias focales diferentes que pueden conseguirse está determinado por el número de secciones de electrodos (4) que contienen ambos patrones. Asimismo, el número de secciones de electrodos (4) establece la mayor o menor fidelidad con que el patrón discreto de electrodos reproduce la variación de fase analógica ideal. En los ejemplos de las figuras se han utilizado tan solo 8 electrodos por simplicidad. Los dispositivos reales de la invención, en general, incluyen decenas o centenares de secciones de electrodos (41 ).
La segunda realización preferida está formada por dos células LC con secciones de electrodos (41 ) que forman lentes difractivas espiral reconfigurables. Su característica fundamental es que las células poseen cargas topológicas opuestas: una de ellas incrementa las diferencias de fase en sentido horario mientras que la otra las incrementa en sentido antihorario. Las dos lentes se diseñan con la misma carga topológica y distancia focal. Las cargas topológicas se cancelan, por lo que la diferencia de fase resultante carece de momento angular. Se obtiene así una lente difractiva que se comporta como las lentes difractivas convencionales, con la ventaja de ser reconfigurable y con el conexionado de las secciones de electrodos (41 ) en la zona del perímetro (3) o parte exterior, quedando la zona activa (2) o parte interior con su superficie de entrada y su superficie de salida libre y despejada de conexiones y componentes electrónicos.
En la Figura 15 se muestran dos lentes difractivas espiral en cascada. Las lentes de la Figura 15A están configuradas para tener cargas topológicas 1 y -1 , mientras que las de la Figura 15B están configuradas para tener cargas topológicas 2 y -2.
Asociando en cascada las lentes difractivas espiral de la Figura 15A, y troceando los mapas de diferencias de fase de salida en secciones de 2TT, aprovechando la equivalencia de fase entre retardos múltiplos de 2p radianes, producen una distribución de diferencias de fase (Figura 16A) análoga a la mostrada en la Figura 12. De igual modo, las lentes espiral de la Figura 15B generan la distribución que se muestra en la Figura 16B.
De forma análoga a la primera realización preferida, ambas configuraciones de la Figura 16 pueden conseguirse con el mismo patrón de secciones de electrodos (41 ) aplicando distintos campos eléctricos, como se muestra en la Figura 14.
Las dos células LC de la segunda realización preferida pueden ser idénticas, siempre que en el montaje en cascada se voltee una de las células, enfrentando dos caras iguales de modo que el sentido de giro de la espiral se invierta, haciendo que el signo de la carga topológica sea opuesto en cada célula.
En la tercera realización preferida se emplean dos células LC reconfigurables en cascada configuradas con cargas topológicas opuestas, es decir, que incrementan la fase en sentido horario y antihorario respectivamente. Las células poseen secciones de electrodos (41 ) configurados como lentes difractivas espiral. A diferencia de la segunda realización preferida, las espirales no están obligatoriamente ajustadas para generar la misma distancia focal, aunque el número de espirales -y en consecuencia la carga topológica- sea el mismo. Así pues, el haz de salida tendrá un perfil de diferencias de fase sin ningún momento angular inducido.
Las dos realizaciones preferidas anteriores son casos particulares de ésta. La primera realización sería un caso extremo en que una de las células LC es una lente difractiva espiral con distancia focal infinita, es decir, una lámina de fase espiral. La segunda es el caso en que la distancia focal de ambas lentes es igual.
En la Figura 17 se muestran lentes espiral distintas, con cargas topológicas iguales dos a dos aunque con signos opuestos. Cada una de las células posee distancia focal variable. La Figura 17A muestra dos células configuradas con cargas topológicas 1 y - 1 respectivamente. Poniendo las lentes en cascada se produce una distribución de diferencias de fase que, si se trocea en secciones 2p como las mostradas en la Figura 12, genera una lente difractiva espiral como la mostrada en la Figura 18A.
La Figura 17B muestra dos células configuradas con cargas topológicas 2 y -2 respectivamente. Poniendo las láminas en cascada se produce una distribución de diferencias de fase que, si se trocea en secciones 2p como las mostradas en la Figura 12, genera una lente de fase difractiva como la mostrada en la Figura 18B.
En esta tercera realización preferida, el patrón de secciones de los electrodos (41 ) activos de las dos células LC es generalmente diferente. Por ejemplo, una de las células podría tener un patrón como el que se muestra en la Figura 14, mientras que la otra podría tener otro patrón diferente, más retorcido, como el mostrado en la Figura 19. Las lentes espiral generadas por los elementos de la Figura 19, para cualquier carga topológica no nula, tienen una distancia focal inferior a las lentes equivalentes de la Figura 14.
En la cuarta realización preferida, las células LC que conforman el dispositivo no tienen obligatoriamente topologías complementarias. Como consecuencia, la lente difractiva espiral equivalente será una lámina con una carga topológica suma de las dos células. Esta realización puede tener aplicación en sistemas donde la carga topológica sea irrelevante para su funcionalidad. También resultaría útil en sistemas en los que interese mantener el punto singular central, característico de los haces luminosos con carga topológica; en tales casos, obviamente, la cancelación de cargas topológicas no resulta apropiada.
Las tres realizaciones preferidas anteriores son casos particulares de ésta.
En la quinta realización preferida, se sustituyen el electrodo (5) continuo convencional o los patrones de electrodos convencionales que se han mencionado en esta invención para excitación del cristal líquido y generación consiguiente de diferencias de fase. Los electrodos se reemplazan por una matriz de polos resonantes interconectados. Estos polos resuenan típicamente en frecuencias de la región de las microondas (GHz o THz), tal y como se describe en WO 2012080532 A1. La estructura del dispositivo sigue siendo la misma, como la dibujada en Figura 1 , y el dispositivo genera el mismo tipo de patrones de desfase como los mostrados anteriormente.
La diferencia fundamental está en la interacción entre la onda electromagnética y el dispositivo: El desfase no es la consecuencia de un retardo de la onda electromagnética al pasar por un material de índice variable, como en las realizaciones anteriores, sino la consecuencia de la interacción entre la onda electromagnética y dipolos (o secciones de electrodos) con frecuencias de resonancia variable. Variando la frecuencia de resonancia de un dipolo, o conjunto de dipolos, se varía el desfase que se introduce en la onda electromagnética. La frecuencia resonante de un dipolo -y en consecuencia los retardos de fase introducidos por el dipolo- está determinada por el estado de conmutación del LC adyacente. Al igual que en la patente citada, el estado de conmutación del LC se controla conectando los dipolos resonantes a una señal eléctrica AC de baja frecuencia y a la tensión deseada. En correspondencia con las realizaciones anteriores, todos los dipolos correspondientes a una sección (41 ) de un electrodo (4) están caracterizados exclusivamente por un único estado de conmutación del LC. Los dipolos están interconectados y distribuidos en zonas equivalentes a los electrodos (4) mostrados anteriormente.
En todas las implementaciones mencionados anteriormente existe la posibilidad de situar los dos elementos ópticos (1 ) o lentes a una distancia no nula.
Según una sexta realización preferida, se colocan dos lentes difractivas espiral (SDL’s) a una distancia dada, de forma que la distancia focal de ambas lentes coincida. Cambiando la carga topológica de ambos elementos, y como consecuencia su distancia focal, se puede cambiar la posición del punto de coincidencia de las distancias focales entre ambos dispositivos. De esta forma se puede generar un telescopio o un expansor de haz sintonizables, o dispositivos ópticos más complejos. Si se desea, se puede eliminar cualquier resto de carga topológica residual incluyendo un tercer elemento óptico (1 ), por ejemplo, una lámina de fase espiral.
La séptima forma de realización preferida es la implementación más simple de todas, pero únicamente puede aplicarse en aquellos entornos en los que la carga topológica del haz de salida es irrelevante. Tal podría ser el caso de una lente intraocular como la de US 005408281 A. La realización consiste en un solo elemento, con el diseño específico de electrodos descrito anteriormente, y su eventual aplicación como dispositivo de focalización, específicamente a la generación de lentes con foco reconfigurable representa una aportación innovadora.
Los dispositivos LC poseen generalmente un patrón de secciones de electrodos (41 ) en un primer electrodo (4) (o primera placa) de la célula y un contra-electrodo (5) o electrodo continuo en la parte opuesta de la célula; este contra-electrodo (5) (o segundo electrodo) se conoce como plano de masa y se muestra continuo en las Figuras 2, 3 y 4.
La octava realización preferida es una variación de los elementos de las realizaciones anteriores, menos la quinta. La diferencia radica en que el contra-electrodo (5) de uno o varios elementos está dividido en secciones (41 ) igual que el primer electrodo (4) en el mismo elemento óptico (1 ) (Figuras 2, 3 y 4). Pero el patrón de secciones en el contra-electrodo (5) es distinto del patrón de secciones (41 ) en el primer electrodo (4).
De esta manera, uno de los electrodos (4 ó 5) podría tener el patrón correspondiente a una lente espiral como la de la Figura 14, mientras que el otro electrodo (5 ó 4) contiguo de la misma célula podría tener el patrón correspondiente a la lente espiral de la Figura 19.
Si se dispone de dos patrones de electrodos (4 y 5) en la misma célula, se puede elegir por direccionamiento qué estructura de lentes espiral reconfigurables se activa, dejando la espiral del contra-electrodo (el electrodo (5 ó 4)) de la célula con todas sus secciones interconectados entre sí a la misma tensión.
En una novena realización preferida se llena uno o varios elementos con un cristal líquido polimerizable. Esto permite sintonizar los dispositivos con campo eléctrico y curarlos mientras se aplica el campo eléctrico (habitualmente mediante luz UV), con lo que se obtendría un perfil de lente fijo, una vez polimerizado el cristal líquido. Una vez polimerizado el LC, la lente puede ser extraída de su célula como una lente extremadamente fina, con lo cual los electrodos (4 y 5) en esta realización no son necesariamente transparentes.
Esta realización representa una manera innovadora de fabricación de lentes fijas, con o sin carga topológica, que pueden ser utilizadas en asociación con otros elementos ópticos fijos o ajustables.
La forma de las secciones (41 ) de los electrodos (4) o de ambos electrodos (electrodos y contra-electrodos), en uno o en varios elementos LC, determina las características de la lente, tanto en lo referente a su distancia focal nominal como en sus aberraciones esféricas. Resulta trivial generar lentes con perfil hiperbólico, esférico o cualquier otro perfil cuadrático, o axicones; resulta incluso posible introducir aberraciones esféricas o de otro tipo diseñando las secciones de los electrodos adecuadamente. Así pues, el proceso para diseñar los primeros electrodos (4) o electrodos activos es el siguiente:
• Se define la lente con el perfil deseado, incluyendo aberraciones si es el caso.
• Se trocea esta lente en secciones 0 - 2TT, correspondientes a una lente difractiva.
• Se sustrae de esta lente difractiva una lámina de fase espiral configurada como vórtice óptico de la topología deseada.
• Se vuelve a trocear la lente espiral difractiva resultante en intervalos 0 - 2TT.
• Se discretiza la variación analógica según el número de número de secciones discretas (41 ) que se vayan a emplear.
• Cada una de las secciones discretas (41 ) se extiende desde la periferia de la célula LC hasta el centro (la sección puede ser continua o un conjunto dipolos).
• Se define por cada sección discreta (41 ) una zona de contacto fuera de la zona activa.
• Se fabrican los dos electrodos y se tratan con un agente o capa de alineamiento adecuado.
• Se ensambla la célula con al menos uno, o potencialmente dos electrodos (4 y 5) con los patrones diseñados.
• Se llena la célula con el cristal líquido deseado, que posea la birrefringencia adecuada, y se sella.
Se realiza el conexionado eléctrico adecuado al número de electrodos. • Se monta, si es relevante, en cascada con otra célula fabricada de modo similar, aunque ni las lentes difractivas espiral ni las láminas de fase espiral generadoras de vórtices ópticos han de ser necesariamente iguales. El resultado es un elemento LC o varios elementos LC reconfigurables que funcionan en asociación, donde cada uno de los cuales y el conjunto debe considerarse como una lámina difractiva espiral con su propia carga topológica y perfil lenticular, que puede ser reconfigurado.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo óptico configurable caracterizado por que comprende un elemento óptico (1 ) configurable con una zona activa (2) constituida por una superficie de entrada (21 ) y una superficie de salida (22) para haces de luz y una zona de perímetro
(3), donde el elemento óptico (1 ) comprende al menos un primer electrodo (4) transparente dividido en secciones (41 ) y al menos un contra-electrodo (5) transparente, donde el elemento óptico (1 ) dispone de conexiones eléctricas para los electrodos (4, 5) y/o secciones (41 ), estando situadas dichas conexiones eléctricas en la zona de perímetro (3) del elemento óptico (1 ), donde el dispositivo está configurado para que, mediante la aplicación de diferencias de potencial entre cada sección (41 ) del primer electrodo (4) y el contra-electrodo (5), se generen campos eléctricos que hagan variar selectivamente el grado de conmutación del elemento óptico (1 ) respectivamente en zonas correspondientes a las secciones (41 ) del primer electrodo
(4), generándose así un perfil de camino óptico, que configura una determinada carga topológica y un determinado enfoque de un haz de luz incidente, según el patrón de campos eléctricos aplicados a las secciones (41 ) del primer electrodo (4), donde el dispositivo está configurado para que mediante la aplicación de un primer patrón adecuado de campos eléctricos, el perfil del camino óptico del elemento óptico (1 ) corresponda al de una lente difractiva en espiral con una primera distancia de enfoque y una primera carga topológica, y para que mediante la aplicación de un segundo patrón adecuado de campos eléctricos, el perfil del camino óptico del elemento óptico (1 ) corresponda al de una lente difractiva en espiral con una segunda distancia de enfoque y una segunda carga topológica, donde el contra-electrodo (5) también está dividido en secciones, y consecuentemente ambos electrodos (4, 5) están configurados tanto para presentar potenciales eléctricos distintos en cada sección, como para presentar potenciales eléctricos iguales en cada sección, y donde la distribución de secciones del primer electrodo (4) es diferente de la distribución de secciones del contra-electrodo (5), permitiendo así que el dispositivo pueda ser reconfigurado para crear dos juegos independientes de perfiles de camino óptico, que cambia la carga topológica y el enfoque de un haz de luz incidente en distintas maneras.
2. Dispositivo óptico configurable según la reivindicación 1 , caracterizado por que comprende un primer elemento óptico (1 ) y un segundo elemento óptico (1 ) colocados en cascada con el primer elemento óptico (1 ), donde el primer elemento óptico (1 ) tiene su contra-electrodo (5) sin divisiones en secciones, y donde el segundo elemento óptico (1 ) tiene su contra-electrodo (5) dividido en secciones.
3. Dispositivo óptico configurable según la reivindicación 1 , caracterizado por que comprende dos elementos ópticos (1 ) colocados en cascada.
4. Dispositivo óptico configurable según la reivindicación 1 , caracterizado por que comprende dos elementos ópticos (1 ) colocados en cascada.
5. Dispositivo óptico configurable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el material de conmutación en uno o varios de los elementos ópticos (1 ) es un cristal líquido.
6. Dispositivo óptico configurable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el material de conmutación en uno o varios de los elementos ópticos (1 ) es un cristal líquido polimerizable.
7. Dispositivo óptico configurable según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado por que está configurado para que, mediante la aplicación de los correspondientes campos eléctricos, el perfil de camino óptico de los elementos ópticos (1 ) adyacentes colocados en cascada corresponda al de lentes difractivas en espiral.
8. Dispositivo óptico reconfigurable según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado por que está configurado para que, mediante la aplicación de los correspondientes campos eléctricos, el perfil de camino óptico de los elementos ópticos (1 ) adyacentes colocados en cascada corresponda al de láminas de fase espiral.
9. Dispositivo óptico configurable según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado por que está configurado para que, mediante la aplicación de los correspondientes campos eléctricos, el perfil de camino óptico de al menos uno de los elementos ópticos (1 ) adyacentes colocados en cascada corresponda al de un lente difractiva en espiral y que el perfil de al menos uno de los restantes elementos ópticos (1 ) adyacentes colocados en cascada corresponde al de una lámina de fase espiral.
10. Dispositivo óptico configurable según la reivindicación 7, caracterizado por que dos lentes difractivas en espiral están posicionadas en cascada, con una determinada distancia de separación entre ellas, de manera que la distancia focal de ambas lentes coincida, lo que permite que funcionen como telescopio o expansor de haz sintonizables, variando la carga topológica y enfoque de las lentes, aplicando los patrones adecuados de campos eléctricos a las secciones de los electrodos de los elementos.
1 1. Dispositivo configurable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que uno de los electrodos (4, 5) incluye estructuras con frecuencias de resonancia electromagnética variables según el estado de conmutación del cristal líquido adyacente.
12. Método de fabricación de un dispositivo óptico configurable, caracterizado por que comprende:
- disponer al menos dos elementos ópticos (1 ), según las reivindicaciones 1 y/o 2, dispuestos en cascada;
- aplicar un patrón de diferencias de potencial entre las secciones (41 ) del primer electrodo (4) y el contra-electrodo (5) de cada elemento óptico (1 ), produciéndose así un campo eléctrico que haga variar el perfil de conmutaciones y en consecuencia el perfil del camino óptico del elemento óptico (1 ), lo cual cambia la carga topológica de un haz de luz incidente.
13. Método de fabricación de un dispositivo óptico configurable según la reivindicación
12, caracterizado por que los elementos ópticos (1 ) emplean cristal líquido como material electroóptico.
14. Método de fabricación de un dispositivo óptico configurable según la reivindicación
13, caracterizado por que los elementos ópticos (1 ) emplean cristal líquido polimerizable como material electroóptico y donde el procedimiento comprende curar el cristal líquido polimerizable, obteniéndose un dispositivo difractivo con un perfil de variación de fase fijo o parcialmente sintonizable.
15. Método de fabricación de un dispositivo óptico configurable según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado por que comprende aplicar un campo eléctrico entre los electrodos (4, 5) de dos elementos ópticos (1 ) adyacentes colocados en cascada creando un perfil de conmutaciones de los dos elementos ópticos (1 ) adyacentes correspondiente al de dos lentes difractivas en espiral.
16. Método de fabricación de un dispositivo óptico configurable según la reivindicación
15, caracterizado por que comprende posicionar ambas lentes difractivas en espiral en cascada, con una determinada distancia de separación entre ellas, de manera que la distancia focal de ambas lentes coincida, lo que permite que funcionen como telescopio o expansor de haz sintonizables, variando la carga topológica de las lentes.
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