[发明专利]具有高级电场控制能力的液晶光学设备

说明书

相关申请

本申请是非临时申请，优先权文件是美国临时申请US61/738,533，优先权日是2012年12月18日，本申请引用该优先权文件全文。

技术领域

本发明涉及液晶光学设备，具体为其控制电极。

背景技术

液晶(LC)透镜和一些其他液晶光学设备是本领域已知的技术。在玻璃或塑料板之间的单元内设置一个平面结构的液晶。在一个相对较小的厚度之内，可实现可用的光学变焦能力。

本领域已经提出了各种液晶透镜的设计方案，通过电场以控制液晶分子的取向。

一种方案已被应用，在液晶层的上方一定距离处放置一个环形电极，在液晶层的下方放置一个均匀的平面透明电极，可以形成一个可以空间调制电场控制的液晶透镜。

一个GRIN透镜可以通过控制LC分子的相对方向，而产生LC材料在一个光通孔中光折射的折射率的空间变化来创建。

在A.F.Naumov等人发表的一篇题为“液晶自适应镜片与莫代尔控制”的文章(Liquid-CrystalAdaptiveLenseswithModalControl，OPTICSLETTERS/Vol.23，No.13/July1,1998)中，如图1中所示的透镜，使用一个液晶层10，其设置在顶层玻璃基板11附近的孔状电极14和底部玻璃基板16附近的光学透明的平面铟锡氧化物电极12之间。液晶取向层18位于液晶层10的任一侧。图1的透镜的工作原理是电压的衰减，及其带来的在透镜的中心与电极14的孔的附近的液晶层边缘之间的(在环形电极通孔上)相应的电场强度的减小。由于典型的液晶层10的厚度大约是0.05毫米，而典型的常用光学孔径是2毫米左右，即40倍大，因而未解决的问题是，液晶层10的径向的电场强度的下降是急剧的(快速下降)。一个高电阻率层19沉积在孔状电极14的中央部分。通过高电阻率层19与系统其余部分形成的分布式RC电路，“软化”了由于电信号衰减而带来的电场强度的下降。其中高电阻率层19主要作为电阻，液晶层10主要作为电容。

图1中所示的GRIN透镜有一些很好的性能，但也具有一些显着的缺点。特别是，透镜的运用对层状结构的几何结构和材料参数极其敏感。其中最重要的是高电阻率层19的薄层电阻Rs，被定义为R＝(dσ)^-1，其中d是高电阻率层19的厚度，σ是其导电率。这极大地复杂化了偏振无关的可调液晶透镜(TLCL)基于这种技术的制造：

液晶是一种双折射材料，光线通过液晶镜片后被转化为两个偏振方向。图1中的单个LC透镜的液晶层10将聚焦光线的一个偏振方向，而基本上不影响光线的其他偏振方向，因此如在现有技术使用的单个LC透镜层10，整体液晶透镜光学元件是偏振相关的。出于这个原因，图1的单个LC层几何结构一般被称为半LC透镜。

自然光(例如阳光或灯光)包含各个方向混乱的偏振(其可以被转化为两个正交偏振方向的总和)。为形成一个偏振无关的液晶透镜，一种方式是使用两个半液晶透镜，其中每个液晶层具有互相正交的偏振方向平面。

两个平面的半液晶透镜，它们分别作用于不同的偏振方向，其意图是将光线聚焦到一个共同的焦平面。然而在实践中，制造两个相对于图像传感器在光学性能上完全相同的两个不同偏振方向的液晶镜片是很困难的。在两个液晶层之间设置一个大空间就会造成整个透镜太厚，其结果是在不同的偏振方向的焦平面之间形成一个大的间距，在自然光的条件下，由于不同的偏振方向上的聚焦情况的不同，在单个平面光传感器上无法聚焦成清晰的图像。此外，当透镜的形状和/或两个透镜的光学倍率是不相同的，每个半透镜的效果是不同的，即使两个液晶层彼此很接近。这种不同的效果可能会增大，由于液晶层厚度的差异或两层用于实现各个方向的偏振互相独立折射的高电阻率层的薄层电阻的互相叠加。

为移动设备设计的小尺寸的镜头带来了镜头设计和透镜性能的非常困难和严格的要求。因此，透镜设计必须仔细优化，以兼顾尺寸和制造成本的考虑。在晶片的规模生产中，一个晶片含有大量的液晶单元，两个这样的晶片连接在一起，以形成各个方向的偏振互相独立的液晶光学设备。然而，对于这样利用晶片制造的镜片，两个晶片相互连接，为了使两层镜片具有相同的光学倍率和透镜形状，两个晶片必须具有相同的属性。在一定程度上可以通过控制间隔物来控制液晶层的厚度，而对薄层电阻的控制则困难的多(图3)：