CN111194425B - 柔性液晶单元和透镜 - Google Patents

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Abstract

采用液晶LC作为用于实现电可调谐光学器件的材料的柔性光学元件是可折叠的。制造所述柔性元件的方法包括图案化光聚合。所述LC光学器件可包括一对具有正交配向的LC指向矢的用于无偏振器性质的LC层、柔性聚合配向层、柔性衬底和用于控制电场的模块。所述LC光学器件的透镜焦度可通过控制电场在光学区上的分布来改变。

Description

柔性液晶单元和透镜
技术领域
本发明涉及电活性光学器件和使用所述光学器件的透镜，并且特别地涉及柔性液晶单元和透镜。
背景技术
当软性隐形眼镜由隐形眼镜佩戴者处置时，其经受变形。在一些情形中，透镜可在小到2毫米左右的短折叠半径上对折。因此，软性隐形眼镜应有足够柔性以在合理的可用寿命期间承受此变形而无损害。还所需透镜在从变形恢复后能够恢复其大小和形状并保留光学性质的意义上是有弹性的。已开发出考虑到柔性和弹性的许多聚合物(包括水凝胶隐形眼镜和硅酮水凝胶隐形眼镜)。
在电活性透镜中，电活性组件(例如液晶单元)可嵌入由柔性和弹性聚合物制成的透镜本体中。然而，电活性组件整体上可限制透镜本体的柔性和弹性二者。
需要提供具有柔性和弹性二者的电活性组件的透镜。
发明内容
描述弹性或柔性、电可调谐液晶透镜。液晶透镜包括在其经折叠并返回到其初始形状之后单元间隙厚度基本上保持的单元。因此，液晶透镜的形状和光学性质在折叠后可恢复。
所述实施例包括在聚合配向层之间的间隙中包含液晶的电活性单元，其中聚合物柱阵列安置在配向层间的间隙中。
在本文所述的实例中，配向层中的一或多者包含包括嵌入液晶部分的柔性聚合材料。
本文所述的电可调谐透镜的一些实例包含第一配向层和第二配向层；在第一配向层与第二配向层之间的间隙中的弹性聚合物柱阵列，阵列中的柱从第一配向层延伸到第二配向层；液晶，其被局限在所述第一配向层和所述第二配向层之间的间隙中围绕所述阵列中的柱；和一或多个电极，其经布置以在液晶中诱导电场。
偏振无关的实例包括第三配向层和在第二配向层与第三配向层之间的第二间隙中的弹性体柱的第二阵列，第二阵列中的柱从第二配向层延伸到第三配向层。而且，液晶被局限在第二间隙中围绕第二阵列中的柱。实例中的第二配向层可包括液晶部分，所述液晶部分具有经配向正交于光路径且靠近第一表面邻近第一所提到间隙平行的指向矢和，以及经配向靠近第二表面邻近第二所提到间隙正交于光路径且正交于靠近第一表面的指向矢的指向矢。
描述制造柔性液晶单元的方法，其包括通过光聚合根据图案在液晶层中形成聚合物柱。在本文所述的实施例中，方法包括组装第一柔性配向层和第二柔性配向层，其间具有间隙；形成延伸跨越第一柔性配向层与第二柔性配向层之间的间隙的柔性或弹性聚合物柱；和提供在间隙中环绕柱的液晶材料。在本文所述的实施例中，方法包括提供在间隙中提供液晶材料和聚合物前体材料的组合，和通过诱导聚合物前体与液晶的相分离和根据图案使聚合物前体聚合形成弹性柱。
下文描述关于装置和方法的各种组合和添加。
在查阅以下图、详细说明和权利要求书时可看出本发明的其它方面和优点。
附图说明
图1是显示如本文所述具有电活性单元的柔性透镜的折叠的简化图解。
图2图解说明具有单一液晶层的柔性液晶电活性单元。
图3A、3B、3C和3D图解说明具有两个液晶层的偏振无关、柔性液晶电活性单元的替代实施例。
图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)、4(e)和4(f)图解说明在柔性电活性单元的制造方法中的各阶段。
图5显示如图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)、4(e)和4(f)的方法中所用光刻掩模的实例布局。
图6(a)、6(b)、6(c)、6(d)、6(e)和6(f)图解说明在制造如图2和3A、3B、3C和3D的结构中所用聚合层的各阶段。
图7图解说明弯曲、柔性液晶电活性单元的实例。
图8图解说明具有两个液晶层的弯曲、柔性液晶电活性单元的实例。
图9图解说明液晶层中具有混合配向的双层液晶单元的实例。
图10图解说明在液晶层中具有混合配向和替代电极位置的双层液晶单元的实例。
图11图解说明具有弯曲介电层的双层液晶单元的实例。
图12图解说明具有弯曲介电层的双层液晶单元的另一实例，其中液晶层中具有混合配向。
图13图解说明双层液晶单元的实例，其中液晶聚合膜中具有透镜焦度。
具体实施方式
参考图1-13提供本发明实施例的详细描述。
图1图解说明具有嵌入其中的电活性单元11的透镜10。透镜10是柔性的且可包含(例如)水凝胶材料或硅酮水凝胶材料。电活性单元11包括电活性材料和至少一个用于改变透镜折射力的电子组件。如图1中所图解说明，当透镜10由柔性材料制成时，其在由用户处置时可被折叠。举例来说，当透镜10是隐形眼镜时，那么在将其***眼睛和从眼睛移除时，用户可将透镜折叠。当透镜如图的下部部分中所图解说明折叠时，折叠半径R可极小，特别地在区域12中。举例来说，透镜可在大约1到9mm的折叠半径上折叠。当透镜被折叠时，电活性单元11可变形。
在本文所述的实施例中，电活性单元在折叠后返回到其初始形状时恢复其形状和其可调谐或可调整光学特征的意义上是有弹性的。
图2图解说明在上文所述的意义上有弹性的柔性单层液晶单元。液晶单元包括安置在上部(第一)聚合层24与下部(第二)聚合层27之间的间隙中的液晶层25，其中聚合层24、27包含与液晶部分混合且经配置以充当液晶层25的配向层的柔性或弹性聚合物。聚合层24、27具有在层的中心区域中具有垂直指向矢且在表面上具有水平指向矢的液晶部分。在此实例的上部聚合层24中，靠近表面的指向矢正交于z轴5(其可为光学轴)且相对于液晶层25的主表面水平，其延伸到图解平面中并从所述平面延伸出。在此实例的下部聚合层27中，相对表面上的指向矢相对于液晶层25的主表面是水平的，延伸到图解平面中并从所述平面延伸出。此实例中的指向矢的定向使得液晶层25的上部和下部表面上的配向方向彼此平行。
在此实例中，液晶层25至少在液晶单元的有效孔径上在聚合层24、27之间具有均匀厚度T。出于此说明书的目的，当单元的用户察觉光学性能落在具有标称均匀厚度的单元所预计的范围内时，液晶层在单元的有效孔径上具有均匀厚度，这是因为所述范围可出现在经历环境、制造和材料差异的商业制造环境中。
柱(例如柱26)的阵列安置在液晶层内部在聚合层24、27之间的间隙中。阵列中的柱从上部聚合层24延伸到下部聚合层27，并且有助于维持厚度T。柱(例如26)可包含聚合物或聚合材料。优选地，柱是有弹性的。而且，优选地，聚合层包含弹性聚合物或弹性体。
液晶材料被局限在第一和第二聚合层之间的间隙中围绕柱阵列中的柱，并且充当单元的主动元件，响应于所施加电场改变单元的光学特征。
在此实例中，用于在液晶层25中施加电场的电组件安置在介电聚合物(在此实例中，包括层20、22、29)中。电组件包括电阻层23、上部聚合层24上方的圆形孔图案化电极层21和下部聚合层27下方的透明垫电极层28。在此和本文所述的其它实施例中，图案化电极层可具有除一些实施例中的圆形孔以外的图案(包括像素化图案和环形图案)，用于液晶层中电场向量的形状的更复杂控制。
在一个代表性实施例中，液晶单元的衬底包括包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)的介电层20、22，其各自约17μm厚。介电层29同样包含约17μm厚或以下的PDMS。图案化和垫电极层21、28可包含约1μm厚或以下的柔性电极材料。液晶层25可为约30-40μm厚，例如约34μm厚。上部和下部聚合层可为约6到7μm厚。在此实例中，单元具有约98μm的总厚度。
在另一个实施例中，液晶单元的衬底包括包含PDMS的介电层20、22，各介电层具有15μm到20μm的厚度。类似地，介电层29可包含PDMS且具有15μm到20μm的厚度。图案化和垫电极层21、28可包含厚度为0.1μm到1μm的柔性电极材料。液晶层25可为25μm到45μm厚。上部和下部聚合物层各自可具有5μm到10μm的厚度。
在代表性实施例中，液晶层25的厚度T是约34μm。
在一些实施例中，厚度T贯穿液晶层25的光学区为恒定厚度，其中光学区是利用可调谐透镜效应的有效孔径。
在此实例中，单元的均匀厚度可为从光学器件的中心到有效孔径的边缘变化小于1.2微米的厚度。在一些实施例中，厚度T在有效孔径内的变化可维持在0.5微米内。
本文所述液晶单元的实施例在小半径上折叠并返回到初始形状之后可维持光学性质。举例来说，在包含具有平均初始厚度T的单元间隙且折叠前液晶层为约10μm的实施例中，平均厚度T可返回到其初始厚度的10％内，或返回到9到11μm范围内的平均厚度。在其它实施例中，平均厚度T可返回到其初始厚度的2％内，或返回到9.8到10.2μm范围内的平均厚度。单元间隙或液晶层的平均厚度可通过以下测定：在多个位置测量厚度并将所述测量值相加并除以测量次数。测量可沿液晶层的单一直径进行(如果其为圆形)，或其可沿围绕液晶层的随机点进行。
取决于特定实施方案的要求，充当液晶层的衬底的柔性介电层20、22、29的材料可选自适于在透镜中利用的各种聚合物和弹性体和其组合，包括含PDMS的材料、含PET(聚对苯二甲酸乙二酯)的材料和含甲基丙烯酸羟乙基酯(HEMA)的材料。
根据特定实施方案的要求而定，可用于图案化电极层21和透明垫电极28的代表性材料可为聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、石墨烯、银纳米线和铜金属网格和各材料的组合。
电阻层23的功能是帮助将电场分布到透镜的有效孔径的中心。电阻层23相对于电极具有相对较高的电阻，并且可称为高电阻层。在一些实例中，利用电阻层23可降低操作电压。电阻层的薄片电阻可为约106到108Ω/sq，其取决于透镜材料和规格。电阻层可通过混合PEDOT:PSS溶液和PVA(聚(乙烯醇))溶液制得。薄片电阻可(例如)通过两种溶液间的重量比控制。
液晶(LC)是具有双折射性质的光学各向异性材料。考虑垂直入射于LC光学器件的线性偏振光且偏振方向与LC分子的长轴在同一平面中。光经历有效折射率，所述有效折射率是由光的偏振方向与LC的指向矢间的角度决定。另外，LC分子的定向可由外电场控制。因此，具有均匀厚度的LC层上的不均匀电场将造成LC分子定向的空间分布。LC分子定向的空间分布也将形成有效光路径的空间分布。通过适当设计，有效光路径的空间分布可实现具有不同透镜焦度的透镜效应。
LC可以是偏振相关的，其与偏振器组合使用时可消耗至少50％的光效率。为实现偏振无关LC光学器件，可使用一对具有相同厚度和正交配向的LC指向矢的LC层，如图3A到3D中所示的实例中所执行。使用具有正交指向矢的所述LC层对，光的两个本征偏振经历相同相移，从而产生偏振无关的可调谐透镜。
图3A-3D图解说明在上文所述的意义上有弹性的柔性、双层液晶单元的替代实施例。这些替代实施例可使用上文关于图2所讨论的材料制成。
在图3A中，单元包括第一液晶层45和第二液晶层48。第一液晶层45安置在上部(第一)液晶聚合层44与中间(第二)液晶聚合层47之间的间隙中。第二液晶层48安置在中间液晶聚合层47与下部(第三)液晶聚合层50之间的间隙中。
上部聚合层44具有在下部表面上邻近液晶层45的指向矢，其平行于液晶层45的表面且正交于图解平面。中间聚合层47具有在上部表面上邻近液晶层45的指向矢，其平行于液晶层45的表面且正交于图解平面(即，平行于上部聚合层44的下部表面上的指向矢)。中间聚合层47具有在下部表面上邻近液晶层48的指向矢，其平行于液晶层48的表面且平行于图解平面(即，正交于中间聚合层47的上部表面上的指向矢)。下部聚合层50具有在其上部表面上邻近液晶层48且平行于液晶层48的表面并且平行于图解平面的指向矢(即，平行于中间聚合层47的下部表面上的指向矢)。
聚合层44、47、50充当液晶层的配向层。中间聚合层47在其上部和下部表面上具有正交指向矢。在一些实施例中，上部和下部聚合层44、50可由其它配向层材料(例如拉绒聚酰亚胺层)替代。由于光学损失和其它问题，在中间聚合层中利用拉绒聚酰亚胺可能并不实际。因此，在优选实施例中，液晶层之间的配向技术涉及使用在上部和下部表面上具有正交指向矢的液晶聚合层。
液晶层45和48包含被局限在间隙中的液晶材料，并且在合理的制造和光学性能公差内，聚合层之间具有相同厚度。
柱(例如46)的阵列安置在上部聚合层44与中间聚合层47之间的间隙中，并且由液晶层45中的液晶材料环绕。阵列中的柱从上部聚合层44延伸到中间聚合层47，其如上文所讨论有助于维持厚度。
柱(例如49)的第二阵列安置在中间聚合层47与下部聚合层50之间的间隙中。柱的第二阵列由被局限在间隙中的液晶层48中的液晶材料环绕。
在此实例中，电组件安置在介电聚合物衬底(包括层40、43、52)中。电组件包括电阻层41、安置在上部聚合层44上方的图案化电极层42和下部聚合层50下方的透明垫电极层51。
图3A的液晶单元在小半径上折叠并返回到初始形状之后可维持其光学性质。
一般来说，当借助图案化电极施加电场时，双层液晶单元可为非偏振光提供正透镜焦度。由液晶层附加的透镜焦度可通过改变所施加电场的幅值、频率或二者调谐。
图3B到3D图解说明如图3A的双层液晶单元的替代配置。相同参考数字用于指相似组件，在一些情形中不再描述。图3B-3D的液晶单元同样在小半径上折叠并返回到初始形状之后可维持其光学性质。
如图3B中所示，在替代配置中，聚酰亚胺层可与电阻层一起使用以改良其均匀性。因此，在图3B中，双层液晶单元通过添加与电阻层41接触的聚酰亚胺层60而经改质。
在图3C中，图解说明一个实施例，其中双层液晶单元通过添加与电阻层41接触的聚酰亚胺层60和通过移动上部图案化电极层42与上部聚合层44的上部表面接触而经改质，由此消除图3A和3B中所示介电衬底的层43的区域。此具有降低柔性液晶单元的所需操作电压和总厚度的效应。
在图3D中，图解说明一个实施例，其中双层液晶单元通过移动电阻层41与上部聚合层44的上部表面接触、消除介电衬底的层43的大部分区域和消除图3B和图3C的聚酰亚胺层而相对于图3A的结构经改质。此进一步减小结构的总体厚度并消除对聚酰亚胺层的需要。
图4(a)到图4(f)中图解说明制造如图2的柔性液晶单元的方法的实施例。
图4(a)图解说明在工艺中作为第一图解说明阶段的空工艺单元。空工艺单元由上部和下部玻璃层80、82组成，其在单元形成期间充当覆盖层。将玻璃层用衬底介电材料70、72、79、电极材料71、78、电阻层73和配向层74、77(在此实例中其为如上所讨论的聚合层)涂布。将上部电极材料71图案化以界定如上所讨论用以诱导可变电场的孔，以提供可调谐透镜焦度。将下部电极材料78安置成垫形状。将麦拉膜(Mylar film)间隔件75安置在上部聚合层74与下部聚合层77之间以界定其中要形成液晶层和柱阵列的间隙76。在此实例中，麦拉膜间隔件75界定35μm的间隙厚度。
如图4(b)中所示，在下一阶段的制造中，将液晶材料和聚合物前体的组合依靠(例如)毛细管力注入间隙76。在一些实施例中，组合包括液晶单体部分100、光引发剂101和液晶部分102。更具体来说，在一个实例工艺中，组合是由向列型LC(LCM-1656)、液晶单体(RM257)和光引发剂(IRG184)以99wt％:0.5wt％:0.5wt％的比率组成。LCM-1656可从LC马特公司(LC Matter Corp.)(例如美国佛罗里达州奥兰多(Orlando,FL,USA)；lcmatter.com)获得，RM-257和IRG-184可从默克(Merck)或德国默克(Merck KgaA)(德国达姆施塔特(Darmstadt,Germany),merckgroup.com)获得。所选材料优选导致形成具有足够刚度以抵抗严重变形、但具有良好弹性以在弯折后恢复结构中的单元间隙的聚合物柱。
图4(c)图解说明制造工艺中的下一阶段。使具有注入于间隙76中的组合材料的单元与界定孔112、113的阵列的光刻掩模110对准。然后将结构曝光于光化辐射111，例如在本实例中UV辐射。在曝光期间，在相分离工艺中，液晶部分125借助孔112、113漂移离开曝光于紫外光的区域，同时液晶单体120、121漂移进入曝光区域中。
如图4(d)中所图解说明，在曝光111期间，通过光聚合在液晶单体120、121中形成聚合物链135，以形成在聚合层74、77之间延伸的柱阵列。
曝光111可在低于100℃且在所述实例中接近室温(约20-25℃)的低温下实施。此低温光聚合允许在光聚合工艺期间在不损害由玻璃盖板支撑的结构层的情况下制造。
在下一阶段中，如图4(e)中所示，将单元从光刻***移除，其中弹性聚合物柱从下部聚合层77的上部表面延伸到上部聚合层74的下部表面，并且其中液晶填充间隙且环绕柱。
图4(f)图解说明后一阶段，其中移除玻璃层(盖板)80、82，留下例如图2中所示的柔性、可调谐液晶单元。
在此实例中，通过麦拉间隔件使用UV可固化聚合物密封液晶单元。在此实例中，通过光聚合在固化期间在液晶和单体的混合物中形成柱。在另一个实施例中，可在第一步骤中形成柱，随后移除未固化材料，留下柱网络，并且然后在移除后围绕柱网络注入液晶。在一些实例中，液晶单元可在固化期间通过使用图案化掩模以界定密封区域并通过与用于制作柱相同的材料封闭单元来密封。
此制造工艺可通过添加中间聚合层和第二麦拉间隔件以界定第二间隙而扩展到双层单元(例如图3A-3D中所示)。在其它方面，将类似处理步骤应用于双层单元。
图5图解说明光刻掩模110的代表性布局，其可用于参照图4(c)和图4(d)所述的工艺阶段中。在此实例中，掩模布局包含直径为约50μm且在水平和垂直尺寸上的节距为约500μm的圆形孔250、251的阵列。此布局使用以上所讨论材料选择用于约35μm厚液晶层。根据特定实施例的需要，可选择其它布局。孔的密度转化为安置在聚合层间的间隙中的柱的密度。密度应经选择以便不会显著干扰单元的电光性能，同时在上文所讨论意义上维持足够弹性，以使得单元的形状在因折叠而变形之后返回到其初始形状。
孔无需如图5中所图解说明那样为圆形，而是可为椭圆形、矩形或其它更复杂形状。优选形状和形状的密度可使用经验方法或模拟来测定。
图6(a)到6(f)图解说明用于制造在以上所讨论实施例中用作配向层的聚合层的方法的实施例的各阶段。图6(a)图解说明包括空工艺单元的工艺阶段，所述空工艺单元由涂布有导体(例如ITO)的相应层802、806和配向层803、805(例如拉绒聚酰亚胺)的玻璃层800、801组成，这些层经配置以使聚合层中液晶材料的指向矢根据上述实例中所需的定向在聚合层的相对表面上配向。麦拉间隔件804维持玻璃层800、801间的间隙810，其中厚度可根据设计而调整。举例来说，图2中的上部和下部聚合层24、27的厚度为约7μm，并且图3A-3D中的聚合层47的厚度为约35um。
如图6(b)中所图解说明，将包括液晶部分852、单体851和光引发剂850的液晶材料的混合物在约90℃的温度下注入空工艺单元中。由于配向层803、805，可为具有液晶性质的中介体(mesomer)的单体和液晶根据由配向层803、806设定的方向在混合物中配向。在此实例中，此液相中的指向矢在图解平面中配向且与配向层803、805的平面平行。
如图6(c)中所示，将导电ITO层802、806连接到900处的电源，所述电源施加高AC电压使得单体(例如856)和液晶部分(857)二者的分子平行于z轴5且正交于玻璃盖板的表面重定向。然而，由于配向层所提供的强锚定力，靠近配向层表面的分子定向(例如854、855)仍保持平行于摩擦方向。
如图6(d)中所图解说明，在施加AC电场的同时将结构曝光于光化UV辐射910。此辐射触发光引发剂并激活单体的光聚合。当单体反应以形成聚合物链时，在两个玻璃盖板之间形成具有嵌入液晶部分的聚合膜。由聚合形成的聚合物网络(例如860)陷获并帮助维持聚合层中液晶分子的定向。
如图6(e)中所图解说明，在聚合完成后，可移除电场和UV辐射。然后，如图6(f)中所示，将玻璃盖板800、801以及ITO和配向层(802、803和805、806)剥离聚合层1000。
因此，此实例中的聚合层可为光学各向异性的，这是因为穿过中心的大部分聚合层远离与配向层接触的表面的液晶部分的指向矢位于z轴上。聚合层的表面上的液晶分子保持平行于配向层的表面安置并受聚合物网络的限制。因此，聚合层的表面可用于使上述结构中液晶层中的液晶分子配向。
此工艺可通过在制作期间改变配向层803、805的摩擦方向和材料用于设定液晶分子在聚合层的表面上的不同定向。而且，通过在聚合期间施加可变电场，可引起整个聚合层的配向方向倾斜，导致被动透镜效应。
在一个具体实例中，聚合层是由反应性液晶原(RM257)、液晶(MLC2144)和光引发剂(IRG184)以RM257:MLC2144:IRG184＝79wt％:20wt％:1wt％的比率组成。RM257是1,4-双-[4-(3-丙烯酰基氧基丙基氧基)苯甲酰基氧基]-2-甲苯，其具有CAS174063-87-7。IRG184是1-羟基环己基苯基酮，其具有CAS 947-19-3。
在一个实施例中，如参照图4(a)到4(f)所讨论用于形成柱的目的所用的反应性单体可与在聚合层形成中用作反应性单体者相同(例如RM257)。在其它实施例中，两个程序中的聚合物前体可不同。而且，在一些实施例中，不同的聚合物前体和液晶材料可用于不同聚合层。
制作聚合层的材料并不限于RM257、IRG184和MLC2144。替代材料可包括其它液晶单体和光引发剂。而且，液晶(MLC2144)可由其它向列型液晶代替。
图7图解说明在弯曲衬底上形成的柔性单层液晶单元。此结构可使用上述工艺制得，例如，其中工艺单元中的玻璃盖板具有弯曲表面。液晶单元包括安置在聚合层324与聚合层327之间的间隙中的液晶层325，其中聚合层324和327包含与液晶部分混合且经配置以充当液晶层325的配向层的柔性或弹性聚合物。聚合层324、327具有在层的中心区域中具有垂直指向矢且在表面上具有水平指向矢的液晶部分。在此实例中的上部聚合层324中，表面上的指向矢相对于液晶层325的主表面是水平的，并且平行于图解平面。在此实例中的下部聚合层327中，上部表面上的指向矢相对于液晶层325的主表面是水平的，并且平行于图解平面。在下部聚合层327的下部表面上，指向矢平行于那些在上部表面上者。此实例中指向矢的定向导致液晶层325的上部和下部表面上的配向方向彼此平行。
柱(例如柱326)的阵列安置在液晶层325中。阵列中的柱从上部聚合层324延伸到下部聚合层327，并且有助于维持液晶层325的厚度。
优选地，柱和聚合层包含弹性聚合物或弹性体。
液晶被局限在第一和第二聚合层之间的间隙中围绕柱阵列中的柱。
在此实例中，电组件安置在介电聚合物(在此实例中，包括层320、322、329)中。电组件包括电阻层323、上部聚合层324上方的图案化电极层321和下部聚合层327下方的垫电极层328。
在一个代表性实施例中，液晶单元的衬底包括包含PDMS的介电层320、322。
在各实施例中，单元的曲率半径可在约100mm到8mm或以下的范围内。举例来说，曲率半径可在100mm到1mm的范围内。
图7中所示液晶单元的实施例在小半径上折叠并返回到初始形状之后可维持光学性质。
图8图解说明形成于弯曲衬底上的柔性双层液晶单元。在图8中，单元包括第一液晶层425和第二液晶层428。第一液晶层425安置在上部(第一)液晶聚合层424与中间(第二)液晶聚合层427之间的间隙中。第二液晶层428安置在中间液晶聚合层427与下部(第三)液晶聚合层430之间的间隙中。
上部聚合层424具有在下部表面上邻近液晶层425的指向矢，所述指向矢正交于单元的z轴5且平行于图解平面。中间聚合层427具有在上部表面上邻近液晶层425的指向矢，所述指向矢正交于z轴5且平行于图解平面(即，平行于上部聚合层424的下部表面上的指向矢)。中间聚合层427具有在下部表面上邻近液晶层428的指向矢，所述指向矢正交于z轴5且正交于图解平面(即，正交于中间聚合层427的上部表面上的指向矢)。下部聚合层430具有在其上部表面上邻近液晶层428的指向矢，所述指向矢正交于z轴5且正交于图解平面(即，平行于中间聚合层427的下部表面上的指向矢)。
聚合层424、427、430充当液晶层的配向层。中间聚合层427在其上部和下部表面上具有正交指向矢。在一些实施例中，上部和下部聚合层424、430可由其它配向层材料(例如拉绒聚酰亚胺层)代替。
柱(例如426)的阵列安置在上部聚合层424与中间聚合层427之间的间隙中，并且由被局限在间隙中的液晶层425中的液晶材料环绕。阵列中的柱从上部聚合层424延伸到中间聚合层427，此如上所讨论有助于维持厚度。
柱(例如429)的第二阵列安置在中间聚合层427与下部聚合层430之间的间隙中。柱的第二阵列由被局限在间隙中的液晶层428中的液晶材料环绕。
在此实例中，电组件安置在介电聚合物衬底(包括层432、433、434)中。电组件包括电阻层423、安置在上部聚合层424上方的图案化电极层421和在下部聚合层430下方的垫电极层431。
图7和8中的弯曲实施例可为单元的电活性组件提供被动、加性透镜焦度。
图7和8中所示的液晶单元的实施例在小半径上折叠并返回到初始形状之后可维持光学性质。
图9图解说明利用液晶层中液晶分子的混合配向的双层液晶单元的另一个实施例。单元包括第一液晶层505和第二液晶层508。第一液晶层505安置在上部垂直配向层504(其可包含例如PDMS)与中间聚合层507之间的间隙中。第二液晶层508安置在中间聚合层507与下部垂直配向层510之间的间隙中。
中间聚合层507具有在上部表面上邻近液晶层505的指向矢，所述指向矢正交于z轴5(平行于液晶层505的表面)且正交于图解平面。中间聚合层507具有在下部表面上邻近液晶层508的指向矢，所述指向矢正交于z轴5且平行于图解平面(即正交于中间聚合层507的上部表面上的指向矢)。
液晶层505、508中邻近上部垂直配向层504和下部垂直配向层510的指向矢平行于z轴5，在图解平面中垂直布置。由于中间聚合层507的配向功能，液晶层中的指向矢在正交平面中在液晶层505、508的上部和下部表面之间扭曲，如所图解说明。
在合理的制造和光学性能公差内，液晶层505和508在聚合层之间具有相同厚度。
柱(例如506)的阵列安置在上部配向层504与中间聚合层507之间的间隙中，并且由被局限在间隙中的液晶层505中的液晶材料环绕。阵列中的柱从上部配向层504延伸到中间聚合层507，此如上所讨论有助于维持厚度。
柱(例如509)的第二阵列安置在中间聚合层507与下部配向层510之间的间隙中。柱的第二阵列由被局限在间隙中的液晶层508中的液晶材料环绕。
在此实例中，电组件安置在介电聚合物衬底(包括层512、510、500、504)中。电组件包括电阻层502、聚酰亚胺层501、安置在上部配向层504上方的图案化电极层503和在下部配向层510下方的垫电极层511。在此结构中，反应时间可快于参照图3A-3D所描述结构的反应时间。然而，可调谐范围可较小。
图10图解说明如图9的替代实施例，并且相同参考编号用于指相同组件且不再描述。在此实施例中，图案化电极523和电阻膜521/聚酰亚胺膜522结构的位置颠倒，以使得图案化电极523上覆于电阻膜521。所述结构在其它方面类似，并且可以类似方式运转。
图9和图10的液晶单元在小半径上折叠并返回到初始形状之后可维持其光学性质。
在替代实施例中，可不利用图案化电极。可通过一对透明垫成型电极产生不均匀电场，其中将具有空间分布的介电常数或表面的介电层添加于结构中。
图11图解说明具有透明电极601和610且无电极图案化的结构的一个实施例。
图11中所示的单元包括第一液晶层604和第二液晶层607。第一液晶层604安置在上部(第一)液晶聚合层603与中间(第二)液晶聚合层606之间的间隙中。第二液晶层607安置在中间液晶聚合层606与下部(第三)液晶聚合层609之间的间隙中。
上部聚合层603具有在下部表面上邻近液晶层604的指向矢，所述指向矢正交于z轴5(平行于液晶层604的表面)且正交于图解平面。中间聚合层606具有在上部表面上邻近液晶层604的指向矢，所述指向矢正交于z轴5(平行于液晶层604的表面)且正交于图解平面(即平行于上部聚合层603的下部表面上的指向矢)。中间聚合层606具有在下部表面上邻近液晶层607的指向矢，所述指向矢正交于z轴5(平行于液晶层607的表面)且平行于图解平面(即正交于中间聚合层606的上部表面上的指向矢)。下部聚合层609具有在其上部表面上邻近液晶层607的指向矢，所述指向矢正交于z轴5(平行于液晶层607的表面)且平行于图解平面(即平行于中间聚合层606的下部表面上的指向矢)。
在合理的制造和光学性能公差内，液晶层604和607在聚合层之间具有相同厚度。
柱(例如605)的阵列安置在上部聚合层603与中间聚合层606之间的间隙中且由被局限在间隙中的液晶层604中的液晶材料环绕。阵列中的柱从上部聚合层603延伸到中间聚合层606，此如上所讨论有助于维持厚度。
柱(例如608)的第二阵列安置在中间聚合层606与下部聚合层609之间的间隙中。柱的第二阵列由被局限在间隙中的液晶层607中的液晶材料环绕。
在此实例中，电组件安置在介电聚合物衬底(包括层600、602、611)中。电组件包括安置在上部聚合层603上方的扁平透明电极601和在下部聚合层609下方的扁平透明电极610。
在此类结构中，不需要电阻层或图案化电极。然而，结构的总体厚度可增加。聚合层603、606、609充当液晶层的配向层。中间聚合层606在其上部和下部表面上具有正交指向矢。在此实例中，上部聚合层603的上部表面603A连同层602中介电材料的匹配曲线是弯曲的。当电压施加到扁平透明电极601和610上时，所述弯曲可导致产生不均匀电场。
图11的液晶单元在小半径上折叠并返回到初始形状之后可维持其光学性质。
图12图解说明其中使用扁平透明电极而非图案化电极的另一个实施例。在图12中，图解说明利用液晶层中液晶分子的混合配向的双层液晶单元。图12中的单元包括第一液晶层704和第二液晶层707。第一液晶层704安置在上部垂直配向层703(其可包含例如PDMS)与中间聚合层706之间的间隙中。第二液晶层安置在中间聚合层706与下部垂直配向层709之间的间隙中。
中间聚合层706具有在上部表面上邻近液晶层704的指向矢，所述指向矢正交于z轴5(平行于液晶层704的表面)且正交于图解平面。中间聚合层706具有在下部表面上邻近液晶层707的指向矢，所述指向矢正交于z轴5(平行于液晶层707的表面)且位于图解平面中(即正交于中间聚合层706的上部表面上的指向矢)。弯曲聚合层702安置在上部配向层703上方并与其接触。此在扁平透明电极701与710之间的电场路径中形成弯曲表面703A。
PDMS层充当结构的垂直配向层703、709。因此，液晶层704、707中邻近上部垂直配向层703和下部垂直配向层709的指向矢是沿光路径垂直布置。由于中间聚合层706的配向功能，液晶层中的指向矢在正交平面中在上部和下部表面之间扭曲，如所图解说明。
在合理的制造和光学性能公差内，液晶层704和707在聚合层之间具有相同厚度。
柱(例如705)的阵列安置在上部配向层703与中间聚合层706之间的间隙中且由被局限在间隙中的液晶层704中的液晶材料环绕。阵列中的柱从上部配向层703延伸到中间聚合层706，此如上所讨论有助于维持厚度。
柱(例如708)的第二阵列安置在中间聚合层706与下部配向层709之间的间隙中。柱的第二阵列由被局限在间隙中的液晶层707中的液晶材料环绕。
在此实例中，电组件包括安置在弯曲聚合层702上方的扁平透明电极层701和在下部配向层709下方的扁平透明电极层710。介电衬底层700、711安置在单元的相对表面上。
图12的液晶单元在小半径上折叠并返回到初始形状之后可维持其光学性质。
如上所提到，液晶和聚合物膜中液晶分子的定向可由光聚合期间所施加之外电场界定。通过在工艺期间施加不均匀电场，所得液晶聚合物膜可具有固定透镜焦度。使用液晶聚合物的透镜焦度，透镜与柔性电活性组件的组合可将透镜焦度添加到结构。
具有由液晶聚合层附加的透镜焦度的实例双层液晶电活性单元显示于图13中。
在图13中，单元包括第一液晶层954和第二液晶层957。第一液晶层954安置在上部(第一)液晶聚合层953与中间(第二)液晶聚合层956之间的间隙中。第二液晶层957安置在中间液晶聚合层956与下部(第三)液晶聚合层959之间的间隙中。
上部聚合层953具有在其表面之间经分布以引起透镜焦度的指向矢，并且在其上部和下部表面上具有正交于z轴5(平行于液晶层954的表面)且正交于图解平面的指向矢。在此实例中，上部聚合层953的表面间的指向矢的倾斜量是其在平行于z轴5和正交于图解平面的平面中相对于光学区的中心线的位置的函数。
中间聚合层956具有在上部表面上邻近液晶层954的指向矢，所述指向矢正交于z轴5(平行于液晶层954的表面)且正交于图解平面(即平行于上部聚合层953的下部表面上的指向矢)。中间聚合层956具有在下部表面上邻近液晶层957的指向矢，所述指向矢正交于z轴5(平行于液晶层957的表面)且平行于图解平面(即正交于的上部表面上的指向矢中间聚合层956)。表面与中间聚合层956之间的指向矢是垂直布置。
下部聚合层959具有在其表面之间经分布以诱导透镜焦度的指向矢，并且在其上部和下部表面上具有正交于z轴5(平行于液晶层957的表面)且平行于图解平面(即平行于中间聚合层956的下部表面上的指向矢)的指向矢。在此实例中，下部聚合层959的表面间的指向矢的倾斜量是其在平行于z轴5和平行于图解平面的平面中相对于光学区的中心线的位置的函数。因此，上部和下部聚合层中各表面之间的指向矢的定向彼此正交。
聚合层953、956、959充当液晶层的配向层。
在合理的制造和光学性能公差内，液晶层954和957在聚合层之间具有相同厚度。
柱(例如955)的阵列安置在上部聚合层953与中间聚合层956之间的间隙中且由被局限在间隙中的液晶层954中的液晶材料环绕。阵列中的柱从上部聚合层953延伸到中间聚合层956，并且如上文所讨论有助于维持厚度。
柱(例如958)的第二阵列安置在中间聚合层956与下部聚合层959之间的间隙中。柱的第二阵列由被局限在间隙中的液晶层957中的液晶材料环绕。
在此实例中，电组件安置在介电聚合物衬底(包括层950、961、962)中。电组件包括电阻层951B(具有接触聚酰亚胺层951A)、安置在上部聚合层953上方的图案化电极层952和在下部聚合层959下方的透明垫电极层960。
上部聚合层953和下部聚合层959中的分布式指向矢为电活性单元提供附加透镜焦度。在一些实施例中，由聚合层953和959提供的被动透镜焦度可与由液晶层提供的电活性功率组合，以能够利用透镜结构聚焦于近距物体和远距物体上。
图13的液晶单元在小半径上折叠并返回到初始形状之后可维持其光学性质。
所描述的柔性液晶单元技术适用于柔性透镜(例如隐形眼镜)，其在结构折叠之后将返回到其初始形状和初始光学性质的意义上可为弹性的。
柔性液晶单元的实施例可包括所有基于聚合物的光学器件。在一些实施例中，液晶单元可包括偏振器或不需偏振器。在一些实施例中，存在单一液晶层。在其它实施例中，存在两个或以上液晶层。
所描述用于在液晶层内制造柱阵列的技术是基于包括聚合物前体和液晶材料的混合物在低温下的光聚合。光聚合诱导前体的相分离和聚合以根据例如使用光刻掩模所形成的图案形成柱阵列。
本文所述的柔性液晶单元可折叠于自身上而不断裂，并且可返回到初始形状，同时恢复电活性透镜的光学性质。
举例来说，在折叠之前和之后可维持液晶层的厚度，使得折叠之前和之后的平均厚度保持在初始厚度的10％内。而且，液晶层的厚度在折叠之前和之后可以是均匀厚度，从光学器件的中心到光学器件的有效孔径的边缘的变化例如小于1.2μm。
描述所述技术以实施使用液晶以实现电可调谐光学器件的柔性光学元件。液晶光学器件可包括一对具有正交配向的液晶指向矢以使无偏振器操作成为可能的液晶层以及柔性聚合配向层、柔性衬底和用于控制电场的模块。液晶光学器件的透镜焦度可通过控制电场在整个光学区上的分布来改变。对于患有近视和老花眼的患者来说，可使用本文所述的技术实现柔性隐形眼镜，其中负透镜焦度用于聚焦于远距物体上的目的，并且加性透镜焦度用于聚焦于近距物体上的目的。在一些实例中，负透镜焦度可由光学层堆叠的被动结构与液晶层的电光主动结构的组合提供。因此，可理解，柔性隐形眼镜可包括使用液晶的柔性光学元件，如本文所述。
描述采取液晶(LC)作为实现电可调谐光学器件的材料的柔性光学元件。LC光学器件可包括一对具有正交配向的LC指向矢用于无偏振器操作的LC层、柔性聚合配向层、柔性衬底和用于控制电场的模块。LC光学器件的透镜焦度可通过控制电场在光学区上的分布来改变。本文所述的液晶单元可包括在包含柔性聚合物的隐形眼镜中。
对于同时患有近视和老花眼或远视和老花眼的患者，描述具有负透镜焦度以支援聚焦于远距物体上和具有附加正透镜焦度以支援聚焦于近距物体上的柔性隐形眼镜。LC光学器件可在电学上提供附加正透镜焦度且可与具有被动、初始负透镜焦度的柔性隐形眼镜组合用于那些患者。
已经以特定顺序描述本文所述的制造工艺。一些步骤可经组合，并行实施或以不同序列实施而不影响所实现的功能。在一些情形中，如读者应了解，步骤的重排仅在作出某些其它改变时才会实现相同结果。在其它情形中，如读者将了解，步骤的重排仅在满足某些条件时才会实现相同结果。
尽管本发明已参照上文详细描述的优选实施例和实例揭示，但应理解，所述实例打算为说明性的而非限制意义的。预期所属领域技术人员将易于进行修改和组合，所述修改和组合将在本发明的精神和所附权利要求书内。

Claims (30)

1.一种柔性电可调谐液晶透镜，其包含：
液晶单元，所述液晶单元在弯折所述液晶透镜之前具有在所述可调谐液晶透镜的光学区的单元间隙厚度X且在弯折所述液晶透镜并使其返回到其初始形状之后具有单元间隙厚度Y，其中Y＝X±10％X，其中所述液晶单元包含有效限制所述单元间隙厚度的变化以维持Y＝X±10％X的弹性柱，其中所述弹性柱中的至少一者在所述光学区内。
2.根据权利要求1所述的柔性电可调谐液晶透镜，其中所述液晶单元包含有效限制所述单元间隙厚度的变化以维持Y＝X±10％X的弹性聚合物柱。
3.根据权利要求1所述的柔性电可调谐液晶透镜，其包括包封所述液晶单元的聚合物透镜本体。
4.根据权利要求1所述的柔性电可调谐液晶透镜，其中所述液晶单元包括第一配向层和第二配向层以及在所述第一配向层和所述第二配向层之间的液晶层，所述第一配向层和所述第二配向层包含柔性聚合材料。
5.根据权利要求4所述的柔性电可调谐液晶透镜，其中所述液晶单元包含延伸穿过结合到所述第一配向层和所述第二配向层的液晶层的聚合物柱的阵列。
6.根据权利要求4所述的柔性电可调谐液晶透镜，其中所述弯折包括在1到9mm的半径上折叠所述单元。
7.根据权利要求4所述的柔性电可调谐液晶透镜，其中所述第一配向层和所述第二配向层中的至少一者具有液晶部分，所述液晶部分具有诱导被动透镜焦度的分布式指向矢。
8.根据权利要求1所述的柔性电可调谐液晶透镜，其中所述液晶单元包括
第一配向层、第二配向层和第三配向层；
第一液晶层，其位于所述第一配向层和所述第二配向层之间；和
第二液晶层，其位于所述第二配向层和所述第三配向层之间；
所述第二配向层包含液晶和聚合物材料的组合。
9.根据权利要求8所述的柔性电可调谐液晶透镜，其中所述第一配向层和所述第三配向层中的至少一者具有液晶部分，所述液晶部分具有诱导被动透镜焦度的分布式指向矢。
10.一种电可调谐透镜，其包含：
第一配向层和第二配向层；
弹性聚合物柱的阵列，其在所述第一配向层与所述第二配向层之间的间隙中，所述阵列中的柱从所述第一配向层延伸到所述第二配向层；
液晶，其被局限在所述第一配向层与所述第二配向层之间的所述间隙中围绕所述阵列中的柱；和
一或多个电极，其经布置以在所述液晶中诱导电场来控制所述透镜的透镜焦度。
11.根据权利要求10所述的电可调谐透镜，其中所述第一配向层和所述第二配向层中的至少一者和所述柱阵列包含相同液晶原的聚合物。
12.根据权利要求10所述的电可调谐透镜，其中所述第一配向层和所述第二配向层包括经配向靠近表面邻近所述间隙的液晶部分。
13.根据权利要求10所述的电可调谐透镜，其包括第三配向层和在所述第二配向层与所述第三配向层之间的第二间隙中的弹性体柱的第二阵列，所述第二阵列中的柱从所述第二配向层延伸到所述第三配向层；和
液晶，其被局限在所述第二间隙中围绕所述第二阵列中的柱。
14.根据权利要求13所述的电可调谐透镜，其中所述第二配向层包括液晶部分，所述液晶部分具有经配向正交于光路径且靠近第一表面邻近所述间隙平行的指向矢，以及经配向靠近第二表面邻近所述第二间隙正交于光路径且正交于靠近所述第一表面的所述指向矢的指向矢。
15.根据权利要求14所述的电可调谐透镜，其中所述第一配向层和所述第三配向层被配置成垂直配向，以诱导在所述间隙中的所述液晶中靠近所述第一配向层的指向矢和在所述第二间隙中的所述液晶中靠近所述第三配向层平行于所述光路径配向的指向矢。
16.根据权利要求14所述的电可调谐透镜，其中所述第一配向层和所述第三配向层被配置成正交于光路径配向，以诱导所述间隙中的所述液晶中靠近所述第一配向层的指向矢和所述第二间隙中的所述液晶中靠近所述第三配向层正交于所述光路径配向的指向矢。
17.根据权利要求14所述的电可调谐透镜，其中所述第一配向层和所述第三配向层中的至少一者具有被动透镜焦度。
18.根据权利要求13所述的电可调谐透镜，其中所述第一配向层、所述第二配向层和所述第三配向层包含聚合配向层。
19.根据权利要求10所述的电可调谐透镜，其中所述间隙在小于10mm的折叠半径上弯折之前具有平均厚度X且从所述弯折恢复后具有平均厚度Y，其中Y＝X±10％X。
20.一种制造根据权利要求1-9中任一项所述的柔性电可调谐液晶透镜或根据权利要求10-19中任一项所述的电可调谐液晶透镜的方法，其包含：
组装第一柔性配向层和第二柔性配向层，其间具有间隙；
形成延伸跨越从所述第一柔性配向层到所述第二柔性配向层的所述间隙的弹性聚合物柱；
在所述间隙中围绕所述柱提供液晶材料；和
形成一或多个电极，其经布置以在所述间隙中的所述液晶材料中诱导电场来控制所述透镜的透镜焦度。
21.根据权利要求20所述的方法，其包括通过将聚合物前体置于所述间隙中并在所述间隙中诱导聚合形成所述弹性聚合物柱。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述聚合物前体包含单体和光引发剂化合物的组合。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述形成弹性聚合物柱包括借助图案化掩模将所述间隙中的所述聚合物前体曝光于光化辐射。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述聚合物前体包含液晶原和光引发剂化合物的组合。
25.根据权利要求20所述的方法，其包括用所述液晶和聚合物前体填充所述间隙，和根据图案通过诱导所述聚合物前体的聚合形成所述弹性聚合物柱。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一柔性配向层和所述第二柔性配向层包含聚合膜。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一柔性配向层和所述第二柔性配向层包含具有嵌入液晶部分的聚合膜。
28.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一柔性配向层和所述第二柔性配向层以及所述柱包含相同液晶原的聚合物。
29.根据权利要求20所述的方法，其包括将第三柔性配向层与所述第一柔性配向层和所述第二柔性配向层组装在一起，其中在所述第二柔性配向层与所述第三柔性配向层之间具有第二间隙；和形成延伸跨越所述第二间隙的弹性体柱；和
用液晶材料环绕所述第二间隙中的所述柱填充所述第二间隙。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一柔性配向层、所述第二柔性配向层和所述第三柔性配向层经布置以诱导在所述间隙中的所述液晶材料中的液晶在第一定向上的配向和在所述第二间隙中的所述液晶材料中的液晶在第二不同定向上的配向。
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