CN115066648A - 用于产生电位梯度的电极结构 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及液晶光学器件。已经发现，在空间中具有阶跃式电压分布的LC‑GRIN(或TLCL)光学器件中，由于离散电极布置引起的电场不连续的问题可以通过在使用离散成形电极的同时使用相移驱动信号或通过使用放置在阶跃式电极附近的相对高介电常数层(HDCL)来解决，这可以“平滑”电位剖面并减少由于阶跃式电极的离散匝或阶跃引起的电场阶跃而导致的伪影。与弱导电层(WCL)相比，这种HDCL可以更容易地制造。

Description

用于产生电位梯度的电极结构
本专利申请要求于2019年12月9日提交的美国临时专利申请62/945,285和2020年8月21日提交的美国临时专利申请63/068,731的优先权，其内容通过引用结合于此。
技术领域
本专利申请涉及液晶光学器件。
背景技术
梯度折射率光学器件在现有技术中是众所周知的，例如，梯度折射率透镜和棱镜(Moore,D.T.,梯度折射率光学：综述。应用光学，1980.19(7):p.1035-1038.)。使这些器件具有适应性(实现其梯度的动态变化)可以显著提高其功能和效率。这将需要对外部刺激敏感的光学材料。包括液晶(LC)的很多种材料都对这种刺激敏感，例如，电场或磁场(deGennes,P.-G.和J.Prost，液晶物理学。牛津大学出版社，美国，1995年.2:p.4.)。因此，可以使用电场梯度来通过使用LC材料获得期望的折射率剖面(例如，构建电可调LC透镜或TLCL)。
实际上，已经开发了不同的技术来获得这种电场梯度。最直接的方法之一是在包含LC材料的夹层器件(由两个基板制成)中使用图案化(圆形，以获得透镜，或线形，以获得棱镜)电极。在透镜型器件的情况下，其基板中的一个通常被均匀的透明电极(氧化铟锡或ITO)覆盖，而第二个基板具有孔形电极(hole patterned electrode，HPE)，图1a。在这种情况下，电场在***(HPE面向均匀ITO电极的位置)将很强，并且当考虑更靠近器件中心(远离HPE)的位置时将减小。在与两个电极平面的间隔D(如图1b所示)相当的距离处，电场将逐渐减小(由于所谓的“边缘场”效应)，但如果HPE的直径(或者器件的通光孔径CA，如图1a所示)与D相比大得多，则电场的减小将是显著的(在图1a中，有D＝L的情况，其中L是LC层的厚度)。因此，电场的剖面、LC的反应和对应的折射率梯度剖面将由CA与D的比率限定。事实上，表明最佳比率R＝CA/D应为2.5的量级，以具有电梯度的柔和变化，从而允许生成具有可接受像差的梯度折射率光学透镜(Sato，S.，液晶对于可变聚焦透镜的应用。光学综述，1999年.6(6):p.471-485.)
然而，在此有几个限制：LC的厚度L的选择通常受到限制(由于光散射和弛豫时间的要求，L必须相对小)，并且电极的间隔D必须尽可能小以限制生成足够电场E(其中E＝U/D)以重新定向LC分子所需的电压U。此限制与器件的电能消耗有关，该电能消耗与施加到器件上的电压的平方成正比。例如，图1b展示了一种情况，其中，不是增加L，而是进一步移动顶部电极层以保持比率R最佳(对于给定的CA)，但这些电极越高，驱动器件的电压就越高。
这就是为什么不能将“边缘场”方法用于相对较大的CA值(例如，在从0.1mm到10mm的范围内，或者具体地，在从0.5mm到5mm的范围内)以用于成像、眼科和增强现实应用。注意到这种TLCL或LC梯度折射率(LC-GRIN)透镜通常可以表征为具有与孔径CA成反比的光功率，这可能是有用的。在一些光学成像***中，孔径必须大得多。因此，传统的LC-GRIN透镜无法提供明显的光功率变化范围。这限制了这些器件在具有大CA的***中的应用。已经提出了解决方案来增加LC-GRIN透镜中的较大孔径处的光功率，诸如让相同的透镜既作为负透镜然后又作为正透镜工作。然而，如果尝试在整个CA上生成可调透镜，则通光孔径尺寸要求仍然是一个问题。
已经提出了各种解决方案来构建具有毫米范围的CA的器件。一种方法是在HPE附近使用高电阻率或弱导电层(WCL)，以帮助进一步将边缘场朝向器件的中心传播(Kahn,F.，电子可变光圈或止动机构.1973年，美国专利；Loktev，M.Y.等人，基于模态液晶透镜的波前控制***。科学仪器综述，2000年.71(9):p.3290-3297.)，图2。然而，对于毫米尺寸的CA，这种层的薄层电阻值Rs在兆欧(每平方)范围内，并且很难以可再现的方式生产具有这种Rs的均匀层并确保它们是环境稳定的(因为通常必须维持金属的非化学计量/不完全氧化以获得这种Rs值)。
在不使用任何WCL的情况下，已经提出了使用多个独立驱动(图3a)或电阻互连(图3b)的同心环形电极，然而，这种设计会导致每个环形电极在连接点处的一些偏差，并且可能会由于离散的环形电极引起的电场阶跃而导致伪影。
还提出了环形电极之间的电容耦合，以通过在不存在任何电阻互连的情况下提供单个驱动信号来简化电极的驱动，从而消除连接点处的像差。这在美国专利9,201,285中有所教导。利用电容耦合，环形电极之间的间隙在不同层级处被耦合电极覆盖(两个电极层被介电隔离层隔开)，使得电场梯度小于在环之间提供零电位间隙的离散同心环形电极的情况。然而，这种设计更难构建，并且由于电极结构引起的电场阶跃而仍然会导致一些伪影。
在美国专利8,421,990中，教导了可以为圆形透镜布置螺旋电极，其中螺旋电极的电阻可以在其整个长度上使用以降低电压，由此在孔径上提供合适的电场空间分布，并且无需提供任何WCL。如果螺旋电极的匝之间的间距或节距足够小，则由于螺旋电极的离散匝引起的电场阶跃所导致的伪影可以不显著。然而，如本专利所描述的，ITO带必须间隔开很大以生成离散的场跃迁、光散射和毫米透镜的透镜质量衰退。因此，这种方法将需要使用具有相当高电阻或足够小节距的透明电极，以使这种方法适用于毫米透镜，这两个要求仍然是重大挑战(参见下文)。
在2007年10月17日发表在光学快报,Vol.15，No.21的Andrew K.Kirby、PhilipJ.W.Hands和Gordon D.Love的题为“基于电子相移控制的液晶多模透镜和轴棱镜”的论文中提出了解决使用与孔形电极相关的高电阻层(或WCL)来产生电压空间分布的问题的另一种方法。在该论文中，ITO膜放置在一个基板的表面上，并与放置在基板的相对两侧并由相移电压驱动的两个带状电极结合使用。已经发现，当相对电极接地时，使用施加到带状电极的不同相位的驱动信号会产生电压的空间分布，使得该布置在带状电极之间产生柱面透镜。正如论文中所报道的，当相对基板也具有正交布置的带状电极(相对于先前的带旋转90度)时，第二对驱动电压可以用于产生提供可调透镜的电场的柱形空间分布的组合。然而，考虑到反相位的信号(例如，+5V和-5V)同时施加在导体的对边，大量电流流过均匀ITO，这显著增加了器件的功耗。
在Algorri和Love的论文中，WCL添加到类似的透镜设计中，该设计提供了不使用相移驱动信号的透镜。然而，这种方法重新引入了需要WCL的问题。与早期的Love的论文一样，其问题在于，由于依赖于ITO或WCL的均匀层，所以难以维持孔径上电场期望的空间剖面。
动态地调制光束的液晶光学器件在本领域中是已知的。例如，2017年3月16日公布的PCT专利申请公开WO2017/040067描述了各种光学布置，包括将展宽光束的液晶器件。在2016年6月2日公开的PCT专利申请公开WO2016/082031中，描述了包括液晶器件的多种光学布置以用于转向光束。并且在2018年8月30日公开的PCT专利申请公布WO2018/152644中，描述了包括液晶器件的各种光学布置以用于调制前灯光束。这些器件都布置成作用在整个光束上。
发明内容
申请人已经发现，在空间中具有阶跃式电压分布的LC-GRIN(或TLCL)光学器件中，由于离散电极布置引起的电场不连续的问题可以通过在使用离散成形电极的同时使用相移驱动信号或通过使用放置在阶跃式电极附近的相对高介电常数层(HDCL)来解决，这可以“平滑”电位剖面并减少由于阶跃式电极的离散匝或阶跃引起的电场阶跃而导致的伪影。与WCL相比，这种HDCL的制造可能容易得多(合适的HDCL材料的一些示例可以在J.Robertson于2004年12月2日公开在欧洲物理杂志-应用物理学上的题为“高介电常数氧化物”的文章中找到)。阶跃式电极设计的示例在前文提及的现有技术中找到并且可以包括如下文公开的不同设计。虽然大多数聚合物和玻璃的介电常数e在4至6范围内(空气的介电常数为1)，但已经发现，具有约为e＝20或更大的介电常数的透明材料可以应用于离散(阶跃式)螺旋或蛇形电极，其效果在于，产生的电场不会导致LC出现由电极的电压的空间阶跃引起的伪影。如果将相移信号应用于这些离散电极的对边，则也可以获得另一种“平滑”效果。两种方法的组合可能更有益。
HDCL的使用同样可以与具有类似“平滑”效果的电容耦合电极的网络一起使用，虽然在这种情况下离散化可能不太重要，但在下文中描述的应用和实施例中，甚至可以使用经过适当修改且没有HDCL的电容耦合电极。
在一个示例中，申请人使用了Ti3O5涂层浇铸在适当成形的ITO电极螺旋上。在该示例中，Ti3O5层的厚度为100nm。这种涂层展示出对电位剖面的显著改进，以使透射光波前的调制足够柔和以被成像应用所接受。其他固体材料候选(用于HDCL)可以是其他金属氧化物，诸如氧化铪(HfO2)、Ta2O5、ZrO2等。
HfO2的情况特别值得关注和有用，因为除了具有e＝20之外，还具有非常接近ITO的折射率的折射率。这可以实现折射率匹配层的制造(通过光学“隐藏”ITO图案)，从而使来自ITO和HDCL的组合层的菲涅耳反射和衍射最小化。
在一些实施例中，LC-GRIN单元器件具有两个相对基板，该基板包含液晶材料，在基板中的第一基板上具有均匀的电极布置，并且在基板中的第二基板上具有阶跃式电极布置和放置在阶跃式电极布置附近的HDCL。
在一些其他实施例中，LC-GRIN单元器件具有第二类型的相对基板；即，第一基板具有阶跃式电极布置和HDCL，并且在第二基板上也存在第二阶跃式电极和HDCL。
在一些其他实施例中，上文提及的LC-GRIN器件可以在没有HDCL的情况下构建，并用特定的相移电信号驱动以平滑电场的剖面(通过一段时间内求平均)。
该器件可以包括取向结构、膜或层，使得液晶在基态中良好取向，诸如用于平面取向的摩擦表面涂层或用于垂直取向的垂直基板结合。阶跃式电极布置可以包括连续螺旋、连续或不连续的蛇形电极、电容耦合的段或环、独立驱动的电极环或段等。该器件可以是圆形或柱面透镜、光束转向器件或光束展宽或散射器件。
申请人进一步发现，提供一种电极布置以在LC-GRIN透镜中产生期望的电场空间分布的问题，可以通过设置在液晶单元的相对基板上且彼此正交定向的线形阶跃式电极布置来解决。在此设计中，每个基板上的每个电极布置提供柱面透镜电场分布，并且两种布置的组合(用相移信号适当地驱动并在一段时间内求平均)产生合适的球面透镜分布。期望的LC空间分布可以通过电极布置来控制，例如电极段的间距、段之间的电阻或电容耦合、液晶层的厚度、其介电参数等将影响所生成的电场的形状。
与电场难以在器件孔径上精确控制的WCL涂层孔形电极不同，可以印刷或布局正交布置的、相对的线形阶跃式电极布置，以在孔径上具有期望的电压降。与用于圆形透镜的同心环电极的独立供电不同，驱动信号可以从孔径外部供应到阶跃式电极，而不会产生切割线伪影。
在一些实施例中，LC-GRIN透镜器件具有相对基板(包含液晶)，其中，线形阶跃式电极布置设置在彼此正交的相对基板上。该器件可以包括取向结构，使得液晶在基态中有序，诸如用于平面取向的摩擦表面涂层或用于垂直取向的垂直基板结合。阶跃式电极布置可以包括连续的蛇形电极、电容耦合的段或环、独立驱动的电极段等。
申请人进一步发现，在具有大孔径的光学***中为LC-GRIN透镜提供良好光功率的问题可以通过提供具有电极布置的LC-GRIN透镜器件来解决，该电极布置允许在透镜器件的整个光学窗口内的可变位置处形成透镜。虽然已知具有分段圆形电极的LC-GRIN透镜可以具有光轴，该光轴通过调节施加到分段电极上的电压来略微移动(明显小于透镜的直径)以用于光学图像稳定的目的，但对电极布置的不同段进行选择性供电以使透镜移动(大于其直径)在本领域中是未知的。实际上，这种选择性供电可以用于使器件内的透镜移动一距离，该距离大于透镜的半径并且通常大于透镜的直径。它还可以用于改变透镜的大小及其剖面，以生成各种形式的期望像差、轴棱镜、棱镜、柱面透镜、鲍威尔透镜等。值得一提的是，本文公开的变形(或矩阵、或中央凹)透镜设计允许产生几乎任何期望的波形，包括正和/或负、圆形和/或柱面透镜、棱镜、轴棱镜等。
在一些实施例中，具有电极布置的LC-GRIN透镜器件允许在透镜器件内的可变位置处形成透镜，该透镜器件具有设置在可以独立供电的彼此正交的相对基板上的线形电极布置以限定透镜形成的位置，其中，由每个基板上的每个线形电极布置提供的电场允许在电场中形成柱面变化，当电驱动信号相移时，其组合可以用于形成圆形透镜。该器件可以包括取向结构，使得液晶在基态中有序，诸如用于平面取向的摩擦表面涂层或用于垂直取向的垂直基板结合。带状电极布置可以仅包括薄条，或铺设在高介电常数层或弱导电层或高电阻层上的薄条、连续的蛇形电极、电容耦合的段或环、独立驱动的电极段等。
这种透镜器件可以形成一个透镜或同时形成多个透镜，其直径为约0.5mm至约5mm，透镜在器件的全孔径内约每0.1mm至约每1mm放置。除应用之外，该器件(光学窗口，上文提及的透镜可以在该光学窗口中产生和移动)的总尺寸基本不受限制；例如，如果需要，它可以是几厘米大。
此外，上文提及的毫米透镜的驱动可以通过施加连续的信号序列来实现，或者可以是按时间顺序的(如在传统的液晶显示器行业中所做的那样)来实现，以在上文提及的大型(数厘米大小)器件的表面上的期望坐标(位置)上获得“局部”响应。实际上，众所周知，在传统的液晶显示器行业中(例如，参见P.J.Collings和J.S.Patel，液晶研究手册，牛津大学出版社，1997年)，将按时间顺序的电信号应用到各种电极触点将实现主要在整个光学窗口的期望(空间受限)区域中生成透镜效应，以保持窗口的其余部分几乎不变。
在这种LC-GRIN透镜器件在全景或鱼眼相机中的应用中，可以结合运动检测以实现待激活的可调LC-GRIN透镜的特定区域的识别，例如在特定的期望方向上增加分辨率或失真调制，例如用于监视目的等。
在眼镜的眼科距离适应或虚拟现实应用中，可以控制该LC-GRIN透镜器件以使近焦/远焦透镜出现在由用户注视的方向限定的位置处。眼镜可以包括眼动追踪器件，使得可以使透镜出现在观察方向上。为了确定可调透镜的期望光功率的目的，可以使用每个眼睛的眼动追踪来确定方向和焦深。虽然这样的眼镜可能需要电力，但可以提供可以与处方透镜一起使用或者可以代替处方透镜使用的可编程眼镜。这种矫正透镜可以矫正散光、近视和/或老花眼。驱动参数的远程控制可以让医生在眼科检查期间调节和优化这种眼镜的性能。当这种眼镜提供两个间隔开的LC-GRIN器件时，可以使两个透镜出现在用户的眼前，使得可以提供图像的放大(光学变焦)。
申请人还发现，需要可控地调制光束的一部分，以便降低该部分中的光亮度(在特定角度范围内)，同时保留同一光束的其余部分未调制。这种需求既存在于光束传输(例如，在汽车行业中用于安全驾驶)，也存在于接收或采集光束(在激光雷达中，简单地用于摄影成像的传感器)。
公开了液晶光学器件，该液晶光学器件允许在液晶调制器的孔径的一部分内选择性地控制光调制和/或使用提供相移或衰减电压的电极而具有改进的电场空间调制。
附图说明
参考如下所附的图示将更好地理解本示例：
图1a示出了本领域已知的透镜型器件的示意性侧视图，其具有由均匀透明电极覆盖的一个基板和具有孔形电极(HPE)的第二基板，两个电极都在夹层内部。
图1b示出了本领域已知的透镜型器件的示意性侧视图，其具有(向单元的外侧)远离移动的顶部电极HPE层，以通过使电极间隔开来保持透镜直径CA与电极间隔D之间的最佳比率R。
图2示出了本领域已知的透镜型器件的示意性侧视图，其具有高电阻率或弱导电层(WCL)以帮助使边缘场朝向器件的中心进一步传播。
图3a示出了本领域已知的透镜型器件的示意性俯视图，其具有多个同心电极，每个电极均被独立控制。
图3b示出了本领域已知的透镜型器件的俯视图，其具有同心电极，一些电极被独立控制，而其他电极具有电阻桥。
图4示出了本领域已知的分压器跨线液晶透镜的示意性俯视图，其具有ITO传输线和ITO侧电极。
图5a示出了本领域已知的液晶透镜器件的示意性俯视图，其具有螺旋ITO电极，在其表面之一上具有一个控制电极(外部触点)。
图5b是具有螺旋形ITO的透镜的实验显微照片，示出了由于图5a中所示的ITO电极之间电场的不连续性而导致的光散射和其波前的衰退。
图6a示出了根据本公开的实施例的带有螺旋形ITO电极的透镜的示意性俯视图，该螺旋形ITO电极额外具有相对高介电常数层(HDCL)。
图6b示出了图6a中所示的透镜的示意性侧视图。
图6c是具有如图6a所示的带有具有HDCL的螺旋形ITO电极的透镜的实验显微照片，展示了柔和的相位调制。
图7a示出了可选地具有相对高介电常数层(HDCL)的螺旋形ITO电极的示意性俯视图，其中，根据本公开的实施例，基板在顶部基板的中心具有电通孔，以允许来自基板的相对侧的第二电触点，使得能够实现相移驱动(PSD)以及双极(正光功率或负光功率)操作。
图7b示出了图7a中所示的电极的示意性侧视图。
图8a示出了根据本公开的一个实施例的螺旋形电极的示意性俯视图，其具有ITO图案，以允许在同一基板上的第二(内部或中央)触点，使得能够实现PSD以及双极(正光功率或负光功率)操作。
图8b示出了根据本公开的一个实施例的电极的示意性俯视图，其具有ITO图案，以允许对折射-菲涅耳型操作的两个段(内部和外部)进行控制。
图8c示出了根据本公开的一个实施例的电极的示意性俯视图，其具有ITO图案，该ITO图案具有能够实现PSD操作的阿基米德螺线。
图9a示出了本领域已知的柱面透镜型器件的示意性侧视图，其具有PSD，其中，底部基板接地，并且顶部基板在相对的拐角处具有两个触点，并且电压提供以
Figure BDA0003779791070000101
移动的相位。
图9b示出了本领域已知的柱面透镜型器件的示意性侧视图，其具有PSD，其中，底部基板接地，并且顶部基板在相对的拐角处具有两个触点，并且电压提供可调节的相移
Figure BDA0003779791070000102
和偏置电压。
图10a示出了本领域已知的2x2透镜阵列的分解图，其中，PSD通过使用平行线形(指状)电极和高电阻率或WCL层来实现。
图10b示出了图10A中所示的2x2透镜阵列的分解图，其中，在每个极端拐角处的两个电极被短路并且以相同的电压和相位驱动。
图11a示出了根据本公开的实施例的具有线形或蛇形电极带或线路的基板的示意性俯视图，该线形或蛇形电极带或线路具有可选的HDCL。
图11b示意性地示出了当两个触点被相移和偏置电位驱动时，两个触点(图11a中所示)的电极电位(U1)的变化的视图，两个触点都被驱动，其中之一接地或浮动。
图12a示出了根据本公开的实施例的、与包含能够实现转向和聚焦功能两者的类似或均匀电极的另一基板一起在LC单元中使用的、具有可选的HDCL和触点1和触点2的顶部基板的示意性俯视图，其中，触点1和触点2在顶部处分离。
图12b示出了根据本公开的实施例(根据适当的PSD)的具有可选的HDCL和触点3和触点4的底部基板的示意性俯视图，该底部基板可以与顶部基板组合以形成可以执行转向和聚焦功能两者的LC单元，其中，触点3和触点4在底部处分离。
图12c示出了根据本公开的实施例(根据适当的PSD)的可以执行转向和聚焦功能两者的LC单元的示意性俯视图，其中，图12a和图12b中所示的两个基板与对应触点1至4组装在一起。
图13a示出了实验观察到的输出光的波前分布(在交叉定向的偏振器之间观察)的示例，其通过图12c中提出的单元设计而获得，但没有HDCL。
图13b是施加到相对基板上的电极的控制信号的电压随时间(以ms为单位)变化的图表。
图14a示出了根据本公开的一个实施例的、允许生成具有不同孔径(直径)和位置(中心)的透镜的LC单元的顶部基板的示意性俯视图，该LC单元具有如图12a所示的两个相似基板，但具有多个电极触点(多个相似图案的并置)。
图14b示出了根据本发明的一个实施例的、允许生成具有不同孔径和位置的透镜的LC单元的底部基板的示意性俯视图，该LC单元具有如图12b所示的两个相似基板，但具有多个电极触点(多个相似图案的并置)。
图14c示出了根据本公开的实施例的、允许生成具有不同孔径和位置的透镜的LC单元的示意性俯视图，其中，例如，图14a和图14b所示的两个基板与对应触点1至8组装在一起。
图14d示出了图14c中所提出的器件的单个单元中的各种光功率层级的几个示例，其中，样品被放置在两个交叉定向的偏振器之间，LC导向器由45度的对角线定向。
图14e示出了使用图14c所示的相同器件来产生更大孔径的透镜并移动其中心。
图15a示出了本公开的实施例，其中，调节图14a的电极的ITO图案参数以及液晶单元的参数和电驱动信号的参数，以获得对称的线形电位降并生成柱面透镜阵列。
图15b示出了本公开的实施例，其中，电极的连续性被破坏成段或区域，每个段具有两个触点，并且调节ITO图案参数以及液晶单元的参数以生成不对称的电位降以生成棱镜阵列。
图16a示出了根据本公开的实施例的、用于日常用途、增强现实用途或其他特定用途的一副眼科眼镜的后视图，该眼科眼镜具有内置透镜和能够聚焦和调节非偏振光(例如，图14c中提出的两个交叉定向透镜的组合，以确保偏振独立操作)的眼动追踪。
图16b示出了一副眼科眼镜(类似于图16a中呈现的眼科眼镜)的侧视图，在眼镜的两侧具有液晶透镜阵列，以能够增强视觉(聚焦和变焦)能力。
图16c示出了图16b中所示的眼镜的示意框图。
图17a示意性地示出了基础器件，该基础器件通过在矩阵透镜的特定关注区域中形成折射率调制而能够在透射光束的横向分布上生成暗区(光功率下降)。
图17b示意性地示出了图17a的器件和处于其基态(非激发态)的关注段(在矩阵透镜中)，以提供原始光分布。
图17c示意性地示出了图17a的器件和处于激发态的关注段(在矩阵透镜中)，以提供具有强度下降的光分布(期望形状的暗窗或暗区)。
图18a示意性地示出了具有线形独立控制的离散电极的顶部基板。
图18b示意性地示出了具有均匀透明电极的底部基板。
图18c示意性地示出了(俯视图)顶部基板(图18a)和底部基板(图18b)的组合以形成具有产生局部激发区的能力的液晶单元。
图19a示意性地示出了(侧视图)顶部基板(图18a)和底部基板(图18b)的组合以形成具有产生局部激发区的能力的液晶单元。
图19b示意性地示出了(侧视图)当顶部基板还包含弱导电层时的图19a的器件的可能变化。
图19c示意性地示出了(侧视图)当顶部基板还包含均匀的透明电极时的图19a的器件的可能变化，该电极通过优选地薄的介电隔离层与原始线形电极分离以提供加速操作模式。
图20a示意性地示出了具有相对于图18a中描述的电极成90度定向的线形独立控制的离散电极的底部基板。
图20b示意性地示出了(俯视图)顶部(图18a)基板和底部(图20a)基板的组合以形成具有产生局部激发区的能力的液晶单元。
图21a示意性地示出了具有垂直的液晶定向的两个相同夹层的组合。
图21B示意性地示出了具有相同液晶定向但具有偏振旋转元件(例如，半波片或HWP)的两个相同夹层的组合。
图22A示意性地示出了上文提及的暗区生成器件与光源、初级调光(例如，准直)光学件和光阑的组合。
图22B示意性地示出了上文提及的暗区生成器件与光检测单元的组合。
图22C示意性地示出了上文提及的暗区生成器件与多个光源以及多个初级调光(例如，准直)光学件的组合。
图22D示意性地示出了图22A的器件与电可调透镜或透镜阵列的组合。
图23A示意性地示出了当道路上存在多个(同向传播和反向传播)汽车时，上述器件的汽车应用。
图23B示意性地示出了当屏幕上存在多个(包括一个强大的)源时，上述器件的感测应用。
图23C示意性地示出了当屏幕上存在强大的本地光源时，上述器件的图像捕获应用。
图24A示意性地示出了水平暗线的生成。
图24B示意性地示出了圆形暗区的生成。
图24C示意性地示出了圆形暗区和竖直暗线的同时生成。
图25A示出了具有近似高斯形强度(横向)分布的未扰动光束的模拟结果。
图25B示出了穿过光束中心的窄暗线的模拟结果。
图25C示出了针对图25B展示的情况获得的数值。
图26A、图26B和图26C分别示出了在屏幕距离为1.5m、3.5m和5.0m时，Y轴上的模拟光束强度。
图27A至图27D示出了如何选择矩阵透镜的激活的柱面显微透镜的直径(对于图27A至图27C分别为0.05mm、0.25mm和0.5mm)。
图28A至图28C在左侧示出了对于分别选择为-2.0mm、-5.0mm和-0.5mm的显微镜头的焦距的情况的沿Y轴的光束强度图像，并且在右侧示出了对于分别选择为-2.0mm、-5.0mm和-0.5mm的显微镜头的焦距的情况的沿Y轴的对应光束强度图像。
图29A至图29C示出了用于选择成像透镜的焦距(分别为-50mm、50mm和75mm)的光分布图案的图表。
图30是具有用于带状电极的控制器的暗区矩阵器件的框图。
图31是包括矩阵元件、成像透镜和屏幕的光学布置的图示。
图32A示出了在基态(0V)下的透射光束的图像。
图32B示出了10V下的光束图像。
图32C示出了屏幕上光束的强度分布与所施加电压的关系。
图33A至图33F示出了使用两个同时生成的柱面显微透镜的图像，这些柱面显微透镜在对应的角度区中生成两个暗区。
具体实施方式
图1a示意性地展示了电可变LC透镜，其通过在包含LC材料的夹层器件的基板之一上使用图案化(圆形，以获得透镜，或者线形，以获得棱镜)电极来构建。夹层的第二基板通常被均匀的透明电极(氧化铟锡或ITO)覆盖。在圆形透镜的情况下，第一电极是孔形电极(HPE)。
在这种情况下，电场在透镜的***(HPE靠近均匀ITO电极的位置)很强，并且当考虑更靠近器件中心的位置(远离HPE的内部限制)时逐渐减小。LC的反应和对应的折射率梯度剖面将由通光孔径CA与电极间隔D的比率R限定(在图1a中，使用D＝L，其中L是LC层的厚度)。结果表明，R的期望量级为2.5。
上文提及的方法可以在非常窄的CA范围内成功。然而，在毫米范围的情况下有几个限制：为了维持良好的光学像差，必须增加LC的厚度L。然而，较大的L提供更强的光散射和更长的弛豫时间。可替代地，可以增加D，但它会增加电力功耗。图1b展示了这样一种情况：其中，代替增加L，顶部电极层被进一步移动以保持比率R最佳(对于给定的CA)。
这就是为什么不能将“边缘场”方法用于相对较大的CA值(例如在从0.1mm到10mm的范围内，或者更具体地在从0.5mm到5mm的范围内)以用于成像、眼科和增强现实应用。
已经提出了各种解决方案来构建具有毫米范围CA的器件。一种方法是使用高电阻率或弱导电层(WCL)，以帮助进一步将边缘场朝向器件的中心传播(Kahn,F.，电子可变光圈或止动机构.1973年，美国专利，Loktev,M.Y.等人，基于模态液晶透镜的波前控制***。科学仪器综述，2000年.71(9):p.3290-3297.)，图2。然而，对于毫米尺寸的CAs，这种层的薄层电阻值Rs在兆欧(每平方)范围内，并且很难以可再现的方式生产具有这种Rs的均匀层并确保其是环境稳定的(因为通常必须维持金属的非化学计量/不完全氧化以获得该Rs值)。
鉴于主要挑战(用于获得期望的电位剖面)与具有非均匀(例如，孔形)电极的基板的设计有关，将进一步考虑其各种(已知的和新的，在此提出的)版本(可以称为“控制基板”)，请注意，通常，还需要相对的基板来获得最终器件。
ITO层的制造目前在工业中得到很好的掌握(参见下文)。因此，提出了几种方法来使用图案化的ITO(没有WCL)以获得所需的电场梯度。
因此，其中一个使用多个非常紧密定位的离散(多达80个)圆形电极(Li,L.,D.Bryant和P.J.Bos，具有同心电极和电极间电阻器的液晶透镜。液晶综述，2014年.2(2):p.130-154.)，它们被独立控制(如在LC显示器中，图3a)或部分电阻桥接(图3b)。虽然桥接电极的使用减少了独立控制的电极的数量，但仍然是一种非常昂贵且复杂(无论是制造还是操作)的解决方案。
建议使用极窄的ITO作为电阻很大的“传输线”的替代技术(和相移驱动技术)(J.F.Algorri、N.Bennis、V.Urruchi、P.Morawak、L.Jaroszewicz、J.M.Sánchez-Pena，分压器跨线液晶透镜，PC20，第15届欧洲液晶会议，图4)，以期望的方式(通过从中心到***分配不同的电位值)将电位朝向设备的中心进一步传播。然而，如果传输线的电阻不够高，则产生电场空间剖面的唯一方式将是“强制”或相移控制。相反，对于毫米范围的器件，为了获得电位的“自然”降低(例如，当一个触点通电，而第二触点浮动时)，标准ITO“传输线”的宽度(Rs值在50至100欧姆/平方之间)必须是亚微米级的，这在工业规模上很难以可重复的方式获得。因此，即使对于0.5微米宽的ITO传输线，超过10mm的电位下降也小于12％。因此，电位的调制深度很差。
提出了螺旋形ITO电极的另一种方法(在US 8,421,990B2，图5a中)，其看上去更易于生产和控制。事实上，如果***的参数设计得很好，在此仅需要一个电信号(相对于地面)来产生和控制透镜。将电位施加到外部电触点1，同时让ITO的中心端浮动。相对的基板带有可以接地的均匀透明电极。
然而，在这种方法中，为了将电位传播(逐渐减小)到毫米级(对于典型的LC材料，厚度约为50微米的量级)，ITO线路的宽度w和相邻ITO路线之间的间隙g必须以ITO图案的节距(w+g)与LC层L的厚度相当的方式选择。在这种情况下，LC材料的反应将是突然的(在有和没有ITO的情况下在各区之间步进)，因为对应的边缘场将无法“平滑”ITO线路之间的电场。这将产生光散射和其波前衰退。这在图5b的照片中得到展示。为了获得此照片，将LC单元(其中，单向定向的向列型LC或NLC夹在两个基板之间，一个基板承载均匀ITO，且第二个基板承载螺旋形ITO)放置在交叉偏振器与分析仪之间。穿过偏振器的光进入LC单元并生成两种偏振模式(普通和超普通)。它们以不同的相位延迟传播，这取决于观察的位置：分子重新定向越多，相位延迟就越少。对于分子重新定向的抛物线剖面，分析仪将取决于局部相位延迟而允许光传输或阻挡光。这会生成同心环，同心环之间的距离示出两种偏振模式之间的2π相位延迟。因此，光(穿过透镜)的相位剖面在此被可视化(仅示出器件的一半)为亮条纹和暗条纹。由于上文提及的突然变化的影响，可以看到多个附加的(参见下文)离散的“迷你”条纹(图5b)。
为了解决上文提及的波前衰退问题，提出使用相对高介电常数层(HDCL)，其包括实体部件、虚拟部件或两者。所提出的HDCL必须浇铸在ITO图案附近(例如，浇铸在图案化的ITO层下方或上方，图6a和图6b)。其介电常数e可以优选地在e＝20或以上的范围内，以用于关注的CAs范围。作为参考，空气的e＝1，并且大多数聚合物和玻璃材料的e在4至6的范围内。
实验验证表明，所提出的HDCL确实使电位的剖面平滑，并使光波前可接受用于成像应用(参见图6c的照片，其是在与图5b的照片所示相同的条件下并利用相同的器件获得的，但100nm厚的Ti3O5被浇铸在图案化的螺旋形ITO上)。与WCL相比，有许多工业上精通的具有高e的光学材料(例如，参见J.Robertson，高介电常数氧化物，Eur.Phys.J.Appl.Phys.28,265–291(2004))。因此，其他固体材料的候选(用于HDCL)可以是其他金属氧化物，诸如氧化铪(HfO2)、Ta2O5、ZrO2等。
HfO2的情况特别值得关注且有用，因为除了具有e＝20之外，它还具有非常接近ITO的折射率的折射率。这可以实现折射率匹配层的制造，该折射率匹配层将使来自ITO和HDCL的组合层的菲涅耳反射最小化(因为ITO层将被光学“隐藏”)。
还可以找到一些具有高e的可光聚合LC材料(通常是各向异性的，因此eII和e⊥是不同的，并且其差值Δe≡eII-e⊥可以相当高，远高于10)。
因此，在第一实施例中，为了获得具有逐渐变化电场的毫米级器件，提出在靠近ITO电极的图案(下方或上方)处使用高介电常数材料层。
在不同的实施例中，承载ITO螺旋的基板本身可以是具有高e值的材料。
在不同的实施例中，LC材料本身可以是具有高e值的材料。
在不同的实施例中，HDCL材料可以是层的组合。
在不同的实施例中，承载ITO螺旋的基板可以包含透明电极(优选地在其外表面上，图7a和图7b)，该透明电极连接到内螺旋电极的中心点(通过通孔、小孔等)。在这种情况下，对内部电触点(在此为No.2)施加高电位将在器件的中心生成更强的场。这将允许产生具有反光功率的透镜(使光散焦而不是聚焦)。这将允许通过由同一器件产生第一正透镜然后产生第一负透镜，来增加光功率变化的动态范围(例如，如果首先在触点1处施加高电位，然后将其降低，且然后在触点2上施加高电位等)。
在另一实施例中，具有各种电位(U1和U2)的PSD信号可以同时以特定相位(Φ1和Φ2)施加在触点1和2上，这将允许对横向平面(包含螺旋)和由NLC填充的区域中的电位分布进行附加的重新成形。
可替代地，在不同的实施例中，ITO螺旋的图案可以被重新布置成在同一基板上产生第二(内部或中心)触点，图8a。用于将第二触点带到中心的小区域应尽可能窄，以避免光波前的额外衰退。
该设计还将允许产生双极(正或负)透镜(通过分别向触点2提供更低或更高的电位，在第二种情况下，将在透镜的中心生成更高的电场)，并由此使总光功率变化的动态范围更大。实际上，对于相同的LC层，还可以通过向触点1施加更高的电位(将在透镜的***生成更高的电场)来获得正透镜。
高介电常数材料的使用(仅为了简单起见，在此未示出)在此是可选的，但如果使用可以附加地提供帮助。
在另一实施例中，这种“切割线”方法也可以用于产生分段电极区(例如，2)，类似于图8b的折射菲涅耳透镜。在这种情况下，触点1将控制透镜的外部区，而触点2将控制透镜的内部区。而且在此，高介电常数材料的使用也是可选的。
在图8a中添加第二触点还可以实现各种PSD驱动技术的使用，包括例如当向一个触点(U1)提供高电压而第二触点接地(并且U2＝0)时的情况。如果第二触点保持“浮动”(不接地)，则电压分布将不同(并因此透镜的特性将不同)。在此更值得关注的是，当以不同相位Φ1和Φ2施加不同电压(即，U1和U2)时的情况。
在本发明的另一实施例中，可以使用施加不同电压和相位的相同PSD方法来获得各种电位分布，其中，使用阿基米德螺线(图8c)来获得期望的电位空间剖面。而且在此，高介电常数材料的使用是可选的。
这种PSD方法已经被证明可以获得透镜效应(Andrew K.Kirby、Philip J.W.Hands和Gordon D.Love，基于电子相移控制的液晶多模透镜和轴棱镜，2007年10月17日/Vol.15，No.21/光学快报13496)。在该展示中，两个基板承载均匀ITO层。图9a以其最简单的展示表示在柱面透镜的情况下的操作原理。在此，底部基板接地。顶部基板在相对的拐角处具有两个触点，施加到这些拐角的电压(在此为正弦)以
Figure BDA0003779791070000191
相移。这种相移(例如，对于
Figure BDA0003779791070000192
)生成从器件***(U＝6.3V)到器件中心(U＝0V)的电位下降，从而生成对应的分子重新定向图案。可以对该器件进行各种修改，包括
Figure BDA0003779791070000193
的改变和/或添加偏置电压，图9b。
在另一篇文章(J.F.Algorri,G.D.Love和V.Urruchi，光学元件的模态液晶阵列，2013年10月21日|Vol.21,No.21|DOI:10.1364/OE.21.024809|光学快报24809)中，作者通过使用平行线形(指状)电极和高电阻率或WCL层(图10a)来生成4个(或2x2)透镜阵列而描述了PSD的进一步应用。在这种情况下，每个基板承载3个ITO(平行线形)电极，但为了构建单元，第二基板(具有相似的电极结构)旋转了90°。为此目的，每个极端拐角处的两个电极被短路(图10b)并以相同的电压和相位(在顶部基板处为V1和Φ1并且在底部基板处为V3和Φ3)驱动，但中间电极以特定的电压和相位(在顶部基板处为V2和Φ2并且在底部基板处为V4和Φ4)独立驱动。该器件允许同时生成4个(或2x2)透镜，这些透镜可以通过这些电极之间的电压和相对相移来控制。
在此存在几个问题，但最重要的是WCL的使用，因为其制造并不公知。然而，WCL的作用是“重新成形”横向平面中的电位分布。在接下来将提出的内容中，可以在不使用WCL的情况下执行该功能。
在不同的实施例中，先前在此描述的ITO的“圆形”螺旋图案(图6a)可以由线形形状的电极带或线路(图11a)代替，以生成电可调棱镜或柱面透镜功能。因此，将高电位U1施加到触点1将在器件的上部生成更强的LC重新定向，因为该电位将以不同的梯度(朝向电触点2，参见图11b)降低，这具体取决于以下事实：如果触点2接地，则U2＝0(这可能会生成电位快速下降)，或者如果其保留浮动，则为UF(这可能会生成较慢的电位降低)。如果NLC具有正各向异性，则与具有均匀接地的ITO的相对基板组合(以与NLC形成夹层)的这种基板将能够生成折射率的横向梯度和对应的光倾斜，例如，在朝向触点2的方向上。如果将电位施加到第二触点(底部)，则情况可能相反。
如果这两个触点以具有特定相位(Φ1和Φ2)的特定电位(U1和U2)驱动，还可以生成对称的电位剖面(图11b)。这是一个特别值得关注的情况，因为即使没有HDCL，也可以使用这种类型的基板与旋转90度(参见下文)并用PSD驱动的类似基板的组合(以与第一基板形成夹层)。
而且在此，就施加到两个触点的电压和相位而言，PSD的许多变化是可能的(图11)。
在不同的实施例中，ITO线路的宽度w或其节距(线路间隔g)或这些参数(w和g)两者可以以线形或非线形方式在空间上变化(啁啾)，以附加地成形跨器件的横向平面的电场(在所有之前和之后的电极设计中)。HDCL的e值可以针对ITO的这些变化模式而进一步优化。在该优化中还必须考虑LC的介电参数及其厚度。
在不同的实施例中，如上文已经提及的，两个相似基板(具有或不具有HDCL)的组合可以用于构建LC单元(或夹层)，其可以执行转向功能和聚焦功能两者。图12分开展示了顶部基板(图12a)、底部基板(图12b)和组装在一起的基板(图12c)，其具有对应的电极和4个电触点(两个通过基板)。在此不需要使用HDCL。
在图13a中示出了用图12c中所提出的单元设计(具有图12a所示的顶部基板和图12b所示的相对基板，在两种情况下都不使用HDCL)获得的实验结果的示例。为了获得该图，将单元放置在交叉定向的偏振器与分析仪之间，并且NLC分子的基态定向以45度(沿对角线)取向。亮环和暗环分别代表横过单元的光的波前的2π相移和π相移(在普通偏振模式与异常偏振模式之间)。
透镜的通光孔径直径大约为0.5mm，并且液晶的厚度为40微米(NLC的双折射约为0.2)。在此，液晶的基态定向是对角线(相对于电极线成45度(也可以选择不同))。施加在电极上的典型电压可能在10VRMS的量级或低于10VRMS的量级，并且典型的频率为0.5kHz。4个信号的相关相位为0、90°、180°和270°。此图示出了光的波前当前是弯曲的并且光是聚焦的(虚线的白色圆圈示出了CA的有用部分)。通过改变控制参数(电压、频率、相移等)，可以改变透镜的聚焦距离和像差。
为了提高透镜的性能，可以抵消一个基板相对于第二基板的电位。这可以通过在电极对中的一个(浇铸在同一基板上)相对于电极对中的另一个(浇铸在相对的表面上)上使用电信号的组合，例如，如图13b所示的一个高频和一个低频来完成。图13b示出了正弦波形的示例，但也可以是方形的，因为液晶会对RMS场作出反应。
在又一不同的实施例中，然而具有多个电极“外部”触点(图14)的两个相似基板可以用于构建LC单元以允许生成具有不同孔径和位置的动态透镜，其中，(在这些触点之间的)每个段类似于图12中描述的段(具有或不具有HDCL)。即，可以使用第一基板(图14a)，在该第一基板上有连接到驱动器的多个段(例如，从1到4)。这些外部触点中的每一个均可以通电(在不同相位具有不同的电压)、放置成接地或保留为浮动。也可以制造另一相似基板，但其电极在垂直方向上取向(图14b)。然后，可以将其以特定距离定位在一起以构建LC单元夹层(图14c)。
然后，如图9至图12中所示，可以将连续的信号序列或标准LCD时间多路复用信号应用于各种电极组。例如，如果电极1、2、8和7被驱动，则在这种情况下，可以产生具有由虚线圆圈描述的通光孔径的透镜(图14c的左上角)。相反，如果对电极2、4、7和5施加特定的激发(而电极3和6保留浮动)，则可以在器件的左下角产生另一透镜，且此外，具有用大虚线圆圈示出更大的CA(图14c)。显然，可以根据需要通过使用正确的触点和正确的激发信号来移动中心。
在上文描述的示例中(在图14c中)，如果不关心(在“动态透镜”区之外的)剩余区域，其可能会显得不均匀或扭曲。然而，如果例如在全景(或鱼眼)相机中使用这种透镜，可能会影响客户的***视觉或影响记录的质量。在这种情况下，还可以将电信号施加到剩余电极，以使这些区中的液晶定向也变均匀。例如，如果在左上角产生期望的“动态”透镜(通过激活电极1&2和8&7)，则剩余电极(3&4和6&5)也可以通过其他电信号激活，以便还重新定向分子，但以平坦的方式(均匀)，而不是像透镜一样。
可替代地，正如在传统液晶显示器行业中众所周知的(例如，参见P.J.Collings和J.S.Patel，液晶研究手册，牛津大学出版社，1997年)，将时序电信号施加到特定电极触点将实现主要在整个光学窗口的期望(限制在横向空间)区域中生成透镜效应，以保持窗口的其余部分几乎不变。
如果需要，还可以产生多个透镜(正、负、圆形、柱形等)并同时使其在不同位置移动。
图14d和图14e示出了所提出器件的各种操作模式的几个示例。因此，图14d表示在单个“单元”(在此为1mm x 1mm，由两对由铬/暗线制成的交叉定向电极形成，以更好地可视化单元的位置)内产生小透镜及其光功率的变化。在由具有(a)100Hz、(b)200Hz、(c)300Hz、(d)400Hz、(e)500Hz、(f)600Hz、(g)700Hz、(h)800Hz、(i)900Hz、(j)970Hz的驱动信号的Ne-He激光照射下，使用干涉成像(单元位于交叉偏振器和分析仪下方)进行采集。(a)中的方向箭头表示聚酰亚胺膜上的摩擦取向方向(NLC分子的基态定向)。所有图像都是一样的。这示出了在2.8V固定电压下的频率对使用直径为1mm的测试单元的性能和光学质量的影响(此处相移是通过对应电信号的轻微频移而获得的)。实际上，在此展示了也可以通过频率获得透镜控制。
可替代地，如上所述，可以使用相同的器件来产生更大孔径的透镜。图14e(左)中呈现了这种透镜的示例。通过适当控制驱动参数，还可以使透镜的中心相对于电极线移动(如图14e中在右侧所展示的)。
在另一实施例中，上文提及的两个“控制”基板(具有图案化的ITO电极，而不是一个均匀的)的组合用于构建LC夹层并获得电可变透镜或棱镜。
在另一实施例中，上文提及的两个夹层的组合用于构建具有较小或可忽略的偏振灵敏度的LC器件(每个夹层主要影响非偏振光的两个垂直偏振中的一个，并且最终组件的作用类似于偏振不敏感器件)。
双频、蓝相或其他液晶成分可以用于增强上文提及的器件的性能。
上文描述的电极可以具有线形矩形或其他形式。ITO图案可以分段成不同的区，这些区可以独立控制或保留浮动。
在当将相移信号施加到线形形状的多个电极时的情况下，可能不需要应用HDCL。
在又一不同的实施例中，ITO相同的图案(如图14a所呈现的)也可以用于生成其他类型的动态电位剖面，其可以用于构建这种部件，如棱镜或柱面透镜。因此，如果ITO图案参数(以及将与另一电极一起使用这种图案的液晶单元的参数)的计算方式是使电位从一个触点到下一个触点的中间逐渐下降，则可以将相同的电位施加到所有电极，然后可以生成柱面透镜阵列(图15a)。粗体绿线示意性地表示对应的电位剖面。
相反，如果使用“双”触点(仅通过将线中断并通过添加相邻触点，诸如在平面内转换几何结构中添加相邻触点，如图15b)，则可以应用相移信号(以生成交流电)，然后可以“强制”特定的电位剖面(包括线形的)，其例如可用于生成棱镜阵列(图15b)和光转向。这种方法相对于本领域已知的转向器件的优点在于相邻电极之间将不会有泄漏电流(由于中断)，而电位的剖面仍将由宽度的选择和中间电极线的分离来控制。
在另一实施例中，所提出的透镜(来自图14c，但优选地，通过使用其中任一个具有LC的基态光轴的垂直定向的两个液晶单元的组合或通过使用相同的定向而对偏振不敏感，但偏振旋转，参见下文)用于构建用于日常生活、增强现实或其他特定应用的眼科眼镜(参见图16a)。透镜可以使用薄玻璃或塑料基板制造，并且其可以层压在定焦眼科透镜(玻璃或塑料)的表面(内部或外部)上。这将允许动态距离适应以及实时像差校正(例如，在眼科检查期间)。1l是左可调透镜，并且1r是右可调透镜(每侧一个)。1示出了当人向左下方看时，局部可调透镜的可能位置。2示出了当客户在左上方向看时，针对物体的特定距离生成的透镜的位置和直径(虚线圆圈)。3示出了当客户在右下方向看时，针对另一物体的另一距离生成的透镜的位置和直径(虚线圆圈)。例如，透镜可以通过太阳能元件(其集成到眼镜框架上)或可充电单元4(经由物理连接或感应方式)供电。5是用于控制透镜以及在包括温度变化等各种条件下优化其性能的显微驱动器。6和7是显微相机，其可以用于追踪人眼的定向并估计“物体”的距离及其定向。这将提供关于待生成的动态透镜的位置和直径的信息。这种器件可以实现增强的视网膜中央凹视力。无线接口8可以用于与驱动器5通信以用于配置和/或重新编程的目的。眼科就诊结果可以用于随着客户年龄的增长对器件的操作进行重新编程和优化，或者仅用于为不同的人定制该器件。
图16c是对应于图16a的框图，其示意性地示出了视力改进设备的元件的可能互连。
在另一实施例中，所提出的透镜(来自图14c)用于构建具有变焦能力的眼科眼镜(参见图16b)，以提供增强的视力(“鹰眼”)。在这种情况下，每个眼镜可能有两个这样的透镜(每个内表面和外表面上一个)，因此总共有4个可调透镜。因此，将具有由固定焦距透镜分开的两个可调透镜。包括在相反方向上(即，透镜1在聚焦，而透镜2在散焦)的其动态调节可以提供光学变焦和/或图像稳定功能。在这两种情况下，可以使用触摸传感器3(图16b)进行控制。
在另一实施例中，所提出的透镜(来自图14c)可以与大角度(全景或鱼眼)相机结合，以通过激活具有特定直径的透镜的特定区域来提供失真校正或选择性改进的分辨率和可见区能力。
在另一实施例中，所提出的电可变部件，诸如图12c中呈现的元件，也可以用于除“聚焦”模式之外的其他模式。例如，可以用于生成折射率的线形梯度，并由此使光转向。这种转向元件可以用于照明以及在集成的光子/光纤电路中用于调节不同部件之间的耦合效率。例如，扁平的光纤束可以大致定位在光子集成电路的入口或出口通路附近，并且可以使用优化软件来聚焦和转向来自每个光纤的光，以优化集成电路通路与光纤束之间的连接。这甚至可以用于质量相对较低(机械精度)的连接器。
在另一实施例中，能够产生局部折射率梯度的元件(如上文描述的矩阵调制器器件)与“成像”光学透镜(可选地具有止挡件或光阑)的组合可以实现对光的角分布的控制。因此，在图17A的实施例中，光学布置10从光源14接收原始光束12，该原始光束穿过矩阵光束调制器15，随后穿过成像透镜18以产生投射到屏幕20上的光束22。矩阵调制器15可以是合适的液晶器件。器件15可以被电控制以改变原始光束12的部分。在图17A的图示中，离开器件15的光束16未被调制，并且所得光束22在屏幕20上具有显示高斯分布的最终光束强度(作为示例)。可以动态控制的光束12的一个或多个选定部分可以是光束12的特定选定部分，或可以是根据器件15中电极布置的光束的任何期望部分。
例如，器件15可以具有基板，该基板具有覆盖其整个孔径的受控电极阵列(例如，沿z轴)，正如在传统的“平面内转换”显示器中众所周知的那样，LC材料放置在这些基板之间，例如，LC材料垂直取向或平面取向。可替代地，器件15可以由聚合物分散液晶(PDLC)器件组成，或者可以包括一层或多层LC并具有孔形电极。例如，可以为整个图案化电极供电以产生显微透镜阵列，该显微透镜阵列将主动使穿过液晶的光转移并因此扩散。可替代地，可以提供带状电极以用于产生同样可以选择性地激活以根据需要转移光的显微柱面透镜的目的。这种显微透镜可能具有使光聚焦或散焦的能力，或者可以简单地使光重定向或散射而不聚焦。
如图17B所示，上文提及的矩阵调制器15可以包括矩阵透镜。在该图中，矩阵透镜15未通电，然后穿过矩阵透镜15的光束(由左上部分的一对实心水平箭头所示)的部分(或“关注区”)由成像透镜18聚焦以在屏幕20上提供光点。在图17C的情况下，矩阵透镜针对光束的该部分(“关注区”)被激活并聚焦到矩阵透镜的焦点上，使其在到达透镜18时发散，结果来自矩阵平台部分的光以展宽的方式到达屏幕20。因此，通过能量的角度重新分布来获得强度调制，并且不使用在显示类型解决方案中传统使用的偏振器。
应当理解，结合矩阵调制器15使用成像透镜18是可选的，这取决于光学布置。同样地，矩阵透镜15的焦距与成像透镜18的焦距匹配是一种设计选择，同时能够提高对比度或“暗区”的光损失。类似地，可以将各种光学元件添加到设计中，例如，光学止挡件或光阑(图17B)，以提高器件的性能(例如，其对比度)。当使用矩阵调制器件15来改变原始光束时，自然的结果是穿过矩阵调制器件15的部分的光强度将在角度上重新分布。
在另一实施例中，上文描述的方法可以用于以角度选择性的方式重新成形光分布，且甚至获得锐利的边缘(在光束的***突然降低光强度)，这可以产生更高强度和更好光束质量的影响。
虽然调制器15可以采用许多不同的形式，但图18A至图19C中示出了使用带状电极的LC器件的示例。图18A是第一基板上的电极配置的示意性俯视图。该第一基板可以具有宽度为w的独立控制的带状电极1至n，并且选择它们之间的间隙G或LC的厚度L，以便以期望的最佳方式传播电位。带状电极可以沉积在基板例如玻璃基板上，并且电极可以是透明的例如由氧化铟锡或ITO制成。如图18B所示，相对的第二基板可以设置有均匀电极，例如也由ITO制成。在图18C中，示出了两个基板的平面图叠加。
图19A示出了在Z方向上看的图18C的侧视图。LC材料可以填充在两个基板之间。LC材料可以具有基态定向，诸如垂直(即，与基板垂直取向)或平面(即，与从平行于基板的预倾斜角取向)，或相对于单元基板成特定角度(在0至90度之间)，并且可以提供与LC材料接触的基板上的取向层，以用于赋予LC材料其基态取向。
图19B示出了一个实施例，其中在带状电极附近添加一层弱导电材料(WCL)。该WCL与带状电极上的电位耦合，并用于提供跨间隙G的电位剖面。这可以允许带状电极在带状电极之间产生电场剖面，这可以为透镜(例如在图示的情况下，由带状电极产生的柱面透镜)产生更好的光学质量。
图19C示出了另一实施例，其中在带状电极附近添加均匀电极。绝缘层将带状电极与均匀电极分开。该均匀电极可以用于施加“重置”LC材料的电场，即，它可以使LC具有空间均匀的定向，使LC层均匀且透明。由于LC材料到基态的正常弛豫可能花费一些时间，所以均匀的电极可以允许更快的操作。
图20A是与图18A相同的基板和电极布置，然而，在图20B中，可以看出相对的基板不具有均匀电极，而是具有正交布置的带状电极。这些带状电极可以具有与图20A中所示的电极相同的宽度和G布置。图20C中示出了两个基板的叠加。
在不向图20C中的布置添加任何均匀电极的情况下，各种光调制均是可能的。如果LC材料具有垂直基态，则可以为任一基板上的电极供电，以使用平面内控制提供柱面透镜。透镜的方向由待供电电极的选择决定。这种操作模式不使用WCL，透镜的光学质量可能很差。取决于光学布置，暗区的对比度可能会有所降低。
对于LC材料的平面基态取向或垂直取向，可以通过添加均匀电极来增强图20C的布置，从而可以使用相对的均匀电极来提供合适的电场以产生柱面透镜。在一些实施例中，相对的均匀电极可以被分割成跨越相对电极的间隙G的宽条。当分段的宽条均一起通电时，它们也将作为一个均匀的电极，以提高操作速度。
图21A至图21C的实施例示出了可以替代WCL的功能的电极布置。在宽度为w的带状电极1至n之间，提供了较窄的蛇形电极布置，该蛇形电极布置由于其较窄的宽度而具有较高的电阻。施加在两个带状电极之间(即，在电极1与2之间或在电极1与3之间(使柱面透镜宽两倍))的电位，该电位沿蛇形连接器的长度衰减。与WCL一样，当使用AC电源为电极供电时，电极1和2或1和3可以连接到相同的电位，并且跨间隙G的基板的表面处的电位在空间上变化，例如具有高斯分布，改进了作用在LC材料上的电场的空间剖面。
众所周知，自然光或人造光通常是非偏振的(即，可以呈现为两个正交偏振光分量之和)。由于某些LC材料(例如，向列)的性质，光必须是偏振的，因为LC调制器可能仅作用在一个偏振上。然而，由于能量损失、成本增加和可靠性下降，偏振器的使用(如在传统显示器行业中所做的那样)是非常不期望的。图21A示出了一个实施例，其中两个LC调制器组合以作用在光的两个线形(正交)偏振上。顶部调制器的基态NLC分子例如垂直于其带状电极定向。同时，底部单元具有类似的电极配置，但NLC分子相对于顶部调制器垂直。因此，其平行于底部调制器的带。通过这种布置，组合调制器可以作用在具有两个正交偏振的混合物的自然光上。然而，器件的操作可能会出现不对称的风险(这些偏振部件并不相同)。图21B示出了一个实施例，其中两个相同的LC调制器组合以作用在光的两个线形偏振上，然而偏振旋转元件或半波片放置在两个调制器之间，而顶部调制器和底部调制器的电极和NLC分子的定向相同。值得一提的是，可以将多个这种器件组装在一起，以允许各种方案中的光调制。
图22A示出了具有与初级光学件14B耦合的光源14A的光学布置，该初级光学件14B产生穿过LC矩阵调制器15的光束(从左到右)。光束继续通过待投射的透镜18。如图所示，通过激活LC器件15内的期望部分或区域以转移光，可以控制器件15在点光束内的期望位置处产生“暗区”。如前文提及的，光源14可以不需要分开的光学件来产生源光束，并且成像透镜18可以取决于应用而具有各种特性。
应当理解，矩阵调制器的使用允许产生暗区，而无需求助于包括显微LED元件的光源，这些显微LED元件被多路复用以提供具有控制光束的空间分布的能力。
图22B示出了另一实施例，其中光学布置用于接收光束而不是投射光束。在该实施例中，成像的场景(光从右向左传播)具有对待获取的图像来说不关注的亮点。采集包含亮点的图像会对图像采集产生不利影响，例如，由于饱和、敏感图像传感器损坏或图像获取中有害的自动增益控制(AGC)会导致远离亮点的关注区域太暗并因此难以分析。应当理解，本文描述的涉及投射光束的调制的实施例同样可以应用于光束感测。该技术可以用于普通摄影以及激光雷达和其他感测应用。
图22C示出了一个实施例，其中所提出的器件可以与光源或传感器14a的阵列一起使用。该源或传感器的阵列可以可选地与初级光学件的阵列14b相关联(准直来自各个源的输出光束或将入射光聚焦到各个传感器中)。通过使用由矩阵器件15提供的空间控制，可以显著增强阵列14a的操作。例如，除了产生暗区(如上文描述的)之外，还可以将各个单元转向到相同的方向或将其转移到不同的方向，或者可以通过在矩阵器件等的内部生成柱面透镜来在一个(例如，竖直)方向或另一个(水平)方向上拉伸光。也可以将器件作为一个块使用，而不必在14a内执行空间调制控制等。
图22D示出了包括与可调透镜的组合。通过改变可调透镜的光功率，可以对暗区特性进行附加控制。在窄光束的情况下，这种可调透镜可以用于聚焦光。大多数情况下，可以/应该刚好定位在主光学件之后。在这种情况下，如果希望在矩阵透镜后面使用它，通常光束直径会很大，并且可调透镜可能是显微透镜的阵列。在这种情况下，它可以提供附加的展宽角度。在所有这些情况下，投射光束的形状和形式可以因此被附加地控制。
在图23A至图23C中示出了图3A至图3D的实施例的应用示例。
在图23A中，示出了一种应用，其中可以使用器件15调制车辆(汽车1)的前灯。当检测到另一车辆(汽车2)在汽车1的前面时(大约在同一方向上移动)，(汽车1的)前灯光束的上部水平条状部分可以变暗，以降低照射到汽车2的后窗和后视镜的前灯的亮度。类似地，当检测到另一车辆(汽车3)在与汽车1相反的方向上移动时，可以将前灯光束的另一竖直侧条状部分变暗，以降低照射到对面车辆的挡风玻璃上的前灯的亮度。这些暗窗的角度位置和其他特性(诸如调制的深度和宽度)可以随着车辆相对位置的变化而动态调节。
在图23B中，示出了激光雷达***，其光学布置包括器件15。通过动态激活与其中发现明亮物体(诸如太阳)的场景相应的器件15的部分，所产生的暗区可以防止亮点对激光雷达***的影响。类似地，在图23C的情况下，器件15用于使相机图像中的太阳变暗。在相机的情况下，可能期望将器件15布置在相机光学件内，使得光束的选定部分内的光的动态重定向导致重定向的光位于止挡件或光阑之外，并因此不会在图像的剩余部分引入任何背景噪点。
图24A至图24C示意性地示出了仅水平暗线的形成、仅暗点的形成或暗点与暗(竖直)线的组合(同时形成)。在图24A中，可以通过在一个方向(水平)上使用电极的子集来获得，在器件15的特定区域中通电(以形成单个柱面透镜)。在图24B的情况下，对在正交方向上的带状电极的子集供电(对不同基板处的电极具有特定的相移)，以产生小的方形区域，在该方形区域中出现单个圆形透镜。如图24C所示，通过使孔径的不同部分具有分开的电极或者通过对多个透镜的电极阵列的供电进行时分复用，可以在器件15的孔径内产生多于一个的透镜。
图25A至图25C示出了模拟结果。非序列性Zemax模拟用于展示所提出的器件15的操作。表1中呈现了实验参数的示例：
Figure BDA0003779791070000301
Figure BDA0003779791070000311
对于矩阵透镜阵列15中的柱形显微透镜(如图24A所示)的激活的情况，模拟的光强度分布被示出在矩阵透镜的位置(图25A)、在屏幕(图25B)以及对应的强度分布(图25C)。可以看出，在该实施例中，在光束的中心可以实现98％的显著强度调制深度。
图26A、图26B和图26C分别示出了对于相同的模拟参数(在表1中呈现)在1.5m、3.5m和5.0m的屏幕距离处的在Y轴上的模拟光束强度。这些模拟表明，生成的暗区宽度尺度随距离变化，而调制深度保持不变。在设计特定应用时可以考虑这一点。
图27A至图27D示出了对于相同的模拟参数(在表1中呈现)选择矩阵透镜15的激活柱面显微透镜的直径(对于图27A至图27C分别为0.05mm、0.25mm和0.5mm)如何影响所生成的暗区尺度的宽度以及调制深度。可以通过设计(矩阵透镜15的)对应电极或通过同时激活多个显微透镜来做出这种选择。因此，图27D示出了当同时激活两个相邻的显微透镜阵列时(提供更大的暗区宽度)的这样一个示例(与表1中的参数相同。
图27A至图27D示出了对于相同的模拟参数(在表1中呈现)选择矩阵透镜15的激活柱面显微透镜的直径(对于图27A至图27C分别为0.05mm、0.25mm和0.5mm)如何影响所生成的暗区尺度的宽度以及调制深度。可以通过设计(矩阵透镜15的)对应电极或通过同时激活多个显微透镜来做出这种选择。因此，图27D示出了当同时激活两个相邻的显微透镜阵列时(提供更大的暗区宽度)的这样一个示例(与表1中的参数相同)。
图28A至图28C在左侧和右侧分别示出了对于分别选择为-2.0mm、-5.0mm和-0.5mm的显微透镜的焦距时的沿Y轴的光束强度图像和沿Y轴的对应光束强度。当然，最关注的情况是显微透镜的焦距的动态变化(因为可以不断地改变它或将其切换成ON和OFF)。当显微透镜的焦距改变时，在图28A至图28C的右侧示出了获得的强度分布的一些示例(使用相同的模拟参数，如表1所呈现的)。例如，以这种方式，不仅可以产生强度降低(图28C)，而且还可以生成不同类型的光重新分布(图28A和图28B)。
在一些实施例中，光学布置10可以具有非常大的功能选择。例如，通过选择成像透镜18的焦距(例如，-50mm、50mm和75mm)(或者也可以选择具有可调焦距的成像透镜)，对于表2中呈现的物理参数值，可以进一步修改分别为-50mm、50mm和75mm的成像透镜焦距的、如图29A至图29C所示的光分布模式：
参数 值
源FWHM 6度
小透镜直径 0.5mm
有源小透镜焦距 2.0mm
源到小透镜阵列的距离 100mm
小透镜阵列到成像透镜的距离 20mm
成像透镜焦距 可变
成像透镜到屏幕的距离 5.0m
为了通过实验证实上文提及的预测，构建了简单的一维(1D)矩阵透镜15，其可以生成不同直径的柱面透镜，但都在一个方向(即，竖直，参见图30的示意图)上。单元基板中的一个被均匀的氧化铟锡(ITO)电极覆盖，而第二个单元基板具有独立控制的“指”型(或相互交错)电极对(30和31)。
在该实施例中，控制器35a连接到每个电极30，而分开的控制器35b连接到每个电极31。如果需要，这样的控制器35可以是单个控制器。其包括用于选择性地为独立电极供电的开关。对这种控制器的输入可以是数据信号，例如为用于扫描链控制的串行输入。由于电极可以包括具有任何期望几何形状的任何空间可控电极阵列，控制器35同样可以适用于电极阵列的类型。
ITO电极的宽度是w＝10μm。第一对(左侧)电极的距离gmin＝50μm并以10μm为增量增加。因此，最后一对(右侧)电极的距离为gmax＝170μm。工作区由矩形表示。可以应用不同的驱动技术，例如，可以激活一个指状电极，而所有其他电极(包括均匀ITO)接地。实验参数为：垂直取向的ceLC(NLC6028)ll间隙＝40μm(光学双折射Δn＝0.2)；透镜18(参见图31)的f1是电可调的，F1＝10.5cm，d1≈10cm和d2＝在实验期间可变(见下文)。原始光束的12发散角为1.5°。
图32A示出了在基态(0V)下的透射光束的图像，而图32B示出了在10V下的光束的图像。图32C示出了屏幕上的光束的强度分布与所施加的电压的关系(屏幕位于与成像透镜相距d2＝130cm处)。正如所见，调制深度约为77％，并且其可以动态调节。
图33A至图33F示出了使用两个同时生成的柱面显微透镜的图像，这些柱面显微透镜在对应的角度区中生成两个暗区，例如，以避免使共同传播(经由后视镜暴露)和反向传播(直接暴露)汽车的驾驶员暴露(参见图23A)。这些暗窗中的一个可能或多或少处于相同的角度(对于同向传播的汽车)，而第二个暗窗(对于反向传播的汽车)可能会动态移动。

Claims (31)

1.一种液晶梯度折射率(LC-GRIN)光学器件，包括：
相对的基板，所述基板包含液晶，在所述基板中的第一基板上具有第一阶跃式电极布置，并且在所述基板中的第二基板上具有第二电极；以及
透明的相对高介电常数层(HDCL)，所述透明的相对高介电常数层放置在所述阶跃式电极布置附近。
2.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述阶跃式电极布置包括螺旋电极，所述螺旋电极具有一个或多个外部控制触点，所述外部控制触点定位在同一基板表面或同一基板的不同表面上。
3.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述阶跃式电极布置包括连续的蛇形电极。
4.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述阶跃式电极布置包括电容耦合的线形或圆形电极段。
5.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述阶跃式电极布置包括独立驱动的电极环或电极段。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学器件，其中，所述器件用于构建棱镜、柱形或圆形透镜。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学器件，其中，放置在所述阶跃式电极布置附近的所述透明HDCL具有约20或更大的介电常数。
8.根据权利要求7所述的光学器件，其中，放置在所述阶跃式电极布置附近的所述透明HDCL包括Ti3O5层。
9.根据权利要求7所述的光学器件，其中，放置在所述阶跃式电极布置附近的所述透明HDCL包括HfO2层，所述HfO2层也可以起到折射率匹配层的作用。
10.一种液晶梯度折射率(LC-GRIN)透镜器件，包括：
两个相对的基板，所述基板包含液晶，在所述基板中的第一基板上具有第一线形阶跃式电极布置，并且在所述基板中的第二基板上具有第二线形阶跃式电极；
其中，所述线形阶跃式电极布置彼此正交，并且在使用中能通电以形成棱镜或柱面透镜或圆形透镜。
11.根据权利要求10所述的透镜器件，其中，所述阶跃式电极布置包括连续的蛇形电极。
12.根据权利要求10所述的透镜器件，其中，所述阶跃式电极布置包括电容耦合的电极段。
13.根据权利要求10所述的透镜器件，其中，所述阶跃式电极布置包括独立驱动的电极段。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的透镜器件，还包括放置在所述线形阶跃式电极布置附近的透明HDCL。
15.一种液晶梯度折射率(LC-GRIN)透镜器件，包括：
相对的基板，所述基板包含液晶，在所述基板中的第一基板上具有第一阶跃式线形电极布置，并且在所述基板中的第二基板上具有相似的第二阶跃式电极布置；
其中，由每个基板上的每个线形电极布置提供的电场允许在整个光学窗口的期望位置中形成所述电场的柱形变化，其组合可以用于形成期望直径的圆形透镜。
16.根据权利要求15所述的透镜器件，其中，所述可寻址线形电极布置包括连续的蛇形电极。
17.根据权利要求15所述的透镜器件，其中，所述可寻址线形电极布置包括电容耦合的电极段。
18.根据权利要求15所述的透镜器件，其中，所述可寻址线形电极布置包括多个独立驱动的电极段。
19.根据权利要求15所述的透镜器件，其中，所述可寻址线形电极布置包括驱动电极段，所述驱动电极段与连接到所述段并填充所述段之间的间隙的高电阻层组合。
20.一种视力改进设备，包括：
眼动追踪器件；
可充电电源；
偏振不敏感透镜器件，所述偏振不敏感透镜器件由根据权利要求15至19中任一项所述的透镜构成；以及
驱动器，所述驱动器接收来自所述眼动追踪器件的眼睛位置信号并向所述可寻址线形电极布置提供驱动信号，以使具有合适光功率的透镜出现在所述透镜器件的期望位置上，以用于将图像聚焦到眼睛的中央凹区域。
21.根据权利要求20所述的透镜器件，其中，所述偏振不敏感透镜器件从眼镜的一侧集成到“眼科”眼镜***中，以通过使用眼动追踪***以及供电和驱动电子设备来提供适应性视力和像差校正。
22.根据权利要求20和权利要求21所述的透镜器件，其中，所述偏振不敏感透镜器件从眼镜的两侧集成以提供适应性视力、像差校正、放大和增强视力。
23.根据权利要求20至22所述的透镜器件，其中，所述偏振不敏感透镜器件由时序寻址相移电信号驱动，以主要在所述器件的期望区域中产生局部透镜效应。
24.一种大角度记录或监视改进设备，包括：
识别场景中的关注区域的运动检测能力；
偏振不敏感透镜器件，所述偏振不敏感透镜器件由根据权利要求15至19中任一项所述的透镜构成；以及
驱动器，所述驱动器接收运动检测信号并向所述可寻址线形电极布置提供驱动信号，以使具有合适光功率的透镜出现在所述透镜器件的期望位置上，以用于聚焦图像、局部提高分辨率或校正像差和失真。
25.一种用于可控地遮蔽一部分视场的液晶光学器件，所述器件包括：
电极阵列，所述电极阵列具有不同的空间布置的电极，用于在所述器件的孔径上的不同位置处不同地控制液晶定向，其中，当所述电极阵列操作成使所述器件在所述器件的孔径上的所述不同位置处从透明状态变为光转移状态；以及
控制器，所述控制器连接到所述电极阵列，所述控制器被配置成根据选择所述器件的孔径上的所述不同位置中的一个或多个给定位置的输入信号来切换给予所述电极阵列的功率。
26.根据权利要求25所述的器件，其中，所述器件包括至少一层液晶材料，并且所述电极阵列被布置成作用在所述至少一个层上以聚焦光。
27.根据权利要求25或26所述的器件，其中，所述控制器被配置成将功率切换到所述器件的孔径上的所述不同位置中的多于一个位置。
28.一种用于可控地遮蔽一部分视场的光学装置，所述装置包括：
根据权利要求25至27中任一项所述的液晶光学器件；以及
成像透镜。
29.一种用于产生光束的可控光投射器，所述光束具有可控的被遮蔽部分，所述投射器包括：
光源；
根据权利要求28所述的光学装置。
30.一种用于感测来自视场的光的光感测设备，所述视场具有可控的被遮蔽部分，所述设备包括：
根据权利要求28所述的光学布置；以及
光传感器，所述光传感器可操作地耦合到所述光学布置，以用于接收来自所述视场的光。
31.一种用于感测来自视场的光的方法，所述方法包括：
光学地采集来自所述视场的光束；
在图像平面处的图像传感器上捕获所述光束；
在所述图像平面内的不同位置处测量光亮度；
确定所述图像平面内的哪个部分需要遮蔽；以及
使用液晶光学器件来可控地遮蔽所述部分。
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