Многоячеечный жидкокристаллический оптический прибор с управлением сопряженным электрическим полем
Изобретение относится к жидкокристаллическим оптическим приборам и их управляющим электродам. Жидкокристаллический оптический прибор содержит по меньшей мере один жидкокристаллический слой, расположенный между подложками, несущими ориентирующие слои, и электродную структуру с отверстиями и со слабо проводящим материалом в пределах апертуры указанной структуры, обеспечивающую пространственно модулированное электрическое поле. Электродная структура с отверстиями выполнена с возможностью изменения фазового фронта в жидкокристаллическом слое за счет наличия электропроводящей структуры плавающего электрода, которая меньше, чем указанная апертура и является внешней по отношению к указанной электродной структуре, над апертурой. Технический результат - устранение нежелательных отклонений волнового фронта. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 25 ил.
Область, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к жидкокристаллическим оптическим приборам и их управляющим электродам.
Уровень техники
Жидкокристаллические (ЖК) (LC) линзы и иные жидкокристаллические оптические приборы известны в технике. Одной конфигурацией является плоскостная конструкция, в которой жидкий кристалл удерживается в ячейке между стеклянными или пластмассовыми пластинами. Линзы с электрически переменным показателем преломления (так называемые линзы ППП, или GRIN - gradient-index lens) могут быть образованы путем управления относительной ориентацией жидкокристаллических молекул для создания пространственного изменения показателя преломления жидкокристаллического материала в пределах апертуры этого прибора. При этом хорошая оптическая сила линзы может быть достигнута в относительно малой толщине.
Предложено множество конструкций жидкокристаллических линз, которые управляют ориентацией жидкокристаллических молекул под влиянием электрического поля. Большинство конструкций ЖК-линз осуществляют пространственную модуляцию электрического поля, воздействующего на жидкокристаллический слой для создания результирующей линзы ППП. В этой области предпринималось мало подходов. Показано, что при использовании относительно больших напряжений кольцевые электроды, помещенные на расстоянии над жидкокристаллической ячейкой, под которой расположен плоскостной электрод, могут обеспечить линзу ППП. В статье, опубликованной А.Ф. Наумовым и др. (A.F. Naumov et al.) и озаглавленной «Liquid-Crystal Adaptive Lenses with Modal Control» («Жидкокристаллические адаптивные линзы с модальным управлением»), OPTICS LETTERS / Vol.23, No.13 / July 1, 1998, такая линза, как показанная на фиг.1, использует ЖК-слой 10, размещенный между структурированным электродом с отверстиями 14, расположенным рядом с верхней стеклянной подложкой 11, и плоскостным оптически прозрачным электродом 12 из оксида индия и олова рядом с нижней стеклянной подложкой 16. С каждой стороны ЖК-слоя 10 расположены жидкокристаллические ориентирующие слои 18. Поскольку линза этого ближайшего аналога использует единственный ЖК-слой 10, эта линза будет зависеть от поляризации.
Принцип работы линзы по фиг.1 состоит в ослаблении электрического потенциала и в соответствующем падении напряженности электрического поля в ЖК-слое между периферией линзы, где расположен структурированный электрод с отверстиями 14, и серединой линзы. Поскольку обычная толщина ЖК-слоя 10 составляет примерно 0,05 мм, а интересующие нас обычные оптические апертуры составляют примерно 2 мм, т.е. в сорок раз больше, радиальное падение интенсивности электрического поля в ЖК-слое 10 является резким. По этой причине высокоомный (или слабо проводящий) слой 19 нанесен в середине структурированного электрода с отверстиями 14. Высокоомный слой 19 «смягчает» падение в электрическом поле в соответствии с ослаблением электрических сигналов распределенной RC-схемой, образованной высокоомным слоем 19 и остальной системой (где сопротивление обеспечивается в основном высокоомным слоем 19, а емкость обеспечивается в основном посредством ЖК-слоя 10).
Известно, что линза ППП по фиг.1 имеет некоторые хорошие свойства, но испытывает и некоторые значительные недостатки. В частности, работа этой линзы чрезвычайно чувствительна к параметрам геометрии и материалам слоеной структуры. Наиболее важным из них является поверхностное сопротивление Rs высокоомного слоя 19, которое определяется выражением R=(dσ)-1, где d - толщина высокоомного слоя 19, а σ - его проводимость. Это сильно усложняет производство не зависящей от поляризации настраиваемой жидкокристаллической линзы (НЖКЛ) (TLCL) на основе данной технологии.
Жидкокристаллический линзовый слой будет фокусировать единственную поляризацию света и оставлять иную поляризацию практически без воздействия: поскольку жидкий кристалл является двулучепреломляющим материалом, свет, покидающий эту ЖК-линзу, структурируется на две поляризации. Естественный свет (полученный от солнца или лампы) содержит хаотическую смесь поляризаций, и поэтому желательно использовать по меньшей мере два жидкокристаллических слоя каждый из которых действует в отличном (ортогональном) направлении поляризации, так что весь свет (все поляризации) фокусируется в одном и том же направлении. Традиционный подход использует простую комбинацию из двух ЖК-линз, причем каждая имеет ориентацию молекул во взаимно ортогональных плоскостях. Таким образом, две плоскостные жидкокристаллические линзы, воздействующие каждая на отличную поляризацию, размещены с той целью, что они будут фокусировать свет на общую фокальную плоскость. На практике, однако, способность создавать различные «поляризационные» ЖК-линзы с одинаковыми оптическими свойствами по отношению к датчикам изображения является сложной задачей. Конструкция линзы, которая слишком толста, с большим разнесением между двумя жидкокристаллическими слоями, приводит к большому разнесению между фокальными плоскостями различных поляризационных компонентов и не дает получать ясное изображение при естественном свете вследствие того, что каждый поляризационный компонент фокусируется различным образом. Помимо этого, когда форма линз и (или) оптическая сила этих двух линз не идентичны, эффект от каждой линзы различен, даже если ЖК-слои помещены относительно близко один к другому. Это различие может возникать из-за различия в значениях толщины или поверхностного сопротивления для двух слоев 19 в линзах, которые должны комбинироваться, чтобы обеспечить не зависящую от поляризации работу. Хотя толщина ЖК-слоев может до некоторой степени управляться прокладками, управление поверхностным сопротивлением является гораздо более трудной задачей (фиг.3).
При изготовлении в масштабе целой пластины получается кристаллическая пластина, содержащая большое число ЖК-ячеек, и две такие кристаллические пластины соединяются вместе, чтобы сделать не зависящие от поляризации жидкокристаллические оптические приборы. Однако для того, чтобы такие изготовленные на кристаллической пластине линзы имели одинаковую оптическую силу и форму линз (когда две кристаллические пластины соединяются друг с другом), эти две кристаллические пластины должны иметь одни и те же свойства.
В случае кольцевых электродов, которые используют высокоомный слой 19 материала, помещенного рядом с апертурой, электрическое поверхностное сопротивление Rs материала играет важную роль в определении свойств электродов и линзы. Управление сопротивлением тонкого слоя материала на кристаллической пластине в требуемом диапазоне для работы линзы является трудной задачей, а эти резистивные свойства очень важны для частотного управления электродом.
Одно решение предложено в международной заявке WO 2009/153764, которая описывает два ортогонально ориентированных жидкокристаллических слоя, размещенных, соответственно, выше и ниже общего, среднего кольцевого электрода, который покрыт единственным высокоомным материалом, используемым для управления обоими ЖК-слоями. Единственный средний электрод предназначен обеспечивать пространственно модулированное электрическое поле как для верхнего ЖК-слоя, так и для нижнего ЖК-слоя, причем каждый из этих двух слоев действует на отличном направлении поляризации света. Доказано, что в этом случае две линзы отображают естественный свет в практически одном и том же направлении на одну и ту же плоскость изображения или один и тот же датчик изображения. Показано, что пространственный профиль электрического поля (а тем самым и оптическая сила) одинаков как для верхнего, так и для нижнего слоя. При изготовлении нижний ЖК-слой имеет средний электрод, размещенный на его верхней части (фиг.2), а верхний ЖК-слой либо изготавливается на верхней части среднего электрода, либо изготавливается отдельно, а затем соединяется с комбинацией нижнего ЖК-слоя и среднего электрода. При изготовлении структуры среднего электрода малое различие в положении между средним электродом и каждой ЖК-ячейкой может создавать большое рассогласование в оптических свойствах каждой линзы.
Раскрытие изобретения
В соответствии с предложенным решением (фиг.4) предоставлен жидкокристаллический оптический прибор, использующий электрическое поле, на которое влияет эффект электрического сопряжения двух тесно расположенных слабо проводящих слоев для снижения эффекта рассогласованности между их поверхностными сопротивлениями. Предусмотрена первая ЖК-ячейка, имеющая ЖК-слой, плоскостной электрод на первой стороне этого ЖК-слоя и структурированный электрод с отверстиями на второй стороне ЖК-слоя, противоположной первой. Первая ЖК-ячейка также включает в себя слабо проводящий слой, примыкающий к структурированному электроду с отверстиями. Предусмотрена также вторая ЖК-ячейка, которая имеет ЖК-слой, и плоскостной электрод и структурированный электрод с отверстиями, расположенные, соответственно, на каждой стороне ЖК-слоя (в обратном порядке по отношению к порядку в первой ЖК-ячейке). Вторая ЖК-ячейка имеет также слабо проводящий слой, примыкающий к структурированному электроду с отверстиями этой ячейки. В примерном варианте осуществления изобретения эти две ячейки таковы, что слабо проводящий слой каждой ячейки располагается так, что на единое электрическое поле, генерируемое одним или несколькими электродами прибора, воздействуют оба слабо проводящих слоя. Например, первый слабо проводящий слой и второй слабо проводящий слой представляют собой одно из следующего: находятся в соприкосновении один с другим; и разделены между одним из: подложки, имеющей высокую диэлектрическую постоянную, и подложки, имеющей ограниченную, уменьшенную, выборочно изолированную и т.д. проводимость.
В одном варианте осуществления эти два слабо проводящих слоя имеют отчетливо разные значения поверхностного сопротивления, и совместное воздействие этих двух слоев на электрическое поле в обоих ЖК-слоях эквивалентно воздействию, которое имел бы единственный слабо проводящий слой, если бы его поверхностное сопротивление имело значение между поверхностными сопротивлениями этих двух слабо проводящих слоев прибора. В зависимости от значений поверхностных сопротивлений это эффективное значение может быть близко к среднему этих двух значений поверхностных сопротивлений (фиг.3). Таким образом, два слабо проводящих слоя можно выбрать так, чтобы они имели объединенное воздействие, даже если каждый из них имеет отчетливо отличное поверхностное сопротивление. При этом технологические допуски для слабо проводящих слоев не должны быть слишком строгими.
В одном конкретном варианте осуществления жидкокристаллический оптический прибор представляет собой настраиваемую жидкокристаллическую линзу, имеющую две ЖК-ячейки, каждая со слабо проводящим слоем. Кольцевой электрод первой ячейки соединяется с ее собственным слабо проводящим слоем, но также и со слабо проводящим слоем второй ячейки (который может также, необязательно, иметь кольцевой электрод), если два слабо проводящих слоя ближе, чем критическое расстояние (фиг.5). Критическое расстояние для этого «сопрягающего» эффекта меньше, если разность между поверхностными сопротивлениями двух слабо проводящих слоев выше. Однако, если расстояние между слабо проводящими слоями меньше, чем критическое расстояние, сопрягающий эффект обеспечивает то, что распределение электрического поля будет практически тем же самым для двух ЖК-ячеек. Эффективное значение поверхностного сопротивления «сопряженного» общего слоя будет значением между индивидуальными значениями поверхностного сопротивления двух слабо проводящих слоев (фиг.3).
Способность объединять воздействие двух слабо проводящих слоев может увеличить выход производства кристаллических пластин ЖК-приборов за счет допущения использования кристаллических пластин, имеющих слои с поверхностными сопротивлениями (свойствами толщины или проводимости), которые разнятся от желательного диапазона допусков, поскольку их можно использовать в объединенных приборах, таких как в предложенном решении, для создания эффективного слоя со свойствами, близкими к желательному значению.
В другом варианте осуществления предложенного решения слабо проводящий материал используется как часть средней электродной структуры, чтобы обеспечить общее управление двумя ЖК-слоями различных поляризаций. Средний электрод может быть структурированным электродом с отверстиями, который может формировать электрическое поле в сочетании с плоскостным электродом, расположенным на противоположной стороне ячейки. Вторая ЖК-ячейка может не иметь структурированного электрода с отверстиями, но вместо этого лишь однородный плоскостной электрод на стороне ЖК-слоя второй ячейки, противоположной первой ЖК-ячейке. При должном расположении структурированного электрода с отверстиями и подходящем разнесении между двумя ячейками структурированный электрод с отверстиями первой ЖК-ячейки может также устанавливать желаемое электрическое поле совместно с плоскостным электродом второй ЖК-ячейки. Таким образом, можно использовать единственный управляющий сигнал для одновременного управления обеими ЖК-ячейками. Это может быть особенно желательно, если эти две ячейки управляют ортогональными поляризациями света одинаковым образом и вместе образуют не зависящий от поляризации жидкокристаллический прибор. Подходящее разнесение между двумя ЖК-ячейками можно установить, например, за счет использования разделительных элементов, таких как разделительные бусины, и разнесение может поддерживаться, когда эти две ЖК-ячейки скрепляются вместе.
В еще одном варианте осуществления предложенного решения каждая из двух ЖК-ячеек имеет плоскостной электрод, структурированный электрод с отверстиями и слабо проводящий слой, а две ячейки совместно используют общую подложку, расположенную между первым жидкокристаллическим слоем и вторым жидкокристаллическим слоем. В данном варианте осуществления слабо проводящие слои каждой из двух ЖК-ячеек могут располагаться на общей подложке на заранее заданном расстоянии один от другого. Структурированный электрод с отверстиями каждой из двух ЖК-ячеек также может располагаться на общей подложке. В разновидности данного варианта осуществления сама общая подложка может быть сделана из слабо проводящего материала и может функционировать как слабо проводящие слои. Эти слабо проводящие слои могут быть также дискретными слоями, расположенными на общей подложке, которая также сделана из слабо проводящего материала. Изготовление общей подложки может включать в себя раздельное производство двух подложек, соответствующих каждой ЖК-ячейке, которые скреплены вместе для образования общей подложки.
В дополнение к вышеуказанным проблемам ближайшего аналога осознано, что резкое радиальное падение напряженности электрического поля по ЖК-слою вызывает отклонение от желаемого (к примеру, сферического или иного) волнового фронта. НЖКЛ, применяющие слой слабо проводящего материала, подвергают падающий свет асферическому волновому фронту, который стремится иметь уплощенную вершину и подобное гауссовому снижение по меньшей мере для некоторых оптических диапазонов. Обнаружено, что можно использовать плавающий не присоединенный (фиг.15) электрод для переформирования волнового фронта, иначе генерируемого комбинацией структурированного электрода с отверстиями и слабо проводящего слоя. В зависимости от геометрии слоеной структуры и свойств материала можно применять по меньшей мере один из дискообразного, кольцевого и тороидального плавающего электрода для переформирования волнового фронта, иначе генерируемого для получения сферического волнового фронта комбинацией структурированного электрода с отверстиями и слабо проводящего слоя.
В соответствии с одним объектом предложенного решения предоставлен жидкокристаллический оптический прибор, содержащий: жидкокристаллическую ячейку, управляющую оптическими свойствами проходящего через нее света, причем упомянутая жидкокристаллическая ячейка имеет жидкокристаллический слой; управляющую электрическим полем структуру, расположенную на второй стороне жидкокристаллического слоя, противоположной первой стороне жидкокристаллического слоя; и регулирующую волновой фронт структуру, выполненную с возможностью обеспечить регулировку оптического фазового фронта. В некоторых вариантах осуществления регулирующая волновой фронт структура является проводящим плавающим электродом, в других вариантах осуществления регулирующая волновой фронт структура является слабо проводящей структурой, имеющей пространственно меняющееся поверхностное сопротивление.
В соответствии с другим объектом предложенного решения предоставлен жидкокристаллический оптический прибор типа, имеющего по меньшей мере один жидкокристаллический слой между подложками, несущими ориентирующие слои, и конфигурацию структурированного электрода с отверстиями со слабо проводящим материалом в пределах апертуры этой конфигурации для обеспечения пространственно модулированного электрического поля, отличающийся тем, что конфигурация структурированного электрода с отверстиями сформирована для изменения фазового фронта в жидкокристаллическом слое за счет наличия одного или нескольких из: структуры плавающего электрода внешней к конфигурации электрода над апертурой; и пространственно неоднородного слоя из слабо проводящего материала.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления предоставленного решения предусмотрен способ изготовления жидкокристаллического оптического прибора, содержащий этапы, на которых: производят множество жидкокристаллических ячеек, имеющих каждая плоскостной электрод, структурированный электрод с отверстиями и слабо проводящий слой; и размещают упомянутые жидкокристаллические ячейки друг по отношению к другу так, что на эффективное единое электрическое поле, генерируемое одним или несколькими из этих электродов упомянутого прибора, воздействуют каждым из слабо проводящих слоев.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет понятнее из нижеследующего подробного описания вариантов осуществления этого изобретения со ссылкой на приложенные чертежи.
Фиг.1 - схематичное представление жидкокристаллической оптической линзы ближайшего аналога, использующей структурированный электрод с отверстиями с «модальным управлением».
Фиг.2 - схематичное представление зависящей от поляризации жидкокристаллической линзы в соответствии с предложенным решением, имеющей структурированный электрод с отверстиями наверху или на верхней подложке ячейки со слабо проводящим слоем, наложенным на структурированный электрод с отверстиями.
Фиг.3 - графическое представление гистограммного распределения типичного поверхностного сопротивления слабо проводящих слоев.
Фиг.4 - схематичное представление не зависящей от поляризации жидкокристаллической линзы, которая объединяет две из ячеек по фиг.2, размещенных ориентирующими слоями под 90° друг к другу и со слабо проводящими слоями, имеющими достаточно малый зазор для сопряжения.
Фиг.5 - графическое представление центральной разности напряжений на размере зазора между двумя слабо проводящими слоями (СПС) (WCL) прибора, имеющего две «половинные» настраиваемые жидкокристаллические линзы (НЖКЛ) для множества различных комбинаций для пары СПС.
Фиг.6 - графическое представление изменения рассогласования оптической силы между двумя «половинными» НЖКЛ сопряженного оптического прибора согласно предложенному решению, в зависимости от размера зазора между СПС двух «половинных» НЖКЛ.
Фиг.7 - схематичное представление жидкокристаллической линзы с двумя совместно управляемыми ЖК-ячейками в соответствии с предложенным решением, где нижняя ЖК-ячейка имеет верхний кольцевой электрод и слабо проводящий слой, а верхняя ЖК-ячейка не имеет кольцевого электрода или СПС.
Фиг.8 - графическое представление эффекта связи между двумя различными «половинными» линзами в соответствии с предложенным решением, показано изменение оптической силы в зависимости от управляющей частоты для каждой из линзовых половин и «объединенной» линзы.
Фиг.9 - схематичное представление жидкокристаллической линзы в соответствии с предложенным решением с двумя ЖК-ячейками и двумя слабо проводящими слоями, которые управляются совместно; две ячейки вместе используют общую подложку с высокой диэлектрической постоянной.
Фиг.10 - схематичное представление жидкокристаллической линзы, подобной линзе по фиг.9, но для которой общая подложка содержит слабо проводящий материал и сама функционирует как слабо проводящий слой, в соответствии с предложенным решением.
Фиг.11 - схематичное представление жидкокристаллической линзы, подобной линзе по фиг.9, но для которой общая подложка сделана из слабо проводящего материала, а также имеет отдельные дискретные слабо проводящие слои, расположенные на ней.
Фиг.12 графически иллюстрирует рассогласование оптической силы между рассогласованными по Rs слоями СПС для оптических приборов с не зависящей от поляризации настраиваемой жидкокристаллической линзой, имеющих кольцевой структурированный электрод с отверстиями диаметром 2 мм.
Фиг.13 графически иллюстрирует изменение рассогласования оптической силы в зависимости от зазора d между рассогласованными по Rs слоями СПС для оптических приборов с не зависящей от поляризации настраиваемой жидкокристаллической линзой, приборы имеют кольцевой структурированный электрод с отверстиями диаметром 1,8 мм.
Фиг.14 - схема, иллюстрирующая в увеличенном виде искажение сферического волнового фронта, когда он генерируется кольцевым структурированным электродом с отверстиями и слабо проводящим слоем, а также показан (среди прочего) пример желаемой формы.
Фиг.15 - схема, иллюстрирующая жидкокристаллическую линзу в соответствии с предложенным решением с двумя ЖК-ячейками и двумя совместно управляемыми слабо проводящими слоями и общим плавающим электродом в совместно используемой подложке.
Фиг.16 - график, иллюстрирующий регулировку волнового фронта в ЖК-линзе, имеющей слоеную геометрию, как иллюстрируется на фиг.15, за счет применения проводящего дискового плавающего электрода в соответствии с предложенным решением.
Фиг.17A - график, иллюстрирующий, в соответствии с предложенным решением, экспериментальные результаты регулировки волнового фронта, достигнутые для геометрии ЖК-линзы, иллюстрированной на фиг.15.
Фиг.17 В - график, иллюстрирующий, в соответствии с предложенным решением, результаты моделирования волнового фронта для геометрии ЖК-линзы, иллюстрированной на фиг.15.
Фиг.18 - график, иллюстрирующий, в соответствии с предложенным решением, скругление улучшенного волнового фронта, сохраненное при других установках оптической силы, применяющих такой же дискообразный плавающий электрод.
Фиг.19 - схема, иллюстрирующая не зависящую от поляризации полнолинзовую слоеную структуру, применяющую единственный центральный кольцевой структурированный электрод с отверстиями и единственный слабо проводящий слой для синхронной работы двух жидкокристаллических половинных линз, в соответствии с предложенным решением.
Фиг.20 - график, иллюстрирующий в соответствии с предложенным решением квадратичное приближение для скругления экспериментально полученного профиля волнового фронта для жидкокристаллической линзовой геометрии, как иллюстрируется на фиг.19.
Фиг.21 - график, иллюстрирующий в соответствии с предложенным решением пространственное распределение поверхностного сопротивления, образованное для обеспечения регулировки фазового фронта, соответствующего квадратичному приближению, проиллюстрированному на фиг.20.
Фиг.22 - график, иллюстрирующий в соответствии с предложенным решением подтверждение того, что скругление волнового фронта сохраняется, когда используется управляющий сигнал, имеющий частоту 21 кГц и такую же амплитуду напряжения, с такой же геометрией ЖК-линзы, как показана на фиг.19.
Фиг.23 - схема, иллюстрирующая не зависящую от поляризации полнолинзовую слоеную структуру, применяющую слабо проводящее кольцо, в соответствии с другой реализацией предложенного решения.
Фиг.24 - график, иллюстрирующий, в соответствии с предложенным решением, скругление волнового фронта, обеспечиваемое слабо проводящим кольцом, проиллюстрированное на фиг.23.
Фиг.25 - график, иллюстрирующий, в соответствии с предложенным решением отклонение скругления волнового фронта для половинной жидкокристаллической линзовой геометрии, проиллюстрированной на фиг.23.
На всех чертежах сходные признаки имеют сходные обозначения. Ссылки на определители «верх» и «низ» в настоящем описании сделаны только в отношении ориентации чертежа, как представлено в заявке, и не подразумевают никакой абсолютной пространственной ориентации.
Подробное описание
Структура и работа сопряженного оптического прибора
В совместно поданной международной заявке на патент PCT/IB2009/052658, описание которой включено сюда посредством ссылки, раскрыта настраиваемая жидкокристаллическая линза (НЖКЛ), для которой электрическое поле, создаваемое кольцевым электродом, помещенным вблизи однородного электрода, имеет желаемую форму. В соответствии с предложенным решением конфигурация, проиллюстрированная в поперечном сечении на фиг.2, представляет аналогичное размещение, использующее слабо проводящий слой (СПС) 24, расположенный рядом с наружной поверхностью слоеной структуры и смежно (предпочтительно в соприкосновении и на верху) с структурированным электродом с отверстиями 26. Это конкретное положение позволяет использовать линзовую структуру вместе со второй ячейкой таким образом, что влияние СПС 24 и СПС второй ячейки сопрягаются вместе. Эти две ячейки вместе можно затем использовать для формирования не зависящей от поляризации линзы (способной фокусировать неполяризованный свет), управляемой единым электрическим приводом.
Вариант осуществления, проиллюстрированный на фиг.2, имеет ЖК-слой 28, расположенный между двумя жидкокристаллическими ориентирующими слоями 30, как известно в уровне техники. Нижний оптически прозрачный проводящий слой 32 расположен между одним из ориентирующих слоев 30 и нижней подложкой 34. Верхняя подложка 36 отделяет один из ориентирующих слоев 30 от структурированного электрода с отверстиями 26. При СПС 24, расположенном смежно с верхом структурированного электрода с отверстиями 26, эта ячейка НЖКЛ хорошо приспособлена для объединения с другой сходной ячейкой.
Для того чтобы иметь желаемые свойства, относящиеся к формированию электрического поля, позволяя ячейке быть тонкой и работать при низком напряжении, СПС 24 использует материал с высоким электрическим удельным сопротивлением, имеющий свойства между полупроводником и диэлектриком. Характеристики этого материала находятся в диапазоне (называемом иногда зоной просачивания), для которого фундаментальные механизмы проводимости (и поляризуемости) материала испытывают резкие переходы. Эта зона просачивания представляет собой пределы, где проводимость слоя может резко меняться при малых изменениях в объемной морфологической структуре/геометрии материала СПС, что чрезвычайно ограничивает воспроизводимость при изготовлении СПС этого типа. В кремниевой полупроводниковой промышленности эффективность управления поверхностным сопротивлением все еще составляет ±10% и даже меньшую точность для новейшей технологии, использующей фосфид индия.
Сделать так, чтобы СПС 24, показанный на фиг.2, имел состав материал, морфологию и толщину листа, которые обеспечат желаемые свойства проводимости (поверхностное сопротивление), является, таким образом, трудной задачей при использовании традиционной технологии осаждения. Как условно иллюстрируется на фиг.3, свойства проводимости осажденного слоя материала СПС будут меняться от одной кристаллической пластины к другой с довольно большим разбросом. Для схемы, предназначенной управлять работой линзы в заранее заданных пределах частот, диапазон приемлемых поверхностных сопротивлений ограничен номинальным поверхностным сопротивлением R0 с очень малым допуском ±δK (показан на фиг.3 прерывистой линией).
На фиг.4 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором две ячейки НЖКЛ, такие как проиллюстрированные на фиг.2, соединены вместе так, что воздействие СПС двух слоев электрически сопряжено. Это сопряжение или «синхронизация» двух СПС позволяет им функционировать как один эффективный управляющий слой для ориентированных крест-накрест НЖКЛ. Хотя эта комбинация двух слоев иллюстрирует присутствие двух структурированных электродов с отверстиями 26a и 26b, использование двух таких электродов не обязательно, и для «сопряженной» работы может быть достаточно единственного структурированного электрода с отверстиями.
В конфигурации по фиг.4 первая ячейка включает в себя ЖК-слой 28a, расположенный между двумя ориентирующими слоями 30a. Смежно с одним из ориентирующих слоев 30a находится оптически прозрачный плоскостной электродный слой 32a, который опирается на подложку 34a. Другой ориентирующий слой 20a расположен между ЖК-слоем 28a и подложкой 36a, на другой стороне которой находятся структурированный электрод с отверстиями 26a и СПС 24a. Вторая НЖКЛ структуры, проиллюстрированной на фиг.4, практически такая же, как и первая, однако имеет свои жидкокристаллические молекулы ориентированными для фокусировки поляризации света, перпендикулярной поляризации первой ячейки. ЖК-слой 28b этой ячейки расположен между двумя ориентирующими слоями 30b, первый из которых расположен смежно с оптически прозрачным плоскостным электродом 32b и подложкой 34b. Другой ориентирующий слой 30b отделяет ЖК-слой 28b от подложки 36b, которая лежит смежно со структурированным электродом с отверстиями 26b и СПС 24b. Разделение между СПС 24a и 24b показано на чертеже как имеющее расстояние d0.
Как упомянуто выше, изготовление резистивных слоев с точными поверхностными сопротивлениями затруднено, что ограничивает эффективное производство единых ячеечных НЖКЛ. В соответствии с предложенным решением, однако, двойная ячеечная система, наподобие показанной на фиг.4, использует два различных СПС, действия которых сопряжены вместе. В этом случае, для использования с единой ячеечной структурой можно использовать вместе в двухячеечной конфигурации два СПС, каждый из которых будет выходить за нормальный диапазон допусков, если их объединенные поверхностные сопротивления отвечают требованиям по допускам. Таким образом, обращаясь вновь к фиг.3, два СПС, имеющих соответственные поверхностные сопротивления приблизительно R0-ΔR и R0+ΔR, можно объединять, чтобы сформировать эффективный СПС, имеющий поверхностное сопротивление, близкое к R0. Это позволяет использовать гораздо большую часть выработки НЖКЛ и дает возможность выбора единой пары НЖКЛ для создания поверхностного сопротивления объединенных СПС, которое весьма близко к желаемому номинальному значению R0.
Не зависящие от поляризации НЖКЛ ближайшего аналога представляют собой обычно комбинацию одноячеечных НЖКЛ. Однако в таких структурах ближайшего аналога нет сопряжения СПС. В варианте же осуществления, проиллюстрированном на фиг.4, СПС каждой ячейки находится в непосредственной близости к СПС другой ячейки и может соприкасаться с ним. В этом случае, эффект сопряжения между СПС зависит от их относительного разнесения и диэлектрической постоянной материала в зазоре между ними. В частности, по мере увеличения размера зазора между СПС дифференциальная оптическая сила между линзами тоже увеличивается. Это соотношение иллюстрируется графически на фиг.5, где вычерчена зависимость зазора между двумя СПС от разности напряжений в середине каждой НЖКЛ пары для нескольких различных образцов, имеющих каждый различное соотношение между поверхностными сопротивлениями двух слоев СПС. Для выравнивания поверхностного сопротивления (т.е. R2/R1=1) разность напряжений для двух линз равна нулю независимо от зазора между СПС. Однако для более сильных различий между поверхностными сопротивлениями скорость увеличения разности напряжений по мере увеличения зазора более быстрая.
Как иллюстрируется на фиг.5, использование двух слоев СПС, имеющих относительно большое различие в поверхностном сопротивлении, можно все же использовать для производства точной, не зависящей от поляризации НЖКЛ. Например, двухячеечная конструкция, имеющая СПС с соответственными поверхностными сопротивлениями R1 и R2, где R2/R1=1,5, может все же компоноваться для производства достаточно точной не чувствительной к поляризации линзы (с различием в оптической силе линзы менее чем 0,2 диоптрии), если зазор между слоями достаточно мал. Фиг.6 иллюстрирует изменение в расхождении оптической силы (в диоптриях «D») по отношению к зазору между слоями СПС для конкретного примера. Как видно, зазор менее чем 20 мкм все еще создает различие в оптической силе между двумя половинами линзы менее чем 0,2 D, несмотря на большую разность в поверхностном сопротивлении СПС. В то же время, если не требуется никакой разности оптической силы (или требуется нулевая разность), некоторые применения могут допускать до примерно 1,2 D (или ±0,6 D).
В альтернативном варианте осуществления предложенного решения применяется отличное сопряжение для не зависящей от поляризации НЖКЛ, которое использует только единственный СПС и единственный структурированный электрод с отверстиями. Структура, проиллюстрированная на фиг.7, использует две ячейки НЖКЛ. Нижняя ячейка в этом варианте осуществления практически такая же, как и нижняя ячейка, проиллюстрированная на фиг.4, и ссылочные позиции, которые обозначают элементы нижней ячейки на фиг.4, поэтому также используются для нижней ячейки по фиг.7. Однако, в отличие от варианта осуществления по фиг.4, верхняя ячейка на фиг.7 не имеет структурированного электрода с отверстиями и не имеет СПС. Вместо этого в данном варианте осуществления обе ячейки управляются с помощью одного и того структурированного электрода с отверстиями, который формирует электрические поля вместе с плоскостными электродами 32b и 32c. Таким образом, верхняя ячейка имеет ЖК-слой 28c, расположенный между ориентирующими слоями 30c. Подложка 36c расположена между нижним из ориентирующих слоев 30c и нижней ячейкой, тогда как с другой стороны ЖК-ячейки имеется плоскостной проводящий электродный слой 32c и другая подложка 34c.
Две ячейки варианта осуществления по фиг.7 обеспечивают фокусирование для каждой из двух перпендикулярных поляризаций, как и ячейки по фиг.4, однако управляющие сигналы для электродов не являются независимыми. Вместо этого, электрическое поле для управления жидкокристаллической 28b нижней ячейкой распространяется между структурированным электродом с отверстиями 26b и нижним электродом 32b в соединении с СПС 24b. Управление жидкокристаллической 28c верхней ячейкой также использует структурированный электрод с отверстиями 26b и СПС 24b нижней ячейки, которые распространяют электрическое поле для управления ЖК 28c вместе с плоскостным электродом 32c. Специалисты оценят, что использование возбуждающей управляющие сигналы схемы для двух ячеек может иметь преимущества над использованием раздельных источников возбуждающих сигналов для независимых ячеек в том, что необходимое число слоев и возбуждающих сигналов сокращено. Однако, когда желательно независимое управление ячейками, все же имеется преимущество в использовании сопряженных СПС, как описано выше в связи с фиг.4, для достижения более хорошего управления эффективным значением поверхностного сопротивления.
Вариант осуществления по фиг.7 имеет единственный средний электрод между верхней и нижней ячейками, воздействующий на разные поляризации. Эта компоновка может быть квалифицирована как частный случай ранее описанного подхода, когда один из СПС имеет поверхностное сопротивление, которое находится вне диапазона (очень высокое/бесконечное) для электрического (сигнального) привода. (На практике всегда имеется некоторый ток утечки, и поэтому поверхностное сопротивление не является, строго говоря, бесконечным, поэтому и среднее также конечно). Здесь, толщина нижней подложки 36c верхней ячейки выполнена так, чтобы быть тоньше, чем верхняя подложка 36b нижней ячейки. Один и тот же СПС слой 24b используется для управления двумя ориентированными крест-накрест ЖК-слоями 28b, 28c или двумя НЖКЛ. В этом случае разбросы напряжений в двух крест-накрест ориентированных ЖК-ячейках 28b, 28c и их оптические силы могут управляться синхронно, если удельная емкость на единицу площади между единственным СПС 24b и двумя электродами 32b, 32c из оксида индия и олова (и ЖК-слоями 28b, 28c) практически одна и та же (т.е. разность между ними меньше, чем критическое значение). Этого можно достичь соответствующим выбором зазора dG между двумя НЖКЛ, соответственных толщин подложек 36b и 36c, а также диэлектрических постоянных ε этих трех материалов (сред), т.е. двух подложек и зазора между НЖКЛ. Если другие параметры этих двух ячеек одни и те же (ЖК-слои 28b, 28c имеют одну и ту же толщину, ЖК-материалы имеют одинаковые диэлектрические постоянные, и т.п.), структура может регулироваться соотношением: d2/ε2+dG/εG=d1/ε1, где d1, d2 и dG есть толщины, соответственно, подложки 36b, подложки 36c и зазора dg, а ε1 ε2 и εG есть соответствующие диэлектрические постоянные (на частоте управления ЖК) для каждого из этих материалов (сред). Это другое условие «сопряжения» между двумя НЖКЛ, которое может позволить им работать синхронно с одинаковым фокусом (и с одной и той же управляющей схемой) для двух крест-накрест ориентированных поляризаций.
Характеристики одного из предложенных решений, проиллюстрированного на фиг.4, демонстрируются экспериментально на фиг.8. Сначала построены две независимые линзы - линза 1 и линза 2 (каждая только с одним жидкокристаллическим слоем и с управляющими электродами, покрытыми СПС), - именуемые половинными линзами, и сняты их характеристики. Как можно видеть, их передаточные функции, т.е. зависимость из оптической силы от управляющей частоты возбуждающего сигнала весьма различны. Например, максимальная оптическая сила для Линзы 1 достигается на возбуждающей частоте приблизительно 35 кГц, тогда как максимальная оптическая сила для Линзы 2 достигается на возбуждающей частоте приблизительно 150 кГц. Это различие имеет место вследствие разных значений поверхностных сопротивлений Rs в СПС 36a, 36b для двух «половинных» линз. Однако, когда эти две линзы используются вместе в соответствии с предложенным решением, две передаточные функции «сплавляются» воедино из-за сопряжения между двумя слоями СПС, расположенными один к другому ближе, нежели критическое расстояние. Результатом является объединенная «полная» линза и, как проиллюстрировано на фиг.8, передаточная функция этой объединенной линзы показывает, что практически одна и та же управляющая частота заставляет обе «половинных» линзы работать в унисон и обеспечивать одну и ту же оптическую силу. Таким образом, можно использовать только один возбудитель сигналов для фокусирования двух поляризационных компонент естественного света в одном и том же направлении.
Разнесение между верхней и нижней ячейками предложенного решения может устанавливаться с помощью разделительных шариков или управляемого количества клея. В некоторых вариантах осуществления реальная толщина и емкостные свойства ячеек можно измерять для определения того, какой нужно установить зазор dG между двумя НЖКЛ.
Изобретение не ограничивается жидкокристаллической линзовой слоеной структурой, проиллюстрированной здесь, хотя показаны отличные слои СПС, когда далее делается ссылка на СПС, такая ссылка устанавливается, чтобы включать в себя материалы, в которых решающую роль играет поверхностное сопротивление, с переменной проводимостью, материалы с зависящими от частоты характеристиками, например, описанные в международной заявке PCT/IB2009/052658, озаглавленной «Электрооптические приборы, использующие динамическую реконфигурацию эффективных электродных структур», поданную 21 июня 2009 года, и в международной заявке на патент РСТ/СА2011/050651, поданной 14.10.2011, озаглавленной «Бортовой способ автофокусировки и система для настраиваемого жидкокристаллического оптического элемента», заявляющей приоритет от предварительной заявки на патент США №61/424946, поданной 20 декабря 2010, которые обе включены сюда посредством ссылки, и легированные жидкокристаллические слои, например, описанные в международной заявке PCT/IB2009/052658, озаглавленной «Электрооптические приборы, использующие динамическую реконфигурацию эффективных электродных структур», поданной 21 июня 2009, которая включена сюда посредством ссылки.
На фиг.9 показан другой вариант осуществления предложенного решения, в котором средняя подложка 40 расположена между двумя ЖК-слоями 42, 44. С другой стороны ЖК-слоя 42 находится верхняя подложка 46, а с другой стороны ЖК-слоя 44 находится нижняя подложка 48. Каждая из подложек 46, 48 имеет плоскостной прозрачный электрод 50 и 52, соответственно, покрытый на стороне подложки, обращенной к средней подложке 40. Средняя электродная структура имеет два структурированных электрода с отверстиями 54, 56, по одному на каждой стороне подложки 40, а между средней подложкой и каждым из структурированных электродов с отверстиями 54, 56 находится СПС 58 и 60, соответственно.
В варианте осуществления по фиг.9 два плоскостных электрода 50, 52 имеют общее электрическое соединение, и два структурированных электрода с отверстиями 54, 56 имеют общее электрическое соединение. Электрический сигнал, приложенный между плоскостными электродами и структурированными электродами с отверстиями, вырабатывает электрические поля по каждому из ЖК-слоев 42, 44, соответственно. Размещение структурированных электродов с отверстиями 54, 56 и СПС 58, 60 внутри ЖК-ячеек позволяет использовать значительно более низкие напряжения (сигнальные амплитуды) для возбуждающего сигнала. Как и в описанных выше вариантах осуществления, два СПС 58, 60 будут иметь объединенное (синхронное) воздействие на электрические поля, управляющие ЖК-слоями 42, 44, вследствие сопряжения, даже когда производство слоеной структуры, такой как эта, может привести к более заметным различиям в поверхностном сопротивлении Rs двух СПС 58, 60. Эти различия, однако, могут быть смягчены уменьшением отношения d/ε для средней подложки 40.
Со ссылкой на реализации не зависящих от поляризации полных линз, таких как проиллюстрированные на фиг.9, экспериментальные испытания указывают на рассогласование в оптической силе между половинными линзами, получающееся из-за рассогласования Rs, зависящее не только от диэлектрической постоянной и толщины средней подложки 40, но также от линзовой геометрии (конструкции). Фиг.12 графически иллюстрирует изменения в рассогласовании оптической силы между слоями 58 и 60 СПС, имеющими различные значения рассогласования Rs для оптических приборов с не зависящими от поляризации настраиваемыми жидкокристаллическими линзами, имеющих диаметр кольца апертуры (ДКА) (ARD) структурированных электродов с отверстиями 54 и 56, равный 2 мм. Фиг.13 графически иллюстрирует измеренные изменения в рассогласовании оптической силы между слоями 58 и 60 СПС с зазором d для оптических приборов с не зависящими от поляризации настраиваемыми жидкокристаллическими линзами, имеющих диаметр кольца апертуры (ДКА) (ARD) структурированных электродов с отверстиями 54 и 56, равный 1,8 мм.
Другая разновидность этого варианта осуществления иллюстрируется на фиг.11. В этой разновидности снова присутствуют СПС 58, 60, однако средняя подложка 62 также имеет ненулевую проводимость, которая вносит вклад в сопряжение между СПС 58, 60. В данном варианте осуществления можно использовать более низкое возбуждающее напряжение, а на электрическое поле влияют не только СПС 58, 60, но также характеристики слабой проводимости средней подложки 62. В данном варианте осуществления желательно, чтобы поверхностное сопротивление СПС 58, 60 были намного ниже, чем 1/dσ, где d есть зазор между двумя СПС 58, 60, а σ есть проводимость средней подложки 62.
Фиг.10 иллюстрирует еще одну разновидность варианта осуществления по фиг.9, в которой СПС 58, 60 непосредственно смежны, соприкасаются, сплавлены и т.п. (по существу, раздельные СПС 58, 60 не присутствуют). Вместо этого, материал, выбранный для средней подложки 62, выбирается так, чтобы иметь желательную характеристику слабой проводимости и, поэтому, чтобы функционировать вместо отдельных слоев СПС практически как сопряженные СПС. Как и в варианте осуществления по фиг.9, слоеная структура по фиг.10 позволяет использовать более низкое возбуждающее напряжение, и на оба электрических поля влияет характеристика слабой проводимости средней подложки 62. Однако, когда средняя подложка 40 варианта осуществления по фиг.9 не является проводящей, средняя подложка 62 по фиг.10 имеет ненулевую проводимость, вносящую вклад в сопряжение. Например, такие материалы включают в себя:
| Оптические материалы | Электрические свойства |
| Стекло: D263T (объемное) | ε=6,7 |
| Стекло AF32 (объемное | ε=5,1 |
| Стекло с ε больше, чем 5 (к примеру, Schott ε=13) | ε>5 |
| Легированное стекло (объемное) | ε>15 |
| Карбид кремния (SiC) (тонкая пленка) | ε=10,2 |
| Халькогенидное стекло (объемное или тонкая пленка) | Проводящее или с переменной ε>10 |
| проводящее стекло (объемное) | Проводящее |
| Journal of Non-Crystalline Solids 112 (19899) 318-322 | |
| Композит на основе эпоксида (объемный или тонкая пленка) | Переменная ε>10 |
| Совмещенный полимер (объемный или тонкая пленка) | Переменная ε>10 |
| Полимерное стекло (объемное) | Переменная ε>10 |
| Полимерные пленочные конденсаторы (объемные) | Переменная ε>10 |
| Полимерная легированная нанотрубка и графен (объемные) | Проводящие |
| Проводящий полимер (объемный) | Проводящий |
| Легированная на основе оксида тонкая пленка (объемная или тонкая пленка) | Проводящая |
С позиции производства, на фиг.9, 10 и 11, иллюстрирующих геометрии жидкокристаллической полной линзы (не зависящей от поляризации), средние подложки 40, 62 могут быть воплощены как две раздельные подложки, например, связанные тонким слоем клея. Изобретение не ограничено одной и той же толщиной отдельных средних подложек (40/62). Кроме того, порядок слабо проводящих слоев и структурированных электродов с отверстиями может быть изменен на обратный, как иллюстрируется на фиг.4.
Регулировка волнового фронта проводящего плавающего электрода
Осознано, что резкое радиальное падение интенсивности электрического поля по ЖК-слою, генерируемого комбинацией структурированного электрода с отверстиями и управляющей электрическим полем структуры слабо проводящего слоя вызывает отличие от сферического фронта в оптическом приборе жидкокристаллической (ЖК) линзы. Фиг.14 иллюстрирует в увеличенном виде ЖК-линзу, подвергающую падающий свет асферическому волновому фронту, который стремится иметь уплощенную центральную вершину и подобное гауссовому снижение к периферии. В зависимости от свойств материала ЖК-линзы и параметров геометрии, таких как: соотношение диаметра структурированных электродов с отверстиями, разнесения электродов, и т.п., модуляционная передаточная функция (МПФ) (MTF) ЖК-линзы в некоторых случаях обеспечивает либо центральную сфокусированную область в незатененном раскрыве, либо периферийную сфокусированную область в незатененном раскрыве, и это может быть неприемлемо для приложений с незатененным раскрывом (большого) миллиметрового размера, поскольку это значительно ухудшает модуляционную передаточную функцию камеры, в которой применяется ЖК-линза.
Обнаружено, что плавающий электрод можно использовать для придания новой формы волновому фронту, в противном случае генерируемому комбинацией структурированного электрода с отверстиями и слабо проводящего слоя. В соответствии с предложенным решением, в зависимости от геометрии структуры и свойств материала, для изменения формы волнового фронта к сферическому волновому фронту можно применять по меньшей мере одно из: дискообразного, кольцеобразного или тороидального плавающего электрода комбинацией структурированного электрода с отверстиями и слабо проводящего слоя.
В соответствии с воплощением предложенного решения, фиг.15 иллюстрирует электрически плавающий, т.е. электрически не подключенный дискообразный слой между двумя слоями СПС. Предпочтительно, плавающий слой является по своей природе не диэлектрическим, в том числе проводниковыми или полупроводниковыми материалами, и как таковой может быть не возбуждаемым электродом, который преобразует фазовый профиль к желаемому (например, сферическому) фазовому профилю. Дискообразные плавающие электроды стремятся воздействовать (скруглить в поперечном сечении) на центральную часть электрического поля, тогда как кольцеобразные/тороидальные плавающие электроды стремятся воздействовать (скруглить в поперечном сечении) на его периферийную часть. В целом, раз плавающие электроды расположены вдоль оптического тракта в пределах диаметра структурированного электрода с отверстиями и, возможно, в пределах незатененного раскрыва оптического прибора, эти плавающие электроды, как правило, прозрачны. Обычно для оптических приборов с ЖК-линзой применяемые плавающие электроды предпочтительно являются прозрачными, хотя в некоторых воплощениях плавающий электрод может также принимать участие в обозначении оптической апертуры (всего) оптического прибора, и в этих случаях плавающие электроды могут быть не полностью прозрачными. Для дифракционных оптических приборов плавающие электроды могут быть также сконфигурированы так, чтобы обеспечить степень дифракции или коррекцию дифракции, и плавающему электроду не нужно быть полностью прозрачным.
С позиции производства, фиг.15 иллюстрирует геометрию жидкокристаллической полной линзы (не зависящей от поляризации), аналогичную геометриям полных линз, проиллюстрированным на фиг.9 и 11, в которых средняя подложка 40/62 реализована как две раздельные подложки, на по меньшей мере одной из которых нанесен плавающий электрод. Изобретение не ограничивается раздельными средними подложками (40/62) одной и той же толщины. Изобретение не ограничивается также нанесением плавающего электрода между раздельными средними подложками (40/62) оптического прибора с ЖК-линзой. Плавающий электрод может быть нанесен на сторону единственной средней подложки 40/62 либо в контакте, либо без контакта со слоем СПС на этой соответствующей стороне средней подложки 40/62, чтобы обеспечить эффект оперативной регулировки волнового фронта, необходимый в целом оптическом приборе.
В соответствии с другим вариантом осуществления предложенного решения, по меньшей мере один плавающий электрод применяется в слоеной геометрии оптического прибора, в которой разнесение слоев СПС предпочтительно, но не обязательно, меньше чем критическое диэлектрическое расстояние, обеспечивающее сопряженную работу, влияющую на его характеристики. В жидкокристаллической полной линзе плавающий электрод размещается между двумя жидкокристаллическими половинными линзами, обеспечивающими синхронную работу комбинированной полной линзы путем генерирования регулировок профиля фазового фронта в каждой половинной линзе. Например, регулировки фазового фронта к сферическому волновому фронту могут быть предусмотрены для геометрий (и параметров) ЖК-линз, как иллюстрируется, но не ограничивается, на фиг.9 и 11.
Фиг.16 графически иллюстрирует регулировки волнового фронта в ЖК-линзе, применяющей проводящий дисковый плавающий электрод в слоеной геометрии, проиллюстрированной на фиг.15, с сопряжением СПС при зазоре d=100 мкм и ε=6,9. Кривая, помеченная «нет третьего электрода», соответствует таким слоеным геометриям, какие проиллюстрированы на фиг.9 и 11, в отсутствие плавающего электрода, обеспечивающим профиль волнового фронта, имеющий плоскую область в середине, приводящую к относительно высоким сферическим аберрациям. Для иллюстративной геометрии ЖК-линзы, имеющей диаметр кольца апертуры (ДКА) структурированного электрода с отверстиями, равный 2 мм, при добавлении плавающего электрода, в примере диск из оксида индия и олова, профиль волнового фронта становится более и более сферическим в середине при увеличении диаметра плавающего электрода. Однако улучшение профиля волнового фронта теряется, если диаметр диска плавающего электрода больше, чем кольцеобразного структурированного электрода с отверстиями, как иллюстрируется кривой, помеченной «однородный третий электрод».
Фиг.17B иллюстрирует результаты моделирования регулировки волнового фронта при оптической силе 10 диоптрий для геометрии ЖК-линзы, проиллюстрированной на фиг.15. Экспериментальные результаты для той же самой геометрии ЖК-линзы, графически иллюстрируемые на фиг.17A, подтверждают качественное поведение. Кривые иллюстрируют сферические аберрации (СА) (SA) в особенности порядки 3, 5 и 7, а кривая «СКВ» (среднеквадратичная величина) («RMS») иллюстрирует СКВ аберрации. Результаты зависят от возбуждающего напряжения.
Геометрия плавающего электрода может быть сконфигурирована для различных параметров оптического прибора (в том числе для параметров, относящихся к форматам камеры, в которых используется ЖК-линза), таких как - но без ограничения ими - толщина средней подложки/зазора, незатененный раскрыв, диэлектрическая постоянная материала зазора и т.п. Общие тенденции одинаковы при некоторых количественных различиях, что можно учесть для каждой ЖК-линзы. Фиг.18 иллюстрирует скругление (в поперечном сечении) улучшения профиля волнового фронта дискообразного плавающего электрода, остающегося при других установках оптической силы, к примеру, при 5 диоптриях и 10 диоптриях.
Для определенности, если для конкретного приложения требуется уплощенная часть профиля волнового фронта, то для этой цели можно применить проводящий плавающий электрод в соприкосновении с СПС. Кроме того, для получения проводящего плавающего электрода можно применять проводящее стекло.
Регулировка волнового фронта плавающей управляющей электрическим полем структуры
Изобретение в соответствии с другим вариантом осуществления предложенного решения не ограничивается проводниковыми/полупроводниковыми материалами плавающего электрода, можно использовать такой плавающий «резистивный» элемент как - но без ограничения ими - диск, кольцо, тороид и т.п. в управляющей электрическим полем структуре, чтобы обеспечить дополнительное динамическое управление фазовым фронтом. Если материал имеет зависящую от частоты проводимость, обеспечивается зависящее от частоты управление оптическим прибором.
Фиг.19 иллюстрирует не зависящую от поляризации слоеную структуру полной линзы, использующую единственный центральный структурированный электрод с отверстиями и единственный слабо проводящий слой для синхронной работы обеих половинных линз, как описано в международной заявке PCT/IB2009/052658, озаглавленной «Электрооптические приборы, использующие динамическую реконфигурацию эффективных электродных структур», поданную 21 июня 2009 года, и в международной заявке на патент РСТ/СА2011/050651, поданной 14.10.2011, озаглавленной «Бортовой способ автофокусировки и система для настраиваемого жидкокристаллического оптического элемента», заявляющей приоритет от предварительной заявки на патент США №61/424946, поданной 20 декабря 2010, которые обе включены сюда посредством ссылки. Единственный слой СПС, предпочтительно, но не обязательно включающий в себя зависящий от частоты материал, применяется с единственным кольцевым структурированным электродом с отверстиями, общим для обеих половинных ЖК-линз для синхронного управления электрическими полями на любой стороне центрального структурированного электрода с отверстиями между центральным структурированным электродом с отверстиями и плоскими электродами на наружных сторонах каждой половинной ЖК-линзы.
В соответствии с другим вариантом осуществления предложенного решения для скругления профиля волнового фронта можно применять СПС, имеющий пространственное распределение. Фиг.20 иллюстрирует измеренный профиль волнового фронта и соответствующее наилучшее квадратичное приближение для геометрии половинных ЖК-линз, проиллюстрированной на фиг.19, имеющей амплитуду напряжения возбуждающего сигнала 28 Вскв и частоту 30 кГц с поверхностным сопротивлением Rs пространственно однородного СПС. Фиг.21 является графиком нормированного поверхностного сопротивления, сконфигурированного для обеспечения регулировки фазового фронта, соответствующей квадратичному приближению, проиллюстрированному на фиг.20, где X означает радиальное направление. Фиг.22 подтверждает, что скругление волнового фронта сохраняется для той же самой геометрии ЖК-линзы, когда используется возбуждающий сигнал, имеющий частоту 21 кГц и ту же самую амплитуду напряжения.
В соответствии с другой реализацией последнего варианта осуществления предложенного решения для скругления профиля волнового фронта применяется пространственное распределение Rs в виде кольца/тороида. Фиг.23 иллюстрирует слоеную структуру полной ЖК-линзы с единственным центральным кольцевым элементом СПС. Второй кольцевой/тороидальный слой СПС может применяться для обеспечения коррекции скругления первого порядка, как иллюстрируется на фиг.24. Хотя плоская вершина уменьшается, улучшенное снижение волнового фронта включает в себя последовательно более крутой наклонный профиль.
Фиг.25 иллюстрирует моделированные аберрации при оптической силе 10 диоптрий со вторым кольцом СПС на верху центрального слоя СПС для геометрии половинной линзы, проиллюстрированной на фиг.23.
В соответствии с другими реализациями предложенного решения множество плавающих элементов, включающих в себя плавающие электроды и плавающие резистивные структуры, имеющие каждая дисковую, кольцевую, тороидальную и т.п. формы, может применяться для конфигурирования коррекции профиля волнового фронта.
Хотя некоторые из жидкокристаллических ячеек, описанных выше и проиллюстрированных на чертежах, имеют единственную ориентацию с двумя ячейками ортогональной ориентации для не зависящей от поляризации работы, понятно, что возможны и иные конструкции. Например, чтобы обеспечить лучшую угловую независимость работы, можно предусмотреть множество ячеек, противоположных каждой поляризации. Примером этого является конструкция разделенной ячейки, показанная на фиг.13A совместно переуступленной международной заявки РСТ/СА2009,000743, описание которой включено сюда посредством ссылки. Отметим также, что хотя описанные выше варианты осуществления используют единичные кольцевые электроды, возможны также и иные геометрии, такие как кольцевой электрод, который сегментирован для обеспечения настраиваемой регулировки к напряжению и частоте по окружности электрода, так что оптическую ось и (или) форму линзы можно регулировать/корректировать.
Хотя некоторые из жидкокристаллических ячеек, описанных выше и проиллюстрированных на чертежах, имеют кольцевой структурированный электрод с отверстиями, изобретение им не ограничивается. Например, международная заявка РСТ/СА2010/002023, поданная 23 декабря 2010 года, которая включена сюда посредством ссылки, описывает настраиваемые жидкокристаллические оптические приборы, в том числе - но без ограничения ими - линзы, имеющие сегментированный структурированный электрод с отверстиями для управления электрическим полем по жидкокристаллическому слою, давая возможность прикладывать асимметричные фазовые профили для отклонения света, стабилизации оптического изображения и способности субпиксельного сдвига. При обратной связи от датчика изображения такую геометрию можно использовать для стабилизации изображения.
Жидкокристаллические ячейки, описанные выше и проиллюстрированные на чертежах, относятся к линзам и приборам управления лучом, но с помощью предложенного решения можно делать и иные оптические приборы. Например, жидкокристаллический материал можно смешивать с материалом, имеющим большую анизотропию поглощения (иначе называемым материалами «дихроичного поглощения»), управляемо ориентируемыми, чтобы действовать как не зависящий от поляризации затвор или как диафрагменный прибор. Различия в коэффициентах поглощения между двумя состояниями ориентации (по отношению к поляризации света) могут быть порядка величины, когда свойства материала, обычно длина молекул (а именно, отношение ширины к длине), равно как и способность поглощать свет в пределах делаемого спектра, хорошо согласованы. Угольные нанотрубки, цепочки и дихроичные красители, металлические или полупроводниковые наностержни могут предлагать отношение ширины к длине, поглощающие свойства и стабильность, годные для таких применений.
Проиллюстрированные здесь оптические приборы могут применяться или в единственной поляризации, и (или) в не зависящей от поляризации геометрии в таких приложениях, как - но без ограничения ими - миниатюрные камеры (мобильный, сотовый телефон, веб-камера, планшет и т.п.), эндоскопические оптические элементы, внутриглазные приборы, системы восприятия цифровых видеодисков/Blu-Ray™ и т.д. («Blu-Ray» является товарным знаком Blu-Ray Disc Association).
Хотя изобретение показано и описано со ссылкой на его предпочтительные варианты осуществления, специалисты поймут, что в нем могут быть сделаны различные изменения в форме и деталях без отхода от сущности и объема изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.
1. Жидкокристаллический оптический прибор, содержащий по меньшей мере один жидкокристаллический слой, расположенный между подложками, несущими ориентирующие слои, и электродную структуру с отверстиями и со слабо проводящим материалом в пределах апертуры указанной структуры, обеспечивающую пространственно модулированное электрическое поле, отличающийся тем, что электродная структура с отверстиями выполнена с возможностью изменения фазового фронта в жидкокристаллическом слое за счет наличия электропроводящей структуры плавающего электрода, которая меньше, чем указанная апертура, и является внешней по отношению к указанной электродной структуре, над апертурой.
2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что является линзой, указанная апертура является по существу круглой, а плавающий электрод содержит проводящий диск, расположенный по центру над апертурой.
3. Прибор по п. 2, в котором электродная структура выполнена на подложках рядом с ориентирующими слоями, при этом проводящий диск расположен на стороне одной из подложек, противоположной кольцевому электроду указанной электродной структуры.
4. Прибор по п. 2, отличающийся тем, что содержит пространственно неоднородный слой из указанного слабо проводящего материала, причем указанный пространственно неоднородный слой включает в себя кольцо из слабо проводящего материала в пределах апертуры.
5. Прибор по п. 4, в котором кольцо из слабо проводящего материала нанесено на практически однородный слой из указанного слабо проводящего материала.
6. Прибор по п. 4 или 5, в котором электродная структура выполнена на подложках рядом с ориентирующими слоями.
7. Прибор по п. 1, содержащий:
два жидкокристаллических слоя, имеющих ориентирующие слои, размещенные по существу в ортогональных направлениях; и
по меньшей мере один указанный слабо проводящий слой или больше слабо проводящих слоев из указанного слабо проводящего материала.
8. Жидкокристаллический оптический прибор, содержащий по меньшей мере два жидкокристаллических слоя, каждый из которых расположен между подложками, несущими ориентирующие слои, и соответствующую электродную структуру с отверстиями и со слабо проводящим материалом в пределах апертуры указанной структуры, обеспечивающую пространственно модулированное электрическое поле, отличающийся тем, что электродная структура с отверстиями выполнена с возможностью изменения фазового фронта в каждом жидкокристаллическом слое за счет наличия:
электропроводящей структуры плавающего электрода, которая меньше, чем указанная апертура, и является внешней по отношению к каждой электродной структуре, над апертурой, и
двух слабо проводящих слоев, каждый слабо проводящий слой соответствует одному из указанных жидкокристаллических слоев.
9. Жидкокристаллический оптический прибор, содержащий:
первый жидкокристаллический слой, оказывающий влияние на первую поляризацию, расположенный между подложками, несущими ориентирующие слои, первый плоскостной электрод, первый структурированный электрод с отверстиями и первый слабо проводящий слой, расположенный смежно с указанным первым структурированным электродом с отверстиями;
второй жидкокристаллический слой, оказывающий влияние на вторую поляризацию, расположенный между подложками, несущими ориентирующие слои, второй плоскостной электрод, второй структурированный электрод с отверстиями и второй слабо проводящий слой, расположенный смежно со вторым структурированным электродом с отверстиями, и электропроводящую структуру плавающего электрода, которая меньше, чем указанная апертура, и является внешней по отношению к электродной структуре, над апертурой.
10. Прибор по п. 9, в котором по меньшей мере один структурированный электрод с отверстиями дополнительно содержит сегментированный структурированный электрод с отверстиями, обеспечивающий асимметричные фазовые профили для отклонения света, стабилизации оптического изображения и субпиксельного сдвига.
11. Прибор по п. 1, содержащий пространственно однородный слой из слабо проводящего материала или пространственно неоднородный слой из слабо проводящего материала.
12. Прибор по п. 8, который представляет собой линзу, указанная апертура является практически круглой, а указанный плавающий электрод содержит проводящий диск, расположенный центрированно над апертурой.
13. Прибор по п. 12, в котором электродная структура выполнена на указанных подложках рядом с ориентирующими слоями, при этом указанный проводящий диск расположен со стороны одной из указанных подложек, противоположно кольцевому электроду указанной электродной структуры.
14. Прибор по п. 8, в котором указанные жидкокристаллические слои имеют ориентирующие слои, расположенные по существу в ортогональных направлениях.
15. Жидкокристаллический оптический прибор, содержащий по меньшей мере один жидкокристаллический слой, расположенный между подложками, несущими ориентирующие слои, и электродную структуру с отверстиями и со слабо проводящим материалом в пределах апертуры указанной структуры, обеспечивающую пространственно модулированное электрическое поле, отличающийся тем, что электродная структура с отверстиями выполнена с возможностью изменения фазового фронта в жидкокристаллическом слое за счет наличия по меньшей мере по одному каждого из следующих компонентов:
проводящая структура плавающего электрода в виде диска, внешняя по отношению к указанной электродной структуре, причем указанная структура плавающего электрода расположена центрированно над практически круглой апертурой; и
слой из слабо проводящего материала.
16. Прибор по п. 15, в котором слой из слабо проводящего материала является пространственно неоднородным слоем.
17. Прибор по п. 15 или 16, в котором электродная структура выполнена на указанных подложках рядом с ориентирующими слоями, при этом указанный проводящий диск расположен со стороны одной из указанных подложек, противоположно кольцевому электроду указанной электродной структуры.
18. Прибор по п. 15 или 16, содержащий
два указанных жидкокристаллических слоя, имеющих ориентирующие слои, расположенные по существу в ортогональных направлениях, и
по меньшей мере один указанный слой из слабо проводящего материала.
19. Жидкокристаллический оптический прибор, содержащий по меньшей мере один жидкокристаллический слой, расположенный между подложками, несущими ориентирующие слои, и электродную структуру с отверстиями и со слабо проводящим материалом в пределах апертуры указанной структуры, обеспечивающую пространственно модулированное электрическое поле, отличающийся тем, что электродная структура с отверстиями выполнена с возможностью изменения фазового фронта в жидкокристаллическом слое за счет наличия одного или нескольких из следующих компонентов:
структура плавающего электрода, внешняя по отношению к указанной электродной структуре, причем указанная структура плавающего электрода расположена над практически круглой апертурой; и
пространственно неоднородный слой из слабо проводящего материала, причем указанный пространственно неоднородный слой включает в себя кольцо из слабо проводящего материала, расположенное по центру внутри указанной апертуры.
20. Прибор по п. 19, в котором указанное кольцо из слабо проводящего материала нанесено на практически однородный слой из указанного слабо проводящего материала.
21. Прибор по п. 19 или 20, в котором электродная структура выполнена на указанных подложках рядом с ориентирующими слоями.
22. Прибор по п. 19 или 20, содержащий
два указанных жидкокристаллических слоя, имеющих ориентирующие слои, расположенные по существу в ортогональных направлениях, и
по меньшей мере один указанный слабо проводящий слой или больше слабо проводящих слоев из указанного слабо проводящего материала.
23. Прибор по п. 21, содержащий
два указанных жидкокристаллических слоя, имеющих ориентирующие слои, расположенные по существу в ортогональных направлениях, и
по меньшей мере один указанный слабо проводящий слой или больше слабо проводящих слоев из указанного слабо проводящего материала.
