多深度液晶电极层透镜制造技术

典型的液晶透镜包含夹在利用环电极图案化的透明衬底之间的液晶。在所述电极上施加电压使液晶分子旋转，从而改变其表观折射率和所述透镜的焦距。所述环电极由间隙分开，且朝向所述透镜的周边变窄。如果所述环电极太窄，则它们无法很好地切换所述液晶。为了解决此问题，一种发明专利技术性液晶透镜包含具有阶梯状表面的衬底，所述阶梯状表面限定厚度随透镜半径增加的同心液晶区域。每个区域由不同的环电极组进行切换，所述不同的环电极组可以在所述阶梯状表面上、在所述阶梯状表面下方或与所述阶梯状表面相对。在每个区域内，所述环电极距所述透镜的中心越远，变得越窄。但所述环电极的宽度也随液晶厚度增加，从而抵消会降低透镜性能的宽度减小。宽度减小。宽度减小。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多深度液晶电极层透镜
[0001]相关申请交叉引用
[0002]本申请要求2019年12月6日提交的第62/944,483号美国申请的优先权权益，所述美国申请以全文引用的方式并入本文中。

技术介绍

[0003]一种类型的液晶透镜由密封在两个透明衬底的相对面之间的液晶构成。所述透镜包含在透明衬底的相对面上的透明电极和对准层。对准层使液晶相对于衬底对准。透明电极中的一者可以例如以环或像素的形状图案化。另一透明电极可以是未图案化的，且充当接地平面。
[0004]将电压施加到图案化电极在整个液晶上会产生电场。各向异性的液晶分子通过电场对准自身，从而改变局部折射率。将电压梯度施加到图案化电极会产生梯度电场，其中每个电极产生与其邻近电极不同的电场。因为电场影响液晶的折射率，所以梯度电场产生液晶中的折射率的变化梯度，这继而可以产生光学透镜效应。图案化电极可以是圆形、线性、椭圆形或对于在液晶中产生的折射率梯度和透射通过透镜的波前的对应变化所需的几乎任何其它形状。
[0005]圆环电极在液晶透镜中是常见的。这些环电极通常由厚度在5nm与200nm之间的氧化铟锡(ITO)层光刻形成。ITO层沉积在第一透明衬底上，例如熔融石英玻璃，其可经受住真空、温度和光刻工艺的处理。图案化电极涂布有绝缘层，例如SiO2或SU
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8光阻剂。此绝缘层覆盖环电极且填充邻近环电极之间的间隙，从而使环电极彼此电隔离。
[0006]总线将环电极连接到电压供应器。这些总线是沉积在绝缘层上且光刻图案化的例如镍的导电材料的薄迹线。每个总线通过形成于绝缘层中的通孔连接到对应环电极。具有少量电极(例如，20个或更少)的透镜可以每个电极具有一个总线。在具有大量电极(例如，数百个电极)的透镜中，每个总线可以连接到电极子集，所述电极子集经由电阻桥(resistive bridge)彼此连接。(关于电阻桥的更多内容，参见例如Van Heugten等人的第10,599,006号美国专利，其标题为“具有凸起电阻桥的电活性透镜(Electro
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Active Lenses with Raised Resistive Bridges)”且以全文引用的方式并入本文中。)
[0007]环电极、总线和绝缘层涂布有对准层，例如由日本东京的日产化学公司(Nissan Chemical Corporation)制造的聚酰亚胺树脂化学品的线。透镜的其它透明衬底可涂布有充当接地平面和对准层的未图案化ITO层。例如Merck MLC
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2140液晶等液晶材料密封在透明衬底的涂布表面之间以形成透镜。
[0008]在具有环电极的液晶透镜中，环电极距透镜的中心越远，逐渐变得越窄，而相邻环电极之间的间隙全部为大约相同的宽度。此方法的一个问题为，总电场振幅随着透镜半径而减小，因为在环电极之间的间隙上方没有产生电场。因此，超出某一距离，例如，在典型透镜中在10mm的半径处，环电极变得太窄以至于无法产生有效总电场：电极的宽度与邻近电极之间的间隙的宽度的比率变得太小以至于无法在透镜的周边处产生有效总电场。
[0009]例如，如果电极宽度为100μm，并且该电极的任一侧上的间隙宽度为3μm，那么在该
点处作用于液晶的约3％的电场被破坏，从而引起相对较小的非所需光学效应。随着透镜变大，间隙保持恒定，但电极变窄，从而引起电极宽度与间隙宽度的比率减小。在电极宽度为30μm且间隙宽度仍为3μm的透镜中的点处，间隙宽度为电极宽度的10％，从而破坏大约10％的电场。3％的破坏可以是可容许的，但10％的破坏(以及此量所致的透镜劣化)可能不是可容忍的。这种破坏限制了液晶透镜的直径、环电极的数目和/或最小环电极宽度。
[0010]在电极宽度
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间隙宽度比变得太小之前增加透镜直径的一种方式为增加液晶的厚度。随着液晶层厚度增加，用于切换液晶材料的电场也增加，并且用于产生电场的电极环的宽度也增加。本质上，除了间隙宽度，透镜的每个尺寸都按比例放大，所述间隙宽度通常由用于对电极进行图案化的光刻的空间分辨率设定。不利的是，增加液晶层的厚度使透镜切换得更缓慢(即，透镜的切换速度减小)，这不合需要，从而限制了此解决方案的有用性。

技术实现思路

[0011]本专利技术技术实现较大基于电极的液晶透镜，同时减少或最大限度地减少切换速度的下降，并且防止电极宽度与间隙宽度的比率低到不可接受。专利技术性透镜适合用于或用作眼科镜片，例如眼镜镜片、隐形眼镜和眼内透镜。它们还可用于混合、增强和虚拟现实系统中以调整查看者感知的虚拟对象的表观位置，以及用于成像相机、夜视传感器和使用透镜的任何其它光学装置中。
[0012]本专利技术技术包含一种电活性透镜，其具有第一衬底、第二衬底、液晶材料、接地电极和多个环电极。第一衬底具有均匀(例如，平坦或平滑)表面。第二衬底具有与均匀表面相对的阶梯状表面。该阶梯状表面至少具有第一阶梯和第二阶梯。液晶材料安置在均匀表面与阶梯状表面之间。接地电极安置在均匀表面或阶梯状表面上。环电极安置在均匀表面或阶梯状表面中的另一者上，其中至少两个环电极用于第一阶梯，并且至少两个环电极用于第二阶梯。在操作中，环电极在液晶材料上施加电压。该电压产生电场，所述电场使液晶分子自身重新定向，从而改变电活性透镜的焦距。
[0013]均匀表面可以是平面表面或弯曲表面。
[0014]阶梯状表面可以由与电活性透镜的光轴同心的不同直径的堆叠圆柱体形成。第一阶梯可以比第二阶梯高某一高度，所述高度被选择为提供等于电活性透镜的设计波长下的整数个波的光程距离。
[0015]第一阶梯可以具有与均匀表面相对且以电活性透镜的光轴为中心的圆形面，并且第二阶梯具有与圆形面同心且与均匀表面相对的环形面。圆形面与平面表面分开第一距离，并且环形面与均匀表面分开大于第一距离的第二距离。接地电极可以安置在阶梯状表面上，在此情况下，环电极安置在均匀表面上，其中用于第一阶梯的至少两个环电极与圆形面相对，并且用于第二阶梯的至少两个环电极与环形面相对。替代地，接地电极可以在均匀表面上，并且环电极可以在阶梯状表面下方，其中至少两个环电极在圆形面下方，并且至少两个环电极在环形面下方。接地电极还可以安置在均匀表面上，并且多个环电极可以安置在阶梯状表面上，其中至少两个环电极在圆形面上，并且至少两个环电极在环形面上。在此情况下，所述电活性透镜还可包含安置在连接圆形面和环形面的圆柱形面上的总线，以将圆形面上的环电极中的至少一者连接到电压供应器。
[0016]用于第一阶梯的环电极可包含具有第一直径和第一宽度的第一电极，并且用于第
二阶梯的环电极可包含具有大于第一直径的第二直径和大于第一宽度的第二宽度的第二电极。可存在用于第一阶梯的至少十个环电极和用于第二阶梯的至少十个环电极。用于第一阶梯的环电极中的每一者可以具有第一面积，并且用于第二阶梯的至少两个环电极中的每一者可以具有大于第一面积的第二面积。
[0017]所述电活性透镜还可包含连接用于第一阶梯的环电极中的两者的第一电阻桥，以及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电活性透镜，其包括：第一衬底，其具有均匀表面；第二衬底，其具有与所述均匀表面相对的阶梯状表面，所述阶梯状表面至少具有第一阶梯和第二阶梯；液晶材料，其安置在所述均匀表面与所述阶梯状表面之间；接地电极，其安置在所述均匀表面或所述阶梯状表面中的一者上；以及多个环电极，其安置在所述均匀表面或所述阶梯状表面中的另一者上，用于在所述液晶材料上施加电压，所述多个环电极包括用于所述第一阶梯的至少两个环电极和用于所述第二阶梯的至少两个环电极。2.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述均匀表面是平面表面。3.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述均匀表面是弯曲表面。4.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述阶梯状表面由与所述电活性透镜的光轴同心的不同直径的堆叠圆柱体形成。5.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述第一阶梯比所述第二阶梯高某一高度，所述高度被选择为提供等于所述电活性透镜的设计波长下的整数个波的光程距离。6.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述第一阶梯具有与所述均匀表面相对且以所述电活性透镜的光轴为中心的圆形面，并且所述第二阶梯具有与所述圆形面同心且与所述均匀表面相对的环形面。7.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中所述圆形面与所述平面表面分开第一距离，并且所述环形面与所述均匀表面分开大于所述第一距离的第二距离。8.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中所述接地电极安置在所述阶梯状表面上，并且所述多个环电极安置在所述均匀表面上，其中用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极与所述圆形面相对，并且用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极与所述环形面相对。9.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中所述接地电极安置在所述均匀表面上，并且所述多个环电极安置在所述阶梯状表面下方，其中用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极在所述圆形面下方，并且用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极在所述环形面下方。10.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中所述接地电极安置在所述均匀表面上，并且所述多个环电极安置在所述阶梯状表面上，其中用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极在所述圆形面上，并且用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极在所述环形面上。11.根据权利要求10所述的电活性透镜，其进一步包括：总线，其安置在连接所述圆形面和所述环形面的圆柱形面上，以将用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极中的至少一者连接到电压供应器。12.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极包含具有第一直径和第一宽度的第一电极，并且用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极包含具有大于所述第一直径的第二直径和大于所述第一宽度的第二宽度的第二电极。13.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述多个环电极包括用于所述第一阶梯的至少十个环电极和用于所述第二阶梯的至少十个环电极。14.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极中的每一者具有第一面积，并且用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极中的每一者具有
大于所述第一面积的第二面积。15.根据权利要求1所述的电活性透镜，其进一步包括：第一电阻桥，其连接用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极中的两者；以及第二电阻桥，其连接用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极中的两者。16.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述第一阶梯比所述第二阶梯更靠近所述电活性透镜的光轴，且所述电活性透镜进一步包括：第一间隔护条，其在所述第一阶梯与所述均匀表面之间具有第一直径；以及第二间隔护条，其在所述第二阶梯与所述均匀表面之间具有大于所述第一直径的第二直径。17.一种用电活性透镜聚焦光的方法，所述电活性透镜包括：第一衬底，其具有均匀表面；第二衬底，其具有与所述均匀表面相对的阶梯状表面且至少具有第一阶梯和第二阶梯；液晶材料，其安置在所述均匀表面与所述阶梯状表面之间；以及多个环电极，所述方法包括：用施加到所述多个环电极中的至少两个内环电极的电压致动所述液晶材料的在所述第一阶梯与所述均匀表面之间的第一部分；以及用施加到所述多个环电极中的至少两个外环电极的电压致动所述液晶材料的在所述第二阶梯与...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：E视觉智能光学公司，
类型：发明
国别省市：