[发明专利]用于空间调制的电场的生成以及使用液晶的电光调谐的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及电子可控光学器件，尤其是，涉及一种用于空间非均匀电场的产生以及其在使用液晶(LC)的折射和衍射光学元件的光学属性的电光调谐中使用的方法和设备。

背景技术

在本领域中众所周知的，智能(自调节)光学成像系统的成功实现需要能够可控地改变它们的光学属性的器件。需要是可调节的最重要的光学功能之一是聚焦能力和聚焦距离。这些属性对于，例如，制造高质量的手机照相机，储存/读取系统，可调的接触式玻璃以及其他的视觉系统来说是基本的。

在现代的高性能光学成像系统中，光学变焦通过机械移动的使用获得。这意味着那些成像系统相对地大(为了容纳，例如，步进电机)，重且一般具有较慢的变焦(在秒的数量级)。

若干方法已经被开发出以代替电机械变焦。使用改变孔径的液体变焦透镜已经被示出【H.Ren，S-T Wu，Variable-focus liquid lens bychanging aperture，Appl.Phys.Lett.，v.86，211107，2005】。导电不混溶液体的电润湿作用也已被用于获得聚焦调谐【S.Kuiper，B.H.W.Hendriks，Variable-focus liquid lens for miniature cameras，Appl.Phys.Letters，V.85，No.7，1128，2004】。然而在两种方法中，传递到单元的可变电压，引起形状的机械改变。因此，即使，如果没有自由空间明显移动部件，聚焦变化仍然基于机械移动。这是人们非常不期望的，因为这样的系统的操作对于环境振动和气温改变是脆弱的。

众所周知，液晶可以提供巨大的电子控制折射率改变【L.M.Blinov，V.G.Chigrinov，Electrooptic effects in Liquid Crystal Materials，Springer-Verlag，N.Y.459页，1994】。然而，聚焦调谐(其为光学变焦的需要)需要在液晶中空间变化的折射率改变的生成。这，依次地，通常需要空间非均匀的液晶层(例如，浸没在液晶单元中的透镜或者梯度聚合物网络稳定的的液晶【V.V.Presnyakov，K.E.Asatryan和T.Galstian，A.Tork，Tunable polymer-stabilized liquid crystal microlens，Optics Express，Vol.10，No.17，8月26日，第865-870页，2002】)或者空间地变化电场。

空间非均匀的LC层的示意性表示被示于图1a(现有技术)中，【L.G.Commander，S.E.Day，D.R.Selviah，Variable focal lengthmicrolenses，Optics Communications，V.177，第157-170页，2000】其中LC层(1)被夹在两个由均匀透明的电极(4)覆盖的透明的玻璃衬底(2)之间。衬底(2)被厚度为d的被LC填充的空隙分隔。在LC单元内部，有半球的外形的折射率为n_m的透明的光学材料(3)。LC的有效折射率n_eff(由其定向器n的取向定义，定向器n是长的分子轴的平均方向)可以通过跨过LC层施加的电压V来相应于n_m改变。相对对比度n_eff(V)-n_m可以因此被改变，导致整个系统的焦距F(V)的改变。然而，LC的取向典型地通过机械摩擦获得，该方法很难在工业制造中应用。同样，向错线容易出现在电压的施加上。这就是我们为什么不能进一步分析这些解决方案的原因。

获得非均匀的LC取向的另一个方法是引入稳定的LC矩阵的非均匀聚合物网络【T.Galstian，V.Presniakov，A.Tork，K.Asatryan，Electricallyvariable focus polymer-stabilized liquid crystal lens，美国专利申请公开20050018127-A1】。然而，相对高的光散射(由于小尺寸的非均匀LC重取向)使得该方法较少引起实际应用的兴趣。