[发明专利]可变液晶光学装置

说明书

用于控制光的传播的可变液晶光学器件具有耦合到基板和电极结构的一个或多个透明薄膜高电阻层(HRL)。HRL具有芯层和覆盖层或邻近层，其中芯层材料具有比覆盖层材料更高的导电性和更高的折射率；并且其中所述芯层和覆盖层材料具有基本相同的氧化物形成自由能。以这种方式，电极结构将具有环境稳定性并且响应于施加的电流以产生空间上不均匀的磁场。

本申请要求的优先权是2014年5月5日提交的美国临时专利申请61/988,662。

技术领域

本申请涉及液晶光学装置。

背景技术

在2009年12月23日公开并同样是由本申请人提出的国际PCT专利申请公开文本WO2009/153764中，描述了具有使用与电极和单元几何结构相结合的弱导电或高电阻材料的可变液晶光学器件，例如透镜，其具有液晶控制电场电极，其允许使用控制信号的频率来调谐装置的光学性质。例如，可以在液晶单元的一侧使用环形电极，而可以在液晶单元的相对侧使用平面电极。可以在环形电极附近提供一层高电阻材料或高电阻层(HRL)。

在不存在HRL的情况下，由于几何形状的原因，电场将集中在透镜光通孔的周围，例如，透镜光通孔可以为约3mm，单元厚度为约50微米。由于电极之间的间隔比直径小约60倍，因此可以理解，电场不能扩展以控制透镜的中心部分。此外，电场线不平行于这种透镜的光轴，因此出现了对应于液晶的光轴的不对称性。包含这样的HRL是使得环形电极处的电场在整个光通孔上出现，从周边到中心光轴的强度逐渐衰减。电场线也基本上平行于光轴。

发明内容

已经发现，在获得所需性能的同时，这样的HRL可能对制造和应用来说是一个挑战。一个问题是所用物质的化学稳定性。氧化钛可以在HRL中有效地起作用，然而，通过暴露于其它含氧物质，其氧化态的变化可改变其导电性能。另外，HRL处于透镜的光路中，必须例如通过折射率匹配的方式，引入尽可能小的光学损耗。

已经发现，HRL的材料性质和光学折射率匹配的稳定性，可以通过将HRL包封在具有合适的氧气阻挡层和折射率特性的合适材料中来实现。

在一些实施例中，提供了一种用于控制光的传播的可变液晶光学器件，包括基板，耦合到所述基板的电极结构，将所述电极结构互连的至少一个电触头，至少一个透明薄膜HRL层耦合到所述基板和所述电极结构。HRL薄膜层包括至少一个芯层和至少一个覆盖层或邻近层，其中芯层材料比覆盖层材料具有更高的导电性和更高的折射率；并且其中所述芯层和覆盖层材料具有基本相同的氧化物以形成自由能。以这种方式，电极结构将是环境稳定的并且响应于施加的电流以产生空间上不均匀的磁场。

根据一些实施例，提供了一种制造液晶光学器件的方法，其包括5层叠层的HRL，其由一层氧化钛TiOx芯层材料(x在1.4和1.8之间)，围绕TiOx芯层材料的两个紧邻的Ta₂O₅邻近层材料，以及围绕两个Ta₂O₅邻近层材料的两个Al₂O₃邻近层材料所组成。HRL通过电子束物理气相沉积(EBPVD)沉积在100微米厚的SiO₂基板上，并且在1MΩ/□至100MΩ/□的范围内提供稳定的电阻值Rs，在波长500nm的可见光下具有低光学反射损失。

根据一些实施例，提供了一种制造液晶光学器件的方法，其包括5层叠层的HRL，其由一层氧化钛TiOx芯层材料(x在1.4和1.8之间)，围绕TiOx芯层材料的两个紧邻的Ta₂O₅邻近层材料，以及围绕两个Ta₂O₅邻近层材料的两个Al₂O₃邻近层材料所组成。HRL通过溅射沉积方式沉积在100微米厚的SiO₂基板上，并且在1MΩ/□至100MΩ/□的范围内提供稳定的电阻值Rs，在波长500nm的可见光下具有低光学反射损失。