具有电可调谐功率和对准的透镜的制作方法
【专利说明】具有电可调谐功率和对准的透镜
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年9月30日提交的美国临时专利申请序号为61/707,962的 权益，其通过引用并入本文。 发明领域
[0003] 本发明总体上涉及光学装置，并且特别涉及电可调谐透镜。
[0004] 背景
[0005] 可调谐透镜是光学元件，其光学特征（诸如焦距和/或光轴的位置）在使用期间 可以被调整（通常处于电子控制下）。这样的透镜可以在各种各样的应用中使用。例如，其 公开通过引用并入本文的第7, 475, 985号美国专利，为了视力矫正的目的描述了电活性透 镜的使用。
[0006] 电可调谐透镜通常包含薄层的适合的电光学材料，即，其局部有效的折射率根据 施加在材料两端的电压而改变的材料。电极或电极阵列被用于施加所期望的电压以便于将 折射率局部地调整到所期望的值。液晶是最常见的用于此目的（其中所施加的电压使分子 转动，这改变了双折射的轴并且由此改变了有效的折射率）的电光学材料，但是具有相似 的电光学特性的其他材料（诸如聚合物凝胶）可代替地用于此目的。
[0007] 基于液晶的透镜的各种设计在本领域中已熟知，虽然它们的实际使用已经受到限 制。例如，莫诺夫（Naumov)等人在光学快报（Optics Letters)第23期，992-994页）（1998) 的"Liquid-Crystal Adaptive Lenses with Modal Control"中描述了用于此目的的一种 方法，其通过引用该并入本文。作者使用了向列液晶（LC)相位校正器以形成球形波前和圆 柱形波前。具有分布式反应电阻抗的LC单元由施加到单元边界的AC电压驱动以产生所期 望的折射率的空间分布。
[0008] 其它的可调谐透镜的设计使用电极阵列来定义在液晶中的像素网格，其相似于在 液晶显示器中所使用的这种像素网格。单独的像素的折射率可以被电控制以给出所期望的 相位调制分布图。（在本说明书和权利要求中使用的术语"相位调制分布图"是指局部相位 偏移的分布，该局部相位偏移的分布被施加到通过该层的光，作为可调谐透镜的电光学层 的区域上的局部可变的有效的折射率的结果。）例如，在上面所提到的第7, 475, 985号美国 专利中描述了使用这种网格阵列的透镜。
[0009] 概要
[0010] 下文所描述的本发明的实施例提供了改进的电可调谐光学装置。
[0011] 因此，根据本发明的实施例提供了 一种光学装置，其包括电光学层，该电光学层在 电光学层的活动区内的任何给定位置具有局部有效的折射率，其中该折射率是由施加在在 该位置处的电光学层两端的电压波形所确定。公共电极被放置在电光学层的第一侧的活动 区上。包括平行导电条纹的激励电极的阵列在与第一侧相对的电光学层的第二侧的活动区 上延伸。控制电路被耦合以将各自的控制电压波形施加到激励电极并且被配置为同时修改 施加到多个激励电极的控制电压波形，从而修改电光学层的相位调制分布图。
[0012] 在一些实施例中，控制电路被配置为施加控制电压波形到激励电极，使得装置起 到圆柱形透镜的作用，可能是圆柱形菲涅耳透镜（Fresnel lens)，其具有由相位调制分布 图所确定的聚焦特性。通常，控制电路被配置为修改施加到激励电极的控制电压波形以便 改变圆柱形透镜的焦距和/或偏移在横向于装置的方向上的圆柱形透镜的焦线。
[0013] 在公开的实施例中，电光学层包括液晶，其可以被配置为偏振无关层。
[0014] 根据本发明的实施例，还提供包括如上所述的第一光学装置和第二光学装置的仪 器，其中第一光学装置和第二光学装置被串联布置。其中第一光学装置和第二光学装置的 电极可以共享公共的基板。在所公开的实施例中，在第二光学装置中的激励电极被定向在 与第一装置中的激励电极正交的方向上，并且控制电路可以被配置为将控制电压施加到第 一光学装置和第二装置中的激励电极使得仪器模拟球形透镜。可选的是，控制电路可以修 改施加到激励电极的控制电压以便偏移球形透镜的光轴。
[0015] 可代替的是，在第一光学装置中的电光学层具有双折射轴，并且在第二光学装置 中的电光学层具有垂直于第一双折射轴的第二双折射轴。
[0016] 根据本发明的实施例，另外提供包括如上所述的装置的眼科透镜系统。
[0017] 根据本发明的实施例，还提供包括电光学层的光学装置，其在电光学层的活动区 内的任何给定位置具有局部有效的折射率，其由该位置处的施加在电光学层两端的电压波 形确定。包括第一平行导电条纹的第一激励电极的第一阵列在电光学层的第一侧上的活动 区上的第一方向上延伸。包括第二平行导电条纹的第二激励电极的第二阵列在电光学层的 与第一侧相对的第二侧上的活动区上的正交于第一方向的第二方向上延伸。控制电路被耦 合以将各自的控制电压波形施加到激励电极并且被配置为同时修改施加到第一激励电极 和第二激励电极两者的各自的控制电压波形以便在电光学层中产生指定的相位调制分布 图。
[0018] 在所公开的实施例中，控制电路被配置为将在不同的、各自的幅度的控制电压波 形施加到激励电极中的不同的激励电极和/或将具有不同的、各自的占空比的控制电压波 形施加到激励电极中的不同的激励电极。
[0019] 在一些实施例中，控制电路被配置为将控制电压施加到激励电极，使得装置起到 透镜（诸如菲涅耳透镜）的作用，其具有由相位调制分布图所确定的聚焦特性。通常，控制 电路被配置为修改施加到激励电极的控制电压波形以便改变透镜的焦距和/或偏移透镜 的光轴。控制电路可以将电压波形施加到激励电极，使得该装置起到像散球形透镜的作用。
[0020] 在一个实施例中，控制电路被配置为施加控制电压波形，使得在电光学层两端所 施加的电压被限制在其中局部有限的折射率作为施加电压的准线性函数变化的范围内。
[0021] 在另一个实施例中，相位调制分布图被定义为函数，该函数被可分为第一分量函 数和第二分量函数，它们分别沿着分别在第二方向和第一方向对准的第一轴和第二轴变 化，并且分别根据第一分量函数和第二分量函数来指定施加到第一激励电极和第二激励电 极的控制电压波形。可以根据一组分量波形来定义第一分量函数和第二分量函数，所述一 组分量波形被选择为对应于电光学层中的不同的、各自的相位偏移，使得相位调制分布图 包括由于在活动区内的每个位置处的第一分量函数和第二分量函数的各自的相位偏移的 总和。
[0022] 根据本发明的实施例，另外提供包括如上所述的第一光学装置和第二光学装置的 仪器，其中第一光学装置和第二光学装置被串联布置，可能具有垂直的双折射轴。
[0023] 根据本发明的实施例，还另外提供包括电光学层的光学装置，电光学层在电光学 层的活动区内的任何给定位置处具有局部有效的折射率，该折射率是由该位置处的在电光 学层两端所施加的电压波形确定。电光学层具有第一侧和第二侧以及等于第一侧和第二侧 之间的距离的层厚度。导电电极在电光学层的第一侧和第二侧上延伸。电极包括具有小于 四倍的电光学层的层厚度的电极间的间距的激励电极的至少一个阵列。控制电路被耦合以 将控制电压施加到激励电极，以便修改电光学层的相位调制分布图。
[0024] 在公开的实施例中，电极包括透明导电材料的具有间隙的平行条纹，条纹之间的 间隙宽度小于所述电光学层的层厚度。
[0025] 根本发明的实施例，还提供用于生产光学装置的方法。该方法包括提供电光学层， 其具有在电光学层的活动区内的给定位置处的局部有效的折射率，该折射率由该位置处的 在电光学层两端所施加的电压波形确定。公共电极被放置在电光学层的第一侧上，以便覆 盖活动区。放置包括平行导电条纹的激励电极的阵列以便在电光学层的与第一侧相对的第 二侧上的活动区上延伸。控制电路被耦合以将各自的控制电压波形施加到激励电极，并同 时修改施加到多个激励电极的控制电压波形，从而修改电光学层的相位调制分布图。
[0026] 根据本发明的实施例，另外提供一种用于生产光学装置的方法，该方法包括提供 电光学层，其在电光学层的活动区内的任何给定位置处具有局部有效的折射率，该折射率 是由在该位置处的在电光学层两端所施加的电压波形确定。放置包括第一平行导电条纹的 第一激励电极的第一阵列以便在电光学层的第一侧上的活动区上的第一方向上延伸。放置 包括第二平行导电条纹的第二激励电极的第二阵列以便在电光学层的相对于第一侧的第 二侧上的活动区上的正交于第一方向的第二方向上延伸。控制电路被耦合以将各自的控制 电压波形施加于激励电极并且同时修改施加到第一激励电极和第二激励电极两者的控制 电压波形以便在电光学层中生成指定的相位调制分布图。
[0027] 根据本发明的实施例，还提供一种用于生产光学装置的方法。该方法包括提供电 光学层，其在电光学层的活动区内的任何给定位置处具有局部有效的折射率，该折射率是 由施加在该位置处的电光学层两端的电压确定，电光学层具有第一侧和第二侧，并且层厚 度等于第一侧和第二侧之间的距离。导电电极被放置以便在电光学层的第一侧和第二侧上 延伸，包括至少一个激励电极阵列的电极具有小于四倍的电光学层的层厚度的电极间的间 距。控制电路被耦合以将控制电压波形施加于激励电极以便修改电光学层的相位调制分布 图。
[0028] 根据其实施例的以下详细描述连同附图将更充分理解本发明，在附图中：
[0029] 附图简述
[0030] 图1是根据本发明的实施例的光学系统的示意性的侧视图；
[0031] 图2A是根据本发明的实施例的光学装置的示意性的图示说明。
[0032] 图2B和2C是根据本发明的实施例的设置在图2A的装置的相对侧上的电极的示 意性的侧视图；
[0033] 图3A是根据本发明的另一个实施例的光学装置的示意性的图示说明；
[0034] 图3B和3C是根据本发明的实施例的形成在图3A中的装置的相对侧上的电极的 示意性的侧视图；
[0035] 图3D是根据本发明的实施例的显示了在装置的相对侧上的电极的重叠的图3A的 装置的示意性的侧视图。
[0036] 图4是根据本发明的实施例的显示了在光学装置中的根据施加的电压在控制光 学装置时使用的液晶层的有效的折射率的依赖性的示意图。