实现任何所期望的相位分布图，该相位分布图被分离为水平分量和垂直分量，只要装 置24和26中的电光学层的折射率变化和厚度的范围可达到在该分布图中的相位偏移的范 围。为了减小所要求的相位偏移的范围，可以选择施加到装置24和26的电压，使得装置起 到圆柱形菲涅耳透镜的作用。
[0062] 在其它实施例中，圆柱形装置24和26可以被具有被布置为生成二维相位分布图 的电极的单个光学装置代替。在下面参考图3A-D描述了这样的装置。
[0063] 可调谐圆柱形透镜
[0064] 现在参考图2A-2C，其根据本发明的实施例示意性地示出了光学装置24的细节。 图2A是装置的图示说明，而图2B和2C是装置相对侧的侧视图。在系统20(图1)中，装置 26可以在设计上与装置24相同，但是具有水平定向的激励电极46,而非如图2B中示出的 垂直定向。
[0065] 装置24包括通常被包含在如本领域所熟知的合适的封装中的电光学层40,诸如 液晶层。层40在它的活动区内的给定位置处具有局部有效的折射率（例如，在实际上包含 液晶的层40的区域内），该折射率由施加到在该位置处的层的两端的电压所确定。在层40 中的液晶可以是双折射的，在这种情况下，装置24或系统20可以包括如本领域中所熟知的 偏光器（为了简单化已经从图中省略），以便选择将要通过层40并且由层40折射的光的 偏振。可代替的是，为了避免需要偏光器，两个这样的透镜可以与双折射的垂直轴级联，使 得在不同的、正交偏振或偏振无关的液晶层上的每个操作可以使用例如胆留型的液晶材料 层。
[0066] 透明基板42和44 (诸如玻璃毛坯）被放置在层40的相对侧上，并且各自的电极 被布置在如图2B和2C中所示的基板上。电极包括透明的、导电的材料，诸如如在本领域中 熟知的铟锡氧化物（ITO)。可代替的是，可以使用非透明的电极，只要它们足够的薄，使得 它们不引起干扰的光学效应。基板44上的公共电极50被放置在一侧上的层40的活动区 上。虽然该公共电极被展示为整个矩形，它可替代地具有充分地覆盖层40的活动区的任何 合适的形状。包括在基板42上的透明导电材料的平行条纹的激励电极46的阵列在层40 的相对侧上的活动区上延伸。（上下文中的"平行"也可以包括偏离几度角的电极。）
[0067] 例如，可以通过在基板42和44上的光刻形成在图中所示出的电极图样，在这之后 通过使用如在本领域中熟知的胶水或蚀刻衬垫，基板以预定义距离（通常为几微米）被粘 合在一起。层40然后被插入和密封到基板之间的间隙中。虽然为了视觉清晰的目的，只有 一些电极46被显示在图2C中，但是在实际中，为了良好的光学质量，装置24将通常包括至 少100个用于激励的条纹电极，并且可能甚至是400个或者更多。该相同的附带条件适用 于图3B和3C中示出的条纹电极。
[0068] 相对于电极50的公共电压等级，控制电路48被耦合以将各自的控制电压施加到 的激励电极46。控制电路48通常包括如本领域中已知的放大器和/或开关，其控制施加到 每个电极46的电压的幅度或占空比或幅度和占空比两者。施加到电极46的幅度和/或占 空比的图样确定层40的相位调制分布图。在电路48中的电路组件通常被组装为硅芯片， 如图2B中所示，该硅芯片然后被粘合到基板42上。可代替的是，电路48的组件中的一些 或全部组件可以形成在单独的芯片上并通过适合的焊线或其它连接件连接到基板42。在任 何情况下，如图3C中所示，控制电路可以放置在电极的阵列的侧面，并且不需要控制电路 的任何部件被放置在层40的活动区上。
[0069] 电路48能够同时和独立地修改施加到一组激励电极46 (其可以包括所有电极） 中的每个激励电极的控制电压。例如，电路48可以更新轮流施加到阵列中的所有奇数电极 与所有偶数电极的控制电压。这种方法容易扩展到大电极数量，并且可以因此被用来创建 具有高像素数和精细分辨率的电可调谐光学系统。
[0070] 如前面所指出的，可以通过该种方式控制装置24以起到具有聚焦特性的圆柱形 透镜的作用该聚焦特性通过由施加到电极46的电压在层40中感应的相位调制分布图进行 确定。可选的是，设置这些电压，使得装置24起到圆柱形菲涅耳透镜的作用。施加到激励 电极46的控制电压可以被修改，以便改变圆柱形透镜的焦距，以及偏移在横向于装置的方 向上的圆柱形透镜的焦线（即，在平行于基板42和44表面的方向上）。
[0071] 具有二维相位调制分布图的装置
[0072] 图3A-3D根据本发明的另一个实施例示意性地说明了光学装置60,其中二维相位 调制分布图被在单个电光学层62中创建。图3A是装置60的图示说明，而图3B和3C是显 示在装置的相对侧上的透明基板64和66的侧视图。图3D是装置60的侧视图，其显示了 位于装置的相对侧上的基板64和66上的激励电极68和72的重叠。装置60可以代替系 统20 (图1)，例如，代替装置24和26的组合。
[0073] 装置60包括电光学层62,诸如相似于如上所述的层40的液晶层。在基板64和 66上的电极68和72分别包括于在相互正交的方向上的层62的活动区上延伸的透明导电 材料的平行条纹。虽然电极68和72在图中具有均匀的形状和间隔，但是条纹可以可代替 地具有不同大小和/或间距。
[0074] 可以具有与电路48 (图2B)相似的结构和设计的控制电路70和74分别将控制电 压施加到激励电极68和72。如在装置24中，在装置60中的控制电路能够同时地并且独立 地修改施加到一组激励电极（其可以包括全部电极）中每个激励电极的控制电压。然而， 控制电路70和74可以一起修改施加到层62的两侧上的成组的激励电极的电压，从而修改 二维中的层的相位调制分布图。
[0075] 控制电压可以因此被施加到激励电极68和72,使得装置60起到透镜（可能是菲 涅耳透镜）的作用，该透镜具有由相位调制分布图所确定的聚焦特性。控制电压波形导致 如上所定义和解释的电光学层的线性相位响应。控制电路可以修改控制电压以便改变透镜 的焦距和/或偏移透镜的光轴。通过电路70和74施加在电极68和72两端的电压图样可 以被选择以便给出循环对称的相位调制分布图，并且可以因此模拟球形透镜。可代替的是， 可以施加不同的电压图样，使得装置60例如起到具有沿着一个轴或另一个轴的更强的圆 柱形组件的像散透镜的作用。
[0076] 如图3D中所示出的，电极68和72的重叠创建像素76的阵列，该像素76的阵列 由电极68的垂直条纹与电极72的水平条纹重叠的区域所限定。条纹之间的中心到中心的 距离定义像素阵列的间距P，而导电条纹自身的宽度定义像素76的大小。（虽然这些参数 相对于装置60的二维阵列在这里被说明，相似的维度和考虑适用于上面所描述的装置24 和26的一维阵列。）电极阵列的这些维度参数与在图3A中所示的电光学层62的层厚度T 进行比较。
[0077] 与本领域中已知的大多数液晶装置相比，装置60的电极间的间距P小于四倍的层 62的厚度T。此外或可代替的是，电极条纹（P-D)之间的距离可以小于层厚度T或者可能 甚至小于T的一半。在一些实施例中，甚至间距P可以小于T。该维度的选择允许像素76 的高的填充因子，并且因此允许高的分辨率。此外，相对厚的层62使装置60能够产生大范 围的不同的相位偏移，而小间距支持折射率的调制，并且因此支持具有高分辨率的相位偏 移。该维度选择引起的相邻像素之间的串扰可能实际上在在平滑装置的相位调制分布图时 是有益的，并且因此更接近地近似于常规透镜的二次分布图。
[0078] 如前所述，装置60以及系统20中的装置24和26的组合可以被特别地用于产生 在X方向和Y方向可分离的相位调制分布图。然而，液晶或其他电光学层的有效折射率的 变化通常在所施加的电压中不是线性的。在系统20中，装置24和26中的每个装置被独立 的控制，使得由控制电路48施加到电极46的电压可以被补偿以针对非线性进行调整。在 装置60中，另一个方面，在每个像素76两端的电压是施加到垂直电极68和水平电极72两 者的电压的函数，其中垂直电极68和水平电极72在像素处相交，使得针对非线性的补偿并 不是直接的。
[0079] 在本发明的实施例中，可以使用至少两个不同的方法以达到所期望的线性相位响 应，并且因此实现在X方向和Y方向可分离的相位调制分布图。一个这样的方法是限制所 施加电压的范围，如下面参考图4所描述的。可代替的是，施加到电极68和72的电压波形 可以被选择，使得它们的重叠给出在层62中的线性响应。
[0080] 图4是根据本发明实施例的示意图，其显示了关于在控制装置60时使用的所施加 的电压V的在光学装置中的液晶层的有效的折射率η的依赖性。（该图示基于由王等人， 在"Liquid Crystal Blazed Grating Beam Deflector，'第 39 期 Applied Optics，页码 6545-6555(2000)中所呈现的数据。）虽然所展示的曲线整体上是非线性的，但是它在1-2V 的近似范围内具有大体上的线性区域，在本文被称为准线性区域。在本说明书和权利要求 中所使用的术语"准线性"指的是区域，在该区域中有效的折射率在电压中是近似线性的， 艮P，n (V) = a+bV在预定义的误差界限内，诸如在± 10%内，其中a和b分别是恒定补偿和 斜率参数。
[0081] 当形成圆柱形透镜分布图的电压Vx(X)被施加到垂直电极68(n(x) = a+bvx(x) 时产生圆柱形相位分布图），并且相似但倒置的分布图Vy (y) = -Vx (y)被施加到水平电极 72,层62两端的电压分布图是V(x，y) =Vx(X)-Vy(y)。该电压分布图给出了折射率分布 图：
[0082] n (x, y) = a+b [Vx (x) -Vy (y) ] = a+bVx (x) -bVy (y),
[0083] 只要电压在线性（或准线性）响应区域内。方程的右手边上的第一项（a)是恒量 并且因此不贡献到相位调制。第二项和第三项是水平圆柱形透镜组件和垂直圆柱形透镜组 件，这两个组件共同构成了二维透镜。
[0084] 在层62的准线性响应区域内，可以通过施加不同的电压或对于不同的占空比施 加相同的电压或两个技术的组合来获得在不同像素76处的不同相位调制值，只要折射率 响应是准线性的，使得方程η (X，y) = a+b...