電容耦合電場控制裝置的制造方法
【專利說明】電容耦合電場控制裝置
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請的優(yōu)先權(quán)文件是美國臨時申請US 61/725，021，其發(fā)明名稱與本申請相同，申請日是2012年11月11日，本申請引用該優(yōu)先權(quán)文件全文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本申請的技術(shù)方案涉及液晶光學(xué)器件，特別是液晶光學(xué)器件的控制電極。
【背景技術(shù)】
[0004]液晶(LC)顯示器(LCD)和液晶透鏡(LCL)在本領(lǐng)域中是已知的。在大部分使用液晶的情況下，形成一個電可變的梯度折射率(稱為GRIN)光學(xué)透鏡，并通過控制裝置的光通孔(Clear Aperture,CA)內(nèi)空間的液晶分子的相對取向梯度來控制該透鏡。而該液晶分子的取向是對電場敏感的，梯度(對應(yīng)于LCL的光學(xué)倍率)可以通過改變電驅(qū)動參數(shù)(電壓、頻率或他們的組合)來控制，而沒有任何宏觀的機械運動或形變。
[0005]對應(yīng)于空間非均勻的電場用于控制液晶分子的取向，各種液晶透鏡的設(shè)計已經(jīng)被提出，例如，佐藤進的“可變聚焦透鏡的液晶設(shè)備”(Applicat1ns of Liquid Crystals toVariable-Focusing Lenses, OPTICAL REVIEW Vol.6，N0.6 (1999) 471-485)。其中公開了一種使用多個電極排列(如在液晶顯示器中使用的那種)以產(chǎn)生一種類似透鏡的電場空間分布的方法。然而，其制造和動態(tài)控制的復(fù)雜性降低了它的吸引力和工業(yè)價值。
[0006]佐藤進所描述的另一種方法100是結(jié)合使用的孔狀電極(HPE) 102和均勻透明電極(TUE) 104(在底部基板105上)，如圖1A所示(以下，液晶單元中的液晶取向?qū)雍推渌麡藴试貙⒈皇÷?，以簡化附圖。此外，各種設(shè)計和實施例的示意性橫截面視圖中也會如此簡化)。在兩個電極102和104之間的電壓差106會生成一個空間非均勻電場(在ACB各點之間，如圖1B中示意性地示出)。因此，如果電壓(以及相應(yīng)的電場)具有適當?shù)目臻g分布，那么相應(yīng)的重新定向的液晶分子108和裝置100的光通孔(CA) 110內(nèi)的折射率調(diào)制，可以實現(xiàn)所需的球面型(或者非球面，下同)，從而形成質(zhì)量好的透鏡100。這樣的透鏡的光學(xué)倍率(以屈光度為單位，0P)可表示為:0P = 2LAn/r2,(在球面型波形的情況下)
[0007]其中L是液晶層112的厚度，Δ η是透鏡100的中心(C點周圍)和外圍(Α和B點周圍)的折射率差和r是光通孔110的半徑。焦點距離F(單位為米)是光學(xué)倍率OP的倒數(shù)，F(xiàn)=1/0P。這樣的設(shè)計實現(xiàn)了更簡單的制造，但仍然有一些重要的缺點。即，HPE 102和TUE 104之間的距離(由液晶的厚度為L和頂部基板的厚度H決定)必須是比較大的，以確保液晶層112內(nèi)平滑的電場空間分布(150)。此電極間距L+H必然會增加控制的液晶透鏡100所需的電壓(幾十伏特)。
[0008]在A.F.Naumov等人發(fā)表的一篇題為“液晶自適應(yīng)鏡片與莫代爾控制”的文章(“Liquid-Crystal Adaptive Lenses with Modal Control”，OPTICS LETTERS/Vo1.23，N0.13/July 1,1998)中，提出了一個液晶透鏡200的設(shè)計(如圖2所示)，它使用的HPE 202設(shè)置在液晶單元內(nèi)(佐藤進設(shè)計的頂部基板101，如圖1A中所示，被倒置翻轉(zhuǎn)了 180度)。在這種情況下，ΗΡΕ 202和TUE 104非常接近(只有液晶層212的厚度L間隔)和幾伏(小于5V)電壓206足夠控制液晶透鏡200的光學(xué)倍率。然而，該設(shè)計會留下一個問題:液晶層212內(nèi)的電場分布將有一個突變的特性。為了解決在電場中的突變，一個高電阻率或弱導(dǎo)電性層(WCL) 214被設(shè)置到HPE 202表面，該高電阻率或弱導(dǎo)電性層由于一個非常高的薄層電阻Rs而使上述電場分布更加平滑，薄層電阻Rs被定義為R = (d σ ) _\其中d是WCL層214的厚度，σ是WCL層214的導(dǎo)電性。這一平滑的概念可以理解為:電壓從HPE 202的周邊向中心衰減的情況，在一個經(jīng)典的RC電路中，兩個電極TUE 104和HPE 202之間互相重疊部分形成電容的衰減，其中在兩個電極上覆蓋有WCL材料214，電極之間含有絕緣的液晶層212。同時，WCL 214的薄層電阻Rs主要起到電阻R的作用。
[0009]由于微型照相機的“RC因子”(其光通孔110的尺寸范圍為1.5?2毫米)和厚度為L的LC層212的介電常數(shù)ε w使得WCL 214的薄層電阻Rs大概為幾十M Ω / □，以實現(xiàn)一個平滑的電場分布。由于薄片電阻的明顯變化導(dǎo)致制造參數(shù)的變化，這種薄膜的制造是困難的。
[0010]此外，消費產(chǎn)品的攝像頭都應(yīng)該適用于非偏振光線。這需要使用兩個LC層212(在垂直的平面上使液晶分子取向的取向表面結(jié)構(gòu)被預(yù)取向，如圖3所示)來處理非偏振光線的兩個正交的偏振方向。要使兩個這樣的“半”透鏡200以同樣的方式聚焦，需要兩個WCL具有相同的Rs (誤差在3%內(nèi))。這使偏振無關(guān)的完整的透鏡300的制造具有特定的條件。這種方法的另一個缺點是:電壓的衰減(從HPE 202的外周，即點A或B，朝透鏡的中心點C的衰減)，是RC電路的物理性質(zhì)所決定的，這一衰減使得，難以獲得不同的非球面分布，而非球面分布有時是得到良好的光學(xué)圖像質(zhì)量的條件。最后，所有具有適當?shù)腞s值的材料(迄今已知的)都是對溫度變化敏感的。
[0011]已知發(fā)展了幾個替代辦法以解決，至少一部分Naumov構(gòu)造中的問題。其中之一是LensVector提出的W02009/153764，在此引入作為參考，其中使用一個單一 WCL 314以消除嚴格的生產(chǎn)可重復(fù)性的要求，如圖4示出。在此配置300中，HPE 302和WCL 314被設(shè)置在兩個基板105 (幾乎是對稱的)之間，基板作為兩個正交偏振的LC層312的底部和頂部基板。因此，同一組的控制電極結(jié)構(gòu)(HPE 302和WCL 314)用來控制兩個相同的液晶層312。
[0012]另一種方法400，如圖5Α和5Β所示，Wang等人所發(fā)表的“具有低驅(qū)動電壓的薄液晶透鏡，，(B.Wang，M.Ye，M.Yamaguchi，and S.Sato, aThin Liquid Crystal Lens with LowDriving Voltages，，，Japanese Journal of Applied Physics 48 (2009) 098004)。在這種構(gòu)造中，在WCL層414靠近LC層412，同時在H PE 402的中間有一個額外的電連接的圓盤形電極(DSE) 416，DSE和HPE都被設(shè)置在液晶單元400的外側(cè)。盡管這種方法有助于避免短暫的分子取向缺陷(被稱為向錯)，也可以實現(xiàn)更好的控制電場分布500，但它仍然有幾個缺點，其中包括WCL 414的制造問題。這是因為，仍然需要兩個WCL(每個LC層各設(shè)一個)，或只使用一個WCL 414和控制電極(HPE 402，DSE416)，但WCL必須設(shè)置在相對遠離TU E 104的位置，因為現(xiàn)在兩個LC層412必須由相同的HPE 402和DSE 416電場控制結(jié)構(gòu)進行控制。此外，需要有兩個獨立的連續(xù)可變的電壓V1106和V2406來驅(qū)動液晶透鏡400。因此，接地的TUE 104和HPE 402上的施加電壓VJ06可能會產(chǎn)生一個空間非均勻的電壓分布和相應(yīng)的光學(xué)倍率(示意性地如圖5B中的實線500示出)。同時，在DSE 416上施加電壓V2406，可能會產(chǎn)生一個均勻的電壓(如圖5B所示的由實線和虛線的水平線)，從而避免了向錯的出現(xiàn)或允許光學(xué)倍率的連續(xù)控制和防止透鏡400的像差。電壓106或406的絕對值也仍然高于Naumov的方法中使用的電壓206 (由于頂部電極101的高度H造成的電極104/402間的額外距離)。最后一個方法由Ye等人發(fā)表的“低電壓驅(qū)動液晶透鏡”(“Low-Voltage-DrivingLiquid Crystal Lens，，，Japanese Journal of Applied Physics 49 (2010) 100204，RAPIDCOMMUNICAT1N)所公開，其中上下翻轉(zhuǎn)頂部基板101，在電極上涂覆I μ m的SiCV薄膜，并使用(如WCL 414)高電阻性的水性熱固性涂料薄膜(TWH-1，三菱材料電子化學(xué)的產(chǎn)品)。最后，在雙電壓106/406的控制方案中仍然有一些明顯的波陣面像差問題。
[0013]為了解決存在的像差(波陣面)問題，在本申請的背景文獻W02012/079178中，LensVector提出了另一種方法600，其中在Naumov的的設(shè)計的一對半液晶透鏡200的兩個正交偏振的液晶層212之間設(shè)置一個透明的浮置(非連接)導(dǎo)電層(一般圓盤型)，如圖6所示的完整透鏡結(jié)構(gòu)600。浮置導(dǎo)電層618的使用明顯地改善了波陣面輪廓(相對于佐藤進和Naumov的設(shè)計方案)和使用該LC透鏡600的相機的調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)(MTF)。此外，透鏡600所需的唯一驅(qū)動電壓206非常低，透鏡600是頻率控制的。
[0014]其他方法也被提出來以解決所有這三個問題(較差的WCL 214的生產(chǎn)重復(fù)性，高電壓106/406和不合適的波陣面)。其中之一是橋本在“液晶光學(xué)元件及其制造方法”中提出的如圖7所示的結(jié)構(gòu)700，美國專利號US7619713B2，公開日:2009年11月17日。與Naumov的方法相比，這種設(shè)計的基本不同是不使用WCL 214。事實上，橋本提出了使用光學(xué)透明的多個同心環(huán)形電極718 (CRSE)，通過高電阻率的“橋”720相互關(guān)聯(lián)(如圖7所示的側(cè)視圖和圖8所示的頂視圖)。這個“電阻橋”結(jié)構(gòu)起著與WCL(214)同樣的作用，用于在光圈上創(chuàng)造一個電壓空間分布。這種方法的優(yōu)點是，電阻橋720中的多個電阻值(R1，R2等)可以進行分別調(diào)整，以獲得所需的波陣面。此外，需