[发明专利]具有改进的区域过渡的液晶光束控制装置及其制造方法

说明书

一种液晶光学装置，被配置为对通过该装置的光通孔的光进行可变光束转向或折射菲涅尔透镜的控制。该装置包括至少一层液晶材料，其夹持在具有取向层的基板中。电极的排列被配置成在液晶层的多个区域内产生空间上变化的电场分布。液晶光学装置的结构，配置为实现光学相位延迟的空间变化，以及在各区域的边界上的过渡，其为跨多个区域的边界的近似的锯齿状波形。电极，装置的层状几何形状和驱动电极的方法的设置，增加了整个光学装置的有效光通孔。

相关的申请

本申请是国际非临时申请，要求优先权为2014年11月24日提交的美国临时专利申请62/083,665，和优先权为2015年9月10日提交的美国临时专利申请62/216,951，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域 本申请的公开内容涉及液晶光学装置，例如透镜和光束转向装置，其具有相邻的分段或区域，以及它们的制造方法。

先前技术 使用向列型液晶单元的光束转向装置和菲涅尔透镜，受控制电场的动态控制，具有分离的单元区域是已知的技术。这些装置由于液晶分子取向的空间变化而具有折射率的空间变化。这会产生光学相位延迟的空间变化，可以产生光束转向装置和菲涅尔透镜。液晶光束控制装置是本领域中公知的。

这种装置通常使用液晶单元上的图案化的电极，来创建折射率的空间变化以用于控制光束。为保持低电压，电极可放置在单元基板的内侧或两侧。为提高光学性能，由图案化的电极限定的光束调整单元的大小或长宽比可以是小的。为提供具有大光通孔的装置，多个光束转向元件被布置在一起，很象一个菲涅尔透镜或光束转向装置。在液晶光束转向装置中，相邻的光束转向元件之间的边界可以占据该光通孔的一大部分，例如高达50％，因为从边界的一侧到另一侧，液晶取向的变化几乎达到90度。

不像实体的(固定的)菲涅尔透镜或光束转向装置，其可以具有在不同的部分(在此称为“微元件”，应该理解该部分或微元件并没有必要仅限于非常小的尺寸)之间的边界上的折射率的突变，在用电场控制液晶分子的取向的情况下，就很难实现电场引起液晶分子的取向的急剧变化。这将导致光学装置的光通孔的一个相当大的部分不能够用于装置所期望的光学操作。这部分可被称为“回扫”区域或非线性区(NLZ)。

还存在各种各样的问题，包括角度控制的范围，光束强度分布的质量，制造的成本，工作电压等等。当不能恰当地控制相邻微元件之间的边界，光学装置的有用部分由于控制不当的液晶的边界区域而减少。

发明内容申请人已经发现了许多有关光束转向液晶装置的光学性能的特性。申请人提出一种液晶光学装置，以实现在微元件之间的边界处具有突然过渡的光学相位延迟的空间变化，其无法使用传统的液晶光学装置的电气控制场电极系统来实现。这个相位延迟分布可以是在多个微元件的边界处的近似的锯齿状波形。相位延迟分布在光通孔上不必是锯齿状波形，然而，理想的结果是，相位延迟在边界区域的空间压缩或突然变化，类似于一个锯齿状波形。申请人还提出了一个液晶光学装置，提高在微元件之间的边界的液晶的电场控制。这减少了不正确的转向(重定向)或聚焦光，而且还增加了光学装置的有效光通孔。

可以在双频液晶上使用具有低频和高频电场的组合来实现在微元件之间的边界处的改进的相位延迟的过渡。

可以使用浮置电极，以用于微元件内电场的成型，来实现在微元件之间的边界处的改进的相位延迟的过渡。

可以使用一对液晶层，每个液晶层具有被光学惰性区分隔开的微元件，其对应于光学惰性区和另一层的微元件，从而电场作用于微元件的液晶，而不作用于惰性区域，来实现在透镜和/或转向元件之间的边界处的改进的相位延迟过渡。

可以使用布置在液晶微元件之间的导电壁来实现在透镜元件之间的边界处的改进的相位延迟过渡，从而使作用在一个微元件的液晶上的电场不会作用于相邻的微元件的液晶。