(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通過する光の伝播を制御する可変光学装置であって、
前記光が通過する液晶層であって、前記液晶層の光学特性によって前記通過する光の伝播を制御する前記液晶層と、
前記液晶層に作用する電場を発生させるように配置された電極システムと、
周波数成分を含む駆動信号を発生させて前記駆動信号を前記電極システムに加える電気信号発生装置と、
前記駆動信号の周波数成分に含まれる周波数に応じて電荷移動度が変化して前記電場の空間プロファイルを変化させる周波数依存性材料と、を有し、
前記電気信号発生装置が前記周波数成分に含まれる前記周波数を変化させ、前記周波数に応じて前記液晶層の前記光学特性が変化することを特徴とする、可変光学装置。
【請求項２】
前記駆動信号は、前記液晶層の前記光学特性を変化させるために調整される前記周波数成分を１つのみ含んでいる、請求項１に記載の可変光学装置。
【請求項３】
前記光の伝播を制御する際に、前記信号発生装置は、前記光学特性を変化させるための前記駆動信号の電圧振幅設定を変化させずに前記駆動信号の周波数成分の周波数を調整する、請求項２に記載の可変光学装置。
【請求項４】
前記駆動信号は、前記液晶層の前記光学特性を変化させるために調整される前記周波数成分の複数組合せで構成され、前記複数の周波数成分を前記電極システムに同時に加える、請求項１に記載の可変光学装置。
【請求項５】
前記信号発生装置が、前記駆動信号の振幅を変えることで前記光の伝播を制御する、請求項１、２又は４に記載の可変光学装置。
【請求項６】
前記液晶層が、低角のプレチルトアライメント層を備えており、前記信号発生装置が、前記液晶層内で液晶を回位させない駆動信号を適用するように作動する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【請求項７】
前記可変光学装置がレンズであり、前記液晶層が低角のプレチルトアライメント層を備えており、前記信号発生装置が、前記アライメント層で定義される基底状態付近に前記液晶層内の液晶を留まらせない駆動信号を適用するように作動することで、前記電場に対する前記液晶の改善された応答によって像収差を軽減する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【請求項８】
前記可変光学装置が、異なる方向に液晶配向させて前記可変光学装置の偏光感度を低下させる少なくとも２つの液晶層を備えている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【請求項９】
前記電極システムが、
少なくとも１層の上部液晶層と少なくとも１層の下部液晶層の間に配置された環状の中間電極と、
透明な上部電極と、
透明な下部電極と、
を備えており、前記周波数依存性材料が、前記環状の中間電極付近に配置された材料層を構成しており、そのため前記周波数依存性材料で変調される前記空間プロファイルが、前記環状の中間電極と前記透明な上部電極の間の少なくとも１層の上部液晶層と、前記環状の中間電極と前記透明な下部電極の間の少なくとも１層の下部液晶層と、で同一である、請求項８に記載の可変光学装置。
【請求項１０】
前記液晶層が実質上平面である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【請求項１１】
前記可変光学装置が屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮ）である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【請求項１２】
前記レンズが、３ジオプタより大きく調整可能で可変な屈折力を有する、請求項１１に記載の可変光学装置。
【請求項１３】
前記電極システムが、孔パターン又は環状の電極を備えている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【請求項１４】
前記周波数依存性材料が、前記電極システムの前記孔パターン電極又は環状電極付近の薄い材料層を構成する、請求項１３に記載の可変光学装置。
【請求項１５】
２つの異なる前記周波数依存性材料を有し、前記２つの異なる周波数依存性材料が非平面で接触している、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【請求項１６】
前記電極システムが湾曲した電極を備えている、請求項１５に記載の可変光学装置。
【請求項１７】
前記周波数依存性材料が、前記液晶層の液晶に含まれている不純物又はドーパント物質を含む、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【請求項１８】
前記信号発生装置が、パルス幅変調回路を備えている、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【請求項１９】
前記信号発生装置が、パルス幅変調回路を備え、
前記パルス幅変調回路は、前記光の伝播を制御する際に、前記光学特性を変化させるための前記駆動信号の電圧振幅設定と動作周期設定を変化させる、請求項１，２，４、５のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【請求項２０】
前記周波数依存性材料が半導体材料を含む、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【請求項２１】
前記信号発生装置は、前記液晶をアライメント層で定義される基底状態から再配向して前記液晶層の前記光学特性を空間的に一様にする第１駆動信号と、前記液晶層の前記光学特性を空間的に一様としない第２駆動信号を発生するように構成されている、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の可変光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的に調整可能な光学装置の分野、特に液晶を用いたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズ、ビームステアリング装置及びシャッター等の調整可能液晶（ＬＣ）光学装置が当該技術分野で知られている。ある種の調整可能ＬＣレンズは一様な制御電場又は制御磁場によって作動するが、大抵は空間変調電場又は磁場を利用する。前記電場の場合、電場を空間変調するのに用いられる幾つかの従来技術がある。空間的に不均一な誘電体層を利用して電場を減衰させることで、所望の空間プロファイルが発現する。電極を球状にすることで、電場に所望の空間プロファイルが付与される。電場を空間変調させるもう一つの方法は、ＡＣ駆動電流を電極に供給したときの電極での電圧降下が、空間変調された電場を引き起こすほどのインピーダンス特性を有する平面電極を利用することである。
【０００３】
図１から分かるように、ある種の従来式ＬＣセルは、２枚の基材１０４、１０６の間に液晶１０２を挟んで構成されている。基材にはそれぞれ、先ず、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の材料層であり得る透明電極１０８、１１０をコーティングしてから、ポリマー層１１２（一般にはポリイミド）をコーティングしており、前記ポリマー層を所定の方向にラビング処理することでＬＣ分子を基底状態、すなわち制御電場が無い状態で整列する。２枚のＩＴＯに電圧を加えると、一様な電場と、それに対応して一様なＬＣ再配向（及びそれに対応して一様な屈折率分布）とが生じる。そのような装置において、屈折率は分子の横軸より分子に対して縦方向で異なる。
【０００４】
図２には従来技術のＬＣセル構造が示されており、ここでは、高抵抗の材料から成るディスク状領域２０５の周囲の、低抵抗の孔パターン電極リング２０４を利用することで、その強い「共鳴」減衰によって電場勾配が生じる。この形状の利点は、非常に薄いこと（これは、例えば携帯電話用途などで重要な要件である）と、電極を２つだけ利用する（ため、制御すべき電圧が一つである）ことである。残念なことに、高い光学透明性を有する所望の厚さの高抵抗の材料だけでなく、良好な一様性を有するＬＣセルもが製造され難く、その製造歩留まりも一般に低い。様々なレンズの電極抵抗はわずかに異なることがある。これは、モード制御が精密なセル厚さにも更に大きく左右されるという事実と連動して、各レンズをそれぞれ別個に調整しなければならないことを表している。更に、モードレンズの最小直径は約２ｍｍまでに制限する。この寸法未満では、ＩＴＯ層の要求される抵抗が１平方当たり約１０ＭΩを超える。最後に、このような（いわゆる「モード制御型」）レンズは常に収束レンズか発散レンズのどちらかでなければならない。発散レンズと収束レンズを切り替えることはできない。
【０００５】
図３は、電場勾配を生じさせる別の従来型ＬＣセル構造を表しており、これには、３つの個別電極３０４、３０５、３０７（このうち２つの間にはその同一平面内に孔が開いている）と、２つの電圧Ｖ１及びＶ２と、さらに追加の個別の弱導電体層（ＷＣＬ）３０６が用いられている。孔パターン外側電極３０４（電圧Ｖ１が印加された状態）の役割は、レンズ様の電場プロファイルを作り出すことであり、一方、中央のディスク状電極３０５（電圧Ｖ２が印加された状態）の役割は、回位を無くすことと、（例えばレンズ効果を失わせるために）前記勾配値を制御することである。ＷＣＬ３０６の役割は、Ｖ１によって生じた前記プロファイルを和らげて、レンズ全厚を減少させることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
残念なことに、上部電極に係る複雑なパターンや２つの個別電圧と別のＷＣＬとを用いる必要性が、製造を困難にし、しかもこの方法の実際の利用を妨げている。例えば、この方法を利用して偏光無依存型レンズを構成するには６、７枚の厚いガラスを用いる必要があるが、これは困難な作業である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、その中を通過する光の伝播を制御する様々な光学装置であって、周波数依存性材料と複数の異なる周波数で駆動信号を発生する電気信号発生装置とを利用する光学装置が提供される。前記装置は、光が貫通する液晶（ＬＣ）層を備えており、前記ＬＣ層によって光の伝播が制御される。さらには、電気信号発生装置に接続されており、しかもＬＣ層に作用してその光学特性を変える電場を発生させるように配置された、電極システムも提供される。電気信号発生装置は、複数の異なる周波数で駆動信号を発生し、その駆動信号を電極システムに供給することで電場を発生させる。周波数依存性材料は、電場と相互作用するように前記装置内に配置されている。この材料は、駆動信号の周波数によって決まる電荷移動度を有しているため、電場の空間プロファイルが駆動信号周波数に応じて変化することで前記ＬＣ層の特性を変える。「電荷移動度」を「導電率」の代わりに用いて、周波数依存性材料の特性を説明する。その理由は、後者が電子の平均自由行程を説明すると解される可能性があるためである。低周波数では、高い電荷移動度を示す一部の周波数依存性材料が実際には、高周波数のときよりも低い導電率（つまり、電子のより短い平均自由行程）を示すことがあるが、低周波数では電荷が周波数依存性材料内を移動する時間が長く、その結果、電荷移動が少なくなるためである。同様に、高周波数では、一部の材料で電子の平均自由行程が長くなる場合があるが、より短い時間に正と負の両方のサイクルの電位があることを考えると、電荷の流れが大幅に減少する可能性もある。したがって、「電荷移動度」は、電荷が、与えられる交互の電気信号の制約範囲内で周波数依存性材料中を移動する能力全体を指すのに用いられる。
【０００８】
一部の実施態様では、電極システムは、周波数依存性材料本体に接続された固定導電性電極を備えている。電場には、固定導電性電極で実質的に規定される部分と、周波数依存性材料で規定される部分とがあり得る。電場は、実質的には周波数依存性材料で規定できる。電極システムは固定導電性電極を有していてもよく、その場合、電場は、当該固定導電性電極と結合していない周波数依存性材料本体で成形される。
【０００９】
一部の実施態様では、電極システムは、実質上平坦な層状の構成要素を用いて作成される。
【００１０】
電極システムは、基本的には光学的に隠れていてもよく、そのため光学装置からの光の伝播を妨げない可能性がある。
【００１１】
一部の実施態様では、電極システムには、周波数依存性材料層と接触しているパターン電極が備わっている。
【００１２】
一部の実施態様では、前記装置は、調整可能焦点レンズ（tunable focus lens）である。前記レンズは屈折性であっても回折性であってもよい。
【００１３】
一部の実施態様では、前記装置には、前記装置に光の伝播を制御信号周波数に応じて制御させるように構成された、様々な周波数制御信号回路が備わっている。
【００１４】
周波数依存性材料と様々な周波数の駆動信号を利用することで、多種多様な実施態様光学装置が可能である。その実施態様のいくつかの例は、電極の数、形状及び構造、様々な周波数依存性材料の数及び電極に対するその位置やそれら互いの位置、様々な駆動信号周波数及び電圧の適用、並びに前記光学装置構造内での追加材料の使用である。一実施態様では、駆動信号には、前記光学装置の光学特性を変化させるために調整される周波数成分を１つのみ含んでいる。これは、信号電圧をほとんど変化させず用いることができ、又は信号振幅の変化を含む場合もある。別の実施態様では、複数の周波数成分を混ぜ合わせて同時に適用することで周波数依存層との特殊な相互作用がもたらされ、そしてそれに応じて電場に所望のプロファイルが得られる。
【００１５】
本発明の基本構想は、光学装置内で有効な電極構造を変更するために周波数依存性材料を様々な駆動信号周波数と併用することである。電極構造によって電場のプロファイルが決まり、同様に、ＬＣ層の光学特性が決まる。周波数依存性材料は、様々な周波数で異なる電荷移動度を示すように選択することができるので、様々な周波数では導電性材料とみなされる場合も非導電性材料とみなされる場合もある。導体とみなされる周波数では、周波数依存性材料は、固定電極の一つとは異なる位置に、有効な電極構造を形成する場合がある。しかしながら、周波数依存性材料の電荷移動度が比較的低い周波数では、それは導体とはみなされず、有効な電極構造は固定電極の実際の位置によって決定される。したがって、周波数依存性材料を適正に配置し、そして別の駆動周波数を選択すると、有効な導電性構造が変更されて、ＬＣ層の光学特性が動的に変化する可能性がある。
【００１６】
周波数依存性材料をパターン電極と併用するある種の実施態様では、別の電極構造がなければ、空間的に一様でない電場が形成される。このような構造は、電場によるＬＣ分子の不均一な再配向に起因する特別な特徴（例えば、レンズ構造）をＬＣ層に形成するために利用できる。しかし、このような実施態様では、ＬＣ分子全てに初期の共通の配列傾向を付与する（例えば、回位を無くす）ために、空間的に一様な電場を作り出すことが望ましい場合もある。本発明のこの実施態様では、周波数依存性材料の高い電荷移動度（電荷がより遠い距離を移動すること）を生じさせる駆動信号周波数を選択したときに、有効な電極構造が形成され、それによって基本的に一様な電場の空間プロファイルが生じるように、周波数依存性材料を配置してもよい。例えば、パターン電極が環状電極であり、そして電極中央の空間を周波数依存性材料で充填してもよい。このような場合、第１周波数、例えば比較的高い周波数で駆動信号を適用すると、周波数依存性材料の電荷移動度は小さく（すなわち、電荷が移動する距離が比較的短い）、その結果、電極表面の有効な拡張は生じず、電極の環構造に基づいて一様でない電場が生じる。しかしながら、ある周波数、例えば周波数依存性材料が比較的高い電荷移動度を示す比較的低い周波数に変えると、前記材料が環状電極の拡張を発現させて、有効な電極構造が平面的となる。このような場合、こうして生じた電場は基本的に一様である。上述の実施態様では、固定電極にディスク状などの他の形状を利用してもよく、周波数依存性材料によって層を形成し、その層の上部又は下部のいずれかの近辺にあるいはそれを同一面内で取り囲むように配置された固定電極と共に形成していてもよい。
【００１７】
本発明の他の実施態様では、様々な光学装置は、２つのＬＣ層の間に配置された中心層を備えている。液晶層それぞれのＬＣ配向方向は異なっていてもよい。駆動信号が適用される電極対はそれぞれ、各ＬＣ層と隣接し、中心層を避けて横に配置されている。中心層は、特定の構造配置の固定電極（例えば孔パターン電極）と周波数依存性材料とを備えており、各ＬＣ層で見られる電場を左右対称に形成することで勾配制御層としての働く。この電場形成は、駆動信号の周波数によって決まり、周波数依存層内での電荷移動度も決定する。低い電荷移動度に対応する周波数では、勾配制御層は、固定された中心層電極の形に応じて電場を形成する。しかし、高い電荷移動度に対応する周波数では、周波数依存層が有効な電極表面を形成し、勾配制御層は、電極と周波数依存層の両方に起因する電極形状全体に準じて電場を形成する。
【００１８】
本発明の別の実施態様では、光学装置は、特定の周波数で様々な電荷移動度を示す複数の周波数依存性材料を有している。これら材料を併せて特別な幾何学形状で配置すると、動的に調節可能な有効な電極構造が形成される場合がある。例えば、この２つの材料は、共通する層内に、一方の材料がレンズ様の形状を呈してもう一方の材料で取り囲まれた状態に配置することができる。この層とＬＣ層とが一緒に２つの平面電極の間に配置されている場合、駆動電圧の周波数を変え、それにより、有効な電極構造が周波数依存性材料で形成された形（例えば２つの前記材料間の境界線に沿って形成され得るようなもの）を受け入れるかどうかを変えることで、電場プロファイルを変化させることもできる。また、所望により光効率を更に高めるために、装置の光学軸と垂直な表面を持つように別々の材料を配置してもよく、更には、非導電性材料を一緒に用いて、所望の有効な電極形状を構成してもよい。
【００１９】
本発明の別の変更態様では、層間の勾配に沿って変化する周波数依存性の電荷移動度を有する周波数依存層を利用している。そのため、層の一部は、第１周波数に応じて層の別の部分よりも高い電荷移動度を示す。このように、装置に適用される駆動電圧の周波数では、周波数を調節することで、導体として働く層の部分が変更される。したがって、層の勾配形状を利用すると、駆動信号周波数を変更するにつれて変化する有効な電極形状を形成することができる。さらには、この種の層を、様々な固定電極構造（例えば、パターン電極）と組み合わせることで、より複雑な有効電極形状を製造することもできる。
【００２０】
周波数依存性材料は、利用可能な多種多様の材料から成っていてよい。一実施態様では、前記材料は熱重合性導電性材料であり、また、別の実施態様では、前記材料は光重合性導電性材料である。その他の利用可能な材料としては、真空（あるいは、例えばゾルゲル）蒸着薄膜、高誘電率の液体、電解質ゲル、導電性イオン液体、導電性ポリマー、又は導電性ナノ粒子を有する材料が挙げられる。前記材料の重要な特徴は、周波数依存性の電荷移動度を有することである。周波数依存性材料が熱又は光重合性導電性材料である場合、それは、少なくとも１つのエチレン性不飽和二重結合を有する重合性モノマー化合物と、ＵＶ−可視光若しくはＮＩＲ感応性又は感熱性の分子の組み合わせである反応開始剤と、これら混合物の誘電率を変化させる添加物であって、有機イオン性化合物及び無機イオン性化合物からなる群より選択されるものと、前記混合物の粘度を変化させる充填剤とを含んでいてよい。前記材料には更に、ＵＶ−可視光感応性接着剤、ＮＩＲ感応性接着剤、及び熱反応開始剤を用いて重合した接着剤からなる群より選択される接着剤が含まれていてもよい。光学エラストマーを更に含んでいてもよい。
【００２１】
周波数依存性材料が高誘電率の液体であれば、それとして、比較的低い周波数ではεが２．０〜１８０．０までの、周波数に依存して電荷を移動させることができる透明液状物質を挙げることができる。
【００２２】
周波数依存性材料は、電解質ゲル物質である場合、高分子材料、イオン性組成物、及びイオン輸送体を含むことができる。
【００２３】
周波数依存性材料が導電性イオン液体であれば、それとして、塩素酸塩、過塩素酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩、及び炭酸塩からなる群より選択されるイオン種を挙げることができる。
【００２４】
本発明の様々な実施態様としては更に、信号周波数を変化できる駆動信号発生装置が挙げられる。駆動信号発生装置は、周波数を変更できるように単一周波数信号を出力することも、異なる個別の周波数の混合である信号を出力することも、又は周波数成分を変更できるように幾つかの他の形態の信号を出力することもできる。一実施態様では、駆動信号発生装置は、曲線因子を変えることができるようにパルス幅変調信号を発生させる。このような場合、曲線因子を調節することで、信号の高周波数成分の量を変えることができる。別の実施態様では、駆動信号発生装置は、基本モードで、又は第１周波数の信号が第２周波数の信号で変調されるモードで、振幅変調信号を発生させる。さらに別の実施態様では、駆動信号発生装置は、所定の相対周波数と振幅とを有するいくつかの異なる個別の周波数信号を組み合わせた駆動信号を発生させる。適切な駆動信号を選択するには、特定用途の具体的な電極と周波数依存層の構成を考慮に入れる場合もある。
【００２５】
本発明のある特定種の実施態様では、非平面形状の固定導電性電極を備えた電極システムを利用する。非平面形状の周波数依存性材料はまた、非平面固定電極と交互に用いても、又はこれと組み合わせて用いてもよい。本実施態様では構造体の構成は様々であり、レンズ様のポリマー構造上にコーティングした湾曲した導電性材料層から構成される固定導電性電極を備えていてもよい。別の実施態様では、固定導電性電極は、平面開口ポリマー構造上にコーティングした、多層の平面な導電性材料層である。周波数依存性材料はまた、ＬＣ層と固定導電性電極との間に配置された平坦な材料層であってもよい。変更態様では、平面ポリマー構造は、対向する合わせ曲面を有する一対のレンズ様のポリマー構造から構成することができる。周波数依存性材料の湾曲層としては、整合する曲面同士を付着させる光学的に透明な接着剤層を挙げることもできる。
【００２６】
本発明の更に別の実施態様では、様々な光学装置として、それ自体が周波数依存性の電荷移動度を有するＬＣ層が挙げられる。本実施態様の一変更態様では、ＬＣ層自体が駆動周波数の変化につれて電荷移動度を変化させるので、外部の周波数依存性材料を必要としない。したがって、ＬＣ層と相互作用する電場の空間プロファイルは周波数依存性であり、その結果、ＬＣ層は、その光学特性が駆動信号の周波数成分を変えることで調整可能なものとなる可能性がある。本実施態様の一変更態様では、電極アセンブリは空間的に一様でない電場を発生し、ＬＣ層に高い電荷移動度を付与する周波数が発生すると、電場が空間的に更に一様なものへと調節される。別の変更態様では、電極システムには、光学上透明な材料を含む孔パターン電極が電極の中心領域に備わっている。
【００２７】
本明細書に記載の様々な原則や実施態様を更に調和及び適合させることで、様々な電場生成特徴を有する光学装置が作製できることが当業者には分かるであろう。様々な形状及び構成の電極、様々な種類、形状及び位置の周波数依存性材料、様々な駆動信号発生装置、並びに本明細書に記載の他のあらゆる変更態様を組み合わせて用いると、特別な特徴を有する光学装置が作製できる。前記装置は更に、周波数制御型、電圧制御型、又はこれら２つの組み合わせであってよい。
【００２８】
例えば、低角のプレチルトアライメント層を有するＬＣ層を利用してよく、また第１周波数は、均一な有効電極構造に適用してよい。この周波数では、その後電圧を、ＬＣ分子全てが均一な傾きで初期再配向を示すレベルまで上げてもよい。そのとき、電圧の周波数を変更することで、液晶の光学特性が変化する（例えば、レンズ構造を形成する）ように有効な電圧構造を調節して電場に不一様性を導入することができる。初期の一様な電場強度を液晶に適用してから電場不均一性を導入することで、ＬＣ層の回位を無くならせる。駆動信号はまた、液晶を基底状態付近に留まらせないために適用してもよく、それによって像収差を軽減することもできる。別の例では、周波数制御を利用してＬＣレンズの屈折力を変更する場合もあるが、駆動信号の電圧は、前記レンズの性能を高めるために別々の屈折力で、あるレベルから別のレベルまで変化させてもよい。多数の他の同様の制御パラダイムも同様に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来技術の調整可能液晶（ＬＣ）レンズ構造体の概略図である。
【図２】孔パターン電極を有する、従来技術の調整可能ＬＣレンズ構造体の概略図である。
【図３】３区分の上部電極を有する、従来技術の調整可能ＬＣレンズ構造体の概略図である。
【図４Ａ】周波数依存性材料層とその上部付近に配置されたディスク状の上部電極とを有する、調整可能ＬＣレンズ構造体の概略図である。
【図４Ｂ】周波数依存性材料層とその底部付近に配置されたディスク状の上部電極とを有する、調整可能ＬＣレンズ構造体の概略図である。
【図５Ａ】周波数依存性材料層とその上部付近に配置された孔パターン上部電極とを有する、調整可能ＬＣレンズ構造体の概略図である。
【図５Ｂ】周波数依存性材料層とその底部付近に配置された孔パターン上部電極とを有する、調整可能ＬＣレンズ構造体の概略図である。
【図６】図５Ａの構造において比較的高い周波数の駆動信号を利用した場合の等電位面を表すグラフである。
【図７】図５Ａの構造において比較的低い周波数の駆動信号を利用した場合の等電位面を表すグラフである。
【図８】図５Ｂの構造において比較的高い周波数の駆動信号を利用した場合の等電位面を表すグラフである。
【図９】図５Ｂの構造において比較的低い周波数の駆動信号を利用した場合の等電位面を表すグラフである。
【図１０Ａ−Ｅ】図５Ａと同様の構造において、調整可能レンズ効果を示す画像を表している。
【図１１Ａ】図５Ａの構造における屈折力対ＲＭＳ電圧についての実験データを表すグラフを示している。
【図１１Ｂ】図５Ａと同様の構造におけるＲＭＳ収差対ＲＭＳ電圧についての実験データを表すグラフを示している。
【図１２Ａ】図５Ａと同様の構造における屈折力対周波数についての実験データを表すグラフを示している。
【図１２Ｂ】図５Ａと同様の構造における屈折力対周波数についての実験データと、同じ周波数範囲での対応する収差の兆候と、を表すグラフを示している。
【図１３】孔パターン電極と周波数依存性材料とを有する勾配制御構造部が２つのＬＣセル間に挟まれている、本発明の構造体の概略図である。
【図１４】２つの異なる周波数依存性材料が非平面形状の共通の層内にある、構造体の概略図である。
【図１５】周波数依存性材料が周波数依存特性の勾配を有する場合の、構造体の概略図である。
【図１６】勾配のついた周波数依存層とパターン電極とを組み合わせた構造体の概略図である。
【図１７】複数の周波数依存性材料を有する構造体であって、その平面が共通の層内にある、前記構造体の概略図である。
【図１８】成形された上部電極と非導電性領域を有する周波数依存層とを用いた、構造体の概略図である。
【図１９Ａ】図１８の構造において比較的高い周波数の駆動信号を利用した場合の等電位面を表すグラフである。
【図１９Ｂ】図１８の構造において比較的低い周波数の駆動信号を利用した場合の等電位面を表すグラフである。
【図２０】孔パターン上部電極と前記電極の孔の下にある周波数依存性材料とを有する、構造体の概略図である。
【図２１Ａ】図２０の構造において比較的高い周波数の駆動信号を利用した場合の等電位面を表すグラフである。
【図２１Ｂ】図２０の構造において比較的低い周波数の駆動信号を利用した場合の等電位面を表すグラフである。
【図２２】パルス幅変調された信号のパラメータを表すグラフである。
【図２３】パルス幅変調された信号の周波数領域特性を表すグラフである。
【図２４Ａ】３つの異なる周波数で駆動したＬＣレンズの伝達関数（屈折力対ＲＭＳ電圧）を表すグラフである。
【図２４Ｂ】周波数調整可能ＬＣレンズにおける、３つの異なる制御電圧に関する伝達関数（屈折力対周波数）を表すグラフである。
【図２５】周波数調整可能ＬＣレンズを有するカメラの概略図である。
【図２６】周波数調整可能ＬＣレンズにおいて異なる周波数の３つの制御信号を同時に利用するとどのような電場プロファイルが形成できるかを示すグラフである。
【図２７Ａ】成形された上部電極とレンズ様のポリマー構造と周波数依存層とを有する、構造体の概略図である。
【図２７Ｂ】図２７Ａの構造において比較的高い周波数の駆動信号を利用した場合の等電位面を表すグラフである。
【図２７Ｃ】図２７Ａの構造において比較的低い周波数の駆動信号を利用した場合の等電位面を表すグラフである。
【図２８Ａ】成形された上部電極が逆の調整性をもたらすように逆さまの形をしていること以外は図２７Ａと同様の構造体の概略図である。
【図２８Ｂ】全てが平面の形状をした上部電極と平面開口ポリマー構造とを有する、構造体の概略図である。
【図２８Ｃ】逆の調整性をもたらすように平面の位置を逆転させたこと以外は図２８Ｂと同様の構造体の概略図である。
【図２９Ａ】湾曲した周波数依存性材料層が上部高分子材料層に閉じ込められている、上部電極を有する構造体の概略図である。
【図２９Ｂ】図２９Ａのレンズ構造において比較的高い周波数で駆動した場合の、ＬＣ分子の再配向の最大角を示すグラフである。
【図２９Ｃ】図２９Ａのレンズ構造において比較的低い周波数で駆動した場合の、ＬＣ分子の再配向の最大角を示すグラフである。
【図３０Ａ】「ｐｉ」型ＬＣセルの概略図である。
【図３０Ｂ】「ねじれ」型ＬＣセルの概略図である。
【図３１Ａ】光の２つの直交偏光を制御するためのＬＣセル構造の概略図である。
【図３１Ｂ】ＬＣセルが２つとも単一の複合型可変電極構造体で制御されること以外は、図３１Ａと同様のＬＣセル構造の概略図である。
【図３１Ｃ】前記複合型可変電極構造体が２つの直交配向されたＬＣセルの間に配置されていること以外は、図３１Ｂと同様のＬＣセル構造の概略図である。
【図３２Ａ】それ自体が周波数依存性を有するＬＣ層を用いた構造体の概略図である。
【図３２Ｂ】中間層を用いなかったこと以外は図３２Ａと同様の構造体の概略図である。
【図３３】図３２Ａの構造において弱導電性の周波数依存層を用いた場合の等電位面を表すグラフである。
【図３４】弱導電性の周波数依存特徴を有する液晶を利用した全体像の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明は、周波数依存性材料を用いて周波数調整によって電場の空間プロファイルを調節する、調整可能（tunable）液晶（ＬＣ）レンズを対象としている。したがって、レンズの調整は周波数で制御することができる。本発明の装置は、調整可能焦点調節、回折、ステアリング等に利用可能である。本発明の装置はまた、固定型のＬＣ光学装置を制御するのにも利用可能である。
【００３１】
図４Ａは、周波数依存特性を有する材料の層４０６を用いた調整可能ＬＣレンズの概略図を表している。この材料は例えば高誘電率の材料であっても弱導電性材料であってもよい。以降、簡潔にするためにこの材料を「周波数依存性材料」と呼ぶ。前記材料は機能上、その中で限定的な電荷移動度を実現する特性を有しており、また、その電荷移動度は、装置に適用される電気信号の周波数によって決まる。そのため、ある特定の周波数依存性材料では、比較的低い周波数の電気信号が高度の電荷移動（移動距離）を材料内で生じさせる可能性があり、一方、比較的高い周波数は比較的低度の電荷移動度をもたらす。周波数依存性材料を、電場を適用した駆動信号に応じて発生させる電極対と併せて利用すると、電荷移動度によって、電場形成の情況においては、前記材料や、その結果「良好な」導電層と同様の働きをする材料の部分並びに「不十分な」導体に似た働きをする部分への電荷の侵入深さが決定される。したがって、高度の電荷移動度の場合、前記材料の大部分が導体とみなされるので、隣接する電極が拡張しているように見える。その結果、本発明ではこの周波数依存特性を、駆動信号の周波数を変えることで変更できる動的設定可能な有効な電極表面を形成するのに利用する。有効な電極プロファイルをこの方法で変更すると、２つの電極間の電場のプロファイルに対応する変化がもたらされる。ＬＣ層を電極間に配置した場合、動的に変更可能な電場プロファイルをこのようにして利用することで、ＬＣ層の光学特性を動的に変更することができる。
【００３２】
さらに図４Ａに関して、液相セル（ＬＣＣ）４２０はＬＣ材料４２１の層から構成されており、これは、ラビング処理したポリイミド等の材料で形成された「配向処理した」コーティング４２２の間に挟まれている。ＬＣＣの下面には、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の好適な材料で形成された比較的一様な透明導電層（すなわち、電極）４２３が備わっている。前記下面には基材４２４を付与して、透明導電層を支持している。必要に応じて、前記ＬＣＣの上面で、上方の配向処理したコーティング４２２の上に、中間層４２５を設けてもよい。
【００３３】
勾配制御構造４０２は、電場勾配を制御するものであって、固定（好ましくは、低）電気抵抗の光学的に透明な中央電極４０４から構成されており、一方、（それと同一平面上の）同一層の周辺部とその平面より下の領域は、周波数依存性材料の層４０６で満たされている。この層４０６は前記構造の一部であって、本明細書では隠れ電極と呼ぶ場合もある。本発明の実施態様では、電極４０４はディスク状であって、勾配制御構造４０２の中央に配置されている。任意のカバー基材４１３を、勾配制御構造の上部で、透明な中央電極４０４と周波数依存層４０６の上に設けてもよい。
【００３４】
前述のように、周波数依存層４０６は、適用したＡＣ励起電圧によって生じる電荷の侵入深さが周波数毎に異なる、複素誘電性材料である。周波数毎に電荷の侵入深さが異なることから、有効な電極表面を移動させることで電極構造を再構成することができる。言い換えれば、ある周波数での電荷の侵入深さによって、有効な、すなわち「実質的な」電極表面を作製することができる。つまり、周波数によって有効な電極表面の位置が異なる。電極を用いて電場を発生させて、これをＬＣ層に適用するので、様々な有効な電極表面を用いて、ＬＣ層に作用する電場を変化させることができ、ひいては光学特性をも変えることができる。すなわち、例えば、ＬＣセルの光学特性は電極に適用される周波数によって制御できるので、調整可能ＬＣレンズを周波数調整可能にすることもできる。さらに、周波数調整は電圧依存性であってもよく、その場合、前記調整は、様々な周波数の励起信号に対して本質的に同一のＲＭＳ電圧を用いて達成することができる。
【００３５】
さらに図４Ａに関して、図示されたレンズは、様々な予想領域でも操作可能である。周波数依存層４０６内で高度な電荷移動を発現する制御周波数では、電極４０４と層４０６が共に、一様な「上部」電極とみなされる。すなわち、層４０６への高度な電荷侵入によって電極４０４が「拡張」して、有効電極が層４０６の全長にまで広がる。下部電極構造部４２３もまた平坦で一様であることから、ＬＣ層全体の電場もほぼ一様であり、ＬＣ分子も一様に、ＬＣ構造に影響を及ぼす可能性がある配向不良（回位としても既知である）も生じずに再配向されて、パターン電極に電圧をかけることでＬＣ構造が再配向処理される。対照して、層４０６からの電荷移動が非常に制限される電極に周波数を適用する場合、有効な上部電極形状は、単に電極４０４のみと接近し、その結果、ＬＣ層全域で生じる電場は一様でなくなる。この例では、一様でない電場は、ディスク状電極４０４の周囲に密集して、ＬＣ層４２１の光学特性を予め定められた程度変更する。
【００３６】
本来の電圧調整ではなく周波数調整によって、電力を消費するためか又は液晶を変調するために電圧範囲をより効率良く利用することができ、その上、周波数制御を利用すると所望の光学調整を付与することもできる。また周波数制御を利用することで、有効な電極形状と上述のように電極によって発生される電場の形状とを動的に制御する能力を生じさせることもできる。さらに、この「隠された周波数制御型」電極を利用して電場を空間変調させることで、光学的に透明な材料の選択範囲が大幅に拡大する。このようなＬＣレンズの構造はまた、製造が容易でかつコスト効率も良いが、物理的パラメータの変動には反応し難い。最後に、周波数依存性の導電率は補助手段であるが、前記導電率は、より厚い膜を形成することや、電場の空間プロファイルを制御することも可能である。
【００３７】
図４Ｂには前記実施例の変更態様を示しており、光学的に透明なディスク状の中央電極４０４は、このディスク状電極の平面の周辺部とその平面の上部領域が周波数依存性材料４０６で埋まるように配置されている。つまり、この変更態様では、電極４０４が前記上部領域よりは前記材料４０６の下部領域に存在する。しかし、その他の構成成分や前記システムの機能面は事実上同様である。
【００３８】
調整可能ＬＣ光学装置は、多層アセンブリを用いて優先的には並行状に（多数のユニットを同時に処理する方法であり、「ウェハレベル」と呼ばれる）製造可能であり、その最終生成物は、ダイシング処理や、必要に応じてレンズを横断方向で操作軸類（ディレクタ類）と接続して光の直交偏光を２つとも焦点調節することによって得られることが分かるであろう。
【００３９】
光学装置を調整するための制御信号は、当該装置にその内部の光の伝播を制御信号周波数に応じて制御させるように設定された様々な周波数制御信号回路から得ることができる。このような回路の構造は知られているので、本明細書ではこれ以上説明しない。
【００４０】
図５Ａ及び５Ｂは、隠れ電極を用いて周波数調整によって電場を空間変調させる、調整可能ＬＣレンズの様々な構造を示している。これら２つの例では、勾配制御構造５０２が孔パターン固定導電性電極リング５０４で構成されており、このリングは、必要に応じて光学的に透明にしてもよい。図５Ａでは、電極５０４は、周波数依存性材料５０６層の上部に配置されているが、図５Ｂの配置では、前記材料５０６の下部に電極５０４が配置されている。これら実施態様ではそれぞれ、図４Ａ及び４Ｂの実施態様と同様に、電極に適用される制御信号の周波数に応じて、空間的に一様な又は空間的に一様でない電場を発生させることができる。低周波数の信号によって前記材料５０６へ深い電荷侵入が生じると、前記周波数依存性材料層の全長に及びかつ下部の電極５２３と連動して一様な電場を発生させる、有効な電極形状が形成される。それとは対照的に、比較的高周波数の信号は電荷侵入が浅いため、一様でない電場が生じ、それがＬＣ層５２１の光学特性を変化させる。異なる電極形状は（図５Ａ及び５Ｂを図４Ａ及び４Ｂと比べると）、以降に更に説明するように、様々な電場特徴を与える。しかし、これらの構造に関する他の構成要素、例えば配向処理したコーティング５２２を有する液晶セル５２０、下部基材５２４、任意の中間層５２５、下部導電層５２３、及び液晶５２１、並びに任意の上部基材５１３は、図４Ａ及び４Ｂの対応する構成要素と同様に機能する。
【００４１】
図６及び７は、図５Ａの構造における等電位面を表している。図６に示すように、中／高周波数の駆動信号（この場合は２０Ｖで３ｋＨｚ）を用いると、周波数依存層内で中程度の電荷移動が生じ、それによって、穏やかな勾配として図に示された特定の電場が発生する。選択された周波数範囲は、用いられる周波数依存性材料のパラメータに必ずしも左右されない。図７に示すように、比較的低い周波数の駆動信号（この場合は２０Ｖで１００Ｈｚ）を用いると、周波数依存層内でより多くの電荷移動が生じる。これによって電場プロファイルが平坦化されて、対応する一様なディレクタ再配向が生じて、配向欠陥、いわゆる回位を容易に無くすことができる。この種のプロファイルはまた低いＲＭＳ電圧でレンズを「消去」することもでき、３つ目の電極を必要としないか、或いはホスト装置の性能を低下させるか又は電圧限界に触れる傾向がある極低い電圧（例えば０ボルト）若しくは極高い電圧（例えば１００ボルト）に駆動電圧を変化させる必要もない。前記の平坦な等電位面は、レンズ直径全域で平坦な電場に相当する。更に、「低」周波数域は、使用する周波数依存性材料のパラメータによって決まる。
【００４２】
図８及び９は、図５Ｂの構造における等電位面を表している。図８は、２５Ｖで周波数７００Ｈｚの駆動電圧を加えた、図５Ｂの配置における電場プロファイルを表している。この比較的高い周波数の電圧は、周波数依存性材料内に中程度の電荷移動を発生させ、その結果、図に示すように穏やかに変化する空間的に変化し易い電場プロファイルがもたらされる。一方、低周波数の駆動信号（例えば２５Ｖで１００Ｈｚ）は、図９に示すように、比較的平坦な空間分布の電場を生じさせる。
【００４３】
図１０Ａ〜１０Ｅは、図５Ａに示すセル構造における調整可能ＬＣレンズ（ＴＬＣＬ）の効果を実験的に証明したものを表している。図示した画像を得るために、単一の液晶層を備えた調整可能レンズを、２枚の交差偏光板の間に（４５°で）配置した。図１０Ａは、制御電圧で励起する前のＬＣ配列の一様なプロファイルを表している。図１０Ｂは、比較的低い励起周波数の電圧を電極に印加して励起したときのＬＣ配向の一様なプロファイルを表している。この低周波数励起で生じた一様な電場プロファイルは、レンズ効果を有しないＬＣ配向の対応する一様なプロファイルを表している。電圧を０Ｖ（図１０Ａ）から３５Ｖ（図１０Ｂ）まで上げても、液晶の配向は変化するが配向勾配は生じないため、レンズ効果も存在しない。図１０Ｃ〜１０Ｅは、周波数依存性誘電体層の電荷移動度が中程度の場合の、駆動周波数でのレンズの動作を表している。つまり、１０ＶＲＭＳで１．１ＭＨｚでは（図１０Ｃ）、多数の干渉環によって、勾配とそれに対応するレンズ効果の存在が示されている。電圧を３５ＶＲＭＳまで上げると（図１０Ｄ）、勾配が部分的に軽減されて、それに応じてレンズの屈折力も部分的に減少している（干渉環の減少）。同様の効果は、図１０Ｅに示すように、電圧は同じだが周波数を、周波数依存層の電荷移動度がより高い点まで周波数を下げた（図１０Ｂに示す状態に近づけた）場合に得られることがある。
【００４４】
図１１Ａ及び１１Ｂは、図５Ａに示すセル構造における、振幅変調領域での屈折力とＲＭＳ収差それぞれに対するＲＭＳ電圧についての実験データ（Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎデータ）を示している。この実施例では、駆動電圧１．１ＭＨｚを図５Ａの構造を有するＬＣレンズに印加して、駆動電圧の大きさを変えている。図１１Ａからは屈折力の穏やかな変化が明白に認められるが、図１１Ｂには、周波数を更に調節しなくても単一の電圧制御を用いることで得られた、優れた（極めて低い）収差レベルが表されている。図に示すように、９ジオプタの屈折力でも、収差は０．１８マイクロメートル未満である。しかし、電圧を挙げるとレンズの「消去」効果がなくなることに注意しなければならない。Ｖ＞７０ＶＲＭＳでも約１．５ジオプタの「残留屈折力」が存在しており、非常に注目すべき周波数制御状態になっている。
【００４５】
本発明の様々な実施態様を表す図４Ａ〜５Ｂ等の図面は、概略図であって、正確な縮尺ではないことが当業者には分かるであろう。つまり、周波数依存層が他の層に比べて比較的厚く示されているが、実際には非常に薄い可能性があり、周波数依存性材料の位置に基づいて有効な電極プロファイルを動的に形成するために利用され得る。また、電極の「拡張」は、レンズの光学軸に対して並行な方向であっても、垂直な方向であっても、その両方であってもよい。そのため、例えば図５Ｂの構造では、孔パターン電極５０４と平坦な電極層５２３との間の電圧は、周波数依存層５０６内の電荷移動がほとんど無い場合、ＬＣ層５２１をまたがる、一様でない電場を生じさせる。この一様でない電場は、例えば、ＬＣ層に所望のレンズプロファイルをもたらす可能性がある。一方で、周波数依存層内に有意な程度の電荷移動度を発現する周波数の駆動電圧を印加すると、有効な電極構造が孔パターン電極の中央の「孔」領域にまで広がるので、構造全体に亘って平坦な有効な電極が形成される。孔パターン電極のこの「水平方向の」拡張は、２つの一様な電極構造によって電場プロファイルを一様なものへ変化させる。この一様な電場は、液晶分子の均質な再配向に影響を及ぼし、その結果、レンズ効果が消去される。
【００４６】
前述の比較的高い周波数から比較的低い周波数までの周波数範囲では、駆動電圧の周波数を、段階的に変化する光学パラメータのＬＣ層が生じるように調節することができる。この実施例は、駆動電圧の周波数を変えることで屈折力を最小値から最大値まで変化できるレンズを作製することである。従来の調整可能ＬＣレンズは、一定周波数の駆動電圧を利用して、電圧レベルを調節してＬＣ層の光学特性を変化させる。そのため、平坦な電極と孔パターン電極（図５Ａと５Ｂのように）の間の電圧を変化させればレンズの屈折力は変えることができるが、従来のシステムのものと同様の固定電極構造では周波数調整ができず、本発明で得られるような複雑な電場プロファイルも到底得られない。
【００４７】
パターン電極を有する従来のシステムのもう一つの課題は、「回位」の影響である。一般的なＬＣレンズでは、ＬＣ分子にはいずれも共通のプレチルト角が付与されているため、それらは０ボルトでは整列している。パターン電極を有するレンズで電圧調整を利用すると、電圧上昇によって、一様でない電場力線が形成されて、同じ電場強度を受ける他のＬＣ分子とは異なる配置転換を生じるＬＣ分子が現れる。この回位は、レンズに収差を生じさせるが、レンズを消去する非常に高い電圧で全分子を整列させてから、電圧を所望の屈折率をもたらすのに適した範囲まで下げることによって取り除くこともできる。一方、図５Ｂの実施態様等では、最初に比較的低周波数の励起電圧を適用することによって、有効で一様な電極プロファイルとそれに応じた電場プロファイルが生じる。電圧を閾電圧より高くすることで、分子を共通した角度方向に再配向させる（この状態では、屈折力はゼロである）。その後、励起電圧の周波数を上げると周波数依存性材料の電荷移動度が減少する可能性がある。周波数を上げると、一様でないプロファイルの電場が現れて、所望のレンズ効果が生じる。しかし、ＬＣ分子を全て閾値よりも高い低周波数の電圧で予め整列したため、レンズプロファイルが形成しても回位は生じない。
【００４８】
図１２Ａは、本発明のレンズ構造で周波数調整が達成できる仕方の例を表すグラフである。図示した曲線は上述のように周波数０にまで及んでいるが、レンズに供給する初期電圧は１００Ｈｚのような低いＡＣ周波数であってよい。この周波数では屈折力は低い。なぜなら、ＬＣ分子の全てが本来は統一して整列されているためである。前記電圧の信号を変えなければ周波数を増加することもでき、また図に示すように屈折率は、一様でない電場がＬＣ層にレンズ特徴を発現し始めると上昇する。この実施例では、屈折率は、約２５ｋＨｚで最大値に達した後、また低下し始める。これにより、レンズを電圧調整する代わりに又は電圧調整することに加えて、周波数調整がどの程度利用できるかが分かる。図１２Ｂは、図１２Ａと同様であるが、更に高い周波数範囲で周波数調整可能な別のレンズ構造を表している。しかし、図１２Ｂは、非常に低いＲＭＳ収差レベルが活性な屈折力範囲で現れることも示している。
【００４９】
空間的に一様な低角のプレチルトアライメント層を利用した屈折率分布型液晶レンズの場合、液晶材料は電場の方向に基底状態から所望の最大再配向まで再配向する。プレチルト角が電場に対してほぼ９０度のとき、電場がＬＣ分子を再配向させる能力が最も弱い。そのため、ある種の調整可能ＧＲＩＮ光学装置では、液晶の配向に調整可能な範囲を決めて、液晶を再配向させる能力が弱い電場では液晶を配向させないことが有利な場合もある。これは、一様な電場を適用することで完了し、その結果、基底状態ではない液晶の再配向が生じて、新たな感応性の高い「基底」状態又は基準状態を発現することで、変調された電場を一様な電場の上部に適用してレンズ又は他の光学装置を形成することができる。あるいは、これは、電場（最低屈折力）と基底状態方向での一様な電場設定から外れた空間変調配向（高い屈折率）とを用いたアライメントに近い配向で生じる屈折率を変化させることで達成することができる。これは、電場と液晶の基底状態との間の弱い相互作用によって収差を生じさせない。したがって、本発明は、周波数依存性材料を利用してこのような好適な電場を形成できると考えられる。
【００５０】
図１３は、隠れ電極を利用して周波数調整によって電場の空間変調をもたらす、調整可能ＬＣレンズの更なる変更態様を表している。図１３において、電場勾配を制御する構造部は、固定（好ましくは低い）電気抵抗を有する孔パターン周辺の電極１３０４で構成されているが、この電極の真ん中の（同一平面上ある）中央ディスク状領域及びその平面を囲む面積は、周波数依存性材料１３０６で満たされている。この勾配制御構造（ＧＣＳ）１３０２は、直交面内で、ディレクタ（ＬＣ分子の長軸の平均配向）を有するＬＣセル１３２０ａ、１３２０ｂの間に挟まれている。例えば、ディレクタの１つがＸＺ面にあり、第２のディレクタがＹＺ面にあり、前記サンドイッチ部の法線がＺ軸であってよい。この実施態様では、ＬＣセルの従来利用される「内部」電極の一方を取り除くと、ＬＣ層内に電場勾配を形成することができる。ＧＣＳ１３０２の位置を好都合に利用して、ＧＣＳ用の複数の機能、例えば電極とヒーターと（周波数依存性材料の）シート抵抗又は温度センサとを組み合わせてもよい。ヒーターと温度センサを一緒に用いると、装置の温度を最適レベルに維持するのに役立つ場合がある。電極１３０４を更にパターニングするで、電場プロファイルの形成時に重要な役割を果たしかつ経時的に徐々に部分変化し得る材料１３０６の電気特性、例えばシート抵抗を測定することも可能である。これに関連して、ＧＣＳを特殊合金（例えばＭｏ／Ａｌ）で別の形に作製することでこれら複数の機能が達成される可能性もある。アセンブリの中央に電場の空間変調を決定する層を設けると、上述のように変調層の下にある１層又は複数の層で電場を均一に影響を及ぼすという利点がある。中間電極を設けることで電極間の距離は基本的に半分になる。また、２つの電極セルを駆動しなければならない割には、電圧や部品はほとんど変わらない。
【００５１】
前記実施態様では、ＴＬＣＬの構造は本来、全て平坦である。すなわち、周波数依存層、電極層（ＩＴＯ等）、ＬＣ層等は平坦である。電場は、電極層のパターニング又は周波数依存層の複素インピーダンスのどちらか一方或いはそれら両方によって形成される。しかし、他の構造配置を利用して電場を形成することも可能である。
【００５２】
非限定例として、本発明の様々な集束型平面反射レンズの実施態様の寸法について述べる。寸法は、構造の選択と材料の選択に応じて大幅に変化し得ることが考えられる。カバー基材は、厚さ５０〜１００ミクロンのガラスから製造され得る。孔パターン電極はアルミニウム等の不透明な金属で製造されても、又は透明な酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で製造されてもよい。電極の厚さは１０〜５０ｎｍまでであってよい。周波数依存性材料は、厚さ約１０ｎｍの酸化チタンから製造され得る。酸化チタンは、制御信号周波数によって変化する半導体特性を有している。
【００５３】
周波数依存性の誘電（又は複素誘電）材料は、以降に記載の様々な材料から構成することができる。このような材料の必須特性は、弱導電性を示し得ることであり、それによって制御信号の周波数に応じて変化する電荷移動度がもたらされる。これによって、光学特性又は屈折力を制御するために電場の形状を周波数調整したり、更にはＬＣ光学装置のオンオフ操作を周波数調整したりすることもできる。
【００５４】
上部及び下部のアライメント層は、約２０〜４０ｎｍ厚のポリイミド層であってよく、これらをラビング処理することで、低角でプレチルトした液晶基底状態をアライメントさせる表面が得られる。液晶層は、例えば５〜３０ミクロン厚であってよい。空間変調式の屈折率分布型レンズを含むこのような単一の液晶層は、光の単一直線偏光を集光する。図１３の実施態様では、孔パターン電極１３０４と周波数依存性材料１３０６が上部基材に配置されており、この電極は２つのＬＣ層又はセル１３２０ａ、１３２０ｂ間で共有されている。
【００５５】
この方法で２層〜４層のＴＬＣＬをアセンブリすると、直径約１〜３ｍｍ及び厚さ約４６０ミクロンのレンズが現れると考えられる。ＴＬＣＬの屈折力は約８〜１６ジオプタになることがあり、これは大抵のカメラ用途に適している。ＴＬＣＬは、１層だと可変集束レンズを提供し、２層だと、ズームレンズを提供することができる。
【００５６】
図１４の実施態様では、２つの異なる周波数依存性材料を配置することで非平面構造が示されている。複素誘電率の異なる材料は、制御信号周波数に応じて電場を形成させて、有効な３Ｄ形状の電極を構成する。２つの材料の光屈折率は、非平面構造が光の透過と屈折を妨げないように調和させることが好ましいが、画像変換効果を発揮する電極構造のどの効果も担うようにレンズシステムを設計することもまた可能である。
【００５７】
この実施態様では、２つの周波数依存性材料は、同一層内にあって、当該層の異なる領域を占めている。第１材料１４０６ａはレンズ様の形状を有し、当該レンズの光学軸が中心である。第２の周波数依存性材料１４０６ｂは、前記層の残りの部分を占めており、第１材料とは別の周波数依存特性を示す。そのため、前記層に電場を適用した場合、２つの材料１４０６ａ、１４０６ｂの応答は異なる。この実施形態では、上部電極１４０４と下部電極１４２３はどちらも平坦で、互いに並行であり、間に液晶１４２１が挟まっている。２つの電極１４０４、１４２３間の電圧電位の周波数を変えると、液晶に適用された電場の分布も変化する。これにより、ＬＣセル１４２０の光学特性は制御周波数を変えることで変更可能であり、電場の「形状」は２つの材料１４０６ａ、１４０６ｂの相対位置とそれらの誘電率とによって決まる。
【００５８】
例えば、図１４の実施態様で用いられる励起周波数は、電荷移動を大きく制限する程であった。しかも材料１４０６ａ、１４０６ｂの誘電特性は類似しており、ＬＣ層で発現する電場は本質的に一様であると考えられる。このことから、レンズ効果も回位も生じさせずにＬＣ分子を一様に再配向すると考えられる。しかし、電荷移動が前記層１４０６ｂ内に実在するように周波数を適用すると（しかし、層１４０６ａでは充分ではない）、ＬＣ層で生じる電場は周辺の方が強いため、再配向勾配とそれに対応するレンズ効果が生じる。その上、これら２つの状態間の遷移は、穏やかにかつ回位を生じさせずに実行することができる。これは、前記電場プロファイルの周波数制御によってもたらされる重要な利点であるが、励起場の振幅は変えるがそのプロファイルは変えない電圧制御のみを利用しても達成することはできない。
【００５９】
材料１４０６ａ、１４０６ｂの相対形状とそれらの誘電率を特定の用途に適合するように選択できることが当業者には分かるであろう。また、このような複雑な周波数依存層は、２つの異なる周波数依存性材料よりも多くのことに利用可能である。さらに、前記実施態様では、この構造を用いた調整可能レンズは、駆動電圧の周波数を変えるか、又は特定周波数の電圧の大きさを変えるか、又は前記両者の調節法を組み合わせることで調節可能である。
【００６０】
図１５の実施態様には周波数依存層１５０６が設けられている。これは、架橋勾配を有する導電性ポリマー又はゲル或いは別の周波数依存性材料を有し、周波数依存性電荷移動度の勾配をもたらす。この勾配構造は、レーザビーム若しくは他の光（例えばＵＶ）又は熱源によって中央ドロップと拡散部を有する勾配成形強度を付与してから重合するか、或いは電場誘起（例えば電解質）材料を分離してから重合することで作製することができる。この実施態様では、電極１５０４、１５２３に印加した電圧の周波数が非常に高いと、層１５０６は電場にほとんど影響を及ぼさず、前記層が間にない一様な電極対が生成されたかのように見える。つまり、有効な上部電極が、実際より上の（最上部）電極位置にあるように見える。しかし、周波数を低下させると、周波数依存性材料は、その材料中心部での方が高度な電荷移動を生じ始める。周波数を更に低下させると、一層多くの材料が勾配構造に準じた電荷移動を生じ始める。つまり、勾配の形状は、有効な電極構造が前記材料１５０６内で発現する仕方と、それに対応して、有効な電極の形状が周波数によって変化する仕方とを左右する。電極の形状は、電場プロファイルに直接関係することから、周波数調整可能電場プロファイル、ひいてはＬＣ層上での周波数調整可能効果を発生させる。
【００６１】
周波数を、周波数依存性誘電率材料が完全に導電性となるくらい低下させると、有効な上部電極は、周波数依存性誘電体層の下部にあるように見える。すなわち、有効な電極は、周波数依存層が完全に「導電性」となる低周波数から、周波数依存層全体が本質的に「非導電性」である高周波数までの間の周波数では、前記材料１５０６内の勾配に準じた形をとる。従って、図１４の実施態様でのように、液晶に適用される電場の形状は、電極電圧の周波数を加減することで調節できる。
【００６２】
図１６は、勾配の付いた周波数依存層１６０６の効果（図１５の実施態様で示したようなもの）とパターン電極１６０４とを組み合わせた実施態様を表している。特殊な形状の電極１６０４と有効な周波数依存変動性を有する導電層１６０６とを選択することで、電極電圧の周波数を加減したときに所望の範囲の電場形状を生じさせる可能性があることが当業者には分かるであろう。前記材料１６０６は、例えば、勾配（勾配は、破線１６０７の図形で表される）の付いた複素誘電率を有する材料であってよく、そして勾配領域毎に異なる程度の周波数依存性電荷移動度を示す。前記材料１６０６は、勾配を中に発現させた１つの材料から構成されていても、２つ以上の材料の組み合わせから構成されていてもよい。前記材料１６０６は上部電極１６０４と隣接しており、一方、ＬＣ層１６２１は下部電極１６２３と隣接している。上部電極形状と前記層１６０６内の周波数依存性勾配構造とを組み合わせて用いると、所望の範囲の有効な電極形状、更には所望の範囲の電場プロファイルが形成される。
【００６３】
図１７は、本発明の別の実施態様を表しており、ここで、平坦な上部電極と下部電極１７０４、１７２３の間の電場は、異なる周波数依存性材料１７０６ａ及び１７０６ｂから成る光学的に透明な隠れ構造と、図１５と同様の勾配構造を有する周波数依存性材料層１７０６ｃとで調整される。材料１７０６ａと１７０６ｂは周波数依存特性が相違しており、適用される励起周波数に応じた特殊な有効電極構造をそれら材料の共通層内に生じさせる。また、周波数依存層１７０６ｃによっても、周波数依存形状の電場が形成される。この方法の一つの利点は、光は材料１７０６ａ及び１７０６ｂの平面を通り抜けるが、ＬＣ層で見られる電場は、適用される励起電圧の周波数に応じて平坦であっても湾曲していてもよいことである。特に、材料１７０６ａ及び１７０６ｂの具体的な形状や配置並びに層１７０６ｃの具体的な複合特性は、所望の用途に応じて選定される。多種多様な異なる電場形状がそれによって生じ得ることが当業者には分かるであろう。
【００６４】
図１８は、有効な３Ｄ形状の電極構造を周波数に応じて変化させるように周波数依存性材料が配置された、更なる実施態様を表している。この実施態様は、形成された上部電極１８０４（この場合はディスク状のもの）と、非導電性領域１８０６ａ及び周波数依存性材料１８０６ｂを含む周波数依存層とを組み合わせて利用するものである。電極１８０４の形状を慎重に選択することで、非導電性領域１８０６ａと材料１８０６ｂとの相対的な分布だけでなく、材料の周波数依存特性や所望の電場形状をも発生させることができる。図１７の実施態様と同様にこの実施態様も、材料層の平面は、光が伝播し易いものが有効である。
【００６５】
図１９Ａは、図１８の電極構造で比較的高周波数（この場合、２０Ｖで１０ｋＨｚ）のときに生じる電場の等電位線を表しており、この周波数では、周波数依存層は中程度の電荷移動度を示すだけである。この場合、有効な電場形状は、周波数依存性材料からの有意な寄与はなく、まるで中央のディスク状電極で生じているように見受けられる。図１９Ｂは、図１８の電極構造で比較的低周波数（この場合、２０Ｖで１００Ｈｚ）のときに生じる電場の等電位線を表しており、この周波数では、周波数依存層がかなり大きな電荷移動度を示す。この場合、有効な電場形状は、まるで電極構造の最上部にある中央のディスク状電極と周波数依存性誘電体層の下部にある環状電極とが共謀して発生させているように見える。中間の周波数では、有効な電極形状は更に小さく、少しドーム状であることも分かるであろう。
【００６６】
図２０は、図１８の実施態様とは若干正反対の構造を有する実施態様であり、図２１Ａ及び２１Ｂは、本質的には図１９Ａ及び１９Ｂと同様の、様々な駆動周波数に対応した等電位線を表している。図１８の実施態様はディスク状の電極と周波数依存層内の非導電性の中央領域を利用しているが、図２０の実施態様は孔パターン電極２００４と周波数依存層２００６を利用しており、導電性材料は全て、電極の「孔」の下の中央領域に配置されている。そのため、この実施態様を利用すると、図１８とは若干正反対の電場応答を生じさせることができる。このような形状は、例えば、周波数の変化に応じて収束レンズから発散レンズへ変更できる調整可能ＬＣレンズを製造するのに役立つ可能性がある。高周波数（例えば、２５Ｖで１２ｋＨｚ）では、周波数依存性材料は電荷移動度をほとんど示さず、電場は、孔パターン電極のみから生じているように見える。低周波数（例えば、２５Ｖで２００Ｈｚ）では、周波数依存性材料は更に高い電荷移動度を示し、その結果、電場が、電極２００４と、周波数依存性材料の下にあるディスク状電極とで生じているように見える。周波数を前記極値間で変化させることによって、ＬＣレンズを調整するのに適した、穏やかな範囲の湾曲した電場形状が生じる。こうして、収束性と発散性の両方を示すレンズがもたらされる。
【００６７】
このような隠れ電極を用いて電場を調節する多数の多種多様なＬＣレンズ構造が利用可能であり、しかも本発明の範疇に包含されることを述べることは重要である。
【００６８】
周波数依存性材料
上述のように、本発明は、本明細書に記載のＬＣレンズ等の調整可能光学装置での利用に適した、周波数依存性材料の様々な化学組成物を提供する。このような材料は、ビームステアリング装置やシャッター等のような他の周波数依存性光学用途にも利用できることが当業者には分かるであろう。周波数依存性材料の均質又は不均質層をレンズ、ビームステアリング装置、及び／又はシャッター構造に組み込むことで、周波数調整による電場の空間変調がもたらされる可能性がある。つまり、調整を周波数で制御することができる。このような装置は、調整可能焦点調節、回折、ステアリングなどに利用できる。
【００６９】
前述の様々なＬＣレンズ構造において、周波数依存層は、複素誘電体の誘電率を有する材料から作製され、前記材料は、前記システムの電極に適用される駆動周波数に依存性（弱導電性を包含するもの）を示す。非限定的な実施例によれば、この材料は、熱又は光重合可能な導電性材料であってよく、その組成には、次の要素を包含することができる。
（ｉ）重合性モノマー（直鎖又は環状）化合物、
（ｉｉ）反応開始剤、
（ｉｉｉ）最終組成物の誘電率又は導電性を変化させる添加物、
（ｉｖ）重合体のガラス表面への接着力を向上させる接着剤（接着剤は、表面処理剤として用いて又は前記溶液に直接組み込むことで接着力を向上させることができる）、及び
（ｖ）前記混合物の粘度を変化させる充填剤。
【００７０】
ある実施例では、９０％（重量）のイソデシルアクリレート（ＳＲ２５６）を０．３％のＬｉ＋ＣＬＯ４−（重量％）と混合する。そして３％の反応開始剤２−ヒドロキシル２−メチル１，１−フェニルプロパノン（ダロキュア（Ｄａｒｏｃｕｒｅ）１１７３）を加えて、混合物を室温で慎重に撹拌して、均質な透明溶液を生成する。次に、１０％のＥＣＡ（２−エチルシアノアクリレート）（モノマー類の全質量に対する重量％）を加えて、最終溶液を室温及び暗状態で１５分間慎重に撹拌した。この混合物は、材料をＵＶ光源によって強度１５ｍＶ／ｃｍ２において３分間露光することで重合可能である。
【００７１】
別の実施例では、組成物の第１液を調製するために、３５（重量）％の光学接着剤ＯＡ９３５２ＨＴ２（ＨＴ）を６５（重量）％の（２（２−エトキシエトキシ）エチルアクリレートモノマー）と混合し、この混合物を室温で慎重に撹拌することで均質な透明溶液を生成する。次に、１０％の４−メチルフェニル）［４−（２−メチルプロピル）フェニル］−ヘキサフルオロホスフェート（モノマー類の全質量に対する重量％）を加えて、最終溶液を室温及び暗状態で１５分間慎重に撹拌する。
【００７２】
組成物の第２液は、低ε又は導電性を有するものであって、５５重量％のイソデシルアクリレート（ＳＲ３９５）と光学接着剤（４５重量％、ＡＴ６００１）とを混合したものである。この溶液を室温及び暗状態で１５分間慎重に撹拌する。この混合物は、材料をＵＶ光源によって強度１５ｍＶ／ｃｍ２において３分間露光することで重合可能である。必要に応じて、シリコーン系由来の光学エラストマーを前記熱重合性又は光重合性の導電性材料に含有させ、それを前記組成物の低ε部分として利用してもよい。この材料は、熱硬化性化合物に分類することができる（そして、１液型又は２液型シリコーンエラストマーでもあり得る）。
【００７３】
様々な材料組成物、様々なＬＣ層、様々な電極、様々なディレクタアライメント、様々な幾何学形状等を用いて同様の光学装置を製造できることにも留意すべきである。すなわち、本明細書に開示した材料と物理的構造物との様々な組み合わせは特定の用途に利用され得るが、光学装置の周波数調整に利用できる周波数依存性材料の使用は、これら各実施態様に共通している。
【００７４】
複素誘電体の誘電率を有する材料の多種多様な化学組成物は、前述の周波数調整可能レンズ、ビームステアリング装置、及び／又はシャッター構造での利用に好適な場合があることが判明しており、前記材料は、電極に適用される駆動周波数を加減することで（弱導電性を含む）変更が可能である。
【００７５】
本発明のある実施態様によれば、重合性モノマー化合物は、少なくとも１つのエチレン性不飽和二重結合を有し、また虚数部を含む複素誘電率（導電率と呼ぶ）も有しており、そして反応開始剤は、ＵＶ−可視光若しくはＮＩＲ感応性又は感熱性の分子の組み合わせである。
【００７６】
特に、反応開始剤化合物としては、例えば、トリアリールスルホニウムヘキサフルオロアンチモン酸塩混合物、ヘキサフルオロリン酸塩、及び当業者に既知の任意の他の好適な反応開始剤を挙げることができる。好ましい反応開始剤化合物は、４−メチルフェニル［４−（２−メチルプロピル）フェニル］−ヘキサフルオロホスフェートである。
【００７７】
熱重合性又は光重合性の導電性材料の誘電率を変化させる添加物は、有機イオン性化合物（例えば、ヨードニウム（４−メチルフェニル）［４−（２−メチルプロピル）フェニル］−ヘキサフルオロホスフェート又はトリアリールスルホニウムヘキサフルオロアンチモン酸塩であって、プロピレンカーボネートと混合したもの）、無機イオン性化合物（例えば、Ｌｉ＋ＣｌＯ４−、Ｋ＋ＣｌＯ４−等）、イオン性有機金属化合物、又はこれらの任意の混合物、及び当業者に既知の任意の他の好適な添加物であってよい。
【００７８】
接着剤は、ＵＶ−可視光若しくはＮＩＲ感応性であるか、又は熱反応開始剤を用いて重合される接着剤であり、表面処理剤として用いて又は前記溶液に直接組み込むことで接着力を向上させることができる。前記実施例では、接着剤は光学接着剤ＯＡ９３５２ＨＴ２（ＨＴ）であるが、他の好適な接着剤も当業者には既知である。
【００７９】
前記実施例で説明したように、光学エラストマーは、光学接着剤（ＡＴ６００１）と混合したイソデシルアクリレート（ＳＲ３９５）、及び当業者に既知の任意の他の好適な光学エラストマー類からなる群より選択されてよい。
【００８０】
本発明の別の実施態様によれば、周波数依存性材料は、高誘電率の液体であって、電荷移動度を生じさせることができるε値２．０〜１８０．０までのあらゆる透明な液状物質から選択される。好ましくは、高誘電率液体のε値は３０．０〜１５０．０である。さらに好ましくは、高誘電率液体のε値は６０．０〜１２０．０である。液体は、純粋なものであっても、アルキレンカーボネート系混合物、例えばプロピレンカーボネート（ＰＣ）又はグリセリンカーボネート（ＧＣ）（それぞれεが６７と１１１であってアルキル基、置換アルキル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基、アリール基、置換アリール基、及びアリールカルボニル基を有するもの）であってもよい。さらに、水、グリセロール、及び水と有機若しくは無機化合物（例えば、グリセロール、アルカリ塩、又はアルカリ希土類塩）との混合物の利用も考えられる。ある特別な実施例は、７％の蒸留水と９３％のグリセロールとの混合物である。この溶液は、室温で１５分間撹拌する（この溶液の屈折率は、第２液の隠れ層に対して１．４６３０の値に調節する）。
【００８１】
本発明の別の実施態様によれば、周波数依存性材料は電解質ゲルであって、高分子材料（マトリクスとして使用されるもの）、イオン性組成物、及びイオン輸送体が挙げられる。
【００８２】
一般に、イオン性組成物やイオン輸送体材料と混合できるあらゆる市販ポリマー（例えば、ポリアクリル酸、エポキシ材料、ポリウレタン、ポリカーボネート、及びポリフェノール（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｉｃ）材料）をポリマーマトリクスとして利用することが可能である。アニオン種及びカチオン種を有するイオン性組成物は、溶解性アルカリ塩又は希アルカリ塩（例えば、Ｌｉ＋、Ｋ＋等）、有機化合物又は有機金属化合物からなる群より選択することができる。
【００８３】
イオン輸送体材料は、プロピレンカーボネート（ＰＣ）若しくはエチレンカーボネート（ＥＣ）等の純粋な液体であっても、２種以上の液体の混合物であっても、或いはエーテル基又はフェノキシ基等の極性基を有するモノマーであってもよい。この極性基は、側鎖であっても、ポリマー主鎖に組み込まれていてもよい。例えば、（２（２−エトキシエトキシ）エチルアクリレートモノマー）中のエーテル基は、長い側鎖であり、イオン輸送体の役割を果たす。電解質ゲルの例は、１０重量％のＰＭＭＡを８０％プロピレンカーボネート（ＰＣ）に溶解したものであってよい。この溶液を室温で一晩撹拌した後、この溶液に１０重量％の量のＬｉ＋ＣｌＯ４−を加えて室温で撹拌する。最終的にゲル様の材料を、調整可能ＬＣレンズの高誘電率層部分として利用する。
【００８４】
本発明の更なる実施態様によれば、周波数依存性材料は、導電性のイオン性液体であってよい。この材料は、塩素酸塩、過塩素酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩及び炭酸塩のように、イオン種を有する様々な有機、無機又は有機金属化合物に分類される。このような材料の具体的な非限定例としては、（１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート）及び（１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート）が挙げられる。
【００８５】
周波数依存性材料のまた別の例は導電性ポリマーである。共役ポリマーの最も重要な特徴は、導電体として働くその能力である。これら材料は、従来のポリマー（例えば、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレン）又はクレビオス（Ｃｌｅｖｉｏｓ）製のＰＥＤＯＴポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）及びＰＥＤＴから、低バンドギャップで本質的に導電性のポリマー類のように特殊な導電性を有する新規ポリマーにまで及ぶ。
【００８６】
ナノ粒子環境では、材料を水、有機溶媒、モノマーに分散することがある。例えば、ＡＴＯ（（ＳｎＯ２）０．９（Ｓｂ２Ｏ５）０．１）は水又はポリエチレングリコールジアクリレートに分散され、又は粉末形態で使用されるナノ粒子はスパッタ法で基材に薄層としてコーティングされている。あるいは、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ類）は円筒形ナノ構造の炭素同素体である。この材料は、水、又はモノマー等の有機材料中に分散されたナノ粒子として用いることができる。ナノ粒子は、スピンコーティング法等の様々な方法でガラス表面に堆積することができる。
【００８７】
周波数依存層を調製するもう一つの可能性は、金属酸化物をガラス基材表面上の薄膜として堆積することに基づいている。この場合、金属化合物をガラス表面に堆積させてから、酸化プロセスで処理する。この方法では、電子ビーム法、スパッタ法、又は熱蒸着法のために金属ターゲットが使用される。例えば、電子ビーム法で作製されたＳｎＯ２、Ｔｉ３Ｏ５、ＺｎＳ、ＺｎＯ２等の金属酸化物は、周波数依存性部として利用することができる。
【００８８】
導電性ガラスを、調整可能ＬＣレンズの周波数依存性部として利用することもある。この場合、導電性材料は、ガラス（バルク）にドープして薄膜蒸着法（例えば、電子ビーム法、スパッタ法、又はゾルゲル法等）でのターゲットとして利用することができる。例としては、ガラス中に直接ドープして薄膜蒸着法での導電性ガラスターゲットとして利用される、モリブデン、銀、又はこれらの混合物が挙げられる。Ｔｉ３Ｏ５（酸化チタン）層は約１０ｎｍ厚とすることができ、一方、イオン導電性を多少もたらすポリマーも十分に機能し得るが、その厚さは０．１〜３０ミクロンまでの範囲である。
【００８９】
駆動信号
対応する光学装置の周波数依存性を制御するために本明細書で使用される特定の材料は、様々な特性の多種多様な駆動信号を利用することができる。これら信号の特徴には、周波数変動が挙げられ、更には振幅や動作周期制御も挙げることができる。これらの幾つかの例について、以下に詳述する。
【００９０】
パルス幅変調
周波数を制御する一つの方法は、いわゆる「パルス幅変調」（ＰＷＭ）信号を利用するものである。図２２には、ＰＷＭ信号のパラメータ、すなわち振幅と周期、そして動作周期又は曲線因子（「ＦＦ」）が表されている。図示するように、ＰＷＭ信号は合計周期で規定される特徴を有しており、パルス持続時間は動作周期で決まる。ＰＷＭ信号の周波数領域特性を図２３に概略的に示すが、これは、様々な曲線因子に対するＰＷＭ波形の周波数成分を表している。パルス列は、波形頂点に対応する優位周波数（ｆ０）を有することが分かる。また一方、このような波形のフーリエ級数が示すように、低振幅の高周波数成分は矩形波に含まれる。そのため、動作周期５０％の矩形波パルス列のエネルギーのほとんどはＰＷＭ信号周期に相当する「中心」周波数にて含まれるが、一部のエネルギーは他の周波数にももたらされる。これは、図２３に示す「高ＦＦ」包絡線で表される曲線因子に見られる。低い曲線因子の場合、中心周波数から離れたところにおけるＰＷＭ信号中のエネルギー量は高い曲線因子の場合に比べて大きい。この場合、より多くのエネルギーを高周波数域に有するブロードな包絡線になる。高い曲線因子（動作周期）の場合、中心周波数から離れたところにおけるＰＷＭ信号のエネルギー量が低い曲線因子の場合に比べて小さくなる。例えば、ＰＷＭ動作周期を５０％から５％まで低下させると、ＲＭＳ電圧が正規化数１．０から０．１まで一桁減少するが、それと同時に、高周波数域でのエネルギーがかなり増加する。
【００９１】
ＴＬＣＬの制御は、例えば携帯電話のカメラ用のレンズ等の特定用途ではＰＷＭを利用する場合がある。ＰＷＭ制御は、このようなＴＬＣＬにある種の利点をもたらし、また、次の特性があると考えられる。
【００９２】
１）ある特定の「中心」周波数、例えばｆ＝ｆ１では、駆動「最大振幅」は、駆動信号の実スペクトルがかなりブロードとなることを踏まえて、最大屈折力が比較的低いＦＦで達成されるように設定することができる。その場合、そのＦＦを単に増加させるとＲＭＳ電圧も上がるので、屈折率は低下するが、その低下は曲線ｆ１（図２４Ａ）と同じように進まない。実際には、ＦＦを増加させると駆動信号のスペクトル成分がかなり減少するため、屈折率の低下は、ＲＭＳ電圧の上昇だけでなく高周波数信号成分の減少にも起因すると考えられる。これによって屈折率は非常に「速く」低下し、比較的低い電圧の利用が可能となる。
【００９３】
２）ある特定の駆動周波数及びＦＦで最大屈折率に達すると、駆動周波数はシフトダウンし、ある伝達関数から別の伝達関数へ効率良く変化する（例えば、図２４Ａではｆ１からｆ２へ変化する）。これは、高いＲＭＳ電圧を必要とせずにレンズの屈折率を最小値にするのに役立つ。
【００９４】
３）ＦＦの変化と周波数の変化を併用するか又は同時に生じさせことで、屈折率の制御を達成することも可能である。本発明は、周波数調整による電場の空間変調を生じさせるために隠れ電極システムを用いた、調整可能ＬＣレンズに関する。そのため、レンズ調整によって周波数制御が可能だが、ＦＦを調節すると駆動信号の関連周波数成分も同様に変化する。このような場合、ＦＦと周波数の両方を用いてレンズ調整を行うこともできる。上述のように、本発明の装置は、調整可能な焦点調節、回折、ステアリング等の多種多様な用途に利用可能である。
【００９５】
ＰＷＭモードとは異なり、振幅変調（ＡＭ）モードは、特定の周波数を伝えるようにレンズを調節するのに利用できる。図２４Ａは、様々な駆動周波数ｆ１〜ｆ３において振幅変調モードでのＲＭＳ電圧対屈折率を表す伝達関数の概略図を表している。振幅変調（ＡＭ）モードとＰＷＭモードの両方で提案されるＴＬＣＬには様々な制御選択肢が利用可能である。ＡＭモードは、ＰＷＭ信号が、曲線因子の変更によるＲＭＳ振幅制御を利用して前記信号の比較的高い又は低い周波数成分を決定するという点で、ＰＷＭモードとは異なる。それに対して、ＡＭは、曲線因子１００％で設定された周波数信号を利用して、その振幅だけを変えるものである。図２４Ａの曲線はそれぞれ、様々な選択周波数における、ＴＬＣＬの屈折力を変えるためのＲＭＳ電圧の利用の仕方を表している。このような特性は、図１４に示すレンズでよく見られる。
【００９６】
図２４Ｂは図２４Ａと同様であるが、周波数制御レンズが様々な制御電圧でどのように作用するかを表している。図示する様々な電圧では、周波数の増加がレンズの屈折力の増加（及びその後の低下）に対応している。一方、屈折力の最大値は電圧に応じて大きくなり、また、最大値は高周波数域で生じる可能性がある。このような特性は、図５に示すレンズでよく見られる。
【００９７】
光学装置内の光の伝播を制御信号周波数で制御するように制御信号を可変周波数制御信号回路から供給することができる。例えば、図２５は、ＬＣレンズ２５０２と少なくとも１つの固定レンズ２５０４とを組み合わせたカメラの概略図を表しており、ＬＣレンズ２５０２の行う焦点制御によって画像センサ２５０６に画像の焦点を合わせる。画像は、所望の焦点値を出力するオートフォーカス機能を備えたカメラコントローラ２５０８に送られる。電場コントローラ２５１０は、一般には早見表（形状、材料、温度、シート抵抗、カメラ等に関する利用可能な／任意の情報を含むもの）を利用して、焦点値を電気的パラメータ（この場合は所望の曲線因子）に変換する。単一のＰＷＭ波形の振幅と周期で設定する曲線因子だけでは調整が不可能な場合、コントローラ２５１０は、ＰＷＭ振幅設定と周期設定を調整することができる。ＰＷＭ駆動回路２５１２自体は、従来型のＰＷＭ回路であってよい。構成要素２５０８及び２５１０は、マイクロコントローラで処理されたマイクロコードを用いて実行でき、さらに構成要素２５１２には、所望の周波数と動作周期を得るようにマイクロコントローラでも制御されるパルス幅変調電気回路へとマイクロコントローラの管理下にて切り替えられる電源が装備されること、が当業者には分かるであろう。
【００９８】
周波数成分を制御して高周波数域を縮小させる場合、ＰＷＭ振幅は減少させるが、動作周期はその後増加させることで、電極システム又はＬＣセルが望ましくない方法で応答する高周波数域を生じさせない機構と同一のＲＭＳ電圧を得ることができる。
【００９９】
複雑な周波数信号
ＰＷＭ信号又はＡＭ信号については上記に具体的に述べているが、駆動信号については、１つの周波数のみに基づくか又は複数の個々の周波数成分を組み合わせたものが利用可能である。このような「複雑な周波数」信号は、例えば、様々な周波数の個々の信号を全て一緒に、予め決められた（が、動的に変動する）比率で混合して組み合わせたものであってもよい。ＰＷＭ法とは異なり、複雑な周波数信号は、矩形波型の信号形態に依存するとは限らず、また、高周波数成分と低周波数成分の度合いを変えるために曲線因子の調節を利用しない。
【０１００】
図２６は、図２５に示すような周波数調整可能レンズ構造において、３つの異なる周波数の３つの制御信号が互いにどのように作用して電極電圧プロファイルを形成するのかを表しており、複雑な周波数信号発生装置は図２５に示すＰＷＭ信号発生装置２５１２に置き換えている。さらに図２６は、ＬＣレンズ全体の有効電圧を表しており、この範囲の中央には電極の放射線構造位置における中心点が示されている。この描写に使用した振幅値及び周波数値は、単なる例である。
【０１０１】
１０Ｖで１００Ｈｚの第１信号は、放射線構造位置に対して有効電圧の変動がほとんど生じないので、レンズ全体の回位を軽減するように作用する。１２Ｖで３ｋＨｚの第２信号では、一般的な形のレンズが提供されている。最後に、８Ｖで２０ｋＨｚの第３信号は、電圧プロファイル全体に、このプロファイルのレンズ状（球面又は非球面）特性を改善する形で寄与している。その結果、３つの信号を組み合わせると、単一周波数よりも優れた電極の電圧プロファイルが形成される。第１信号は、ＬＣ層の開口全体を最小電圧で処理してＬＣ分子配向を確実に開始させるために利用できる。第２信号は、外側から中心部までなだらかに推移しており、良好で円滑なプロファイルを提供することができる。高周波数の第３信号を追加することで、球面、レンズ状若しくは非球面を高めたプロファイル、又は他の所望のプロファイルを提供することができる。
【０１０２】
その他の周波数の更に多くの信号を利用することで、電場を更にレンズ特性に望ましい形にできることが当業者には分かるであろう。その上、所望の電圧プロファイルが得られれば、電圧を調節するだけでレンズを調整することも可能である。全信号を一斉に電圧調節してもよいが、周波数毎に別の調節を使ってもよい。
【０１０３】
成形された電極
図２７Ａは、幾何学形状の固定電極を用いた、本発明の調整可能ＬＣレンズの概略図を表している。図から分かるように、ＬＣ層２７０２は、上部基材と下部基材２７１３及び２７２４それぞれの間に挟まれている。平坦な下部電極２７０８（これはＩＴＯ層であってよい）は、下部基材に設けられており、また、ＬＣ層２７０２のＬＣ分子を予め決められた方向に整列させるための配向用コーティング２７１０（例えば、ラビング処理したポリイミド）がコーティングされている。ＬＣ層と隣接する上部基材の表面にも、ＬＣ分子を整列させるための配向用コーティング２７１０がコーティングされている。下部基材２７０８の他に、電極システムは上部電極構造２７１２も備えており、これは、湾曲した電極２７１６（これはＩＴＯ層であってもよい）がコーティングされたレンズ様の高分子構造体２７１４から形成されている。上部電極構造２７１２は複合可変電極構造体（ＣＶＥＳ）であって、周波数依存性複素誘電率を有する材料の層２７０６が更に備わっている。必ずしもそうとは限らないが、前記層２７０６は、可変導電性を有する屈折率整合層（ＩＭＬＶＣ））であってもよく、この材料はＬＣセル２７１３の上部基材とレンズ様の高分子構造体２７１４の間に配置される。この材料の複素誘電率や電荷移動度は、（例えば、上部及び下部電極間に印加される電圧で駆動周波数を変えることで）動的に変化させることができる。
【０１０４】
周波数依存性材料は、上述のような弱導電性材料であってよく、その電荷移動度は、電極に適用される電気信号周波数に応じて変化するため、こうして生じる電場を空間変調するために利用することができる。より具体的には、弱導電性材料は、周波数依存性の誘電率／導電性を有する複素誘電率材料であってよい。つまり、電極２７０８及び２７１６間のＡＣ励起電圧の周波数を変えることで、周波数依存層内の電荷移動度を変化させることができる。これによって、下部の平坦な電極と上部の湾曲した電極によってＬＣセル内で発生した電場が変数（周波数制御可能に）変換／調節される。
【０１０５】
本実施態様では、上部電極構造におけるレンズ様の高分子構造体の形を選択することでその光学機能を最適化すると同時に、（ＬＣセル内で電場を発生させる）その電気機能を、平坦なＩＭＬＶＣ層と駆動周波数の選択とによって調節することもできる。ＬＣ層内で生じる電場の湾曲率もまた、比較的高い駆動周波数でのレンズ様の形から、低い駆動周波数での平坦な電場分布（事実上、２つの平坦な電極を利用しているかのような状態）まで変化させることができる。すなわち、周波数依存層の高い電荷移動度状態は、低い駆動周波数によって生じるものであり、その上部構造を、あたかも湾曲した電極が存在せずしかも前記層２７０６が上部電極であったかのように発現させる。そのため、それは、回位の発生（空間内での急激な配向変化）を無くすことができる。最後に、ＬＣ分子の動的再配向による電場プロファイルの変化（及びそれに付随する収差）は、隠れた周波数依存性材料層の電荷移動度を動的に変化させることで補正してもよく、その結果、電場のプロファイルを再形成することもできる。
【０１０６】
比較的高い駆動周波数では、材料２７０６内での電荷移動が非常に制限されているため、電場のプロファイルは影響を受けず、主にレンズ様の高分子構造体２７１４の湾曲率によって決定される。この実施態様の変更態様では、レンズ様の高分子構造体は、層２７０６と同じ材料で作製することができる。このような構造の作用は、別の材料層２７０６が必要ないこと以外は、前記定義と全く同様である。
【０１０７】
周波数依存性材料層は、特定の実施例では調整可能ＬＣレンズの電極システムの一部として説明しているが、電極システムとは別のものとして、分かりやすく言うと調整可能ＬＣレンズの追加要素として考えてもよい。周波数依存性材料層は、レンズの一部として、電極システムで生じる電場の形状を、電極システムに適用される駆動信号の周波数を変えることで動的に制御することができる。
【０１０８】
図２７Ｂは、図２７Ａに示すＬＣレンズの、高い駆動周波数（この場合、３５Ｖｒｍｓで１００ｋＨｚ）における等電位面を表している。高周波数の駆動信号を適用することで、隠れ層（ＩＭＬＶＣ）の電荷移動度が最小限に抑えられる。この低い電荷移動度状態は、ＬＣ分子の空間的に一様でない再配向とレンズ様の形状の一様でない屈折率分布とに応じて、ＬＣ層内の電場に段階的な変化を生じさせることができる（言い換えれば、ＬＣレンズは調整可能となる）。
【０１０９】
図２７Ｃは、図２７Ａに示すＬＣレンズの、低い駆動周波数（この場合、３５Ｖｒｍｓで１００Ｈｚ）における等電位面を表している。低周波数の駆動信号を適用することで、隠れ層（ＩＭＬＶＣ）の電荷移動度が最大となる。この高い電荷移動度状態は、ＬＣ分子の空間的に一様な再配向と一様な屈折率分布とに応じて、ＬＣ層内に一様な電場を形成させることができる。したがって、このように一様な励起を用いて再配向プロセスを開始すると回位欠陥が形成されず、その後、駆動周波数を更に高い値に調節することでレンズ様の構造が形成される可能性がある。また、駆動信号の周波数を調節して一様な励起に戻すことで、大抵は速度が非常に遅い基底状態（Ｖ＝０ボルト）にしなくても、レンズ様の構造体を徐々に取り除くことができる。ＬＣ分子の再配向中は（ＬＣ層内の）電場のプロファイルが変化することも留意すべきである。しかし、図２７Ａに示すＬＣレンズ構造では、電場の望ましくない変化を駆動信号の周波数やｒｍｓ電圧の調節によって補正することができるので、レンズの収差を所望の値よりも低く保つことができる（これは、固定電極対では実施不可能である）。周波数依存層と周波数制御を利用することで、構成要素２７１４の光機能を（優れた「固定」屈折率と低い収差で）「調整する」という特有の可能性が得られると共に、電極２７１６と周波数依存層２７０６を利用した良好な電場プロファイル（ＬＣで認められるもの）の発現をも可能にすると理解すべきである。
【０１１０】
図２８Ａは、本発明による別の構造の調整可能ＬＣレンズの概略図を表している。図から分かるように、レンズ様の高分子構造体２８１４の形状は、上部基材２８１３に配置されてから、湾曲した電極２８１６（これはＩＴＯ層であってよい）がコーティングされたものであって、図２７Ａのものとは異なる。上部電極構造に更に、周波数依存性の誘電率を有する材料の層２８０６を備えている。前記材料は、ＬＣセルの上部基材２８１３とレンズ様の高分子構造体との間に配置されている。そのため、図２８Ａに示されたレンズは、図２７Ａのレンズと同じ作用を有するが、正反対の調整性を示す。すなわち、この構造から生じる有効な電場の形状は、図２７Ａから得られる電場とは正反対のレンズ効果を発現させて、駆動周波数の変化につれてレンズの屈折力を逆方向に変更させる。この正反対の調整性は、特定のレンズ用途で価値がある可能性がある。
【０１１１】
図２８Ｂは、本発明による更に別の構造の調整可能ＬＣレンズの概略図を表している。図２８Ｂは、ＬＣ層２８０２が上部基材２８１３と下部基材２８２４とに挟まれたＬＣレンズ構造を表している。平坦な下部電極２８０８（例えばＩＴＯ層）は下部基材上に設けられており、ＬＣ層２８０２のＬＣ分子を整列させるための配向用コーティング２８１０（例えばラビング処理したポリイミド）があらかじめ定められた方向にコーティングされている。ＬＣ層と隣接する上部基材２８１３の表面にも、ＬＣ分子を整列させるための配向用コーティング２８１０がコーティングされている。下部電極以外に電極システムは、上部基材２８１３上に配置された上部電極構造２８１１も備えており、これは、不均一な平面の電極２８１７（例えばＩＴＯ層）がコーティングされた、一様でない「平坦な開口を有する」ポリマー（又は他の）構造体２８１５から形成されている。上部電極構造体２８１１には更に、周波数依存性材料の平面層２８０６も備えている。この材料は、ＬＣセルの上部基材と「平坦な開口部を有する」高分子構造体との間に配置されている。
【０１１２】
「平坦な開口部を有する」形状を前記ポリマー構造として選択するということは、上部電極構造体２８１１、ひいては電極システム全体が光学的に「不可視なもの」となり、この層が光機能（レンズ作用）を既に果たしておらず、（ＬＣ層内で空間的に一様でない電場を発生させる）電気作用にのみ応答することを表している。前述のレンズ構造と同様に、平坦なＩＭＬＶＣ層と駆動周波数の選択は、ＬＣレンズの調整が周波数制御可能となるようにこの電気的機能を調節する。図２８ＢのＬＣレンズ構造において、表面が全て平面であるという事実から生じるもう一つの重要な利点は、一様なＩＴＯ層による高分子構造体のコーティングが容易に行えることである。
【０１１３】
図２８Ｃは、本発明による調整可能ＬＣレンズの更に別の構造の概略図を表している。図２８Ｃに示す構造は、複合可変電極構造の表面が全て平面であるという点で、図２８Ｂと同様である。そのため、図２８Ｃに示すレンズ構造は、電極システムの光機能と電気的機能との同様の非干渉化をもたらすだけでなく、図２８Ｂに関する上述と同様の操作上の利点も与える。しかしこの構造は、電極２８１９の表面位置が逆転しており、電極２８１９が前記構造の中心のＬＣ層から最も遠いほどであるという点で、電極２８１９の表面位置がレンズの外側付近にある図２８Ｂとは異なる。このことは、正反対の光学調整性を発現すること以外は、図２８Ｂと同様の周波数調整可能レンズをもたらす。すなわち、図２８Ｃのレンズの屈折力対周波数を表す曲線は、図２８Ｂとは正反対である。
【０１１４】
図２９Ａは、本発明による調整可能ＬＣレンズの更に別の改良型構造の概略図を表している。図から分かるように、ＬＣ層２９０２は、上部基材２９１３と下部基材２９２４の間に挟まれている。平坦な下部電極２９０８（例えばＩＴＯ層）は、下部基材２９２４上に設けられており、また、ＬＣ層のＬＣ分子を予め決められた方向に整列させるための配向用コーティング２９１０（例えば、ラビング処理したポリイミド）がコーティングされている。ＬＣ層２９０２と隣接した上部基材２９１３の表面にも、ＬＣ分子を整列させるための配向用コーティング２９１０がコーティングされている。特に本実施態様では、電極システムの上部電極構造２９１２が、平坦な上部ポリマー（又は別の）材料層２９１４で包囲された、湾曲した可変誘電率材料（ＩＭＬＶＣ）層２９１６を備えていることであり、前記層２９１４は、上部基材の上に配置されている。上述のように、ＩＭＬＶＣ材料の電荷移動度は、動的に（例えば、駆動周波数を変えることで）変更することができる。上部電極構造は、上部ポリマー材料層の上に配置された、平坦な光学的に透明な層２９０６（例えばＩＴＯ層）も備えている。
【０１１５】
したがって、図２９Ａに示す変形構造では、図２７Ａの湾曲した上部ＩＴＯ層を湾曲した弱導電性材料層２９１６と実施面から置き換えている。レンズ様の構造体の形状は制限されない。というのも、前記レンズ様形状構造体が光学的には隠されていて、一様でない電場を発生させるという唯一の機能を発揮するためである。さらに、ＩＴＯでコーティングされた湾曲面も存在しない。光学的に透明な接着剤（可変導電性を有するもの）を用いて、高分子構造体の複製面（対向しているが、同一の／適合した曲率を有する面）を、包囲されている湾曲したＩＭＬＶＣに付着させる。ＬＣ層２９０２内で生じた電場の曲率もまた、低駆動周波数（ＩＭＬＶＣが高い電荷移動状態にある場合）でのレンズ様形状から、高駆動周波数（ＩＭＬＶＣの電荷移動度が非常に小さい場合）での平坦な電場分布が得られるまで変更することができる。前記高駆動周波数では、ＩＭＬＶＣは単に誘電性の薄層となり、（フレネル反射損失を減少させたい場合以外は）屈折率整合も必要ないため、回位（空間での急激な配向変化）も発生しない。最後に、ＬＣ分子の動的再配向（及び対応する収差）による電場プロファイルの変化を、隠れ層の電荷移動度の動的変化で補正することで、電場プロファイルを再形成することができる。
【０１１６】
図２９Ｂ及び２９Ｃは、図２９Ａに示すレンズ構造における、高駆動周波数及び低駆動周波数それぞれでのレンズ内のＬＣ分子の再配向の最大角を表している。図２９Ｂに示す出力（レンズ効果なし）は、４０Ｖで１００ｋＨｚの駆動電圧を用いて得たが、図２９Ｃに示す出力は、４０Ｖで１００Ｈｚの駆動電圧を用いて得た（レンズ効果あり）。
【０１１７】
図３０Ａ及び３０Ｂはそれぞれ、前記ＬＣレンズ構造で利用できる様々なタイプの従来型ＬＣセルに関する２つの例を表している。特に、図３０Ａは「ｐｉ」型セルを表しており、図３０Ｂは「捻じれ」型セルを表している。ハイブリッドアライメント等の他のタイプのＬＣアライメントも検討可能である。
【０１１８】
図３１Ａ及び３１Ｂはそれぞれ、光のｓ偏光とｐ偏光を取り扱うために本発明の新規電極構造をＬＣセルと組み合わせた２つの構造可能性を表している。図３１Ａの構造では、２つの液晶セル（ＬＣＣｘとＬＣＣｙ）を横方向に配向させることで直交偏光に対処しており、これらＬＣＣ層の両面にはＣＶＥＳが設けられている。この実施例では、各ＣＶＥＳ層を利用してＬＣＣ層の別の一方を制御している。別の構造である図３１Ｂは、唯一の電極構造を利用して２つの直交配向させたＬＣＣを制御すること以外は同様である。この場合、上部ＬＣＣｘの平坦な下部電極は、ＬＣＣｙの上部電極構造と平坦な下部電極とによって制御電場が生じように配向されている。図３１Ｃに示す構造もまた利用可能であり、この場合、ＣＶＥＳ層は、最終装置の中間（２つの直交配向ＬＣセル間）に用いて配置される。
【０１１９】
前記の様々なＬＣレンズ構造では、本明細書に記載のどの周波数依存性材料を使用してもよい。このような材料は、駆動周波数を変えることで変更可能な複素誘電体の誘電率（例えば、弱導電性）を有する。前記材料の具体的な特徴は、当該の特殊なレンズ構造に応じて選択され得る。特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、様々な材料組成物、様々なＬＣ層、様々な電極、様々な幾何学的形状等を用いて前記ＬＣレンズを作製できることに留意すべきである。本明細書を読めば、本明細書に記載のＬＣレンズを用いて様々な光学装置を開発できることも分かるであろう。さらに、本明細書に述べた「湾曲した」表面構造（例えば、図２７、２８Ａ）はいずれも、その純粋な光学的な機能をなくすために、図２９Ａに示すように、その上面と同じ光学特性を有する任意の不動態化材料で覆われて又は「満たされて」いてよい。
【０１２０】
ある種の装置は、周波数依存性に乏しいか又は周波数依存性を持たないが励起信号の周波数には常に「敏感」反応する可能性のある材料を用いて作製できることも、当業者には分かるであろう。これは、分散型ＲＣＬ電子回路でのように、様々な構成要素の組み合わせが周波数に応じて電場減衰を（横断面で）生じさせる場合である。
【０１２１】
ドープ処理したＬＣ層
図３２Ａには、本発明の更に別の実施態様を表している。この実施態様では、ＬＣ層とは別個の周波数依存性材料を用いない代わりに、それ自体が所望の周波数依存特性を示すＬＣ材料３２０２が利用されている。周波数依存性材料はそれ自体が液晶の一部であるが、ＬＣ層内には所望の形状の電場が得られる。孔パターン導電性リング３２０４は上部電極として機能し、一方、平坦な下部電極３２２３はＬＣ層３２０２のもう一方の面に配置されている。配向処理したコーティング３２２２はラビング処理したポリイミドであってよく、更に前記構造には上部基材３２１３と下部基材３２２４がそれぞれ配置されている。この実施例では、前記構造は、任意の中間層３２２５を利用しており、これは、電極３２０４及び３２２３が発生させる電場を更に成形する機能を有している。図３２Ｂに示す別の実施態様は、このような中間層がないこと以外は、本質的には同じである。この実施例では、（孔パターン電極によってもたらされる）電場がＬＣ層の電荷移動度によって弱まるので、孔パターン電極とＬＣ層が接近しているにもかかわらず、レンズ様の屈折率分布を発生させる場を形成させる可能性がある。図３３の結果に示すように、パターン電極による電場発生は、電荷移動度を有する液晶を用いるときに重要である。
【０１２２】
等電位線のシミュレーションは、孔パターン電極の間の領域に比較的標準的なＩＴＯ電極層（＜１平方当たり１００ｋΩ）を用い、導電率が１０−３Ｓ／ｍ程度の弱導電性液晶と組み合わて推測している。
【０１２３】
図３２Ａ及び３２Ｂの環状電極は、アルミニウム等の不透明なものであってもよく、上部電極に開いた中央開口部又は孔は、レンズの光学的開口を表している。一般に、ＬＣ材料は、合成後に精製すると導電性が低下する。液晶の本体の導電性が、例えばある種のイオン性不純物に起因して適切でない場合、その後、ドープ処理を施してもよい。例えば、金属又は金属酸化物のナノ粒子、炭素ナノチューブ、及びリチウム等のイオンを添加して、液晶の特性を損なわずに液晶の導電性を高めることも可能である。その基本分子構造又はアセンブリ内で適当な弱導電性を示す金属錯体を有するＬＣ材料も存在する。このような弱導電性は、高すぎると望ましくないが、平坦電極間での液晶の操作を妨げるものではない。電場がパターン電極によって生じる場合、電場形成によって液晶の電荷移動度が動作を有意に変化させる。
【０１２４】
ＬＣの前記パラメータは、液晶材料の電気流体力学的不安定性のように望ましくない効果が生じないように選択すべきであることが分かるであろう。図３４は、限定導電率を有する液晶を調整可能レンズ用途に利用する別の可能な方法である。少なくとも幾つかの異なる状態を区別することができる（簡略化のために、内部の層の存在は省略している）。図３４に関し、上部基材及び下部基材をそれぞれ「領域１」及び「領域２」と呼ぶものとする。一態様では、領域１及び２のうち一方は非導電性材料である。その場合、直径２ｍｍ及び厚さ４０マイクロメートルのＬＣだと、電場プロファイルがレンズ用途（任意の適度なＬＣ導電性を付与するもの）にはシャープ過ぎると考えられる。別の態様では、領域１及び２はいずれも導電性材料である。その場合、電場プロファイルはレンズ用途（任意の適度なＬＣ導電性を付与するもの）には平坦過ぎると考えられる。ある態様では、領域１及び２がそれぞれ、例えば１平方当たり１００ｋΩのシート抵抗を有する電気抵抗の高い材料（又は、高い複素分極率を有するが良好な導体ではない材料）である。この場合、電場プロファイルは、レンズ用途（任意の適度なＬＣ導電性を有するか、或いは純粋な導電性を有する／導電性を有しないＬＣ類を付与するもの）に好適であると考えられる。最後に、領域１及び２のうち一方は電気抵抗の高い材料であるが、もう一方は非導電性である。この場合も、電場プロファイルは、レンズ用途（任意の適度なＬＣ導電性を有するか、或いは純粋な導電性を有する／導電性を有しないＬＣ類を付与するもの）に好適であると考えられる。孔パターン電極と高抵抗領域とを組み合わせる案は、結局、必要とされる液晶の導電性レベルを低下させると考えられる。
【０１２５】
弱導電性液晶材料を複素誘電率材料層と組み合わせて一緒に動作させれば、制御機構として周波数を利用して電場の形状を変化させたとしても、周波数を一定にしてかつ電圧を利用して電場と装置の光学的状態とを制御したとしても、所望の電場を形成できることが分かるであろう。
【０１２６】
本発明は、その好ましい実施態様を参照して示して説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義する本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、形態や詳細を様々に変更できることが当業者には分かるであろう。
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
0005596025.tif 000004
【図１０Ｄ】
0005596025.tif 000005
【図１０Ｅ】
0005596025.tif 000006
【図１６】
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【図１９Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
0005596025.tif 000010
【図２７Ａ】
0005596025.tif 000011
【図２７Ｂ】
0005596025.tif 000012
【図２７Ｃ】
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【図２８Ａ】
0005596025.tif 000014
【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３２Ａ】
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【図３３】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図３２Ｂ】
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【図３４】
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