(57)【要約】  室温でクロスオーバ周波数を中心にして誘電異方性を示す二周波液晶材料を使用した同調可能な液晶レンズを提供する。クロスオーバ周波数を中心にして低周波成分および高周波数成分を有する、同調可能な液晶レンズの駆動信号は、二周波液晶層に空間変調電界を印加し、差分二乗平均平方根振幅が屈折力を決定する。差分二乗平均平方根振幅が変化すると、優勢な励起条件下で屈折力が変化し、屈折力変化速度の改善をもたらす。駆動信号パルスを使用することにより、屈折力変化速度をさらに改善することができる。提案する解決策を使用する多種多様な同調可能な液晶レンズ構造を記載する。【選択図】  図７
2014503845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．    ｉ．二周波液晶材料を含む液晶層であって、前記二周波液晶材料が対応する温度でクロスオーバ周波数を中心に誘電異方性を示して成る液晶層と、
ｉｉ．前記液晶層を間に狭持して液晶セルを形成する１対の液晶配向層であって、基底状態で液晶分子の低プレチルト角の配向を誘発するように予め定められた方向にラビングされたコーティングを各々含んで成る液晶配向層と、
ｉｉｉ．電極構造であって、前記電極構造および前記電極層が前記液晶セルを狭持して成る電極構造と、
を含む層化構造と、
ｂ．前記クロスオーバ周波数より低い周波数の第１駆動信号成分および前記クロスオーバ周波数より高い周波数の第２駆動信号成分を前記電極構造に略同時に提供するように結合された制御駆動信号回路と、を備える同調可能な光学装置。
【請求項２】
前記駆動信号成分が提供されたとき、合成空間変調電界が前記液晶セルに印加され、液晶セルに空間変調ダイレクタ配向を誘発し、前記空間変調ダイレクタ配向が前記液晶セルを通過する光ビームに空間変調光学特性の変動を引き起こす、請求項１に記載の同調可能な光学装置。
【請求項３】
前記層化構造が前記電極構造の少なくともアパーチャを充填する透明な弱導電層をさらに含み、前記弱導電層が前記弱導電層内の周波数依存性電荷移動性を可能にする周波数依存性材料を含む、請求項１または２に記載の同調可能な光学装置。
【請求項４】
前記駆動信号成分が提供されたとき、前記周波数依存性電荷移動性が前記電極構造に駆動信号周波数特定的有効電気プロファイルを持たせ、前記第１駆動信号成分が略平坦な空間分布を有する電界成分を印加させ、前記第２駆動信号成分が空間変動電界成分を印加させる、請求項３に記載の同調可能な光学装置。
【請求項５】
前記弱導電層がさらに、前記空間変調電界の勾配を軟化させるように構成された、請求項３に記載の同調可能な光学装置。
【請求項６】
前記周波数依存性材料がさらに、前記空間変調電界を整形するように構成された周波数応答性電界勾配制御層として前記弱導電層を機能させる、請求項３ないし５のいずれか一項に記載の同調可能な光学装置。
【請求項７】
レンズ、ビームステアリング装置、および光シャッタのうちの１つをさらに備え、前記合成空間変調電界を介する液晶分子配向の制御された変動が前記液晶層に前記光ビームをそれぞれ合焦、操縦、および遮蔽させる、請求項１ないし６のいずれかに記載の同調可能な光学装置。
【請求項８】
前記電極構造が回転対称な電界空間変調をもたらす穴パターン化電極を備え、前記光学装置が同調可能な液晶レンズであり、かつ前記光学特性が屈折力である、請求項１ないし７のいずれかに記載の同調可能な光学装置。
【請求項９】
前記穴パターン化電極が、前記同調可能な液晶レンズの光学アパーチャを画定するように構成された、請求項８に記載の同調可能な光学装置。
【請求項１０】
前記電極構造が分割リング電極を備え、前記制御駆動信号回路が前記第１および第２駆動信号成分の１つを各電極セグメントに別々に印加させ、前記光学特性が光学画像安定化である、請求項１ないし９のいずれかに記載の同調可能な光学装置。
【請求項１１】
前記光学装置が同調可能な液晶レンズであり、前記分割リング電極を駆動することによりパラメトリックレンズがもたらされる、請求項１０に記載の同調可能な光学装置。
【請求項１２】
前記液晶材料が二周波液晶材料ＭＬＣ−２０４８を含む、請求項１ないし１１のいずれかに記載の同調可能な光学装置。
【請求項１３】
前記電極構造と前記液晶セルとの間に緩衝基板をさらに備え、前記緩衝基板が液晶セルの厚さに対する感受性を低減するように構成された、請求項１ないし１２のいずれかに記載の同調可能な光学装置。
【請求項１４】
前記電極構造がさらに、前記液晶セルを跨いで前記第１の透明な電極層の反対側に第２の透明な電極層を備え、屈折力を変化させる際に前記第２の透明な電極層が過渡的駆動信号成分によって駆動される、請求項１ないし１３のいずれかに記載の同調可能な光学装置。
【請求項１５】
前記同調可能な光学装置が前記光ビームの単一偏光に関する前記空間変調光学特性変動を引き起こし、前記同調可能な光学装置がさらに、２つの直交偏光に対し相補的光学特性変動を引き起こすように構成された二重構造を備えた、請求項２ないし１４のいずれかに記載の同調可能な光学装置。
【請求項１６】
前記二重構造が液晶セル間に直交液晶配向層ラビング方向を有し、前記各偏光が線形であり、前記二重構造がフル偏光光学特性変動をもたらすように構成された、請求項１５に記載の同調可能な光学装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の同調可能な光学装置を使用したカメラレンズ組立体。
【請求項１８】
請求項１または１７に記載の同調可能な光学装置を使用したカメラモジュールであって、画像センサおよび少なくとも１つの画像取得部品をさらに備えたカメラモジュール。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの画像取得部品がさらに、前記同調可能な液晶レンズを合焦するために電界制御装置を備えた、請求項１８に記載のカメラモジュール。
【請求項２０】
液晶層および電極構造を有し、前記液晶層がクロスオーバ周波数を中心に誘電異方性を示す二周波液晶材料を含み、前記電極構造が前記液晶層に作用するように構成されて成る同調可能な液晶光学装置の動作方法であって、第１振幅で前記クロスオーバ周波数より低い周波数を有する第１駆動信号成分および第２振幅で前記クロスオーバ周波数より高い周波数を有する第２駆動信号成分を前記電極構造に略同時に印加して、前記液晶層の液晶分子ダイレクタが前記第１および第２駆動信号成分の差分によって励起され、前記同調可能な液晶光学装置に対応する光学特性値を発現させるステップを含む方法。
【請求項２１】
初期低周波駆動信号成分を印加して、前記液晶分子ダイレクタを初期低プレチルト励起角度に配向させるステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記光学特性が屈折力であり、前記第１および第２駆動信号成分のいずれか一方が変化することによりさらに、低屈折力と高屈折力との間で正および負方向の対応する一方向の屈折力の絶対的な変化が生じる、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１および第２駆動信号成分のいずれか一方が変化することによりさらに、負屈折力と正屈折力との間で屈折力の変化が生じる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ａ．前記第１駆動信号成分を消失させ、予め定められた振幅で予め定められた持続時間だけ前記第２駆動信号成分を印加して、屈折力変化を生じさせるステップと、
ｂ．前記予め定められた持続時間に、所望の最終屈折力値に対応する周波数および振幅で、前記駆動信号成分を再確立するステップと、を含む、請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記光学装置が同調可能な液晶レンズであり、かつ前記光学特性が光学画像安定化であり、前記第１および第２駆動信号成分のいずれか一方が変化するとさらに、有効レンズ位置および／または形状の変化が生じる、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２６】
同調可能な液晶レンズを使用する撮像システムで焦点を取得するための自動焦点方法であって、前記同調可能な液晶レンズが液晶層および電極構造を有し、前記液晶層がクロスオーバ周波数を中心に誘電異方性を示す二周波液晶材料を含み、前記電極構造が前記液晶層に作用するように構成され、前記液晶層の液晶分子ダイレクタが前記電極構造に同時に印加される第１および第２駆動信号成分の差分によって励起されて、前記同調可能な液晶レンズに対応する屈折力値を発現させ、第１駆動信号成分が第１振幅でクロスオーバ周波数より低い周波数を有し、かつ第２駆動信号成分が第２振幅でクロスオーバ周波数より高い周波数を有し、前記方法が、
ａ．前記第１および第２駆動信号成分のいずれか一方を変化させて、低屈折力と高屈折力との間で、正および負方向の対応する一方向に絶対的な屈折力の変化を引き起こすステップと、
ｂ．焦点スコアを得るステップと、
ｃ．焦点スコアを変化させるために前記駆動信号成分のパラメータを決定するステップと、
ｄ．前記方法を繰り返すステップと、を含む方法。
【請求項２７】
パラメータを決定する前記ステップがさらに、前記駆動信号成分のパラメータを決定して、少なくとも２つの焦点スコアを得た後で、焦点スコアを増大させることを含む、請求項２６に記載の自動焦点方法。
【請求項２８】
パラメータを決定する前記ステップがさらに、以前の焦点スコアの閾値内にあるその後に得た焦点スコアを検出し、かつ焦点取得を合図することを含む、請求項２６または２７に記載の自動焦点方法。
【請求項２９】
パラメータを決定する前記ステップがさらに、少なくとも１つの駆動信号成分振幅パラメータを決定することを含む、請求項２６ないし２８のいずれかに記載の自動焦点方法。
【請求項３０】
前記レンズが請求項１ないし１９のいずれかに記載の同調可能な光学装置である、請求項２６ないし２９のいずれか一項に記載の自動焦点方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に、電気的に同調可能な光学装置に関し、さらに詳しくは、調整可能な光学特性を有する液晶光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
同調可能な液晶（ＴＬＣ）光学装置は、例えば２００６年３月３日に出願された米国特許出願第60/778,380号からの優先権を主張する本願と同一譲受人に譲渡された国際特許公開WO2007/098602A1に記載されており、それらを両方とも参照によって本書に援用する。ＴＬＣ光学装置は液晶（ＬＣ）層を有する平坦な多層構造である。液晶層は、それに印加される電界に応じて変化する可変屈折率を有する。そのような液晶層に不均一な（空間変調された）電界を印加すると、不均一な（空間変調された）屈折率が液晶層にもたらされる。さらに、液晶の屈折率の変動性は時間変動電界に応答する。一般的に、ＴＬＣは、電界を生じる印加駆動信号に応じて変化する屈折率を有すると言われる。
【０００３】
印加される電界に応じた屈折率の変動性は、液晶層材料の特性、他の層の材料特性、ジオメトリ等を含め、ＴＬＣ多層構造の物理的性質に依存する。印加される駆動信号とＴＬＣ光学装置の屈折率との間の準線形「関数」関係は、使用可能な駆動信号の変動性範囲全体にわたって存在する。しかし、全体的関係は非線形ではない。一部のＴＬＣ装置では、液晶分子が基底状態配向から電界によって決定される配向へと電界により配向し始めるときに、ディスクリネーションとして知られる物理的非線形効果が観察される。広義には、印加される電界が本質的に均一である場合、非線形性とは、単位駆動信号変化当たりの光学特性（例えば屈折率）の変化が、光学装置の光学特性変化の範囲全体にわたって変化することを意味する。
【０００４】
適切なジオメトリにより、ＴＬＣ光学装置を使用した種々の光学部品、例えば同調可能なレンズ、ビームステアリング装置、光シャッタ等を作成することができる。同調可能な液晶レンズ（ＴＬＣＬ）は、小型カメラ、特に自動焦点機能付きカメラにおいて、薄型かつコンパクトであることを含め、著しい利点をもたらす。厚さおよびサイズのような要素は、携帯電話のカメラ、検査機器等を含め、それらに限らず、ハンドヘルド機器のような特定の用途において重要である。ＴＬＣレンズの性能は、同調可能な焦点範囲、屈折力（ジオプタ）範囲、屈折力変化速度、消費電力等を含め、複数のパラメータによって測定することができる。結像を目的とする場合、ＴＬＣレンズの屈折力とは、ＴＬＣレンズがそれを通過する入射光（およびさらに詳しくはシーンと呼ばれる入射光場）にもたらす光ビーム屈折量を指す。
【０００５】
携帯電話の小型化は、ごく最近まで光学機器一般の小型化の速度に勝っていた。市場圧力は、携帯電話へのデジタルカメラの組込みを命じてきた。例えば、集束光学素子として実際の穴を使用するピンホールカメラは、無限遠に集束する。コストおよび製造の観点から、すでに達成された全体的な携帯電話の小型化を犠牲にすることなく、何らかの手段によって集束を達成することができるならば、より高いメガ画素解像度を有するデジタルカメラセンサを携帯電話に組み込むことが可能であろう。１つの問題は、従来の集束技術を使用した場合、固定焦点におけるデジタルカメラの解像度の有効な増大による利益を得られないことである。解像度の有効な増大は、能動的集束手段を必要とする。機械的に作動する光学素子を使用した従来の能動集束手段は、解像度の増大と共に、携帯電話機器のケースのサイズの望ましくない増大を必要とする。携帯電話デジタルカメラの有効な解像度の増大を可能にするために、薄型でコンパクトなＴＬＣレンズ（ＴＬＣＬ）の使用が提案されている。同調可能な液晶レンズを提供するために様々な手法が提案されてきた。
【０００６】
ＴＬＣレンズを提供する先行技術の実験的な試みとして、透明な高抵抗層によって被覆された電極の非導電性中心領域によって画定された１つの穴パターン化層構造を記載したNaumovらの「Liquid‐Crystal Adaptive Lenses With Modal Control」、Optics Letters、Vol.23、No.13、p.992（１９９８年７月１日）がある。図１に関連して、ＴＬＣ１００は、頂部１０２および底部１０４の基板、ならびに頂部１１２および底部１１４の液晶配向層の間に狭持された中間液晶（ＬＣ）層１１０を含む。ＬＣ配向層１１２／１１４は、基底状態で、すなわち制御電界が存在しない状態で、ＬＣ分子を配向させるために、予め定められた方向にラビングされたポリイミドコーティングを含む。基底状態のＬＣ分子の予め定められた配向角を本書では、プレチルト角という。液晶層における液晶分子の長軸の平均配向をダイレクタという。電界は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）の均質な底部の透明な導電性電極層１２４、およびアルミニウム（Ａｌ）の頂部穴パターン化導電性リング電極層１２２を用いてＬＣ層１１０に印加される。低抵抗穴パターン化導電層１２２は穴パターン化導電層１２２の真下の高抵抗層１２６と共に、電界整形制御層１２８を形成する。Naumovの手法によると、キャパシタンスを有するＬＣ層１１０のリアクタンス性インピーダンスおよび高抵抗層１２６の複素インピーダンスが強力な役割を果たし、対応する所望の屈折力設定（伝達関数）に対する放物線状の位相遅延プロファイルからのｒｍｓの逸脱を最小化するために、特定の電圧および周波数パラメータの対を介してＴＬＣＬを駆動する必要がある。
【０００７】
残念ながら、製造の観点から、有効な一貫性をもって高抵抗層１２６のための高い光透過性を持つ高抵抗材料の要求されるシート抵抗を生成することは非常に困難であり、したがってそのようなＴＬＣＬを一貫して製造することは実際問題として非常に困難である。同一製造バッチの異なるＴＬＣＬは、わずかに異なる抵抗を有する。そのようなシート抵抗の変動性は、制御が正確なＬＣセルの厚さに非常に大きく依存するという事実とあいまって、各々の個別ＴＬＣレンズを別々に較正かつ駆動しなければならないという結果を導く。また、そのようなＴＬＣレンズの最小直径は、約２ｍｍに制限される。このサイズ以下では、ＩＴＯ層の所要抵抗がおよそ１０ＭΩ／ｓｑを超える。
【０００８】
ＴＬＣレンズを提供する別の先行技術の実験的な試みとして、Satoらの「Realization of Liquid Crystal Lens of Large Aperture and Low Driving Voltages Using Thin Layer of Weakly Conductive Material」、Optics Express、Vol.16、No.6、p.4302（２００８年３月１７日）がある。図２に関連して、Satoは、２つのグループに分かれる３つの平坦な電極を有する層構造２００を記載している。２つのパターン化電極は１つのグループを形成し、単一の均等な電極はもう１つのグループを形成する。Naumovと比較して、Satoは、必要なときにＬＣ層１１０に比較的均一な電界をもたらすように使用される追加の透明な円板状電極および弱導電層（ＷＣＬ）を記載している。電界整形制御層２２８は、頂部基板２０２および頂部電極２２２／２３０（グループ）が逆の順番に存在するという点で、Naumovの場合とは異なる。頂部電極グループは、同一面に形成された穴間パターンに異なる電極２２２および２３０を含む。電極２２２は導電性Ａｌの穴パターン化リング電極である一方、頂部グループの中心電極２３０は、ＩＴＯの固定された円板状の透明な導電層である。２つの駆動信号ＵringおよびＵdiskが使用される。電圧Ｕringが印加された状態の穴パターン化電極２２２の役割は、レンズ効果電界プロファイルを形成することであり、電圧Ｕdiskが印加された状態の中心円板状電極２３０の役割は、ディスクリネーションを低減し、かつ電界勾配を制御する（例えばレンズを消去する）ことである。この構成におけるＷＣＬ２２６は、頂部（パターン化）電極を低部ＩＴＯ電極１２４に近接配置し、こうして所要電圧を低減することを可能にする。
【０００９】
残念ながら、頂部電極の複雑なパターン化、２つの異なる駆動信号電圧を使用する必要性、および別個のＷＣＬ２２６は、ユニットとして製造することが難しく、この手法の実施を阻害している。例えば、この手法を用いて偏光無依存型レンズを作成するには、６個ないし７個の厚いガラスレンズ素子を使用する必要がある。
【００１０】
上記の手法は両方とも、追加の欠点を免れない。Naumovの手法を使用する場合、そのようなＴＬＣレンズの性能は、ＬＣセルの厚さに対し非常に敏感であるだけでなく、高抵抗層１２６のシート抵抗Ｒsに対しても非常に敏感である。ミリメートルサイズのレンズの場合、ほとんど全ての公知の固体材料に対するＲsの値は、シート抵抗が層１２６のジオメトリにより非常に劇的に自然変動する、導電率遷移（浸透）ゾーンの真ん中に存在することになる。したがって、同一Ｒsを持つ高抵抗層１２６を作成する際に一貫性（再現性）を達成することは極めて困難である。
【００１１】
上述の通り、先行技術の同調可能なＬＣレンズは、ＬＣ層の光学特性を変化させるために調整可能な電圧を有する駆動信号を使用する。上述の通り、パターン化電極を有する先行技術システムの別の問題は、「ディスクリネーション」の効果である。典型的なＬＣレンズでは、ＬＣ分子は全て、零電圧時の配向のための共通プレチルト角を備える。パターン化電極を有するＴＬＣレンズを同調させるために空間的に不均一な電圧を使用する場合、初期電圧が増加すると、ＬＣ分子の一部に同一電界強度を経験している他の分子とは異なるように再配向させる不均一な電界線が形成される。そのようなディスクリネーションはレンズに光学収差を引き起こし、それは同調に必然的に使用される漸次電圧調整を持続させる。そのようなディスクリネーションは（Satoの手法では）、所望の屈折力をもたらすために、電圧を適切な範囲まで軽減する前に、レンズを消去させる非常に高い電圧パルスにより全ての分子を配向させることによって除去することができる。
【００１２】
自動焦点（ＡＦ）は、カメラユーザがシーンを手動で合焦させる手間を省き、カメラユーザがより容易に焦点を取得することができるように多くのカメラシステムで実現されているプロセスである。自動焦点モードにおけるハンドヘルドデジタルカメラの動作は、消費電力の増大および遅い応答速度の両方によって悪影響を受け、それらは互いにさらなる悪影響を及ぼす要素である。自動焦点動作の重要な性能特性は焦点取得プロセスが完了するのに要する最大時間である。ハンドヘルドカメラシステムのような自動焦点の適用は、優れた自動焦点速度性能を必要とする。
【００１３】
自動焦点システムは、自動焦点アルゴリズムによって示されるように、ＴＬＣレンズに駆動信号を印加することによってＴＬＣレンズの屈折力が変化する、ＴＬＣレンズと共に使用される。従来の集束システムとは対照的に、ＴＬＣレンズは常時静止し続ける。所与のシーンの最良の焦点に対応する屈折力設定への収束を計算するために使用することのできる、複数のアルゴリズム技術が存在する。自動焦点アルゴリズムは、いわゆるフルサーチ手法、登坂手法等を実現する。自動焦点速度は部分的に屈折力変化速度に依存する。
【００１４】
ＴＬＣＬの最も重要な欠点の１つは、それらの屈折力の変化速度が低いことである。ＴＬＣレンズは、光学パラメータ範囲を一方向に、反対方向とは対照的に、いかに迅速に連続的に進展することができるかに関し、しばしば著しい応答時間の非対称性を示す。典型的なＴＬＣＬでは、液晶分子の再配向は、励起を増大させる（ＬＣ分子の長軸が電界によって吸引される）方向に制御信号を変化させることによって駆動されるときに高速になるが、（配向層によってもたらされるセル基板処理によって課せられる当初の配向に戻る）逆方向の分子の緩和は極めて遅い。小型カメラを含め、種々の用途に使用されるときに、ＴＬＣレンズは、充分に広範囲の焦点変動性をもたらすために、比較的厚くする必要がある。しかし、ＬＣ層の厚さを増大させることによって、ダイレクタの再配向に要する時間も著しく増大する。ＴＬＣレンズが励起方向の印加電気駆動信号を介して駆動されるときに、屈折力の変化に要する時間もまた駆動信号の振幅に依存し、大きい振幅の電界を印加することによって屈折力変化速度を増大させることができる。この遷移の屈折力変化速度は受入れ可能である。駆動信号が無い場合、ＬＣ分子緩和時間は、ジオメトリ（厚さ）、エネルギ（表面アンカリング）、および粘弾性（弾性定数に対する回転粘度）パラメータによって定められる。一般的民生用途に有用なジオメトリを有する単純なＴＬＣレンズの場合、緩和時間は１０秒程度であり、それは容認できないほど遅い。
【００１５】
「Liquid Crystal Lens with Focal Length Variable from Negative to Positive Values」、IEEE Photonics Technology Letters、Vol.18、No.1、p.79（２００６年１月１日）で、Bin Wang、Moe Ye、およびSusumu Satoは、正方向および負方向の両方に屈折力を変動させるようにＴＬＣレンズを駆動することを記載している。図３ＡはSatoの改良されたＴＬＣＬ構造を示す。Ｍｅｒｃｋ  Ｅ４４のＬＣ層（１１２）はガラス基板１および２の間に狭持される。基板の内壁は、一方向にラビングされたポリイミド膜（１１２／１１４）で被覆され、ＬＣ分子は当初、小さいプレチルト角で均一に配向される。透明なＩＴＯ膜およびアルミニウム膜が、基板１および２にそれぞれ電極としてスパッタされ被覆される。ＩＴＯ電極（１２４）はＬＣセルの内側にあり、穴パターン化Ａｌ電極（２２２）は外側にある。穴パターン化電極（２２２）の上には、基板３にスパッタされた別のＩＴＯ電極（２３０）が存在する。上部ＩＴＯ電極（２３０）は、薄いカバーガラスによりＡｌ電極（２２２）から分離される。ＬＣ層の電界は、Ａｌ電極と下部ＩＴＯ電極との間の駆動信号Ｖ1、および２つのＩＴＯ電極間の駆動信号Ｖ2によって調整される。駆動信号Ｖ1およびＶ2は同相かつ１ｋＨｚの同一の単一周波数であり、ＬＣダイレクタを再配向させるために使用される。一般的に、電界が大きければ、結果的に得られるＬＣダイレクタのチルト角が大きくなる。印加される電界は空間的に不均一であり、Ａｌ電極（２２２）における円形の穴のため軸対称である。Ｖ1＝Ｖ2＝０である場合、すなわち電圧が印加されていないとき、ＬＣダイレクタは、図３Ｂ（ａ）に示すように、セル内に小さいプレチルト角で均一に配向する。ポリイミド層のラビング方向に線形的に偏光する入射光波は均一な位相シフトを経験し、その伝搬挙動はＬＣセルによって変化しない。電圧が印加され、Ｖ1＞Ｖ2である場合、穴領域の電界は穴領域の縁部から中心に向かって徐々に低下し、図３Ｂ（ｂ）に示すように、ＬＣダイレクタの再配向も同様である。ラビング方向に線形的に偏光する入射光波によって見られる屈折率は、縁部から中心に向かって増大し、入射光ビームの波面は集束し、ＴＬＣＬは正レンズとして動作する。Ｖ1＜Ｖ2である場合、電界は縁部から中心に向かって増大し、図３Ｂ（ｃ）に示すように、ＬＣダイレクタの再配向も同様である。入射光波は中心で最も小さくなる位相遅延を経験する。ＴＬＣＬは負レンズとして挙動し、入射光ビームは発散する。図３Ｃに関連して、単一の低い周波数のＶ1およびＶ2の差動調整を介して、ＴＬＣレンズの屈折力は両方向に調整することができ、かつＬＣセルは負値から正値までの可変焦点距離を持つことができる。しかし、この先行技術の試みによる駆動方法は、一方の駆動信号を特定の設定に維持しながら、ＴＬＣレンズの焦点距離を調整するために他方の駆動信号を変動させる必要があり、したがって、単純なＴＬＣＬレンズにおいて問題であることが判明している遅い屈折力の変化が、正および負それぞれの屈折力の調整に別々に適用されることが指摘される。前述の通り、絶対的な屈折力の増加は、絶対的な屈折力の低下より迅速に達成することができる。
【００１６】
液晶材料の進歩は、Ｄｕａｌ‐Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＤＦ‐ＬＣ）と呼ばれるＥＭ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社製の液晶材料ＭＬＣ２０４８の一種に関する、「Thermodielectric Bistability in Dual Frequency Nematic Liquid Crystal」、Physical Review Letters 98、097801（２００７年３月２日）において、Y.Yin、S.V.Shiyanovskii、およびO.D.Laverentovichによって記載されている。図４に関連して、この二周波液晶材料は、低い周波数（例えば室温で１ｋＨｚ）を有する駆動信号の場合正になり、高い駆動周波数（例えば室温２４℃でクロスオーバ周波数ｆc＝１７ｋＨｚを超える）の場合負になる誘電異方性を示す。このＬＣ材料は、分子の長軸が低周波の電界によって吸引され、高周波の電界によって排斥される物理的性質を有する。図４Ａは、２４℃で１ないし５００ｋＨｚの周波数範囲におけるＭＬＣ２０４８誘電体誘電率テンソルの測定された実部（εr）および虚部（εi）を示しており、ここでエラーバーはデータ点のサイズより小さい。この誘電異方性は、それがなければ緩和方向であったＬＣ分子の再配向の加速を可能にする。クロスオーバ周波数ｆcは、図４Ｂに示すように、温度の強力な単調増加関数である。
【００１７】
この誘電異方性の現象は、高速ＴＬＣＬを実証するために「Electrically tunable lens based on a dual‐frequency nematic liquid crystal」、Applied Optics、Vol.45、No.19、p.4576（２００６年７月１日）で、Oleg Pishnyak、Susumu Sato、およびOleg D.Lavrentovichによって使用された。３００μｍのアパーチャを有する非常に小さい寸法のＴＬＣレンズは、厚さ１１０μｍのＬＣセルを１対の電極の間に直接使用した。ＬＣセルには、二周波ネマチック液晶材料ＭＬＣ‐２０４８（Ｍｅｒｃｋ製造）が充填された。このＤＦ‐ＬＣ材料は、クロスオーバ周波数ｆc＝１２ｋＨｚ（２０℃時）より小さい印加される電界の周波数ｆの場合、正の誘電異方性Δεを有し、駆動信号の周波数ｆ＞ｆcの場合、負の誘電異方性Δεを有する。使用した駆動周波数はｆ＝１ｋＨｚであり、そのときにΔε＝３．２であり、ｆ＝５０ｋＨｚのときに、Δε＝３．１であった（どちらの値も２０℃時）。両方の周波数を使用することにより、低い周波数および高い周波数の電界成分が印加されるときに、経験する電界に平行および垂直の両方向のダイレクタの再配向が可能になる。誘電異方性が正であるときに、ダイレクタは電界の方向に再配向し、誘電異方性が負であるときに、ダイレクタは経験する電界に対し垂直に再配向する。この先行技術の手法の最も重要な際立った特徴は、基底状態で、ダイレクタが、斜めに堆積されたＳｉＯｘの層により基板を処理することによって、境界板に対して約４５°のプレチルト角に配向されることである。高いプレチルト角は、プレチルト角に比例する再配向誘電トルクを最大にする。この先行技術の構成では、ダイレクタの両方向の再配向は、対応する駆動信号周波数の増大する駆動信号振幅よって加速される。この構成を使用すると、単純なＴＬＣＬ設計と比較しておよそ１桁速い４００ｍｓの再配向時間（屈折力変化時間）が達成される。しかし、４５度の際立ったプレチルト配向角を達成することは、非常に複雑なプロセスであり、製造にはコストがかかる。ＬＣダイレクタの基底状態の高いプレチルト配向は、低プレチルトのジオメトリと比較して相損失を導く。そのようなＴＬＣレンズは構造のジオメトリに対し非常に敏感であり、製造歩留まりを低減させる。アパーチャが３００μｍのＴＬＣＬは、高メガ画素の画像センサ用に１桁高いアパーチャを必要とする携帯電話用の小型デジタルカメラにはほとんど役立たない。
【００１８】
２００８年８月１８日に出願された米国特許出願第61/089,821号からの優先権を主張する、「In Flight Autofocus System and Method」と称する本願と同一譲受人に譲渡された国際特許出願WO2010/022080は、物理的電界空間変調構造を使用してＴＬＣＬに二周波液晶層を使用することを記載しており、それらを両方とも参照によって本書に援用する。該構造は、クロスオーバ周波数を跨いだ周波数によって特徴付けられる１対の駆動信号によって印加される各電界成分に対し空間変調をもたらす。空間変調された電界成分の重ね合わせ／組合せは、アパーチャを超えてＬＣ分子の配向を空間的に変調するために使用される。全ての電界に対し構造的に課せられる空間変調は、望ましい屈折力変化特性をもたらす一方で、レンズ効果を変化または消去させることにおいては効率が低い。
【００１９】
ハンドヘルドデジタルカメラに使用される大半の自動焦点アルゴリズムは、焦点を取得する際に屈折率を少なくとも１回増減させるサイクルを必要とする。一般的に自動焦点速度を改善する必要がある。低屈折力状態と高屈折力状態との間のＴＬＣレンズ屈折力変化を加速するための機構が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】国際特許公開WO2007/098602A1
【特許文献２】国際特許公開WO2010/022080A1
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】「Liquid‐Crystal Adaptive Lenses With Modal Control」、Optics Letters、Vol.23、No.13、p.992（１９９８年７月１日）
【非特許文献２】「Realization of Liquid Crystal Lens of Large Aperture and Low Driving Voltages Using Thin Layer of Weakly Conductive Material」、Optics Express、Vol.16、No.6、p.4302（２００８年３月１７日）
【非特許文献３】「Liquid Crystal Lens with Focal Length Variable from Negative to Positive Values」、IEEE Photonics Technology Letters、Vol.18、No.1、p.79（２００６年１月１日）
【非特許文献４】「Thermodielectric Bistability in Dual Frequency Nematic Liquid Crystal」、Physical Review Letters 98、097801（２００７年３月２日）
【非特許文献５】「Electrically tunable lens based on a dual‐frequency nematic liquid crystal」、Applied Optics、Vol.45、No.19、p.4576（２００６年７月１日）
【発明の概要】
【００２２】
二周波液晶材料によって提示されるヒステリシスを同調可能な液晶レンズ光学装置に利用して、例えば低屈折力状態と高屈折力状態との間の遷移時における改善された屈折力変化速度のような、改善された光学特性変動速度を達成することができることが発見された。
【００２３】
さらに、励起条件下のＴＬＣＬの両方の屈折力変化方向のスキーム駆動に従って連続的ＴＬＣＬ励起制御を使用することによって、より迅速な自動焦点取得を達成することができることが発見された。
【００２４】
本発明の態様では、対応する温度におけるクロスオーバ周波数を中心に誘電異方性を示す二周波液晶材料を含む液晶層と、該液晶層を間に狭持して液晶セルを形成する１対の液晶配向層であって、該配向層の各々が基底状態で低いプレチルト角で液晶分子の配向を誘発するように予め定められた方向にラビングされたコーティングを含む液晶配向層と、アパーチャおよび第１透明電極層を画定する電極構造であって、該電極構造および電極層が液晶セルを狭持するように構成された電極構造とを備えた、層化構造を有する同調可能な光学装置であって、該同調可能な光学装置がさらに、クロスオーバ周波数より低い周波数の第１駆動信号成分とクロスオーバ周波数より高い周波数の第２駆動信号成分とを電極構造に同時にもたらすように結合された制御駆動信号回路を有して成る、同調可能な光学装置を提供する。
【００２５】
本発明の別の態様では、同調可能な液晶レンズを使用するカメラレンズ組立体を提供する。
【００２６】
本発明のさらなる態様では、同調可能な液晶レンズを使用するカメラモジュールであって、さらに画像センサと少なくとも１つの画像取得部品とを備えたカメラモジュールを提供する。
【００２７】
本発明のさらなる態様では、クロスオーバ周波数を中心に誘電異方性を示す二周波液晶材料を含む液晶層と、該液晶層を狭持する電極構造とを有する、同調可能な液晶光学装置の動作方法であって、該液晶層の液晶分子ダイレクタが第１および第２駆動信号成分の差分によって励起されて、同調可能な液晶光学装置に対応する光学特性値を発現させるように、第１振幅でクロスオーバ周波数より低い周波数を有する第１駆動信号成分と、第２振幅でクロスオーバ周波数より高い周波数を有する第２駆動信号成分とを、電極構造に印加するステップを含む方法を提供する。
【００２８】
本発明のさらに別の態様では、クロスオーバ周波数を中心に誘電異方性を示す二周波液晶材料を含む液晶層と該液晶層を狭持する電極構造とを有する、同調可能な液晶レンズを使用して撮像装置で焦点を取得するための自動焦点方法であって、同調可能な液晶レンズに対応する屈折力値を発現させるように、液晶層の液晶分子ダイレクタが、電極構造に対して同時に印加される第１振幅でクロスオーバ周波数より低い周波数を有する第１駆動信号成分および第２振幅でクロスオーバ周波数より高い周波数を有する第２駆動信号成分の差分によって励起され、第１および第２駆動信号成分のいずれか一方を変化させて、低屈折力と高屈折力との間で、正および負方向の対応する一方向に絶対的な屈折力の変化を引き起こすステップと、焦点スコアを得るステップと、焦点スコアを変化させるように駆動信号成分のためのパラメータを決定するステップと、該方法を繰り返すステップとを含む方法を提供する。
【００２９】
本発明のさらなる態様では、クロスオーバ周波数を中心に誘電異方性を示す二周波液晶材料を有する同調可能な液晶光学装置であって、液晶分子ダイレクタが、クロスオーバ周波数の片側の第１周波数の駆動信号成分を介して液晶層に印加される電界に吸引され、かつクロスオーバ周波数の別の側の第２周波数の駆動信号成分を介して印加される電界によって排斥されるようにした、同調可能な液晶光学装置を提供する。液晶を制御する電界源は、クロスオーバ周波数の両側の周波数を使用して略同時に動作し、液晶分子を吸引力および排斥力の組合せにさらすように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
本発明は、添付の図面に関連する本発明の実施形態の以下の詳細な説明によって、さらによく理解されるであろう。
【図１】先行技術の同調可能な液晶レンズ装置を示す概略図である。
【図２】別の先行技術の同調可能な液晶レンズ装置を示す概略図である。
【図３Ａ】さらに別の先行技術の同調可能な液晶レンズ装置を示す概略図である。
【図３Ｂ】様々な駆動信号条件下での図３Ａの同調可能な液晶レンズ装置の入射光波面に対する効果影響を示す概略図である。
【図３Ｃ】図３Ｂに示す駆動信号条件下での図３Ａの同調可能な液晶レンズ装置の屈折力の変動を示す概略図である。
【図４Ａ】ＥＭ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社製の二周波液晶材料ＭＬＣ２０４８の２４℃時の誘電体誘電率テンソルの実成分および虚成分の変動を示す概略図である。
【図４Ｂ】２０ｋＨｚの周波数にさらされたＭＬＣ２０４８の温度の関数としての誘電特性を示す概略図である。
【図５Ａ】提案する解決策に係る同調可能な液晶レンズ層化構造を示す概略図である。
【図５Ｂ】提案する解決策に係る可変導電率層のジオメトリを有する別の同調可能な液晶レンズ層化構造を示す概略図である。
【図５Ｃ】提案する解決策に係る、共通可変導電率層を有する、偏光無依存型の同調可能な液晶レンズ層化構造を示す概略図である。
【図６Ａ】提案する解決策に係る、適度な周波数を有する駆動信号にさらされた同調可能な液晶レンズの等電位分布を示す概略図である。
【図６Ｂ】提案する解決策に係る、低い周波数を有する別の駆動信号にさらされた同調可能な液晶レンズの別の等電位分布を示す概略図である。
【図７】Ｍｅｒｃｋ社製の二周波液晶材料ＭＬＣ２０４８の４５℃時の誘電体誘電率テンソルの実成分の変動を示す概略図である。
【図８Ａ】提案する解決策に係る、液晶分子を配向させるように、低電圧低周波駆動信号によって駆動される二周波液晶材料を使用した同調可能な液晶レンズを示す概略図である。
【図８Ｂ】提案する解決策に係る、Δε＞０でクロスオーバ周波数より低い周波数を有する駆動信号によって駆動される二周波液晶材料を使用した同調可能な液晶レンズを示す概略図である。
【図８Ｃ】提案する解決策に係る、Δε＞０でクロスオーバ周波数より低い周波数成分を有し、かつΔε＜０でクロスオーバ周波数より高い周波数成分を有する二周波駆動信号によって駆動される二周波液晶材料を使用した同調可能な液晶レンズを示す概略図である。
【図９】提案する解決策に係る、対応する固定周波数１ｋＨｚ、Δε＞０、および３０ｋＨｚ、Δε＜０で、二重の二乗平均平方根電圧振幅成分を有する駆動信号により同調可能な液晶レンズの光学特性の変動を示す概略図である。
【図１０Ａ】定周波数で二乗平均平方根電圧振幅の駆動信号により同調可能な二周波液晶レンズの光学特性の動的遷移の測定された変動性を示す概略図である。
【図１０Ｂ】定周波数で二乗平均平方根電圧振幅の駆動信号により同調可能な二周波液晶レンズの光学特性の動的遷移の測定された変動性を示す概略図である。
【図１１】提案する解決策に係る、二周波液晶を使用した同調可能な液晶レンズ構造の別の実施形態を示す概略図である。
【図１２】提案する解決策に係る、自動焦点機能性を提供する光学系の相互接続された同調可能な液晶レンズ制御部品を示す概略機能図である。
【図１３】提案する解決策の変形実施形態に係る、周波数依存材料層と、層の頂部付近に位置する穴パターン化頂部電極とを有する、同調可能なＬＣレンズ構造の概略図である。
【図１４】提案する解決策のさらなる変形実施形態に係る、勾配制御構造が穴パターン化電極と２つのＬＣセルの間に狭持された周波数依存材料とを有する、同調可能なＬＣレンズ構造の概略図である。
【図１５】均一平面上部電極と、上部電極の下に配置された分割四象限電極と、液晶セルの底部にある底部均一平面電極とを使用した先行技術の液晶レンズの設計を示す。
【図１６Ａ】周波数依存材料が分割穴パターン化電極の上に位置する実施形態に係る分割頂部電極の差込み上面図を伴う、同調可能な液晶レンズの側面断面図を示す。
【図１６Ｂ】周波数依存材料が分割穴パターン化電極のアパーチャ内にある実施形態に係る、分割頂部電極の差込み上面図を伴う、同調可能な液晶レンズの側面断面図を示す。
【図１６Ｃ】周波数依存材料が分割穴パターン化電極の下にある実施形態に係る分割頂部電極の差込み上面図を伴う、同調可能な液晶レンズの側面断面図を示す。
【図１７Ａ−１７Ｅ】０度から４５度の間の任意方向の光軸の傾きをもたらす４つのセグメントの穴パターン化電極の準静的制御を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図面全体にわたって同様の特徴は同様のラベルを表示する。記載された層のシーケンスは重要であるが、本明細書における「頂部」および「底部」限定詞の言及は、単に本願で提示する図面の向きに関連して行なうだけであって、絶対的な空間的方位を暗に示すものではない。
【００３２】
＜同調可能な液晶レンズ構造＞
提案する解決策の態様では、それを通過する光の伝搬を制御するための可変光学装置を提供する。
【００３３】
＜Ｒs勾配軟化＞
図５Ａは、提案する解決策に係る単一偏光の同調可能な液晶レンズ（ＴＬＣＬ）構造を示す。ＴＬＣＬ３００は、緩衝層３４０によってＬＣ層５１０から分離された弱導電層（ＷＣＬ）３２６の頂部にアパーチャを形成する頂部固定穴パターン化導電性リング電極３２２を含む電界整形制御（層）副構造３２８を有する。ＷＣＬ３２６は頂部穴パターン化リング電極３２２と物理的に直接接触するか、あるいは特定の層の材料の選択を含め、製造上の配慮を前提として電気的に接触する（全ての層の材料が互いに接合するわけではない）。頂部穴パターン化電極３２２とＷＣＬ３２６との間に設けられる電気的接触は、ＴＬＣＬ３００が２つの電極３２２および１２４だけを使用することを可能にする。したがって、ＴＬＣＬ３００は、駆動信号生成および制御回路の複雑さを最小化する単一の駆動信号を必要とする。頂部穴パターン化電極３２２は、本発明を限定することなく、Ａｌから形成することができる。他の低抵抗電極構成を使用してもよく、そのような材料選択はウェハ製造の当業者が精通している製造要因に依存する。
【００３４】
提案する解決策では、緩衝層３４０がＬＣセルの厚さに対するＴＬＣＬの感受性を軽減する。提案する解決策の１つの実現では、緩衝層３４０の厚さは、印加される電界の勾配を軟化するジオメトリである「緩衝間隔」をＷＣＬ３２６とＬＣ５１０との間にもたらす。提案する解決策の別の実現では、緩衝層３４０の「誘電特性」は、印加される電界の勾配を軟化する。本発明は緩衝層３４０の上記実施例に限定されず、実際には層の厚さと材料特性の組合せを用いて勾配を軟化するように緩衝層３４０を構成することが考えられる。ＴＬＣＬ３００構造の頂部基板に典型的に要求される特性をもたらすように緩衝層３４０を構成することも考えられる。例えば緩衝層３４０は、ポリマ、セラミックス等に限らず、光学的に透明な（誘電性）材料を含むことができる。
【００３５】
提案する解決策では、図５Ｂは同調可能な液晶レンズの別の実現を示す。ＴＬＣＬ４００は２段の電界整形制御層４２８を含む。緩衝層３４０は、アパーチャを有する頂部穴パターン化導電性電極３２２および穴パターン化電極３２２の中央のアパーチャを充填する弱導電層４２６によって形成される可変導電率層に直接隣接する最下段を形成する。緩衝層３４０は、ＬＣ５１０に印加される電界の勾配を軟化する。
【００３６】
＜フルＴＬＣＬ＞
図５Ａおよび図５Ｂは、光の伝搬を制御するように構成されたＴＬＣ光学装置構造を描いているが、そのような光伝搬の制御は、単一偏光のためにだけ設けられる。そのようなＴＬＣ光学装置構造は偏光に依存すると言われ、ハーフＴＬＣＬと呼ばれる。採光状態（太陽、ランプ）で動作するために、２つの交差配向されたＬＣセルは、偏光無依存型ＴＬＣＬをもたらすために、入射光の２つの直交偏光の光伝搬を制御する必要がある。
【００３７】
Naumovによって提案された先行技術の光学装置のジオメトリは、２つの高抵抗層を使用する必要があり、それはほとんど必ず異なる値のＲsを有し、したがって２つの直交光の偏光は典型的に同期して動作しない。
【００３８】
提案する解決策の別の態様では、そこを通過する光の伝搬を制御するための可変光学装置を提供する。該可変光学装置のジオメトリは、偏光無依存型光学装置の２つの液晶セルを制御するために１つだけの弱導電層を使用する共通可変導電率層を含む。
【００３９】
提案する解決策では、図５Ｂに提示する偏光依存型ジオメトリは、偏光無依存型ＴＬＣＬ構造を提供するように拡張することができる。好ましくは、デジタルカメラ用の偏光無依存型の同調可能な液晶レンズは、フルＴＬＣＬと呼ばれる鏡面ＴＬＣＬ構造を使用して、２つの直交偏光入射光ビーム成分の光伝搬を制御するように構成される。
【００４０】
図５Ｃに関連して、ＴＬＣＬ構造５００は、アパーチャを形成する共通穴パターン化中間導電性電極５２２および共通穴パターン化電極５２２の中心のアパーチャを充填する共通弱導電層５２６を含む、可変導電率層を有する。１対の頂部および底部電界整形制御層５２８は可変導電率層を共有し、各層５２８はそれぞれの頂部および底部緩衝層５４０を使用する。残りの層は、提供される機能性に従って同様のラベルを表示して示された（以下で頂部および底部識別子によって修飾される）中間可変導電率層を中心に、鏡面反射的に存在する。中心可変導電率層は２つのＬＣ層５１０の間に位置する。
【００４１】
使用された２つの液晶層５１０の各々は、配向コーティング１１２および１１４と同様に、異なるＬＣダイレクタ配向を有するということができる。好ましくは、２つのＬＣ層５１０は略直交面内にダイレクタを有する。例えば、Ｚ軸と指定されたＴＬＣＬ層化構造５００の垂線により、ダイレクタの１つはＸＺ面内に存在する一方、第２のダイレクタはＹＺ面内に存在することができる。
【００４２】
好適な実施形態では、同一ＷＣＬ５２６が、両方のＬＣセルを制御するために同時に使用される。ＴＬＣＬ５００は偏光無依存型であるだけでなく、入射自然光の両方の直交偏光の集束も実質的に同期化される。加えて、緩衝基板５４０がそのような依存性を軟化させるので、小さいセルギャップ変動は全体的性能に顕著には影響しない。
【００４３】
駆動信号が提供される電極１２４が設けられ、各ＬＣ層５１０に隣接して、中心可変導電率層から離して、かつしたがって共通穴パターン化導電性電極５２２から離してそれぞれ配置される。
【００４４】
以下のＴＬＣの機能性の説明を容易にするために、駆動電界の空間的整形を提供する制御電極構造の抽象化が、電界整形制御層３２８／４２８／５２８に言及することによって行なわれる。説明を容易にするために、構造要素への言及は、図５Ｂに示したハーフＴＬＣＬの実現に関連して行なわれる。しかし、本発明は図５Ｂに示す実現に限定されず、以下に記載する機能性は、図５Ａおよび図５Ｃに示すような、しかしそれらに限らず、提案する解決策の他の実現にも適用される。好適な実現は、図５Ｃに示すフルＴＬＣレンズ構造５００を含む。
【００４５】
＜動作特性＞
ＴＬＣレンズの同調可能性は、本書での説明を容易にするために可変電圧駆動信号（固定周波数振幅変調）の印加および周波数と振幅とを有する駆動信号の印加に分類される、様々な駆動信号モードを通して達成することができる。本書では、「固定電圧で可変周波数」（周波数変調）を有する駆動信号の印加にも言及する。当業者は、周波数を有する駆動信号の文脈における「固定電圧」が駆動信号（Ｖｒｍｓ）の二乗平均平方根（ＲＭＳ）電圧振幅と呼ばれることを理解するであろう。例えば図３Ａないし図３Ｃに示した先行技術の試みは、可変電圧固定周波数（振幅変調）駆動を示す。
【００４６】
提案する解決策はさらに、対応する可変振幅を有する二重固定周波数駆動信号を使用することによって、そこを通過する光の伝搬を制御するように構成された可変の同調可能な液晶（ＴＬＣ）光学装置を対象とする。例えば複素電界プロファイル整形を提供する。
【００４７】
＜周波数制御＞
提案する解決策のさらなる態様では、そこを通過する光の伝搬を制御する可変光学装置は、電界の空間プロファイルを修正するために、周波数依存性材料および複数の周波数および振幅で駆動信号を発生する電気信号発生器を利用する。周波数信号発生器は公知であり、本署では、そのような周波数信号発生器を使用して同調可能な光学系のＴＬＣＬ制御部品を実現することに関して、限定された詳細を提供するに留める。
【００４８】
提案する解決策の実現では、同調可能な液晶レンズ（ＴＬＣＬ）４００を同調するための制御信号は、ＴＬＣレンズ４００に入射画像の焦点を固定周波数の少なくとも２つの可変振幅駆動信号の関数として調整させるように構成された、二周波制御信号回路によって提供される。
【００４９】
＜改善弱導電層＞
提案する解決策の実施形態では、ＴＬＣＬ４００は、屈折力変化速度およびしたがって自動焦点取得時間にさらに顕著な改善をもたらすように、周波数依存性材料を含む弱導電層４２６および周波数制御を使用する。周波数依存性材料は、ＬＣ層５１０によって印加された（かつ経験した）電界を整形することによって、ＷＣＬ４２６を周波数応答電界勾配制御層として機能させることができる。周波数制御は、選択された対応ＲＭＳ電圧振幅（Ｖｒｍｓ）の制御駆動信号周波数の関数として、ＴＬＣＬ４００に光の伝搬を制御させるように構成された、可変周波数制御駆動信号回路によって提供される。電気信号発生器は、複数の異なる周波数および電圧の組合せの駆動信号成分を発生し、ＬＣ層５１０に電界を発生させるために、合成駆動信号をＴＬＣＬ４００の電極に供給する。
【００５０】
可変導電率層の材料特性は、交流（ＡＣ）駆動信号リードを空間変調電界に供給するようなものである。図５Ｂに関連して、電界は、固定穴パターン化導電性電極３２２によって実質的に定められる部分、および弱導電層４２６の周波数依存性材料によって定められる部分を有する。
【００５１】
ＷＣＬ４２６の周波数依存性材料は電界と相互作用し、したがってそれがなければ導電性電極１２４および３２２の間に存在する電界の形状に影響する。説明を容易にするために、しかし発明を限定することなく、周波数依存性材料は高誘電率材を含むことができる。機能的に、この実施例の周波数依存性材料は、その中における限られた電荷移動度を可能にする特徴を有する。
【００５２】
周波数依存性材料は駆動信号周波数に依存する電荷移動性を有し、電界の空間プロファイルを駆動信号周波数の関数として変動させる。電荷が周波数依存性材料内を流動するために利用可能な期間は低い周波数の方が長くなり、結果的に電荷移動性が高くなる。同様に、同一Ｖｒｍｓ振幅でより高い周波数時に、各正または負サイクルにおける電位は、より短い期間だけ印加され、結果的に生じる周波数依存性材料内の電荷の流れはそれに対応して大幅に低減される。したがって、「電荷移動性」は、印加される交流電気駆動信号の制約内で、電荷が穴パターン化電極のアパーチャ内に存在する周波数依存性材料内に浸透する全体的能力を指すように使用される。一般性を喪失することなく、本書の記載の残部では、弱導電層４２６を周波数依存性層４２６と呼ぶ。
【００５３】
＜等電位＞
周波数依存性層４２６は、有効電極プロファイルを動的に形成するために使用される。
【００５４】
図５Ｂの層化構造に関連して、穴パターン化電極３２２と平坦な電極層１２４との間に印加された駆動信号は、周波数依存性層４２６における有意の電荷移動性の不在下で、ＬＣ層５１０に不均一な電界を形成する。この不均一な電界は例えば、上述の通り、特定の性質のＬＣ層５１０にレンズ効果プロファイルをもたらすことがあり得る。
【００５５】
例えば電界整形は、周波数依存性層４２６内への電荷浸透の範囲を決定する、駆動信号の周波数に依存する。高い周波数では、低い電荷移動性に対応して、穴パターン化電極３２２のジオメトリは、勾配制御層が電界を整形する方法に対し大きく貢献する。しかし、低い周波数では、高い電荷移動性に対応して、周波数依存性層４２６は有効電極表面を形成し、電界形成制御層４２８は、穴パターン化電極３２２および周波数依存性層４２６の結果得られる全体的電極ジオメトリに応じて電界を整形する。
【００５６】
例えば、図６Ａおよび図６Ｂは、図５Ｂに示した層化ジオメトリの対応等電位面を示す。図示する通り、図６Ａでは、例えば３０Ｖｒｍｓで３０ｋＨｚの適度に高い駆動信号の使用により、周波数依存性層４２６における適度な量の電荷移動が形成され、それは、滑らかな勾配を有するように図示された特定の電界を発生させる。活動周波数範囲は、周波数依存性材料の特徴および使用するＶｒｍｓ振幅に依存する。
【００５７】
しかし、印加される駆動信号が低い周波数を有し、周波数依存性層４２６にかなりの電荷移動量が存在する場合、周波数依存性層４２６への電荷浸透は、穴パターン化電極３２２の中心にあるアパーチャ内に延びる有効電極構造を形成する。構造全体で略平坦な有効電極が形成される。穴パターン化電極３２２のこの「水平」方向の拡張は、２つの事実上均一な電極構造３２２〜４２６および１２４の結果、電界プロファイルを均一になるように変化させる。この均一な電界は、液晶分子に対する均一な配向効果を有するので、レンズ効果が消去される。
【００５８】
図６Ｂに示す通り、例えば２０Ｖｒｍｓで１ｋＨｚの比較的低い周波数の駆動信号を使用すると、周波数依存性層４２６への電荷浸透が増大する。これは電界プロファイルを平坦化し、それに対応して均一なＬＣ分子の再配向を誘発する。平坦な等電位面は、レンズの直径全体にわたる平坦な電界に対応する。ここでも、「低」周波数範囲は、使用する周波数依存性材料の特徴に依存する。
【００５９】
比較的低い周波数の駆動信号の使用がディスクリネーション（配向欠陥）を低減させることが明らかになった。低い周波数の駆動信号によってもたらされる平坦な電界プロファイルの使用は、レンズの「消去」を可能にする。したがって、第３電極（上記Satoら参照）を必要とすることなく、またはＴＬＣＬ性能を低減しあるいはまたは携帯電話のようなホスト装置の電圧制限を超える傾向がある、駆動電圧を非常に低い電圧（例えば０ボルト）または非常に高い電圧（例えば１００ボルト）に劇的に変化させる必要なく、レンズ消去は低い周波数および低いＲＭＳ電圧でもたらされる。
【００６０】
＜二周波ネマチック液晶層＞
１つが正のデルタイプシロン、もう１つが負のデルタイプシロンの周波数による少なくとも２つの振幅変調駆動信号成分を有する駆動信号によって生成される空間変調電界にさらされる二周波ネマチック液晶（ＤＦ‐ＬＣ）をＴＬＣＬに使用することにより、屈折力を両方向に変化させながら、励起条件下で連続的に動作可能なＴＬＣＬがもたらされることが明らかになった。
【００６１】
図５Ａないし図５Ｃに関連して、液晶（ＬＣ）セル層５１０には、Ｍｅｒｃｋ社製のＭＬＣ２０４８のような、しかしそれに限らず、誘電異方性を示すＤＦ‐ＬＣ材料が充填される。本発明はＤＦＬＣを充填された液晶層に限定されず、より低い割合のＤＦＬＣを使用することが可能である。上記のPishnyak‐Sato‐Lavrentovichとは対照的に、層５１０は、同一の例えば３度の低プレチルト角配向層１１２／１１４によって囲まれる。低プレチルト配向層１１２／１１４の使用は、単純製造および頑健な設計から利益を得る。
【００６２】
図７に関連して、誘電異方性曲線に沿ってクロスオーバ周波数の両側に１つずつ、少なくとも２つの固定周波数駆動信号成分によって生成される電界を印加することによって、両再配向方向の励起駆動がもたらされる。ＤＦＬＣ分子は、Δε＞０でｆcより低い周波数を有する駆動信号によって作動され、Δε＜０でｆcより高い周波数を有する駆動信号によって停止されて、屈折力変化の加速を達成し、両再配向方向に迅速に駆動させることができる。
【００６３】
＜ＴＬＣＬ構造の実施例＞
非限定例として、図５Ｂに関連して、提案する解決策に従って実現される可変焦点平坦屈折ＴＬＣレンズの寸法（ジオメトリ）を提供する。寸法はジオメトリおよび材料の選択に応じて大きく変化することができることは理解されるであろう。
【００６４】
基板１０４は、５０ないし１００ミクロンの厚さのガラスから作成することができる。基板１０２もガラスから作成することができる。頂部および底部配向層１１２／１１４は、例えば３度の低いプレチルト角を持つ液晶の基底状態配向を誘発する表面を生み出すためにラビングされた、厚さ約２０ないし４０ｎｍのポリイミド層を含むことができる。ＭＬＣ２０４８を充填された液晶層５１０は、実施例として厚さを５ないし３０ミクロンとすることができる。空間変調により、そのような単一液晶層５１０は、入射光の単一線形偏光を集束させる屈折率分布型レンズを形成する。
【００６５】
穴パターン化電極３２２は、アルミニウム（Ａｌ）のような不透明な金属から作成することができ、あるいは透明なインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）から作成することができる。穴パターン化電極３２２の厚さは、１０ないし５０ｎｍの範囲とすることができる。本発明を限定することなく、穴パターン化電極層３２２は実質的に光学的に隠すこともでき、したがって光学装置を通過する光の伝搬を妨げない。
【００６６】
弱導電層４２６は、約１０ｎｍの厚さを有することができる。ＷＣＬ４２６の周波数依存性（誘電率または複素誘電性）材料は、酸化チタンのような、しかしそれに限らず、種々の材料を含むことができる。酸化チタンは、印加駆動信号の周波数により変化する半導体特性を有する。
【００６７】
ＴＬＣレンズは屈折または回折レンズとすることができる。
【００６８】
図５Ｃの実施形態では、穴パターン化電極５２２および周波数依存性材料５２６は、２つのＬＣ層５１０の間で共有される可変導電率層を形成する。２ＬＣ層型ＴＬＣＬは、このようにして、約４６０ミクロンの厚さを有する層化構造５００内に約１ないし３ｍｍのレンズ直径を有するように組み立てることができる。
【００６９】
＜動作中のＤＦ‐ＬＣ型ＴＬＣＬ＞
零周波数および零Ｖｒｍｓ振幅時に、ＬＣ層５１０は配向層１１２および１１４によって支配される。ＬＣ分子は、例えば３度に実質的に配向される。ＬＣ層５１０の屈折率は、アパーチャ全体にわたって変動しない。レンズ効果はＬＣ層５１０によってもたらされ、したがってＴＬＣＬ４００は零屈折力を達成する。図５Ｂに示すこの非通電（Ｕ‐ＬＯＰ）基底状態は、ジオメトリの物理的性質によって支配される受動状態である。例えば４度未満の非常に低い角度では、電界によってＬＣ分子にトルクがほとんど加えられず、レンズが形成されるので、応答は非線形効果を有する。一部のＬＣ分子は、電荷移動の引継ぎ前に、劇的な屈折率の変動性を導くおそれのある配向ドメイン（ディスクリネーション）を形成する。
【００７０】
図８Ａは、図５Ｂに示すものと同様のジオメトリを有する同調可能なＬＣレンズを示す。経験的に決定された閾値を超える所与の（低い）Ｖｒｍｓ振幅の場合、比較的低い周波数ｆaの駆動信号の初期印加により、電荷がアパーチャ内にかなり大きく浸透するので、事実上均一な電極プロファイルが形成される。周波数依存性層４２６内への広範な電荷浸透のために形成される対応する均一な電界プロファイルは、非通電基底状態から初期励起配向を有するように、ＬＣ層５１０全体にわたってＬＣ分子を引き揚げる。ＬＣ分子は全て、約３度のプレチルト角の代わりに、例えば１０ないし１５度の共通角度配向を有するように再配向される。上述の通り、共通角度配向を有するＬＣ分子は結果的に、低い屈折率変動性を有するＬＣ層５１０を生み出し、実質的にレンズ効果はＬＣ層５１０によってもたらされず、したがってＴＬＣＬ４００は無視できるほど小さい屈折力を有する。この状態は、本書で上述した通り、電極３２２のジオメトリを含む可変導電率層の特性、および周波数依存性層４２６の電荷移動性によって支配される励起状態である。この初期励起状態の周波数ｆaが図７に示され、周波数依存性層の材料特性、Ｖｒｍｓ、およびＴＬＣＬのジオメトリにより変動する。低いＶｒｍｓ振幅の実施例として、使用可能な低い周波数ｆaは１００Ｈｚもの低さにすることができる。
【００７１】
好ましくは１４ないし４０Ｖｒｍｓ、さらに詳しくは２０ないし３６Ｖｒｍｓの振幅を有する周波数ｆ＋、例えば１ｋＨｚの駆動信号成分が、ＤＦ‐ＬＣ型ＴＬＣＬ４００を動作させるために使用される。この低周波駆動信号成分は、初期励起後に分子を（上昇させる）引き上げるように、平坦な電界成分をもたらす。好ましくは５ないし５０Ｖｒｍｓ、さらに詳しくは１０ないし５０Ｖｒｍｓの振幅を有する周波数ｆ−、例えば３０ｋＨｚの第２駆動信号成分によりＤＦ‐ＬＣ型ＴＬＣＬ４００を同時に駆動することにより、改善されたＴＬＣＬ駆動状態を達成することができることが明らかになった。この高周波駆動信号成分は、分子を（下降させる）抑制させるように、空間変調電界成分をもたらす。
【００７２】
合成駆動信号に対するＤＦ‐ＬＣ型ＴＬＣＬの応答を示す図９に関連して、高周波駆動信号成分が低周波駆動信号成分に匹敵するときに、電界の不均一なプロファイルがＬＣ層５１０全体に展開し、ＬＣ分子は不均一な角度配向を有する。その結果、ＬＣ層５１０全体の屈折率の変動性は不均一になり、ＬＣ層５１０は対応するレンズ効果をもたらす。ＴＬＣＬ４００の文脈において、図９は実験的に検証された達成可能な屈折力を示す。本書に記載する通り、駆動信号成分のＶｒｍｓ振幅が増大すると、周波数依存性層４２６内への電荷の浸透が、図８Ｂに示した対応するプロファイルを電界に与える。驚いたことに、全てのＬＣ分子は低周波ｆaの印加によって事前配向されているので、レンズプロファイルが発現するときに、ディスクリネーションは発生（持続）せず、ＬＣ分子は電界に対し効率的に応答して、ＴＬＣＬのレンズ収差を大幅に低減する。実験データは負のレンズ効果に関係するが、本発明を負の屈折力のＴＬＣＬレンズに限定するつもりはない。本発明は異なるｆaおよびｆ＋周波数に限定されず、単一の周波数を使用することができる。
【００７３】
合成駆動信号のＶｒｍｓ振幅および周波数ｆ＋／ｆ−を変更することによって、電界のプロファイルおよびしたがってＬＣ配向プロファイルを活発に整形することができる。駆動信号パラメータ（Ｖｒｍｓ′、ｆ＋／ｆ−）を適切に選択することによって、励起条件下でレンズ効果の形成および消去を両方とも実行することができる。例えば低周波成分ｆ＋のＶｒｍｓ振幅が高周波成分ｆ−のＶｒｍｓ振幅より優勢である場合には、ＬＣ分子は電界の方向に活発に吸引され、レンズ効果をもたらすが、極端に優勢であると、ＬＣ分子を均一に配向させ、図８Ｃに示す通り、無レンズ効果（屈折力＝０ジオプタ）を導く。対照的に高周波成分ｆ−のＶｒｍｓ振幅が優勢である場合には、周辺分子が徐々に活発に排斥され、図８Ｃに示すようにレンズを形成する。
【００７４】
比較的低いＶｒｍｓと比較的高いＶｒｍｓとの間の駆動信号のＶｒｍｓの範囲内で、どちらかの駆動信号のＶｒｍｓを変化させて、ＤＦ‐ＬＣ層５１０の光学パラメータを徐々に変化させ、したがってＴＬＣＬの屈折力を徐々に変化させることができる。定常状態の屈折力応答は典型的には、図９に示すように非線形的である。到達可能な最大屈折力は、特定のＴＬＣＬのジオメトリ、特定の周波数依存性材料の選択、特定の二周波液晶材料の選択等の結果であることを強調しておく。最大Ｖｒｍｓ振幅を超えると、印加駆動信号は、周波数依存性層４２６における電荷の流れに対し閉塞効果を有し、ＬＣ層５１０に印加された電界の形状は、穴パターン化電極３２２のジオメトリのような、しかしそれに限らず、他のＴＬＣＬ特性によって制御される。ＴＬＣＬ４００の場合、最大屈折力を超えると、屈折力は徐々に弱くなり始める。これは例えば図９で、ｆ＋駆動信号の振幅が２０Ｖである間に、ｆ−駆動信号のＶｒｍｓ振幅を３０Ｖ超に増大させることによって示される。Ｖｒｍｓの優勢な駆動状態は両方とも励起状態であり、ＴＬＣＬは比較的迅速な光学特性（屈折力）の遷移を達成することができる。
【００７５】
ＤＦ‐ＬＣ型ＴＬＣＬレンズの動作について、例えば図５Ｂに示す構造を有する単一偏光ハーフＴＬＣＬに関連して説明したが、例えば図５Ｃに示す構造を有するフルＴＬＣＬが同様に駆動して、フル偏光ＴＬＣレンズをもたらすことができることは理解される。１００Ｈｚ範囲の低配向周波数および３０ｋＨｚ範囲の最大屈折力は、必要な周波数発生器部品を製造可能かつ小型化可能な領域に置くので有利である。
【００７６】
提案する解決策に従って、図１０Ａおよび図１０Ｂは、一定周波数の駆動信号の二乗平均平方根電圧振幅による、同調可能な二周波液晶レンズの屈折力の実験的に測定された動的遷移を示す。実験結果は負のＴＬＣレンズに対してもたらされたものであるが、本発明はそれに限定されず、ＴＬＣＬのジオメトリを適切に変更することにより、結果は正レンズに対しても同等によく当てはまる。
【００７７】
特に、図１０Ａは、室温でホメオトロピック配向を達成するように、１０ジオプタから０（零）への屈折力の動的遷移を示す。表１は、ｆ＋＝２ｋＨｚを有する様々なＶｒｍｓ振幅の駆動信号成分を印加することによって、１０ジオプタにわたるホメオトロピック配向を達成するまでの測定時間を示す実験結果をまとめたものである。１６３ｍｓの最短ホメオトロピック配向時間は、８０ＶのＶｒｍｓ振幅を使用することによって達成される。ｆ＋＝２ｋＨｚで、周波数依存性層５２６は、８０Ｖｒｍｓ振幅と組み合わされて、屈折力を変化させるように、この場合は屈折力を低減させる（絶対屈折力を低減させる）ように、ＤＦ‐ＬＣ型ＴＬＣＬを略均一な電界により効果的に励起させる顕著な電荷移動を可能にする。
【００７８】
図１０Ｂは、レンズ効果を増大させる１０ジオプタの動的遷移を示す。表２は、ｆ−＝６０ｋＨｚおよび６０Ｖｒｍｓ振幅を有するパルス駆動信号成分を印加することによって、１０ジオプタの変化を達成するまでの測定時間を示す実験結果をまとめたものである。最終状態の適切な定常状態Ｖｒｍｓ振幅で、低周波ｆ＋および高周波ｆ−の駆動信号成分を両方とも再確立する前に、様々な持続時間（幅）の高周波ｆ−パルスを印加する間、低周波ｆ＋駆動信号成分は、一時的に除去される。最短の屈折力変化は１７１ｍｓで達成される。ｆ−＝６０ｋＨｚで、周波数依存性層５２６は電荷移動性が低いが、６０Ｖｒｍｓ振幅は優勢であり、屈折力を変化させるように、この場合は、屈折力を増大させる（絶対屈折力を増大させる）ように、略均一な電界によりＤＦ‐ＬＣ型ＴＬＣＬを効果的に励起させる。
【００７９】
以下の実験結果は、提案する解決策を使用しない場合の１３０１＋１８２０＝３１２１ｍｓから、提案する解決策を使用することによって１６３＋１７１＝３３４ｍｓへの屈折力変化速度の改善を示す。
【００８０】
【表１】
2014503845.tif 000003
【００８１】
【表２】
2014503845.tif 000004
【００８２】
図１１は、Satoから着想した平坦で透明な中心電極のある構造を有するＴＬＣＬに二周波液晶を使用する、提案解決策の別の実施形態を示す。周波数依存性材料を有する弱導電層も存在する。ＬＣセルにＭＬＣ‐２０４８二周波液晶材料が充填される。この第２実施形態のＴＬＣＬ装置の動作は、第１実施形態のＴＬＣＬの動作によく似ており、中心電極は、（屈折力の遷移中に）例えばパルス状に一時的に駆動されるだけである。
【００８３】
＜同調可能な光学装置システム＞
提案する解決策では、光学装置の周波数可変屈折力応答をＴＬＣレンズで使用して、可変焦点レンズを形成する。改善された自動焦点性能をもたらすために、周波数および振幅混合制御ベースの自動焦点アルゴリズムを使用することによって、焦点を最小と最大との間で変動させることができる。
【００８４】
ＴＬＣＬ光学装置を調整するための制御信号は、光学装置における光伝搬を駆動信号の周波数の関数として前記装置に制御させるように構成された、可変周波数制御信号回路によってもたらすことができる。実施例として、焦点制御をもたらすＴＬＣレンズ１３０２により画像を画像センサ１３０６に集束させるように、任意選択的に少なくとも１つの固定レンズ１３０４に結合されたＴＬＣレンズ１３０２を有するデジタルカメラシステムが、図１２に概略的に示されている。画像は、所望の焦点値を出力する自動焦点機能を含むカメラ制御装置１３０８に送られる。電界制御装置１３１０は焦点値を少なくとも１つの電気駆動信号パラメータに変換する。本発明を限定することなく、電界制御装置１３１０はその総合機能を実行する際にルックアップテーブルを使用することができ、あるいは少なくともそういうものとして変換機能は、ＴＬＣレンズ１３０２および一般光学系に関する経験的情報、例えばジオメトリ、材料特性、温度、カメラ特性等を考慮に入れることに関係する。
【００８５】
電界駆動回路１３１２は電気パラメータを、ＴＬＣＬ３００／４００／５００に印加される少なくとも１つの駆動信号に変換する。構成部品１３０８および１３１０は、本発明を限定することなく、マイクロコントローラで実行されるマイクロコードを使用して実現することができる一方、構成部品１３１２は、所望の周波数およびＲＭＳ電圧の駆動信号を結果的に得られるように、マイクロコントローラの制御下でオンオフされる電圧源を含むことができることを、当業者は理解するであろう。そのようなマイクロコントローラは、画像センサから焦点スコアを得て、最良の焦点に向けて屈折力を変化させるべくＴＬＣＬを操作するために駆動信号パラメータを決定するように、構成することができる。例えば、最良の焦点は、閾値未満の最小焦点スコア変化を検出することによって知らせることができる。
【００８６】
同調可能なＬＣレンズ光学装置３００／４００／５００が多層アセンブリを用いて、好ましくは並行して（「ウェハレベル」と呼ばれる多くのユニットを同時に）製造することができ、最終製品がシンギュレーションによって、かつ任意選択的に、光の両直交偏光を集束するようにレンズを交差（直交）方向に操作軸（ダイレクタ）に結合することによって得られることは理解されるであろう。
【００８７】
＜画像安定化＞
２００９年１２月２３日に出願された米国特許出願第61/289,995号からの優先権を主張し、本願と同時に出願され同一譲受人に譲渡された、「Image Stabilization and Shifting in a Liquid Crystal Lens」と称する国際特許出願第PCT/CA2010/002023号は、装置における効果的な電極構造を動的に再構成するために周波数依存性材料を使用する液晶層を通過する光の伝搬を制御するための可変液晶装置を記載しており、それらを両方とも参照によって本書に援用する。特定の非限定的実施例では、カメラのレンズ配列の一部を構成するレンズの光軸の偏移または変化は画像安定化に、例えばカメラ振動の補償、他のレンズ素子との位置合せをもたらす画像またはレンズ位置調整、レンズの角度調整（ピッチおよびターン／パンおよびチルト）、および離散的画素撮像センサを用いてサブ画素撮像を達成する画像移動に有用である。こうして、所与の用途の必要に応じて、画像取得の前の調整後、または画像取得中の動的調整後に、光軸調整機構を設定することができる。動的制御の場合、光軸の調整は、加速度計センサを用いて、または取得した画像を解析してカメラ移動を決定することによって、達成することができる。
【００８８】
提案する解決策の変形実施形態では、１つが正のデルタイプシロン、もう１つが負のデルタイプシロンの周波数による少なくとも２つの振幅変調駆動信号成分を有する駆動信号によって生成される空間変調電界にさらされる二周波ネマチック液晶（ＤＦ‐ＬＣ）をＴＬＣＬに使用することにより、ＴＬＣＬは、画像安定化状態を変化させながら、励起条件下で連続的に動作可能になる。
【００８９】
図１３は、周波数依存性材料の層１４０６を使用する同調可能なＬＣレンズを概略的に示す。上述の通り、所与の周波数依存性材料に対し、比較的低い周波数の電気信号は結果的に、材料における高度の電荷移動性（浸透／輸送距離）を生じることがあり得る一方、比較的高い周波数は結果的に、比較的低度の電荷移動性を生じる。印加駆動信号に応答して電界を発生する電極構造（対）と共に周波数依存性材料を使用する場合、電荷移動の範囲は、周波数依存性材料内への電荷浸透の深さを決定し、したがって電界形成の文脈で、「良」導体層のように挙動する材料の部分のみならず、「不良」導体のように挙動する部分をも決定する。したがって、電荷移動度が高ければ、周波数依存性材料のより大きい部分（セグメント）が導体として発現し、したがって近傍電極の拡張として（現われ）活動する。この周波数依存性はしたがって、提案する解決策において、駆動信号の周波数（または駆動信号成分の周波数）を変化させることによって変化させることのできる、動的に構成可能な有効電極面を形成するために使用される。このようにして有効電極のプロファイルを変化させることにより、電極構造の２つの電極間の電界のプロファイル（空間変調）がそれに対応して変化する。ＬＣ層が電極間に位置することにより、動的に変化可能な電界プロファイルをこうして使用し、例えば画像安定化状態を得るように、ＬＣ層の光学特性を動的に変化させることができる。
【００９０】
再び図１３を参照すると、液晶セル１４２０は、ラビングされたポリイミドのような材料から形成された「配向」コーティング１４２２の間に狭持された、１層のＬＣ材料１４２１から構成される。ＬＣＣ１４２０の下面は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）のような適切な材料から形成された比較的均一で透明な導電層（すなわち電極）１４２３を含む。基板１４２４（例えばガラス）が（下面に）設けられ、透明な導電層を支持する。任意選択的に、中間（緩衝）層１４２５をＬＣＣの上面の最上部配向コーティング１４２２の上に設けることができる。
【００９１】
本発明に特有のこととして、液晶セル１４２０のＬＣ材料１４２１は、Ｍｅｒｃｋ社製のＭＬＣ２０４８のような、しかしそれに限らず、誘電異方性を示すＤＦ‐ＬＣ材料である。誘電異方性曲線に沿ってクロスオーバ周波数の両側に１つずつ、少なくとも２つの固定周波数駆動信号成分によって発生する電界を印加することによって、両方の再配向方向に励起駆動をもたらすことができる。ＤＦＬＣ分子は、Δε＞０となるｆc未満の周波数を有する駆動信号によってオンになり、Δε＜０となるｆcを超える周波数を有する駆動信号によってオフになり、両方の再配向方向に迅速に駆動することができ、画像安定化状態遷移を加速させる。
【００９２】
変形実施形態では、同調可能なＬＣレンズの勾配制御構造１４０２は隠蔽電極を使用して、周波数同調を介して電界の空間変調をもたらす。勾配制御構造１４０２は、任意選択的に光学的に透明にすることのできる穴パターン化固定導電性電極リング１４０４から構成される。図１３では、電極１４０４は周波数依存性材料１４０６の層の頂部に位置する。代替的に、電極１４０４は周波数依存性材料１４０６の底部に位置することができる。この層１４０６は、本書で隠蔽電極とも呼ぶことがある電極構造の一部分である。随意のカバー基板１４１３（例えばガラス）を、勾配制御構造１４０２の上部の透明な中心電極１４０４および周波数依存性層１４０６の上に設けることもできる。
【００９３】
上述の通り、周波数依存性層１４０６は、異なる周波数では印加ＡＣ励起駆動信号の結果生じる電荷の浸透深さが異なってくる複素誘電性材料を含む。異なる周波数に対する電荷の異なる浸透深さは、有効電極面を拡張（移動）することによって、電極構造の再構成を（可能にする）もたらす。換言すると、１つの周波数に対する電荷の浸透深さは、異なる周波数に対して（すなわち有効電極面の異なる位置に）異なる範囲を有する有効または「仮想」電極面を形成することができる。電極はＬＣ層に印加される電界を発生させるために使用されるので、異なる有効電極面は、ＬＣ層が経験する電界を変化させ、したがってその光学特性を変化させるために使用することができる。したがって、ＬＣセルの光学特性は電極に印加される周波数によって制御可能であるので、例えば同調可能なＬＣレンズは周波数を同調可能にすることができる。
【００９４】
再び図１３を参照すると、示されたレンズは、あり得る様々なレジームで動作する。制御駆動信号の周波数が、周波数依存性層１４０６における高い電荷輸送度を有する場合、電極１４０４および層１４０６の組合せは（一緒に）、均一な「頂部」電極のように見える。すなわち、層１４０６内への高度の電荷浸透性は、電極１４０４の「拡張」を形成し、有効電極は層１４０６の範囲（長さ）全体に、この構成では、電極１４０４のアパーチャ全体に拡張する。底部電極構造１４２３も平坦かつ均一であるので、ＬＣ層の電界は実質的に（ほぼ）均等になり、ＬＣ分子は均一に（かつ、穴パターン化電極に対する電圧振幅を変化させることによって再配向されるＬＣ構造に影響を及ぼし得るディスクリネーションを生じることなく）、再配向される。対照的に、層１４０６の電荷輸送が非常に限定される電極に周波数が印加される場合、有効な頂部電極の形状は、導電性電極１４０４のみの形状に近くなり、結果的にＬＣ層に発生する電界は不均一になる（空間変調される）。この実施例では、不均一な電界は穴パターン化電極１４０４の周りに集中し、ＬＣ層１４２１の光学特性を予め定められたように変化させる。このように周波数制御を使用して、所望の光学調整を達成することができる。
【００９５】
周波数制御は、電極の有効形状およびしたがってこれらの電極によって発生する電界の形状の動的制御の能力をもたらすために使用することができる。
【００９６】
周波数依存性層１４０６は図１３では他の層に比べて比較的厚いように図示されているが、実際には非常に薄くして、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使用することができることを、当業者は認識されるであろう。電極の「拡張」も、レンズの光軸と平行な方向またはそれに垂直な方向のいずれか一方または両方とすることができる。
【００９７】
上述した比較的高い周波数と比較的低い周波数との間の周波数範囲内で、駆動信号成分の周波数は、ＬＣ層の徐々に変化する光学パラメータを形成するように調整することができる。これの一例として、駆動信号の周波数を変化させることによって制御または変動させることのできる、効果的なレンズの位置および形状を持つレンズ（すなわち画像安定化状態）が形成される。
【００９８】
図１４は、隠蔽電極を使用して、周波数同調を介して電界の空間変調をもたらす、同調可能なＬＣレンズの追加的変形例を示す。図１４で、電界の勾配を制御する構造は、一定の（好ましくは低い）電気抵抗の穴パターン化周辺電極１５０４から構成される一方、この電極の（同一面内の）中心の中心円板状領域およびその面の周りの領域には周波数依存性材料１５０６が充填される。この勾配制御構造（ＧＣＳ）１５０２は、直交面内にダイレクタ（ＬＣ分子の長軸の平均配向）を有する２つのＬＣセル１５２０ａ、１５２０ｂの間に狭持される。例えばダイレクタの１つはＸＺ面内にあり、第２ダイレクタはＹＺ面内にあり、狭持の垂線がＺ軸になる（この実施形態では、伝統的に使用されるＬＣセルの「内部」電極の１つは、ＬＣ層内の電界勾配の形成を可能にするために除去される）。ＧＣＳ１５０２の位置は、電極、加熱体、および（周波数依存性材料の）シート抵抗、温度センサ、光学素子整形、ビーム操縦、パン／チルト、光学的誤差の補償、画像安定化等のような、ＧＣＳの複数の機能を組み合わせるために、有利に使用することができる。加熱体および温度センサは、装置の温度を最適レベルに維持するのを助けるために、一緒に使用することができる。電極１５０４の追加的パターン形成も、電界プロファイルの形成に重要な役割を果たし、かつ老朽化により部品毎に経時的に変化する、シート抵抗のような周波数依存性材料１５０６の電気特性を測定するために使用することができる。この文脈で、ＧＣＳは、そのような複数の機能を実行するために特殊合金（例えばＭｏ／Ａｌ）から、様々な形状に形成することができる。層化構造（組立体）の真ん中に電界の空間変調をもたらす層を設けることは、変調層の上と同様に、その下の単数または複数の層における電界にも同等に影響が及ぶという利点を有する。電極構造に中間電極を設けることによって、電極間の分離が基本的に等分され、２つの電極セルを同時に駆動する必要性にもかかわらず、駆動信号の変化および部品毎の変化はあまり重要でない。
【００９９】
本書で論じた周波数依存性材料はいずれも、上記の様々なＬＣレンズ構成に使用することができる。そのような材料は、駆動周波数の変化によって（弱導電性を含め）変動させることのできる複素誘電体誘電率を有する。材料の特定の特徴は、該当する特定のレンズ構造に従って選択することができる。請求する発明の範囲から逸脱することなく、様々な材料組成、様々なＬＣ層、様々な電極、様々な幾何学的形状等を使用して、上述したＬＣレンズを作成することができることに注目されたい。また、本書に記載するＬＣレンズを使用して、様々な光学装置を開発することができることをも、読者は理解されたい。
【０１００】
図１５は、均一平面上部電極、上部電極の下に配置された分割四象限電極、および液晶セルの底部にある底部均一平面電極を使用した先行技術の液晶レンズの設計を示す。
【０１０１】
図１６Ａは、周波数依存材料が分割穴パターン化電極の上に位置する、提案する解決策の実施形態に係る分割頂部電極の差込み上面図を伴う、同調可能な液晶レンズの側面断面図を示す。周波数依存性材料の配置は、分割電極の上でそれを被覆するか、分割電極のアパーチャ内か（図１６Ｂ参照）、あるいは分割電極の下（図１６Ｃ参照）とすることができる。
【０１０２】
セグメントに送られる駆動信号成分の周波数を変動させることによって、複素電界の空間変調をもたらすことができる。周波数依存性材料を有する弱導電層の上述した機能性は、全ての電極セグメントが寄与する複合的効果をもたらすために、電極セグメント単位で使用することができる。すなわち、周波数依存性層における局所的電荷浸透は、対応する各電極セグメントの直近におけるパターン化電極の範囲を制御するために、各電極セグメントによって制御され、全電極セグメントの複合範囲は、対称的な物理的構造を用いて複素的に電界を空間変調するために使用される。電界の複素空間変調は次に、ＬＣ層全体にわたって複素屈折率分布を示すＬＣ層における複素ダイレクタ配向を介して、入射ビームに対し特定の効果をもたらす。最も一般的な意味で、ＬＣ層によってもたらされる光学素子は、特定のプログラムされた屈折率分布をもたらすという意味で、「形状が変化」される。ＴＬＣレンズは、所望の光学効果の関数として、各セグメントの周波数および振幅の所望の制御駆動信号により較正することができる。安定状態および準静的光学効果の両方を含め、種々の効果を入射ビームに適用することができる。
【０１０３】
本発明を限定することなく、ビデオ／画像取得用途の場合、特定の組の周波数および振幅駆動信号成分は有用であり、制御装置は較正ルックアップテーブルから較正値を導き出すことができる。例えば、屈折力調整および光軸再配向はビデオ／画像取得において、合焦機能をもたらすため、かつカメラモーション（ハンドヘルド／振動環境）を補償するようにＴＬＣレンズの光軸を移動させることによって、取得しようとする画像を安定化させるために使用される。画像追跡用途の場合、移動シーンを安定させておくために、光軸の再配向が使用される。
【０１０４】
本書に上述した機能性を実現する周波数依存性弱導電層を有するＴＬＣレンズは、例えば加速度計のような、しかしそれに限らず、適切なフィードバック機構を使用することによって画像安定化をもたらすことができることを、再び強調することが重要である。画像安定化は、ハンドヘルド用途のみならず、振動環境においても重要である。２００９年６月５日に出願された米国特許出願第20100309334号に記載されたBryan James、Andrew Hodge、およびAram Lindahlによる先行技術の試みは、画像安定化無しに複数の画像を非常に大きいバッファ内に連続的に取り込むこと、およびモーションセンサが最小モーションを登録した画像取得時間に基づいて、後処理時に取り込まれたセットから画像を選択することを記載している。対照的に、本書で提案する解決策に係る能動フィードバック機構および能動画像安定化を使用することは、迅速なＴＬＣＬ応答によって可能になり、画像格納要件および巨大な高速メモリ要件の軽減をもたらす。
【０１０５】
複数の時間変動（位相シフト）駆動信号成分を使用して、さらなる光学特性制御をもたらすことができる。例えば、図１７Ａないし図１７Ｅは、任意方向の光軸傾斜が０度から４５度の間で提供される、８つのセグメントの穴パターン化電極（４つの駆動信号成分を使用する）の準静的制御を示す。
【０１０６】
二周波を有する駆動信号の使用に関連して、提案する解決策を記載してきたが、本発明は二周波の使用に限定されない。（周波数依存性材料を介して）電界の所望のプロファイルを形成するために、複数の周波数を混合して同時に適用することができる。１つの実現では、複数の周波数を結合して、充填率を変動させることのできるパルス幅変調信号を生成する。充填率を加減して、信号における高周波成分の量を変化させることができる。
【０１０７】
周波数依存性材料を有する単一弱導電層の使用に関連して、提案する解決策を記載してきたが、本発明は、単一周波数依存性材料の使用に限定されない。光学装置の電界を整形するために、導電性電極１２４および３２２／５２２に対して必ずしも単一の位置に配置されない、複数の異なる周波数依存性材料を使用することができる。同様に、その勾配に沿って変化する周波数依存電荷移動性を有する周波数依存性層を使用することもできる。
【０１０８】
周波数依存性材料は、多種多様な考えられる材料から構成することができる。１つの実施形態では、周波数依存性材料は熱重合性導電性材料であり、別の実施形態では、周波数依存性材料は光重合性導電性材料である。他の可能性として、真空（または例えば「ゾル‐ゲル」）蒸着薄膜、高誘電定数液体、電解質ゲル、導電性イオン液、電子伝導性ポリマ、電子伝導性ナノ粒子を含む材料等が挙げられる。周波数依存性材料の所望の特徴は、周波数に依存する電荷移動性を有することである。周波数依存性材料が熱また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化合物、紫外‐可視、近赤外ＮＩＲ感受性、または熱感受性分子の組合せである開始剤、混合物の誘電定数を変化させる添加剤であって、有機イオン化合物および無機イオン化合物から成る群から選択される添加剤、ならびに混合物の粘度を変化させる充填剤を含むことができる。材料はまた、紫外‐可視感受性接着剤、近赤外感受性接着剤、および熱開始剤を用いて重合される接着剤から成る群から選択される接着剤をも含むことができる。光学的エラストマも含めることができる。
【０１０９】
周波数依存性材料が高誘電定数液体である場合、それは、電荷を周波数依存的に移動させることのできる、比較的低い周波数で２．０から１８０．０の間のイプシロンを有する透明な液体材料を含むことができる。周波数依存性材料が電解質ゲル材である場合、それはポリマ材、イオン化合物、イオン輸送体を含むことができる。周波数依存性材料が導電性イオン液である場合、それは、塩素酸塩、過塩素酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩、および炭酸塩から成る群から選択されたイオン種を含むことができる。
【０１１０】
ＴＬＣレンズに関連して提案する解決策を記載してきたが、本発明を限定することなく、提案する解決策は、例えばビームステアリング装置、光シャッタ等を含め、複数の光学装置に適用することができる。
【０１１１】
１つのＴＬＣＬで可変焦点光学素子を提供することができる一方、２つのＴＬＣＬではズームレンズを提供することができることは、理解されるであろう。
【０１１２】
本書に記載した種々の原理および実施形態をうまく組み合わせて、種々の自動焦点特性を備えたＴＬＣレンズ光学装置を形成することができることを、当業者は認識されるであろう。様々な形状および構成の電極、異なる種類、形状、および位置の周波数依存性材料、異なる種類の二周波液晶材料、異なる駆動信号発生器等を組み合わせて使用して、特定の特徴を持つＴＬＣレンズ光学装置を形成することができる。ＴＬＣレンズ装置は周波数制御とするか、電圧制御とするか、あるいは両方の組合せによって制御することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１７Ｅ】
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【国際調査報告】
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