(57)【要約】  調整可能な液晶レンズを駆動する空間的に不均一な電界を制御するための空間的不均一電極構造を提供する。空間的不均一電極構造は、予め定められた空間的不均一電界プロファイルの発生を可能にする。限定数の電極に初期電位を供給することによって所望の形状の電界を発生させるために、複数の異なる電気的に浮遊する隣接電極セグメント間の複素容量結合を使用する。【選択図】  図１６Ｂ
2015537242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アライメント面を有するセル壁と、
前記セル壁と接触する液晶材料と、
を有する液晶セル、および
少なくとも１つの絶縁層によって分離され、透明な口径を提供する複数の容量結合電極セグメントと、
対向電極と、
を有する電極構造、
を備えた液晶レンズまたは光学装置であって、
前記液晶セル内で前記電極セグメントと前記対向電極との間に電界を提供することができ、
前記複数のセグメントの第１セグメントに印加された電圧は、前記複数のセグメントの１つ以上の後続容量結合セグメントに低減された電圧を誘起し、
前記セグメントの配列は前記液晶セルの口径全体の所望の電界空間プロファイルに対応する、液晶レンズまたは光学装置。
【請求項２】
前記光学装置はシリンドリカルレンズであり、前記電極構造はストリップ状の略平行な電極セグメントを含み、前記第１容量結合電極セグメントは前記平行な電極セグメントストリップのうちの外側のものを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光学装置は液晶レンズであり、前記電極構造は略円形の口径を含み、前記複数の容量結合電極セグメントは複数の略同心容量結合電極セグメントを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
各容量結合電極セグメントはさらに、前記光学装置を介して波面の制御を達成するために周方向サブセグメントを含み、好ましくはさらに、光学像安定化のために前記サブセグメントに時間変動調整電圧を提供するように構成されたコントローラを含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記複数の容量結合電極セグメントは、複数の前記第１容量結合電極セグメント上に塗布された絶縁層および高誘電率層の１つによって分離された２つの層上で分離された、第１セグメントおよび第２セグメントに分割される、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
複数の前記第２セグメントの各電極セグメントは、複数の前記第１セグメントの隣接する電極セグメントと部分的に重なる、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記電極構造は、略平坦な透明導電性電極層上の誘電体基板および略平坦な透明導電性電極層上の絶縁層の１つを含む、請求項５または６に記載の装置。
【請求項８】
前記電圧を受け取るための前記第１セグメントは、互いに他の電極セグメントと部分的に重なり合うバタフライ形接続透明電極であって、前記部分的重なりが口径位置により徐々に変化するバタフライ形接続透明電極、および互いに他の電極セグメントと部分的に重なり合う第１マルタ十字形接続透明電極の１つを含む、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記電極構造は、前記第１マルタ十字と相補的な第２マルタ十字配向を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記略平坦な透明導電層はさらに、前記光学装置のバイポーラ動作のために、円孔パターン電極および前記円孔パターン電極内の円板状電極を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
光の両方の直線偏光に作用するように構成された２つの前記液晶セルを含み、前記電極構造は前記２つの液晶セルの口径全体に前記所望の電界空間プロファイルを提供するように配列され、好ましくは、前記電極構造は前記セル壁の内側に配列され、かつ前記２つの液晶セルの各々に対し別々に設けられる、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記直線偏光の各々に対し反対方向の平行な液晶配向方向を有する２つのセルを提供するように配列された４つの前記液晶セルを含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記電極構造は前記セル壁の内側に配列され、前記４つの液晶セルの各々に対して別々に設けられる、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
反対方向の平行な液晶配向方向を有する前記２つのセルの各々が薄い延伸膜によって分離され、かつ前記セル壁の内側に配列された共通の前記電極構造を共有する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記絶縁層は、前記所望の電界空間プロファイルが、前記複数のセグメントの第１セグメントに印加される制御信号の周波数の関数として本質的に不変となることを可能にする、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記電極セグメントから分離された電界を発生させるために、前記口径の少なくとも中心部分を被覆する電極をさらに含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記絶縁層は小量の導電性を提供し、かつ前記所望の電界空間プロファイルが前記複数のセグメントの第１セグメントに印加される制御信号の周波数の関数として本質的に制御されることを可能にする、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
予め定められた電圧および前記装置の所望の可変光学特性に従って選択される周波数の少なくとも１つの可変電気信号を提供するように構成された駆動信号コントローラをさらに含み、好ましくは、周波数は前記装置の光学特性を制御するために使用される、請求項１ないし１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記装置は調整可能なレンズである、請求項１ないし１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
前記装置は平坦な平面ジオメトリを有する、請求項１ないし１８のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、２０１２年１１月１１日に出願した同一名称の米国特許仮出願第61/725,021号の優先権を主張し、それを参照によって本書に援用する。
【技術分野】
【０００２】
提案する解決策は液晶光学装置に関し、特に、液晶光学装置のための制御電極に関する。
【背景技術】
【０００３】
液晶（ＬＣ）ディスプレイ（ＬＣＤ）およびレンズ（ＬＣＬ）は当業界で公知である。ＬＣを使用する大多数のケースで、電気的に可変の屈折率分布型（いわゆるＧＲＩＮ）光学レンズは、装置の有効口径（ＣＡ）内の空間のＬＣ分子の相対配向勾配を制御することによって形成される。そうすると、この分子配向は電界に感応しやすく、勾配（およびそれぞれにＬＣＬの光パワー）は、巨視的な機械的移動または変形無しに、電気刺激パラメータ（電圧、周波数、またはそれらの組合せ）を変えることによって、変化させることができる。
【０００４】
空間的不均一電界に応答してＬＣ分子の配向を制御する、多種多様なＬＣＬの設計が提案されてきたが、例えばS.Sato、「Applications of Liquid Crystals to Variable‐Focusing Lenses」、OPTICAL REVIEW Vol.6, No.6(1999)471‐485の総説を参照されたい。１つの手法は、（ＬＣＤで使用されているような）複数の電極アレイを使用して、空間にレンズ状電界プロファイルを発生させることである。しかし、その製造の複雑さおよびその動的制御の複雑さは、その魅力および産業上の容認性を低減させる。
【０００５】
円孔パターン電極（ＨＰＥ：円孔パターン電極）１０２と（底部基板１０５上の）透明均一電極（ＴＵＥ：Transparent Uniform Electrode）１０４の組合せを使用する、別の手法１００が上記のS.Satoによって記載された（図１Ａ）。（以下、ＬＣセルのＬＣアライメント層および他の標準素子は、図面を簡素化するために省略する。また、同じ理由で、様々な設計および実施形態の略断面図を主に提示する）。２つの電極１０２および１０４間の電位差１０６の印加は、（図１Ｂに概略的に示すように、点ＡＣＢ間に）空間的不均一電界を発生させる。したがって、電位分布（および対応する電界）が適切な空間プロファイルを有するならば、装置１００の有効口径（ＣＡ）１１０内のＬＣ分子１０８の対応する再配向および屈折率変調は、所望の球面（または非球面、下記参照）形状を有し、こうして優れた品質のレンズ１００が得られる。そのようなレンズの光パワー（ＯＰ）（測定単位はディオプタ）は次のように表すことができる。
ＯＰ＝２ＬΔｎ／ｒ2（球面波形の場合）
ここで、ＬはＬＣ層１１２の厚さであり、Δｎはレンズ１００の中心部（点Ｃ付近）と周辺部（点ＡおよびＢ付近）の屈折率の差であり、ｒはＣＡ１１０の半径である。焦点距離Ｆ（測定単位はメートル）はＯＰの逆数であることに注意されたい（Ｆ＝１／ＯＰ）。この設計は製造がずっと簡単であるが、依然として幾つかの重要な欠点がある。すなわち、ＨＰＥ１０２とＴＵＥ１０４との間の距離（ＬＣの厚さＬおよび頂部基板の厚さＨによって定義される）は、ＬＣ層１１２内部の電界の平滑な空間プロファイル（１５０）を確実にするために、比較的大きくしなければならない。この電極の分離Ｌ＋Ｈは、ＬＣＬ１００の制御のために必要な電圧（数十ボルト）を必然的に増大させる。
【０００６】
A.F.Naumovらによって発表された、「Liquid‐Crystal Adaptive Lenses with Modal Control」(OPTICS LETTERS/Vol.23、No.13/１９９８年７月１日)と題する論文に、ＬＣセルの内部にあるＨＰＥ２０２を使用するＬＣＬ２００の構成（図１に示したSatoの設計の頂部基板１０１が上下逆さまに１８０°反転されている）が提案された（図２参照）。この場合、ＨＰＥ２０２およびＴＵＥ１０４は相互に非常に近接し（ＬＣ２１２の厚さＬだけ離れている）、ＬＣＬ２００のＯＰ制御には数ボルト（＜５Ｖ）２０６で充分である。しかし、電界プロファイルがＬＣ層２１２の内部で激変する性質を有するという問題は対処されないままである。電界の急激な変化に対処するために、Ｒ＝（ｄσ）-1と定義される（ｄはＷＣＬ２１４の厚さであり、σはその導電率である）非常に高いシート抵抗Ｒｓのため、上述した電界プロファイルを平滑化する、高抵抗または弱導電層（ＷＣＬ）２１４がＨＰＥ２０２の表面に設けられる。この平滑化は、中間に誘電性ＬＣ層２１２を含む２つの電極ＴＵＥ１０４と、ＷＣＬ２１４の材料によって被覆されたＨＰＥ２０２との間の重なりの単位面積に静電容量が生じる、古典的電子ＲＣ回路における（ＨＰＥ２０２の周辺から中心への）電位の減衰の概念を用いることによって理解することができる。同時に、電気抵抗Ｒの役割は主に、ＷＣＬ２１４のシート抵抗Ｒｓによって果たされる。
【０００７】
小型カメラ（ＣＡ１１０は１．５ｍｍないし２ｍｍ程度）の「ＲＣファクタ」および厚さＬのＬＣ層２１２の誘電特性εLCは、平滑な電界プロファイルのために必要なＷＣＬ２１４のシート抵抗Ｒｓが、数十ΜΩ／□の範囲になるような事態になっている。パラメータの製造ムラはシート抵抗を著しく変化させるので、そのようなフィルムの製造は困難な課題である。
【０００８】
加えて、消費者製品のカメラは非偏光光を用いて作動すると考えられる。これは、非偏光光の２回の交差方向の偏光を処理するために、２つのＬＣ層２１２を（それらの分子ダイレクタを直交面内に配向して）使用することを必要とする（図３参照）。同様に集束する２つのそのような「半」レンズ２００を持つために、同一Ｒｓ（≒±３％）の２つのＷＣＬが必要である。これは偏光無依存型「全」レンズ３００の製造に特別な条件を課す。この手法には別の限界が存在する。すなわち、（ＨＰＥ２０２の周辺（点ＡまたはＢ）からレンズの中心（点Ｃ）に向けて）電位の減衰がＲＣ回路の物理的性質によって定義され、したがって、優れた光学画像品質を得るために時々要求される様々な非球面プロファイルを得ることが難しい。最後に、適切なＲｓを持つ（これまで知られている）全ての物質は、温度変化に敏感である。
【０００９】
Naumovのジオメトリの問題に少なくとも部分的に取り組むために、幾つかの代替的手法が開発されてきた。LensVectorによって提案され、参照によって本書に援用する国際特許公開第2009/153764号パンフレットで公開されたそれらの手法の１つは、図４に示すように、製造再現性の厳しい要件を排除するために、単一のＷＣＬ３１４を使用するものである。この構成３００では、ＨＰＥ３０２およびＷＣＬ３１４は、２つの交差配向ＬＣ層３１２のための底部基板および頂部基板として働く２つの基板１０５の間に（略対称的に）配置される。こうして、同一制御電極構造（ＨＰＥ３０２およびＷＣＬ３１４）を使用して、両方のＬＣ３１２層が同様に駆動される。
【００１０】
図５Ａおよび図５Ｂに示す代替的手法４００は、「Thin Liquid Crystal Lens with Low Driving Voltages」、Japanese Journal of Applied Physics 48(2009)098004でB.Wang、M.Ye、M.Yamaguchi、およびS.Satoによって提案された。このジオメトリでは、ＷＣＬ層４１４はＬＣ層４１２に近接する一方、ＨＰＥ４０２の中央に電気接続された追加の円板状電極（ＤＳＥ）４１６が存在し、どちらもＬＣセル４００の外側に配置される。この手法は、一過性の分子配向欠陥（いわゆるディスクリネーション）を回避し、かつ電界プロファイル５００の制御の向上を達成するのに役立つが、ＷＣＬ４１４の製造性の問題を含め、幾つかの欠点から依然として逃れられずにいる。これは、２つのＷＣＬ（各ＬＣ層に１つずつ）が依然として必要とされるため、あるいは１つのＷＣＬ４１４および制御電極（ＨＰＥ４０２およびＤＳＥ４１６）だけを使用することができるが、今度は２つのＬＣ層４１２を同一のＨＰＥ４０２およびＤＳＥ４１６電界制御構造によって駆動しなければならないことから、それをＴＵＥ１０４から比較的遠くに離して配置しなければならないためである。加えて、ＬＣＬ４００を駆動するために、２つの独立した連続可変電圧Ｖ1１０６およびＶ2４０６を持つ必要がある。したがって、ＴＵＥ１０４の接地および電圧Ｖ1１０６のＨＰＥ４０２への印加は、空間的に不均一な電位分布および対応する光パワーを生じる（図５Ｂに実線曲線によって概略的に示す５００）。同時に、電圧Ｖ2４０６のＤＳＥ４１６への印加は（実線および破線の水平線によって示すように）均一な電位を発生させ（図５Ｂ参照）、こうしてディスクリネーションの発生を回避し、あるいはレンズ４００の光パワーおよび収差の連続制御を可能にする。これらの電圧１０６／４０６の絶対値もまた依然として、Naumovの手法で用いられる電圧２０６より高い（頂部電極１０１の厚さＨによってもたらされる電極１０４／４０２間の追加距離のため）。この最後の問題点は、M.Yeらによって、「Low‐Voltage‐Driving Liquid Crystal Lens」、Japanese Journal of Applied Physics 49(2010)100204、RAPID COMMUNICATIONで、頂部基板１０１を上下逆さまに反転させることによって、電極を１μｍのＳｉＯ2膜で被覆することによって、かつ（ＷＣＬ４１４として）水性熱硬化性塗料（ＴＷＨ‐１、三菱マテリアル電子化成株式会社）の高抵抗膜を使用することによって対処された。最後に、この二重電圧１０６／４０６制御スキームに関連して、幾つかの重要な波面（収差）の問題が依然として存在する。
【００１１】
残っている収差（波面）の問題を解決するために、LensVectorは、参照によって本書に援用する国際特許公開第2012/079178号パンフレットで、別の手法６００を導入した。そこで、全レンズジオメトリ６００で使用される１対のNaumovの設計の半ＬＣＬ２００の２つの交差配向ＬＣ層２１２の間に、（略円板状の）透明な浮遊（非接続）導電層６１８が導入される（図６参照）。浮遊導電層６１８の存在は、そのようなＬＣレンズ６００を使用しているカメラの波面プロファイルおよび変調伝達関数（ＭＴＦ）を、（Satoの設計およびNaumovの設計と比較して）著しく改善する。加えて、レンズ６００を駆動するために要求される唯一の電圧２０６は非常に低く、装置６００は周波数制御によって作動する。
【００１２】
代替的手法は３つの問題全部（ＷＣＬ２１４の低い再現性、高い電圧１０６／４０６、および望ましくない波面）を解決するために提案された。N.Hashimotoの「Liquid Crystal Optical Element and Method for Manufacturing Thereof」（米国特許第7,619,713号明細書、２００９年１１月１７日）によって提案されたそれらの１つ７００を図７に示す。Naumovの手法と比較したこの設計の基本的な違いは、ＷＣＬ２１４が無いことである。実際には、Hashimotoは、高抵抗「ブリッジ」７２０を介して相互接続された、光学的に透明な複数の同心環状電極（ＣＲＳＥ）７１８の使用を提案している（略側面図を図７に示し、上面図を図８に示す）。この「抵抗ブリッジ」構造は、口径全体にわたって電圧空間プロファイルを形成する上で、ＷＣＬ（２１４）と同じ役割を果たす。この手法の利点は、所望の波面が得られるようにブリッジ７２０の個々の抵抗値（Ｒ1、Ｒ2等）を調整できることである。また、２つの小さい電圧Ｖ1２０６およびＶ2７０６が必要であり、レンズ７００を駆動するために、ＴＵＥ１０４を接地した状態で外部環状電極２０２の中心７０２および周辺に印加される。
【００１３】
Bosらの「Tunable electro‐optic liquid crystal Lenses and methods for forming the Lenses」（米国特許公開第2011/0025955号明細書、２０１１年２月３日）によって提案された別の手法８００を図９に示す。（Hashimotoによって記載された）抵抗ブリッジ７２０に加えて、個別にアドレス指定可能なＣＲＳＥ８１８が記載されている。しかし、製造問題に加えて、そのようなレンズの動的制御は複雑化する（ＬＣＤと同様）。
【００１４】
中間解決策は、Y.Katoらによって「Automatic Focusing Apparatus」（米国特許公開第2007/0268417号明細書、２００７年１１月２２日）で提案された。そこでは、中央ＤＳＥおよび周辺ＨＰＥが、対応する電圧Ｖ1およびＶ2を持つ電源に各々接続される一方、全ての中間ＣＲＳＥは、抵抗ブリッジを介してＤＳＥおよびＨＰＥに接続される。この手法もまた、製造性の問題を免れない。
【００１５】
上述した提案では、抵抗ブリッジ７２０または同心電極７１８／８１８の個別制御はどちらも制御しなければならず、したがって波面形状制御および低電圧は限られた程度に対処されるであろう。しかし、これらの手法７００／８００にも大きな欠点が存在する。それらの１つは、特に個別電極セグメント７１８／８１８の周辺における電界の急激な変動である。したがって、１つの電極セグメント７１８／８１８によってカバーされる領域では電位が均一であるが、これらのセグメント７１８／８１８の間では急激な変化が存在する。これは、電位の急激な変化の影響を最小化するために、非常に近接した電極セグメント７１８／８１８を要求する。加えて、波面の比較的平坦な領域はカメラのＭＴＦを劣化させ、したがって非常に多数のそのような電極セグメント７１８／８１８が必要になる。これは次に抵抗ブリッジ７２０の、これらのセグメント７１８／８１８の製造精度に対する要件を高めることになり、これらの構造の電圧分布の動的制御も実際には取り扱うことが難しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】国際特許公開第2009/153764号パンフレット
【特許文献２】国際特許公開第2012/079178号パンフレット
【特許文献３】米国特許第7,619,713号明細書
【特許文献４】米国特許公開第2011/0025955号明細書
【特許文献５】米国特許公開第2007/0268417号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】「Applications of Liquid Crystals to Variable‐Focusing Lenses」、S.Sato、OPTICAL REVIEW Vol.6, No.6(1999)471‐485
【非特許文献２】「Liquid‐Crystal Adaptive Lenses with Modal Control」、A.F.Naumov、OPTICS LETTERS/Vol.23、No.13/1998年7月1日
【非特許文献３】「Thin Liquid Crystal Lens with Low Driving Voltages」、B.Wang、M.Ye、M.Yamaguchi、およびS.Sato、Japanese Journal of Applied Physics 48(2009)098004
【非特許文献４】「Low‐Voltage‐Driving Liquid Crystal Lens」、M.Ye、Japanese Journal of Applied Physics 49(2010)100204、RAPID COMMUNICATION
【発明の概要】
【００１８】
上記の問題を踏まえて、低電圧を使用し、かつ優れた光学的品質をもたらす一方で、製造および制御がより容易になる、不均一電界を生成する代替的方法を開発する必要がある。
【００１９】
提案された解決策を踏まえて、異なる手法でそのような結果を得る。電気的可変液晶レンズまたは像安定化装置で使用するための空間的不均一電界の生成方法および作製方法を提案する。
【００２０】
予め定められた空間的不均一電界プロファイルの発生を可能にする空間的不均一電極構造を提案する。そこでは、初期電位を限定数の電極に供給することによって所望の形状の電界を発生させるために、異なる非接続（または浮遊）隣接電極セグメント間の容量結合が使用される。
【００２１】
容量結合電極セグメントが相互に完全に絶縁されている場合、電圧比は本質的に制御信号周波数から独立することができる。この結果、電圧の空間的変動が実質的に固定された状態で、光学装置のための電圧制御がもたらされる。そのような場合、制御動作中に液晶の配向を助けることのできる電界の供給源を提供するために、別個の均一電極を使用することが望ましいと考えられる。容量結合電極セグメントが相互に完全には絶縁されていない場合、周波数依存電圧比をもたらすＲ‐Ｃ回路が形成される。これは、装置の口径全体の電圧の空間的変動を制御するために周波数の選択を可能にすることができる。
【００２２】
一部の実施形態では、接続（給電）電極の１つは、電位ＵＴＵＥを持つ透明均一電極（例えばＩＴＯのような）であり、第２接続電極は、別の電位ＵＨＰＥを持つ円孔パターン（または環状）電極であり、残りの電極セグメントｉは接続されず（すなわち浮遊しており）、低減電位Ｕｉを有し、その値は、（同一レベルまたは別のレベルに配置された）それらの隣接電極に対するそれらの位置、および浮遊電極セグメント（電位ＵＨＰＥ、Ｕ１、２、３．．．を持つ）の二重層と電位ＵＴＵＥを持つ透明均一電極との間に配置された中間分離層に依存する。
【００２３】
中間分離層はまた、複素（実数および虚数）誘電率を持つ材料を含むこともできる。
【００２４】
空間的不均一電極構造は２つのレベルの複数の浮遊同心電極アレイを含むことができ、２つのレベルは、誘電率の実部および虚部を有する材料層によって分離され、かつ異なる浮遊電極ゾーン（上位レベルのゾーンｍおよび最下位レベルのゾーンｍ＋１）間で電位Ｕｕｐ，ｍおよびＵｄｏｗｎ，ｍ＋１の予め定められた度合いの電気的結合を可能にする。
【００２５】
複数の浮遊同心電極アレイは、透明均一電極（電位Ｕ１）と可変電位Ｕｖを持つ別の透明均一電極との間に配置することができ、浮遊電極セグメントの二重層と２つの透明均一電極との間に誘電体（隔離）層が配置される。
【００２６】
一部の実施形態では、液晶レンズまたは光学装置は、好ましくは平面状のセル壁と、セル壁の少なくとも片方および好ましくは両方におけるアライメントコーティングと、セル壁と接触する液晶材料と、を有する液晶セル、および少なくとも１つの絶縁層によって分離された複数の容量結合電極セグメントと、対向電極と、を有する電極構造を備え、液晶セル内で電極セグメントと対向電極との間に電界を提供することができ、複数のセグメントの第１セグメントに印加された電圧は、前記複数のセグメントの後続容量結合セグメントに低減電圧を誘起することができ、前記セグメントの配列は、液晶セルの口径全体の所望の電界空間プロファイルに対応する。電極セグメントと実質的絶縁層によってもたらされるスペーシングとの間の重なり量は、電極セグメントの接続された１つ以上から電極セグメントの接続されていない１つ以上に電圧をいかに提供することができるかを、容量結合を介して規定する。このようにして、電圧の空間プロファイルを提供することができる。電極構造は、動作電圧を低減するためにセル壁の内側に設けることができる。対向電極は均一電極として、または複数の容量結合電極セグメントとしても構成することができる。
【００２７】
提案する解決策の１つの態様では、好ましくは平面状のセル壁と、好ましくはセル壁におけるアライメントコーティングと、セル壁と接触する液晶材料と、を有する液晶セル、および少なくとも１つの絶縁層によって分離された複数の容量結合電極セグメントと、対向電極と、を有する電極構造を備えた液晶レンズまたは光学装置であって、液晶セル内で電極セグメントと対向電極との間に電界を提供することができ、複数のセグメントの第１セグメントに印加された電圧が、前記複数のセグメントの後続容量結合セグメントに低減電圧を誘起することができ、前記セグメントの配列が液晶セルの口径全体の所望の電界空間プロファイルに対応する、液晶レンズまたは光学装置を提供する。
【００２８】
提案する解決策の別の態様では、平面状の略平行な液晶セル壁の間の１対の液晶層であって、各液晶層が前記セル壁上の対応する１対のアライメント層の間に挟持され、各々の前記１対のアライメント層が、対応する液晶層内の予め定められた液晶分子配向を選択して、対応するダイレクタの配向を規定し、前記ダイレクタが前記液晶光学装置の偏光無依存動作をもたらすために相互に略直交して成る１対の液晶層、および各液晶セルに対し、前記液晶層間にあって各々が口径を画定する円孔パターン電極と、各口径内の複数の第１電気的浮遊容量結合電極セグメントと、対応する液晶層をまたぐ対向電極と、前記円孔パターン電極の間にあって前記容量結合をもたらす少なくとも１つの電界制御構造とを含む電極構造を備えた偏光無依存型液晶光学装置であって、
液晶セル内で電極セグメントと対向電極との間に電界を提供することができ、前記円孔パターン電極に印加された電圧が前記複数のセグメントの後続容量結合セグメントに低減電圧を誘起し、前記セグメントの配列が、液晶セルの口径全体の所望の電界空間プロファイルに対応する、偏光無依存型液晶光学装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
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、いっそうよく理解されるであろう。図中、同様の符号は同様の特徴を表す。
【図１】図１Ａは、「充分遠く」の距離に位置し、１つの可変電圧Ｖ1により駆動される透明均一電極と組み合わせて（ＬＣセルに対して）「外部」の円孔パターン電極を使用する、先行技術の液晶レンズ（偏光依存性を持つ「半」レンズ）の略図であり、図１Ｂは、図１Ａに記載したレンズのジオメトリによって得られる（点ＡＣと点Ｂとの間の）空間的に不均一な電界電位のプロファイルの先行技術の略図である。
【図２】１つの可変電圧Ｖ1および周波数Ｆにより駆動される透明均一電極と組み合わせて、ＬＣセル円孔パターン電極に対して内部を被覆した高抵抗または弱導電層を使用する、先行技術の液晶レンズ（偏光依存性を持つ「半」レンズ）の略図である。
【図３】２つの弱導電層を用いた図２に記載の２つの９０°回転したＬＣレンズにより偏光依存性を持たない液晶レンズ（「全」レンズ）の略図である。
【図４】１つだけの弱導電層を使用することにより偏光依存性を持たない代替的液晶レンズ（「全」レンズ）の略図である。
【図５】図５Ａは、レンズを制御するために追加の円板状電極および２つの可変電圧Ｖ1およびＶ2を使用することによる、代替的液晶レンズ（偏光依存性を持つ：「半」レンズ）の先行技術の略図であり、図５Ｂは、円孔パターン電極だけが起動されたとき（実線曲線）および円板状電極も同様に起動されたとき（Ｖ1＝Ｖ2）（実線および破線の水平線）の電位プロファイルの先行技術の略図である。
【図６】１つの共通浮遊導電層を使用して光波面を補正する、偏光無依存型ＬＣＬ全レンズの略図である。
【図７】複数の透明同心環状電極を使用し、その一部が抵抗ブリッジによって結合され、他が電源に接続された、先行技術の偏光依存型ＬＣＬ半レンズの略図である。
【図８】図７の先行技術のレンズの平面図である。
【図９】電源に接続され個別に制御される複数の透明同心環状電極を使用する、偏光依存型ＬＣＬ（「半」レンズ）の略図である。
【図１０】提案する解決法に係る容量結合の略図である。
【図１１】容量結合実験の略図である。
【図１２】提案する解決策に係る図１１に提示した容量結合に関する実験データと理論的データの比較を示すグラフである。
【図１３Ａ】（外部環状電極および底部均一電極を除いて）浮遊しかつ容量効果を介して電気的に結合される２つのレベルの複数の透明同心環状電極を使用する、提案する解決策に係る偏光依存型ＬＣＬ「半」レンズの略図である。
【図１３Ｂ】（外部環状電極を除いて）浮遊している２つのレベルの複数の透明同心環状電極を担持する頂部基板（図１３Ａで使用される）の略図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｂの頂部環状構造の上面図を示す略図である。
【図１３Ｄ】図１３Ｂの底部環状構造の上面図を示す略図である。
【図１３Ｅ】図１３Ａに示した「半」レンズ構造を使用することによって実験的に得られた有効光パワー（ディオプタ単位）を示すグラフである。
【図１３Ｆ】図１３Ａに示した「半」レンズ構造を使用することによって実験的に得られたＲＭＳ収差（μｍ単位）を示すグラフである。
【図１４Ａ】図１３Ａに記載した容量結合の概念を使用した偏光無依存型全ＬＣＬのジオメトリを示す図であり、２つの半レンズは別々に作製され、次いでそれらの分子軸を９０°回転して（直交面内に）互いに取り付けられる。
【図１４Ｂ】図１３Ａに記載した容量結合の概念を使用した偏光無依存型全ＬＣＬの別のジオメトリを示す図であり、直交面に（９０°回転した）分子配向を有する２つのＬＣ層に沿って、１つだけの共通中間基板が使用される。
【図１５Ａ】２つのレベルの複数の浮遊する透明同心環状電極に加えて、電気的に接続された透明均一電極をも使用する、（図１３Ａに示した容量結合レンズに使用することのできる）別の種類の頂部基板の略図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａに提示した追加の透明均一電極の制御電圧に対する光パワー値（ディオプタ単位）の確認を示すグラフであり、図１３Ａの「半」レンズ構造は図１５Ａに記載した追加の透明導電性電極と共に使用される。
【図１５Ｃ】様々な光パワー値に対する波形（対半径／横座標）の確認を示すグラフであり、図１３Ａの「半」レンズ構造は図１５Ａに記載した追加の透明導電性電極と共に使用される。
【図１５Ｄ】図１５Ａに提示した追加の透明均一電極の制御電圧に対する実験的に得られた光パワー値およびＲＭＳ収差値を示すグラフであり、図１３Ａの「半」レンズ構造は図１５Ａに記載した追加の透明導電性電極と共に使用される。
【図１６Ａ】図１３Ａに記載した容量結合を図１５Ａに記載した変形頂部基板と共に使用する、偏光無依存型全ＬＣＬのジオメトリを示す図であり、２つの半レンズは別々に作製され、次いでそれらの分子軸を９０°回転して（直交面内に）互いに取り付けられる。
【図１６Ｂ】図１３Ａに記載した容量結合および図１５Ａに記載した変形頂部基板を使用することによる、偏光無依存型（「全」）ＬＣＬの別のジオメトリを示す図であり、直交面に（９０°回転した）分子配向を有する２つのＬＣ層に沿って、１つだけの共通中間基板が使用される。
【図１７Ａ】提案する解決策に従って、第２レベルの同心環の代わりに（異なる方向に配向された）離散ブリッジを使用することによって、隣接同心環状電極間の容量結合を使用する別のジオメトリを示す図である。
【図１７Ｂ】第２レベルの同心環の代わりに（略同一方向に配向された）離散ブリッジを使用することによって、隣接同心環状電極間の容量結合を使用する別のジオメトリを示す図である。
【図１７Ｃ】離散容量性ブリッジを使用する代わりに単一（１軸を持つ）「バタフライ」接続電極を使用することによって、隣接同心環状電極間の容量結合を使用する別のジオメトリを示す図である。
【図１７Ｄ】浮遊環状電極（レベル１）および電極Ｖ1を印加したバタフライ容量性電極（レベル２）の組合せを示す図である。
【図１７Ｅ】離散容量性ブリッジの代わりに二重（２軸を持つ）「マルタ十字」接続電極を使用することによって、隣接同心環状電極間の容量結合を使用する別のジオメトリを示す図である。
【図１７Ｆ】バタフライ電極に追加してかつ相補的にレンズの半径（横）方向全体の電界のプロファイルを制御するために使用することのできる、第３の接続電極（レベル３にあり、電圧Ｖ2を印加される）を追加する方法を示す図である。
【図１８Ａ】第２レベルの同心環の代わりに高誘電率の層を使用する隣接同心環状電極間の容量結合を使用する別のジオメトリを示す図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａに記載した半レンズを使用することによる、様々な光パワー値に対する波面対半径（横）座標の確認を示すグラフである。
【図１８Ｃ】
【図１８Ｄ】
【図１９Ａ】チルト、像安定化、および追加的収差補正機能を実行するための外部接続電極のセグメント化を概略的に示す。
【図１９Ｂ】チルト、像安定化、および追加的収差補正機能を実行するための頂部の浮遊非接続同心電極構造のセグメント化を概略的に示す。
【図１９Ｃ】チルト、像安定化、および追加的収差補正機能を実行するための底部の浮遊非接続同心電極構造のセグメント化を概略的に示す。
【図２０Ａ】提案する解決策の別の実施形態に係るバイポーラ液晶レンズのジオメトリの上面図を概略的に示す。
【図２０Ｂ】提案する解決策の別の実施形態に係るバイポーラ液晶レンズのジオメトリを概略的に示す断面図である。
【図２１】提案する解決策の別の実施形態に係る別のバイポーラ液晶レンズのジオメトリを概略的に示す図である。
【図２２】提案する解決策に係る口径全体の光パワーの変動性を示す概略グラフである。
【図２３Ａ】先行技術の液晶プリズム光学装置のジオメトリを示す略図である。
【図２３Ｂ】図２３Ａの先行技術の液晶プリズムの口径全体の電位分布の概略グラフである。
【図２４Ａ】先行技術の屈折率勾配誘起ビームステアリングを示す略図である。
【図２４Ｂ】先行技術の屈折率勾配誘起ビームステアリングを示す略図である。
【図２５】ビームステアリング光学装置の所要電圧を低減する先行技術の試みを示す図である。
【図２６】提案する解決策に係るビームステアリング装置のジオメトリを示す略図である。
【図２７】提案する解決策に従って可変口径を有するシリンドリカルレンズを示す略図である。
【図２８】提案する解決策に係る、より大きい口径を有する図２６に示したビームステアリング装置のジオメトリの変形例を示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
＜容量結合光学装置の構造および動作＞
上記の問題は、容量結合に基づいて異なる手法によって対処することができる。図１０は、２つの電極の電位の結合が可能になるように充分に近接して配置された２つの電極９０１／９０２を使用するそのような結合の動作の原理を概略的に示す。電極９０１／９０２間の静電容量Ｃは（単なる例として）
Ｃ＝εrε0Ａ／ｄ
であり、ここでＡは２つのプレートの重なりの面積であり、εrはプレート間の分離材料（「中間材料」とも呼ばれる）の相対的静的誘電率（しばしば誘電率と呼ばれる）であり、ε0は真空の誘電率であり、ｄはプレート間の分離距離である。
【００３１】
提案する解決策は、接続された電極９０１から別の浮遊電極９０２への電位の結合または転送に基づく。そのような電位の転送の実験による確認は、接地電極から同一距離ｄ＝１００μｍに配置され、かつ厚さ０．５μｍの誘電性ＳｉＯ2により分離された異なる「重なり」を持つ２つの電極領域を使用することによってもたらされる（図１１参照）。頂部接続電極９０１に同じ電圧Ｖ1を印加すると浮遊電極９０２に電圧Ｖiが誘起され、Ｖiの値は、図１２に（理論的にも実験的にも）実証するように、重なり領域Ａに依存する。
【００３２】
容量結合に基づいて、提案する解決策の第１実施形態に係る、新しいＬＣＬジオメトリ１０００を図１３Ａに示す。ここで、電界の空間整形は、（「中間材料」層１００７の両側に１つずつ、異なるレベルに位置する）２つの隣接する同心環状構造１００２／１００３間の制御可能な結合度によって達成される。すなわち、駆動信号コントローラによって指示される単一の駆動電圧１００６が、（底部基板１０５の頂面上の）ＴＵＥ１０４と、頂部基板１０１の底面に位置する外部環状構造２０２（これはＨＰＥ２０２とみなすことができる）との間に印加される。便宜上、この電極のレベルを以下「レベル２」と呼び、ＬＣ層に近い方のレベルにある電極を「レベル１」と呼ぶ。図１３Ａに記載したＬＣＬは、光の１回の偏光のみに注目しており、したがって図示するジオメトリ１０００を本書では「半」レンズと呼ぶことに留意されたい。
【００３３】
電位はＨＰＥ２０２から、中間層１００７の反対側の面にある最も近い環状電極（ＲＳＥ）１００３に結合される。レベル１およびレベル２の電極セグメント２０２／１００２／１００３間のこの漸進的（段階的）結合は、中間材料層１００７の厚さおよび複素誘電率、図１３Ｂ、図１３Ｃ、および図１３Ｄに示すように異なる半径を有する頂部（レベル２）１００２および底部（レベル１）１００３の環状電極の幅ｗおよび間隙ｇの値のような、ＬＣＬ１０００の設計パラメータによって制御されかつ設計される。
【００３４】
図１３Ｂの実施形態における重なりは、各電極セグメントの全体にわたって延びる均一な重なりである。しかし、結合をもたらす重なりは、ＲＳＥの一部分に対して設けることができることは理解されるであろう。例えば、１つのＲＳＥ１００２／１００３から別のＲＳＥに延びる半径方向（横方向）突出タブが存在するかもしれない。
【００３５】
そのような手法の利点は多い。その１つは、電極２０２／１００２／１００３の無いゾーンがここには存在しないことである。ＴＵＥ１０４に対向する電極セグメントが（レベル１またはレベル２のいずれかに）常に存在する。したがって、従前のセグメント化７１８／８１８による解決策と比較して、電位の変化がずっと穏やかである。さらに、そのようなレンズ１０００を制御するために１つだけの電圧２０６が要求される。また、ＩＴＯ電極を使用する周知の技術を使用して、環状構造１００２／１００３を光学的に隠蔽し、記載した構造１０００の光透過性を高めることもできることに留意されたい。
【００３６】
提案する解決策の作動の実験による確認は、唯一の駆動電圧に対する有効光パワー（ＣＯＰ＝電気的に達成可能な最大光パワーと無電圧時の光パワーとの間の差）の依存性（図１３Ｅ）のみならず、駆動電圧に対するＲＭＳ収差の依存性（図１３Ｆ）の形でも提示される。提案する１つの実施形態では、（１０Ｖを超える）比較的高い電圧の使用を回避するために、０ボルト（ＬＣ再配向閾値より低い）または高電圧（＞１０Ｖ）のいずれかを使用することを強制されることなく、負の残留（電気的に制御不能な）光パワーを持つＬＣＬを使用して、ゼロ光パワー（遠視野物体の撮像）を達成することができることに留意されたい。
【００３７】
提案する解決策の別の実施形態では、中間材料層１００７は無視できない大きさの複素誘電率を有することもでき（超弱導電層、Ｖ‐ＷＣＬ）、それは空間における電位の整形プロセスに周波数依存性を導入し得ることに留意されたい。この場合、電圧を固定（またはその要求変動率を低減）し、かつ駆動信号の周波数を変更して電界の空間形状を変化させ、こうしてＬＣＬ１００の光パワーを動的に制御することができるので、（負の残留光パワーを使用することなく）低電圧１００６を使用することができる。Ｖ‐ＷＣＬがそのような周波数制御を可能にするために（例えば周波数変動率が１００ｋＨｚの範囲内の場合）要求される典型的なシート抵抗は、〜１０5ΜΩ／□の範囲とすることができる。次いで、浮遊環の間の最大結合効果が得られる周波数は、略均一の（ＬＣＬ１０００の周辺から中心への）電界を発生し、それはＬＣ層２１２の全分子をセル１０００の基板１０１／１０５に対して垂直に整列させ、ゼロ光パワーをもたらす。次いで、低減された結合効果に対応する周波数は、レンズ状電界および、対応する、より高い光パワーの発生を可能にする。
【００３８】
また、外部電極（ＨＰＥ）２０２への接続は、二重環状構造１００２／１００３の下部レベルにおいても、必ずしも頂部基板１０１と中間層１００７との間の環状構造１００２に対してではなく、中間材料１０７とＬＣ２１２（またはそのアライメント層等）との間の環状構造１００３に対して行うことができることに留意されたい（図１３Ｂの側面図）。
【００３９】
提案する解決策の別の実施形態では、図１３Ａに示す２つの半レンズ１０００は（例えば接着剤を使用することによって）、分子配向軸を約９０°回転して組み立てることができる（図１４Ａ）。これは、２つの交差配向直線偏光光成分の組合せとして表すことのできる非偏光光に対し、同様の集束特性を可能にする。各直線偏光は、偏光無依存動作の「全」レンズをもたらす半レンズ１０００の１つによって集束される。
【００４０】
代替的に、単一の中間基板１０１は、容量結合される同心環状配列１００２間に挟持して使用することができる（図１４Ｂ）。次いで、２つの交差配向ＬＣ層２１２の各々は、単一の共通中間基板１０１の両側に製造することができる。この場合、低減された数のリソグラフィ工程およびアライメントプロセスを使用することができ、製造コストが著しく低減される。加えて、ＬＣＬ全体の厚さを低減することができる。
【００４１】
提案する解決策の別の実施形態では、図１５Ａに示すように、追加のＴＵＥ１０１１が使用され、便宜上、電極「レベル３」と呼ぶ。この場合、電界の空間プロファイルの制御を向上するために、追加電圧１００６（Ｖ2）も使用される。同心環状電極１００２／１００３の容量結合二重層（外部環２０２までのみ）の前述の構造と底部ＴＵＥ１０４（ここでは図示せず）との間の電圧２０６（Ｖ1）の印加は、空間的に不均一なレンズ状電界、屈折率変調、および対応する所望の高光パワーをもたらす。さらに、レンズのプロファイルを制御するために、かつ特に、（Ｖ1＝０の状態になることなく）光パワーをゼロに向かって低減するために、電圧１００６（Ｖ2）は追加のＴＵＥ１０１１に印加される。極端な場合、（１００６）Ｖ2のこの電極によって発生する電界が、環状構造２０２に印加される電圧（２０６）Ｖ1によって発生する電界より強ければ、口径（１１０）におけるＬＣ分子（１０８）はセル１０００の壁の表面に対し略垂直に整列し、こうしてゼロ光パワーがもたらされる。
【００４２】
この最後の実施形態の性能はシミュレーションにより確認される。対応するシミュレーションパラメータは次の通りである。ＬＣ厚さＬ＝４０μｍ、誘電性ガラス基板の厚さ＝５０μｍ（追加電極と環状電極の結合二重構造との間）、Ｗ1＝１７０μｍ、ｇ1＝３０μｍ、Ｗ2＝ｇ2＝１００μｍ、誘電性中間材料の厚さ＝１μｍ、誘電率＝８、ＨＰＥの電極２０２の電圧＝５Ｖ、および少なくとも追加の均一電極１０１１の電圧Ｖ2は可変である。光パワーおよび波面について得られた結果はそれぞれ図１５Ｂおよび図１５Ｃに提示する。（追加ＴＵＥに印加された）電圧Ｖ2に対する有効光パワー（ディオプタ）およびＲＭＳ収差（μｍ）の依存性についての対応する実験結果は、図１５Ｄに提示する。
【００４３】
提案する解決策の別の実施形態では、偏光無依存型ＬＣＬ１１００は、上述の半レンズ１０００を２つ含むことができ、それらの分子配列の９０°の（交差）配向を得るために回転し、図１６Ａに示すように一体に接着する。
【００４４】
代替的に、図１６Ｂに示すように、第１中間層１００７（隔離または絶縁のため）によって、かつ浮遊環状構造１００２／１００３の容量結合二重層によって、追加のＴＵＥ１０１１の間に挟持された、単一（または共通）の中間基板１００１を使用することができる。これは、軽減された数のリソグラフィおよび配置作業を使用し、製造コストを低減する。
【００４５】
提案する解決策の別の実施形態では、容量結合を達成するために他の形の浮遊電極が使用される。すなわち、上述した二重環状構造１００２／１００３は１層だけの浮遊同心環状電極１００２（レベル１）に置き換えることができる一方、容量結合は、レベル２に配置された非同心（例えば矩形の）容量性ブリッジ１２０３を用いることによって達成することができる（図１７Ａ参照）。この場合、中間材料１００７は、１つのレベルの環状層１００２と透明な（例えば矩形の）容量性ブリッジ透明電極１２０３との間に使用される（図１７Ａ参照）。容量性ブリッジ１２０３の配置分布は、略等角分布（図１７Ａ）または準直線状配列（図１７Ｂ）を含め、様々な配置にすることができる。（同心環状電極１００２に対する）矩形電極１２０３の所与の（水平）方向の相対的シフトは、同心環１００２の片側からの結合重なり領域を軽減するため、製造工程が簡素化されうるが、同じシフトは反対方向の重なり領域を増大する。重なり領域全体は略同一のままである。各環（１００２）は導電性とみなされるので、全体的電位分布はその環（１００２）では変わらない。
【００４６】
図１７Ｃは、離散容量性ブリッジ１２０３を使用する代わりに、単一の（１軸）「バタフライ」形接続（電圧Ｖ1）電極構造１３０３（レベル２に配置）を使用することによって、隣接する同心環状電極１００２（レベル１）間に漸進的容量結合が達成される別の実施形態を概略的に示す。この手法は製造要件を著しく低減させる。
【００４７】
図１７Ｄは、容量結合を確実にするために、浮遊環状電極１００２（レベル１）と電圧Ｖ1が印加される（レベル２）「バタフライ」接続電極１３０３との組合せを概略的に示す。
【００４８】
図１７Ｅは、離散容量性ブリッジ１２０３を使用する代わりに、交差（２軸）または（電圧Ｖ1と）「マルタ十字」接続された電極構造１４０３（レベル２に配置）を使用することによって、隣接する同心環状電極１００２（レベル１）間の容量結合が達成される、別の実施形態を概略的に示す。
【００４９】
図１７Ｆは、バタフライ電極１４０３に加えて、かつレンズの半径（横）方向の電界プロファイルを制御するように相補的に、使用することのできる第３接続電極１５０３（レベル３にあり、電圧Ｖ2が印加される）の追加を示す。この方法により、電圧Ｖ1および
Ｖ2は、レンズ表面に均一電界プロファイルおよびしたがってゼロＯＰが得られるように選択することができる。
【００５０】
提案する解決策のさらに別の実施形態では、浮遊環状電極層１００３の１つに代わって、高誘電率材料１６０４を使用する。図１８Ａに示す通り、電界制御層１００９は、高い誘電率を有する材料層１６０４によって被覆された、１層の複数の浮遊同心環状電極１００２だけで構成される。この場合、シミュレーションによって示される通り（図１８Ｂ）、隣接する浮遊環状電極１００２間の電位の予め定められた結合は、様々な光パワーレベルに対し所望の波面が発生するように、環の数、それらの相対距離（ｇ）、幅（ｗ）、および厚さ、ならびに高誘電率層１６０４の誘電率を選択することによって達成することができる（図１８Ｂ）。
【００５１】
提案する解決策の別の実施形態では、追加的収差補正、チルト、または光学像安定化のような種々の用途向けに非中心対称、非対称、非球面、傾斜形等の波面を発生するために、接続電極２０２（図１９Ａ）および浮遊電極構造１００２／１００３（図１９Ｂおよび図１９Ｃ）の追加の周方向セグメント化を提案する。４つのサブセグメントが示されているが、本発明はそれに限定されず、光学的像安定化および収差制御を達成するために６つ、８つ、またはそれ以上のサブセグメントを使用することができる。適切な光学像安定化コントローラは、ＬＣレンズを通過する光学場の像特性に応答し、各サブセグメント用の対応する信号ドライバに命令を出す。さらなる説明は、２００９年１２月２３日出願の米国特許仮出願第61/289,995号明細書の優先権を主張する、米国特許出願公開第2012/0257131号明細書に提供されており、その内容全体を参照によって本書に援用する。
【００５２】
提案する解決策の別の実施形態では、レンズ効果、２Ｄ／３Ｄ変換テレビジョン等のための「シリンドリカル」レンズ型の単一または配列装置を生成するために、（同心環状構造の代わりに）接続電極２０２および浮遊電極構造１００２／１００３の平行配向を提案する。
【００５３】
提案する解決策のさらに別の実施形態では、２層の浮遊し容量結合する複数の同心環状電極１００２／１００３を作製するために、後続リソグラフィ工程の使用を提案する。使用する製造方法（単一中間ガラス１００１または分離ガラス１０１）に応じて、このリソグラフィ工程は、ガラス基板の片面または両面に適用することができる。対応する製造工程の非制限実施例は、屈折率が整合した均一ＩＴＯを担持する基板（ガラス、ポリマ、セラミック等）を使用することによって開始することができ、それは次いでエッチング（ウェットもしくはドライ）またはレーザアブレーションあるいは他の方法でパターニングされ、次いで特定厚さ（例えば数百ナノメートル）および特定誘電率の中間材料層によって被覆される。次いで別の透明導電性電極層がパターン化形状に堆積されるか、あるいは均等に堆積されてからパターニングされる。
【００５４】
＜バイポーラ容量結合レンズ＞
発明を制限することなく、上述した実施形態では、光パワーの変動性は単極性、すなわち負の光パワーまたは正の光パワーのいずれかである。
提案する解決策の別の実施形態では、容量結合ＬＣレンズ１７００の光パワー調整範囲は、頂部均一制御電極（ＵＣＥ）１０１１を使用してそれを円孔パターン電極（ＨＰＥ２）１７３２および制御円板状電極（ＣＤＥ）１７３４に分割することによって、略二倍にすることができ、それらは、図２０Ａおよび図２０Ｂに概略的に示すように同一基板面上に存在するか、または図２１に概略的に示すように異なる基板面上のＨＰＥ２  １７３２およびＵＣＥ１７３６とすることができる。
【００５５】
これらのジオメトリは、図２２に概略的に示すように、ＬＣレンズ１７００の負の光パワーから正の光パワーへ、およびその逆のバイポーラ機能性をもたらす。ＨＰＥ２  １７３２の直径は、図１３Ａおよび図１５Ａに示したＨＰＥ１  ２０２の直径より小さい。駆動方法は以下を含む。
正のＯＰ調整の場合、Ｖ＿ＣＤＥ＝Ｖ＿ＨＰＥ２はＶ＿ＨＰＥ１より小さい。
負のＯＰ調整の場合、Ｖ＿ＣＤＥはＶ＿ＨＰＥ１より大きく、かつＶ＿ＨＰＥ２は浮遊しているか、あるいはバイアス電圧Ｖ＿ＨＰＥ１≦Ｖ＿ＨＰＥ２≦Ｖ＿ＣＤＥのいずれかである。
＜シリンドリカルレンズ、ビーム整形、ビームステアリング、およびビーム制御光学装置＞
多くの現代の装置は、機械的な運動無しに動的な光ステアリングの能力を持つことができれば、大きな恩恵を受けることになるであろう。例として、撮像、３Ｄ投影、ＬＥＤ照明、太陽集光器等が挙げられる。液晶装置はそのようなビーム制御の適正な候補として示されてきた。
【００５６】
ビーム制御を達成しようとする先行技術の試みは、屈折または回折原理に基づく液晶プリズムを含む。そのようなステアリングのための基本的要素の例を図２３Ａに提示する。図２４Ａは、接地状態（非励起状態）の口径における均一液晶分子ダイレクタの配向分布を示す。液晶分子（楕円１０８）が均一に整列した状態で、左（Ｌ）および右（Ｒ）の光線は同様の位相遅延を受けかつ、ステアリング効果は存在しない。図２３Ａに示したジオメトリに電位差Ｖ1＜Ｖ2が印加されると、図２３Ｂに示すように、口径（１１０）の液晶分子は電位降下を経験する。図２４Ｂは対応する液晶分子アライメント勾配を示す。この場合、左側の光線は右側の光線より大きい遅延を受ける。液晶が正の誘電率異方性を有し、かつ光の偏光が図面の面内で行われる場合、この差動位相遅延は入射ビームを（プリズムのように）傾斜させる。
【００５７】
傾斜度合いは、次の簡素化された式（電気的に可変の屈折率傾斜限界）を用いることによって推定することができる。
θ（度）≒（１８０／Π）Δｎ  ｄ／ＣＡ
ここで、Δｎはプリズムの左（Ｌ）および右（Ｒ）の角部の間の屈折率の差である。
【００５８】
電極Ｖ1およびＶ2を液晶層１１２および底部均一ＩＴＯ電極から充分遠くに離して配置することによって（頂部基板の厚さＨを参照されたい）、ステアリング操作を実行するための許容（平滑）勾配を得ることができる。頂部の２つの電極（１０２Ａおよび１０２Ｂ）間の距離は有効口径を画定し、頂部電極（１０２Ａおよび１０２Ｂ）と底部電極（１０４）との間の距離は電界のプロファイルを画定する。このジオメトリについては２つの問題を指摘することができる。すなわち、電極の遠い位置は所要電圧を増大し、電極１０２Ａおよび１０２Ｂの位置は固定された有効口径を画定する。
【００５９】
ＬＣＬについて図２Ａに示した先行技術の解決策と同様に、ビームステアリング制御ジオメトリの電極１０２Ａおよび１０２Ｂが図２５に示すように液晶セルに持ち込まれた場合（底部均一電極の近くに）、所要電圧は大幅に低減することができる。しかし、電位の突然の空間的変化および電界の変動を回避するために、電極１０２Ａおよび１０２Ｂの上に弱導電層（ＷＣＬ）２１４を堆積しなければならない。しかし、要求されるシート抵抗は通常材料のパーコレーションゾーン内にあり、かつパラメータの製造上のばらつきはシート抵抗を著しく変化させるので、そのようなＷＣＬ２１４（典型的には半導体）は、高い再現性で製造することが難しい。その結果、歩留りは低下し、コストは増大する。
【００６０】
代替的手法は、図７および図８のＬＣＬ７００に示すジオメトリの線に沿って提案され、中心対称電極の代わりに直線電極が使用され、複数の直線電極は精密に設計された抵抗性ブリッジ７２０によって相互に関連付けられる。加えて、中間電極の一部は能動的に制御することができる。しかし、そのような構造の製造もまた非常に難しい。
【００６１】
提案する解決策では、直線電極構造間の容量結合の使用を提示する。２つの直線電極構造は、図２６の断面図に示すように隔離層または絶縁層によって分離された、２つの異なるレベルに堆積され、エッチングされる。簡潔を期すため、断面図に示した各電極セグメントが断面に対し垂直方向に直線状に延びていること、および図１３ＡのＨＰＥ電極２０２が、電圧Ｖ1およびＶ2をそれぞれ印加される２つの電極２０２Ａおよび２０２Ｂに置換されることを除いては、図２６に示す断面図は、図１３Ａと視覚的かつ動作的に類似性を有することを指摘する。図１３Ａに関して記載した動作の原理が適応され、ジオメトリの相違のため、電位の漸進的降下が液晶分子によって経験される。間違いなくＬＣＬ光学装置のために提案された層のジオメトリは、シリンドリカルレンズ、ビームステアリング装置、ビーム制御装置、ビーム整形装置等に準用され、ここで対象は図１０、１１、１２、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ（シリンドリカルレンズの光パワーに関する）、１３Ｄ（シリンドリカルレンズの光パワーに関する）、１３Ｅ（シリンドリカルレンズの光パワーに関する）、１３Ｆ（シリンドリカルレンズの光パワーに関する）、１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂ（シリンドリカルレンズの光パワーに関する）、１５Ｃ（シリンドリカルレンズの光パワーに関する）、１５Ｄ（シリンドリカルレンズの光パワーに関する）、１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ（シリンドリカルレンズの光パワーに関する）、２０Ｂ、２１、および２２（シリンドリカルレンズの光パワーに関する）の断面図に示される。
【００６２】
ビームステアリング装置、特に電位を「課せられた」左端２０２Ａおよび右端２０２Ｂの電極を振り返ると、電位の降下はそれらの間に分散される。提案する解決策の別の実施形態では、有効口径１８１０の中間電極を（浮遊しながら容量結合する代わりに）能動的に制御することによって、可変有効口径１８１０を提供することができる。すなわち、使用する所与のジオメトリおよび材料に対し、図２７に示す電極２０２Ａおよび２０２Ｂ間の有効口径１８１０であって、そこで電位が減衰する有効口径１８１０は、サイド電極２０２Ａまたは２０２Ｂの一方から始まり、そのサイド電極と同一電位で起動される、一連の直線電極を選択することによって選択される。図２７に関連して、電極２０２Ａおよび２０２Ｂだけが駆動されると、有効口径１８１０は電極２０２Ａおよび２０２Ｂの間に延在する。電極２０２Ａおよび電極ｙが同一電位Ｖ１で駆動される一方、電極２０２Ｂが電位Ｖ２で駆動されると、有効口径１８１０Ｙは電極ｙと電極２０２Ｂとの間に延在する。電極２０２Ａ、ｙ、およびｘがＶ１で駆動される一方、電極２０２ＢがＶ２で駆動されると、有効口径１８１０Ｘは電極ｘおよび２０２Ｂの間に延在する。代替的に、有効口径は装置の作製後に選択することができ、最も重要なこととして、ＬＣ材料の利用可能な光学的異方性は所望の有効口径１８１０全体に拡散する（かつ適切に使用する）ことができる。
【００６３】
２つの動作パラメータは互いに相反して作用する。入射光スループットを高めるには、より大きい有効口径１８１０が望ましいが、同一の層厚さの場合、図２６に示す電極２０２Ａおよび２０２Ｂ間の距離は大きい方が、電極２０２Ａおよび２０２Ｂ間の漸進的電界降下が大きくなり、したがって上記の式に従って、最大ステアリング角度が小さくなる。ステアリング角度の増大は、より近接した電極２０２Ａおよび２０２Ｂの間で可能であるが、代償として光スループットは低下する。提案する解決策では、図２８は、一斉に動作して増大したビームステアリング角度で大きい有効口径１９１０を提供する、複数のＬＣ領域１９１２から構成されるビームステアリング装置１９００を示す。特に、サイド直線電極２０２Ａおよび２０２Ｂとは別に、口径１９１０全体にわたる追加の直線電極が、図２８に示すパターンで同一電圧Ｖ1およびＶ2により駆動される。駆動直線電極の間に複数の容量結合直線電極が使用される。各ＬＣ領域１９１２の駆動直線電極間の、より近接した間隔は、ビーム偏角の増大をもたらす。駆動電極もまた、ＬＣ領域１９１２間に急激な電圧差を生じることが認識されている。これらの間隙領域における光の分散を緩和するために、任意の壁１９６０を使用することができる。壁１９６０は透明または吸光性とすることができるが、本発明はそれらに限定されない。
【００６４】
上記の実施形態は、液晶が電界と整列する構成について本質的に記載したが、ある範囲の周波数で液晶を電界と整列させ、かつ別の範囲の周波数で液晶を電界と直交するように液晶を整列させる二周波液晶配列は公知である。場合によっては、接地に近い状態で液晶の配向を元に戻すために特定の周波数を使用することによって、より高速の動作が達成される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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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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【図１７Ｆ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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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２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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