CN107533251B - 可变液晶光学装置 - Google Patents

Abstract

用于控制光的传播的可变液晶光学器件具有耦合到基板和电极结构的一个或多个透明薄膜高电阻层(HRL)。HRL具有芯层和覆盖层或邻近层，其中芯层材料具有比覆盖层材料更高的导电性和更高的折射率；并且其中所述芯层和覆盖层材料具有基本相同的氧化物形成自由能。以这种方式，电极结构将具有环境稳定性并且响应于施加的电流以产生空间上不均匀的磁场。

Description

可变液晶光学装置

本申请要求的优先权是2014年5月5日提交的美国临时专利申请61/988,662。

技术领域

本申请涉及液晶光学装置。

背景技术

在2009年12月23日公开并同样是由本申请人提出的国际PCT专利申请公开文本WO2009/153764中，描述了具有使用与电极和单元几何结构相结合的弱导电或高电阻材料的可变液晶光学器件，例如透镜，其具有液晶控制电场电极，其允许使用控制信号的频率来调谐装置的光学性质。例如，可以在液晶单元的一侧使用环形电极，而可以在液晶单元的相对侧使用平面电极。可以在环形电极附近提供一层高电阻材料或高电阻层(HRL)。

在不存在HRL的情况下，由于几何形状的原因，电场将集中在透镜光通孔的周围，例如，透镜光通孔可以为约3mm，单元厚度为约50微米。由于电极之间的间隔比直径小约60倍，因此可以理解，电场不能扩展以控制透镜的中心部分。此外，电场线不平行于这种透镜的光轴，因此出现了对应于液晶的光轴的不对称性。包含这样的HRL是使得环形电极处的电场在整个光通孔上出现，从周边到中心光轴的强度逐渐衰减。电场线也基本上平行于光轴。

发明内容

已经发现，在获得所需性能的同时，这样的HRL可能对制造和应用来说是一个挑战。一个问题是所用物质的化学稳定性。氧化钛可以在HRL中有效地起作用，然而，通过暴露于其它含氧物质，其氧化态的变化可改变其导电性能。另外，HRL处于透镜的光路中，必须例如通过折射率匹配的方式，引入尽可能小的光学损耗。

已经发现，HRL的材料性质和光学折射率匹配的稳定性，可以通过将HRL包封在具有合适的氧气阻挡层和折射率特性的合适材料中来实现。

在一些实施例中，提供了一种用于控制光的传播的可变液晶光学器件，包括基板，耦合到所述基板的电极结构，将所述电极结构互连的至少一个电触头，至少一个透明薄膜HRL层耦合到所述基板和所述电极结构。HRL薄膜层包括至少一个芯层和至少一个覆盖层或邻近层，其中芯层材料比覆盖层材料具有更高的导电性和更高的折射率；并且其中所述芯层和覆盖层材料具有基本相同的氧化物以形成自由能。以这种方式，电极结构将是环境稳定的并且响应于施加的电流以产生空间上不均匀的磁场。

根据一些实施例，提供了一种制造液晶光学器件的方法，其包括5层叠层的HRL，其由一层氧化钛TiOx芯层材料(x在1.4和1.8之间)，围绕TiOx芯层材料的两个紧邻的Ta₂O₅邻近层材料，以及围绕两个Ta₂O₅邻近层材料的两个Al₂O₃邻近层材料所组成。HRL通过电子束物理气相沉积(EBPVD)沉积在100微米厚的SiO₂基板上，并且在1MΩ/□至100MΩ/□的范围内提供稳定的电阻值Rs，在波长500nm的可见光下具有低光学反射损失。

根据一些实施例，提供了一种制造液晶光学器件的方法，其包括5层叠层的HRL，其由一层氧化钛TiOx芯层材料(x在1.4和1.8之间)，围绕TiOx芯层材料的两个紧邻的Ta₂O₅邻近层材料，以及围绕两个Ta₂O₅邻近层材料的两个Al₂O₃邻近层材料所组成。HRL通过溅射沉积方式沉积在100微米厚的SiO₂基板上，并且在1MΩ/□至100MΩ/□的范围内提供稳定的电阻值Rs，在波长500nm的可见光下具有低光学反射损失。

根据一些实施例，提供了一种梯度折射率液晶光学装置，其包括限定基板的内侧之间的间隙的透明基板，填充该间隙的液晶材料，覆盖所述基板的取向层，用于使液晶材料取向由基板的内侧支撑并且被构造成在间隙中产生空间上不均匀的电场的电极，具有芯折射率高于基板的折射率的芯层弱导电材料的高电阻层，以及由具有绝缘性质的一层或多层邻近材料包封，并且在弱导电材料的折射率与基板的折射率之间具有折射率，邻近材料具有基本上相同的形成氧化物的自由能作为弱导电材料。

附图说明

通过参照附图对本发明的实施例的以下详细描述将更好地理解本发明，其中：

图1是根据现有技术的使用高电阻层(HRL)的可变液晶透镜的横截面的示意图；

图2是根据第一实施例的使用高电阻层(HRL)的可变液晶透镜的顶部单元壁的横截面的示意图；

图3是根据第二实施例的使用高电阻层(HRL)的可变液晶透镜的顶部单元壁的横截面的示意图；

图4是根据第三实施例的使用高电阻层(HRL)的可变液晶光学器件(例如，透镜或光束转向装置)的顶部单元壁的横截面的示意图；以及

图5是根据一个实施例的使用可变液晶透镜的照相机的示意性框图，其中HRL的稳定性允许通过HRL的电阻率的一次校准来控制透镜。

详细说明

参考图1，以相对于光轴(穿过r＝0点)的横截面示出了常规的液晶可调透镜。这种透镜的直径可以是2至3mm，并且可以具有50至150微米厚度的液晶层，放置在由基板支撑的取向层之间。这种设计的细节从现有技术已知，例如A.F.Naumov等的具有模态控制的液晶自适应透镜，Liquid crystal adaptive lenses with modal control，Optics Letters，23卷，1998年7月1日第13号，以及已经提及的WO2009/153764。通常，这种光学器件设置有两层液晶(具有正交分子取向)，以作用于光的线性偏振。该装置可以是圆形或其它任何所需形状的透镜，并且它可以是光束转向装置(棱镜等)。

在WO2009/153764中，还描述了稍微不同的构造，即HRL被提供在两个LC单元之间的基板的外侧上，每个LC单元作用在单个偏振光上。这具有HRL不暴露于可能有助于HRL材料的氧化的取向层和液晶的优点。图1的实施例具有通过使环形电极(HPE)更接近于均匀透明电极(UTE)的优点，可以降低使用的电压。术语HPE旨在包括具有间隙的电极，例如可能用于光束转向装置的具有间隙的带状电极，因此不仅包括具有孔和周围电极或多个电极段的电极。

图1中的HRL被示出为放置在具有HPE，通常为金属或氧化铟锡(ITO)沉积层的两个基板之一上。通常将约30nm厚的摩擦聚酰亚胺层的取向层放置在HRL和HPE上。由ITO构成的UTE设置在相对的基板上，设置取向层于UTE上。施加到HPE和UTE的电信号(电势差)将产生扩散在整个光通孔上的电场，并且具有可由频率(和电压)控制的空间分布，这在本领域是已知的。

HRL提供了″非无限高″的电阻(大约为MΩ/□量级)，其中，与液晶(LC)和均匀透明电极(UTE)相结合，在每个切片

产生有效的RC电路。因此，当从HPE的边界(+r和-r)传播到透镜r(0)的中心时，电压″柔顺地″减小。这样可以构建具有相对较大的清晰光通孔(CA＝2＊r≈2mm)的低电压控制的LC透镜。

除了动态聚焦之外，还可以使用这些元件(基板+HRL+LC取向层)(与各种电极组合)，来用于光转向和其它LC器件。

在一些情况下，HRL由氧化钛膜(TiOx)制成，其直接沉积在基板上，因此其面向第二(相对)侧的液晶取向层(通常为聚酰亚胺，GeO或其它材料)。在其他情况下，HRL由氧化锌膜(ZnO)制成，其沉积在SiO₂层上并且也面向(从相对侧)液晶取向层。在其他情况下，HRL由硫化锌膜(ZnS)制成，其沉积在SiO₂层上并且也面向(从相对侧)液晶取向层。在其他情况下，HRL由氧化锡膜(SnO₂)制成，其沉积在SiO₂层上并且也面向(从相对侧)液晶取向层。其他情况下，HRL由氧化锑锡(Sb-Sn-O)制成，其沉积在SiO₂层上并且也面向(从相对侧)液晶取向层。其他材料组合物也可用于构建HRL。

申请人已经发现，从实际的角度来看，用于这些实施例的HRL有两个困难，即它们大大降低了透镜的光学透射率，并且它们随着温度变化，UV照射变化和湿度变化等环境的不稳定性。

HRL的吸收和反射可能是一个问题，因为通常它们由具有非常高的折射率值的蓝色光谱范围(Eg＞3.5eV)中的带隙能量的半导体或非晶半导体制成，其中n_HRL约为1.8至3.6，相对于玻璃n_q为1.5，或LC材料(n_LC约1.5至1.7)。这些层的高折射率产生高反射损失。结果，考虑到现代图像传感器像素(具有不断缩小的尺寸，当前CMOS传感器具有非常小尺寸的像素为1.1微米)的低光灵敏度，图像的采集速率会降低。在某些情况下，例如，这种慢速率与移动设备的手抖相结合，显着降低了图像质量。

在现有技术中存在众所周知的解决方案，通过添加特定厚度d和折射率n的多个电介质层来减少光反射问题。选择层厚度以在从接口反射的光束中产生相消干涉，并在相应的透射光束中产生相当大的干涉，导致在特定波长λ的反射损失小于1％。例如，抗反射层具有厚度为d＝λ/4n或其奇数整数倍的具有对比折射率的交替层的透明薄膜结构。

然而，申请人的实验表明，尽管添加这些层可能确实降低了反射损失，但是获得的叠层的薄层电阻值Rs的环境稳定性仍然是非常严重的问题。实际上，这种稳定性的问题与控制透镜性能的困难有关，因为HRL的性质，主要是其薄层电阻Rs可随着时间的推移而变化，这是由于邻近的邻近层对HRL的持续的化学氧化或渐进的化学还原。这可能导致在不同的环境条件(温度，紫外线照射，湿度)下，Rs随时间变化而完全丧失控制，超过可接受的工程容差水平。

现在参考图2，示出了根据一个实施例的HRL的组成的局部视图。申请人的研究表明，当添加多层时，HRL的氧化动力学特性需要被稳定，以确保其薄层电阻值在Rs＝1MΩ/□至100MΩ/□的范围内随时间保持稳定。在这种情况下，紧邻(邻近)层对HRL的作用是重要的。申请人提出选择非常具体的材料组成的那些紧邻的邻近层，其具有与HRL的芯层材料类似(或接近)的氧化焓值。根据氧化焓值的相似性选择的这种紧邻的邻近层材料，显着降低了芯层材料的交叉氧化或交叉还原的速率，并提供了抵抗氧的扩散阻挡层，以保持所需氧化的稳定性度，化学计量，形态，因此保持HRL的(整体的和其表面的)Rs值。因此，本实施例中的HRL具有比邻近材料更高的导电性和更高折射率的芯层材料，并且芯层材料和邻近层材料具有基本相同的氧化物形成自由能。

如热力学领域中已知的那样，可以在特定温度下使用各种金属氧化物材料的Ellingham图来确定氧化物形成的自由能，以氧气的千焦耳/摩尔计)。Ellingham图中给定反应的线的位置显示了氧化物的稳定性相对温度的函数。靠近图的顶部的反应是最″稳定″的金属(例如金和铂)，它们的氧化物是不稳定的并且易于还原。当我们向下移动到图的底部时，金属逐渐变得更具反应性，并且其氧化物变得更难以减少。因此，稳定的电介质金属氧化物位于图的底部，具有相对较大的氧化物形成自由能的负值。氧化焓(ΔH)是当反应发生时(″反应热″)释放的实际能量的量度。如果它是负的，那么反应发出能量，而如果它是正的，则反应需要能量。本实施方案的HRL由金属氧化物组成，使得它们的环境稳定性与其相对较大的氧化物形成自由能的负值ΔG相关，例如室温下每摩尔氧气小于-700千焦耳，并且对于HRL叠层的芯层材料和紧邻(接近)层材料的氧化焓ΔH基本上相同，在-40℃至+300℃的宽范围的温度范围内，ΔH差值小于每摩尔氧气100千焦。

应当理解，一旦确定了HRL的芯层材料，就必须确定邻近层材料的选择。例如，对于诸如Ti₃O₅或TiOx(x约为1.6)的氧化钛材料芯层，紧邻(接近)层材料的良好选择可以是Ta₂O₅。这些材料具有在室温下形成约ΔG＝-750kJ/mol氧气的氧化物的自由能，并且在-40℃至+300℃的宽范围的温度范围内，氧化焓ΔH基本上相同，差值小于每摩尔氧气100千焦。如图2所示，芯层材料Ti₃O₅或TiOx可以放置在Ta₂O₅层之间，使得提供低光学反射率和良好的氧化稳定性，特别是当在特定波长λ上选择层厚度d作为抗反射特性时，d＝λ/4n，n分别为2.4和2.1。应当理解，在芯层材料的两侧的邻近层材料不需要是相同的材料。

或者，应当理解，对于由氧化钛(例如Ti₃O₅)或TiOx(具有x约为1.6)制成的HRL芯层材料，邻近层材料的良好选择可以是SiO₂。这些材料具有在室温下形成约ΔG＝-800kJ/mol氧气的氧化物的自由能，并且在-40℃至+300℃的宽范围的温度范围内，氧化焓ΔH基本上相同，差值小于每摩尔氧气50千焦。如图2所示，芯层材料Ti₃O₅或TiOx可以放置在SiO₂层之间，使得提供低光学反射率和良好的氧化稳定性，特别是当在特定波长λ上选择层厚度d作为抗反射特性时，d＝λ/4n，n分别为2.4和1.45。应当理解，在芯层材料的两侧的邻近层材料不需要是相同的材料。

或者，应当理解，对于由氧化钒(例如V₂O₃)制成的HRL芯层材料，邻近层材料的良好选择可以是Ta₂O₅。两种材料具有在室温下形成约ΔG＝-750kJ/mol氧气的氧化物的自由能，并且在-40℃至+300℃的宽范围的温度范围内，氧化焓ΔH基本上相同，差值小于每摩尔氧气50千焦。如图2所示，芯层材料V₂O₃可以放置在Ta₂O₅层之间，使得提供低光学反射率和良好的氧化稳定性，特别是当在特定波长λ上选择层厚度d作为抗反射特性时，d＝λ/4n。应当理解，在芯层材料的两侧的邻近层材料不需要是相同的材料。

或者，应当理解，对于由氧化钒(例如V₂O₃)制成的HRL芯层材料，邻近层材料的良好选择可以是Nb₂O₅。两种材料具有在室温下形成约ΔG＝-750kJ/mol氧气的氧化物的自由能，并且在-40℃至+300℃的宽范围的温度范围内，氧化焓ΔH基本上相同，差值小于每摩尔氧气50千焦。如图2所示，芯层材料V₂O₃可以放置在Nb₂O₅层之间，使得提供低光学反射率和良好的氧化稳定性，特别是当在特定波长λ上选择层厚度d作为抗反射特性时，d＝λ/4n。应当理解，在芯层材料的两侧的邻近层材料不需要是相同的材料。

或者，应当理解，对于由氧化锆(例如ZrO₂)制成的HRL芯层材料，邻近层材料的良好选择可以是Al₂O₃。两种材料具有在室温下形成约ΔG＝-1050kJ/mol氧气的氧化物的自由能，并且在-40℃至+300℃的宽范围的温度范围内，氧化焓ΔH基本上相同，差值小于每摩尔氧气50千焦。如图2所示，芯层材料ZrO₂可以放置在Al₂O₃层之间，使得提供低光学反射率和良好的氧化稳定性，特别是当在特定波长λ上选择层厚度d作为抗反射特性时，d＝λ/4n。应当理解，在芯层材料的两侧的邻近层材料不需要是相同的材料。

应当理解，本实施例的HRL不限于上述芯层和邻近层材料。应当理解，本实施例的HRL可以包括满足上述条件对氧化物形成的自由能和光学透明性的由各种不同的金属氧化物材料化合物制成的芯层和邻近层材料。此外，应当理解，其它邻近层材料可以堆叠在上述HRL上，从而为HRL抵抗环境，提供进一步的扩散阻挡能力，特别是防止氧扩散。在图4所示的本实施例的一个示例中，可以将Al₂O₃层(邻近层材料#2)层叠在Ta₂O₅(邻近层材料#1)的紧邻的邻近层上，其中各层厚度d被选择用于在特定波长λ处的抗反射特性，使得例如d＝λ/4n或其奇数整数倍。

在本申请的一个实施方案中，如图4所示，HRL由一层由一种氧化钛Ti₃O₅芯层材料(Ti₃O₅厚度约50nm)，两个紧邻的Ta₂O₅邻近层材料围绕Ti₃O₅芯层材料(Ta₂O₅厚度约60nm)和两个Al₂O₃邻近层材料围绕两个Ta₂O₅邻近层材料(Al₂O₃厚度约75nm)组成的5层叠层制成。

在本申请的另一个实施方案中，如图4所示，HRL由一层由一种氧化钛TiOx芯层材料(TiOx厚度约50nm)，其x在1.4到1.8之间，两个紧邻的Ta₂O₅邻近层材料围绕TiOx芯层材料(Ta₂O₅厚度约60nm)和两个Al₂O₃邻近层材料围绕两个Ta₂O₅邻近层材料(Al₂O₃厚度约75nm)组成的5层叠层制成。

在本申请的另一个实施方案中，HRL由一层由一种氧化钛Ti₃O₅芯层材料(Ti₃O₅厚度约50nm)，两个紧邻的Ta₂O₅邻近层材料围绕Ti₃O₅芯层材料(Ta₂O₅厚度约60nm)和一个Al₂O₃邻近层材料围绕一个Ta₂O₅邻近层材料(Al₂O₃厚度约75nm)组成的4层叠层制成。

在另一个实施例中，HRL设置在沉积在基板上的控制电极上，并且可以称为″反向″电极位置。如图3所示。在设备的光路中使用离散(在整个光通孔上不均匀的)透明电极的情况下，这种解决方案可能是特别有趣的。例如，盘形(见下面相应的横截面)，或甜甜圈形或环形电极。与那些附加的主动或被动电极配合的这种反向布置可以用于″软化″这些离散电极的边界附近的电场变化(在图3中标记为″透明电极″)，或者帮助将电场扩展到光通孔的中间。

在另一个实施例中，HRL可以包括如图4所示的这些层的附加层和不同位置。在该实施例中，在高电阻材料的每一侧上存在两个邻近材料，以帮助反射率匹配和屏障保护。邻近材料可以在高电阻材料的相对侧上不同，并且根据需要可以具有比另一侧更多的邻近材料层。

根据一些实施例，提供了一种制造液晶光学器件的方法，该器件包括由一层由一种氧化钛TiOx芯层材料(TiOx厚度约50nm)，其x在1.4到1.8之间，两个紧邻的Ta₂O₅邻近层材料围绕TiOx芯层材料(Ta₂O₅厚度约60nm)和两个Al₂O₃邻近层材料围绕两个Ta₂O₅邻近层材料(Al₂O₃厚度约75nm)组成的5层叠层制成的HRL。HRL通过电子束物理气相沉积(EBPVD)沉积在100微米厚的SiO₂基板上，并且在1MΩ/□至100MΩ/□的范围内提供稳定的电阻值Rs，在波长500nm的可见光下具有低光学反射损失。EBPVD是物理气相沉积的一种形式，其中目标阳极在高真空下由带电钨丝所释放的电子束轰击。电子束使来自靶(TiOx，Ta₂O₅或Al₂O₃)的原子转变成气相。然后，这些原子将沉淀成固体层形态放置在位于靶上方的基板上。在EBPVD系统中，必须使用扩散或涡轮真空泵将沉积室抽真空至至少1×10^-5托的基础压力，以允许电子从电子枪通过至蒸发材料(TiOx，Ta₂O₅或Al₂O₃)，其最初可以是颗粒形式的。这些难熔氧化物在其通过电子束的蒸发过程中会发生碎裂，产生与初始材料不同的化学计量。例如，当通过电子束蒸发时，氧化铝解离成铝，AlO₃和Al₂O。这些化合物可以通过反应蒸发或通过共蒸发沉积在基板上。在反应蒸发过程中，初始材料被电子束蒸发。蒸汽由反应性气体承载，反应气体在金属氧化物的情况下为氧，而由氩等离子体辅助或不辅助。当满足热力学条件时，蒸汽与基板附近的气体反应形成所需氧化水平的薄膜。

根据制造包含HRL和SiO₂基板的液晶光学器件的方法，通过氧/氩等离子体辅助反应性EBPVD在加热到300℃的SiO₂基板上沉积5层HRL层叠体。蒸发开始于EBPVD使用钼坩埚中的Al₂O₃材料颗粒，蒸发一种75nm厚的Al₂O₃邻近层材料，随后在钼坩埚中使用Ta₂O₅材料颗粒进行EBPVD蒸发60nm厚的Ta₂O₅邻近层材料，随后通过在钼坩埚中使用Ti₃O₅材料颗粒，EBPVD蒸发50nm厚的TiOx(具有x

1.6)的芯层材料，随后在钼坩埚中使用Ta₂O₅材料颗粒进行EBPVD蒸发60nm厚的Ta₂O₅邻近层材料，然后EBPVD使用钼坩埚中的Al₂O₃材料颗粒，蒸发一种75nm厚的Al₂O₃邻近层材料。氧气流量分别调节到20sccm，50sccm，7sccm，50sccm和20sccm，以获得用于层材料的期望的氧化水平，即邻近层的化学计量的Ta₂O₅和Al₂O₃，以及非化学计量的芯层TiOx(x约为1.6，或在1.4

1.8之间)。当需要时，必须对基板的温度进行监测和控制，例如在250℃至350℃之间。必须仔细控制和自动化EBPVD沉积的所有工艺参数。应当理解，本实施方式的制造HRL的方法不限于上述EBPVD氧气流量水平或基板温度，因为它们可以根据EBPVD沉积系统的尺寸，等离子体枪的放电功率，以及可分别调整的1MΩ/□至100MΩ/□的薄层电阻Rs的期望值，和可分别调整的非化学计量TiQx的x值在1.4和1.8之间的变化。

根据一些实施例，提供了一种制造液晶光学器件的方法，该器件包括由一层由一种氧化钛TiOx芯层材料(TiOx厚度约50nm)，其x在1.4到1.8之间，两个紧邻的Ta₂O₅邻近层材料围绕TiOx芯层材料(Ta₂O₅厚度约60nm)和两个Al₂O₃邻近层材料围绕两个Ta₂O₅邻近层材料(Al₂O₃厚度约75nm)组成的5层叠层制成的HRL。HRL通过溅射沉积方法沉积在100微米厚的SiO₂基板上，并且在1MΩ/□至100MΩ/□的范围内提供稳定的电阻值Rs，在波长500nm的可见光下具有低光学反射损失。溅射沉积是通过溅射沉积薄膜的物理气相沉积方法。溅射沉积工艺包括从金属靶(例如Ti，Ta或Al)或从部分氧化的″氧化″金属靶(例如TiOx，Ta₂O₅或Al₂O₃)将材料喷射到基板上。从目标射出的溅射原子具有宽的能量分布，通常高达几十eV。在溅射系统中，沉积室必须抽真空至至少1×10^-5托的基础压力，然后室内部分地填充有溅射气体，通常是惰性气体如氩气。当氩气达到规定的工艺压力，大约为0.3帕斯卡时，在双极脉冲或AC模式下，使用Magnetron器件在室内引发氩等离子体，其中金属靶用作阴极/阳极。在反应溅射中，将氧气反应气体引入到氩等离子体中。氧被用于层氧化，因为沉积的膜被溅射材料和氧气之间的化学反应氧化。可以通过改变沉积室中的惰性和反应性气体的相对分压以及通过改变等离子体放电功率来控制膜的组成或氧化水平。调节氩气和氧气气体的相对分压，例如比例为90/10，以仔细调节HRL氧化钛层的薄层电阻范围。

根据制造包含HRL和SiO₂基板的液晶光学器件的方法，通过氧/氩等离子体辅助反应性溅射在加热到150℃的SiO₂基板上沉积5层HRL层叠体。溅射开始于使用两个AC模式金属铝靶，溅射蒸发75nm厚的Al₂O₃邻近层材料，随后使用两个AC模式金属钽靶，溅射蒸发60nm厚的Ta₂O₅邻近层材料，随后使用两个交流模式金属钛靶，溅射蒸发50nm厚的TiOx(具有x

1.6)的芯层材料，随后使用两个AC模式金属钽靶，溅射蒸发60nm厚的Ta₂O₅邻近层材料，然后使用两个AC模式金属铝靶，溅射蒸发75nm厚的Al₂O₃邻近层材料。双极脉冲或AC模式的磁控管溅射可用于溅射工艺。氩气和氧气气体的相对分压以约90/10的比例进行调节。氧气流量分别调节到20sccm，50sccm，7sccm，50sccm和20sccm，以获得用于层材料的期望的氧化水平，即邻近层的化学计量的Ta₂O₅和Al₂O₃，以及非化学计量的芯层TiOx(x约为1.6，或在1.4

1.8之间)。当需要时，必须对基板的温度进行监测和控制，例如在100℃至150℃之间。必须仔细控制和自动化溅射沉积的所有工艺参数。应当理解，本实施例的制造HRL的方法不限于上述溅射氧气流量，溅射AC模式或基板温度，因为它们可以根据溅射沉积系统的尺寸，等离子体枪的放电功率，以及可分别调整的1MΩ/□至100MΩ/□的薄层电阻Rs的期望值，和可分别调整的非化学计量TiQx的x值在1.4和1.8之间的变化来调节。

例如使用锑锡氧化物膜(Sb-Sn-O)作为芯层的HRL也可以使用热解(溶胶凝胶)方法制备。例如，通过热解法合成Sb掺杂的氧化锡(SbSnOx)，以形成在全平面可调式液晶透镜(ALF-TLCL)几何中执行与″弱导电″或″高薄层电阻″层相同功能的高介电常数层(HDLC)。原料为氯化锡(SnCl₄.5H₂O)，然后通过在高温(例如约500℃)下的热解过程转化为氧化锡(SnO₂)。为了提高金属氧化物的导电性，各种浓度的锑(Sb)也可以掺杂SnO₂。在本实施例中，示出了掺杂0.5和1％的Sb的SnO₂的效果。

该方法的化学性质包括水解和聚缩合反应。通过控制化学品的浓度，溶液的pH值和剩余的离子消除，可以获得SnO₂的胶体悬浮液。应注意，在经典的湿方法中，为了使表面自由能最小化，颗粒倾向于通过粗化工艺生长。但是可以通过在合成过程中加入胺和表面活性剂来降低这种效果，这降低了胶体颗粒的表面自由能。这些添加剂促进由微晶

形成的非常小的一次粒子构成的粉末的形成，并表现出良好的再分散性能。

由在异丙醇中与2％己内酰胺和Triton(作为表面活性剂)混合的乙醇SnCl₄.5H₂O制备SnO₂溶胶，通过加入氨溶液(pH＝11)而沉淀。将沉淀物在80℃下回流2小时，通过离心(17,000rpm，3分钟)消除回旋离子，并用去离子水(DI)洗涤(3次)，最后用乙醇洗涤两次。所得到的超细粉末的酒精糊在40℃下干燥。然后将粉末溶于乙胺溶液(体积比2％)中。所得黄色透明稳定的胶体溶液用于浸涂工艺。涂膜在500℃下退火30分钟。

导致形成SnO₂薄膜的主要反应是：

SnCl₄.5H₂O+4NH₃→SnO(OH)₂+4NH₄Cl+2H2O

SnO(OH)₂+C₂H₅NH₂→SnO₂NHC₂H₅+H₂O

例：

从Sb：SnO(OH)2获得SbSnOx

前体溶液0.5％摩尔的Sb

纳米粒子(5％)再分散在水+乙胺(2％)中

以45mm/mn的速率浸涂沉积一层

退火500℃

缓慢加热和冷却(约5℃/mn)

可以理解，如上所述，HRL的薄层电阻Rs在1MΩ/sq至100MΩ/sq的范围内，随时间，相对于相对变化的温度循环(从-40℃到+300℃)，湿度循环(从0％到100％相对湿度)和紫外线(UV)循环(几厘升每平方厘米)而稳定，变化范围为百分之几，从而适应大多数工程公差要求。

光学器件本身也可以具有与温度相关的操作参数。如图5所示，可调式液晶透镜10设置有作为照相机15的一部分的HRL。如本领域已知的那样，透镜10配置有一个或多个固定透镜14，以将图像提供到具有可变焦点的图像传感器16上。图像由照相机控制器18处理以确定聚焦得分，并且控制器在操作信号时向控制器20指示其期望的聚焦设置，或者在光学图像稳定(OIS)的情况下，其期望的图像偏移，即光轴位置的变化。在液晶透镜相机的情况中，OlS可从PCT专利申请公开号WO2011/075834中已知，公开日为2011年6月30日。

电场控制器20的任务是确定如何使用驱动信号源22来改变传递到透镜10的电极的一个或多个电信号。提供了一种在操作中测量液晶透镜10的温度的温度传感器12。透镜10的HRL和其他元件随着温度而变化，驱动信号根据温度进行调节。然而，通过如上所述提供的HRL，提供了芯层的稳定性，并且例如可以在工厂中执行初始校准，可以基本上用于照相机15的整个工作寿命。因此，传感器12向控制器20提供温度测量。在某些情况下，相机15使用加热器来控制透镜10的工作温度以保持温度稳定。在这种情况下，传感器用于温度控制反馈。

校准电路30可以形成相机15的永久部分，或者它可以是仅在初始校准时使用的外部装置。在外部设备的情况下，校准电路30可以校准仍然在晶片上的透镜10，并且因此不使用照相机15的部件14，16，18和20，而是使用合适的等效部件作为部件的校准仪器。

校准电路30控制电场控制器的光学倍率设置，以确定与透镜(或其他装置，例如光束转向装置)的控制信号和光学倍率和/或光轴位置之间的关系，视情况而定，作为温度的函数或作为稳定的工作温度。这通常涉及在一定范围的数值内扫描驱动信号，同时记录和分析所获得的测试图形图像。结果是产生要存储在照相机的控制器20中的设定值。

Claims (16)

1.一种梯度折射率液晶光学装置，包括：

透明基板，其限定基板的内侧之间的间隙；

填充所述间隙的液晶材料；

覆盖所述基板的取向层，以使所述液晶材料取向；

由基板的内侧支撑的电极，并且被构造成在所述间隙中产生空间上不均匀的电场；

具有芯层弱导电材料的高电阻层，其折射率高于基板的折射率，并被邻近材料层包裹，该邻近材料层具有绝缘性质，和在芯层弱导电材料的折射率和基板的折射率之间的折射率，邻近材料具有与芯层弱导电材料大致相同的氧化物形成自由能，所述的自由能在室温下每摩尔氧气小于-700千焦耳。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述邻近材料包括在所述芯层弱导电材料的每一侧上的至少两层，所述两层具有不同的折射率。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括填充有所述液晶材料的两个所述间隙，所述取向层覆盖所述基板，以在所述间隙中提供所述液晶材料的正交取向，所述装置被配置为作用于光的两个线性偏振。

4.根据权利要求1或2所述的装置，还包括连接到所述电极的驱动电路，并被配置为向所述电极提供可变电信号以控制所述装置的光学状态。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述驱动电路被配置为根据期望的光学状态值来设定所述可变电信号，并且当由所述期望的光学状态值来确定所述可变电信号的函数时，使用表征所述高电阻层的电阻值的初始值或出厂设置值，作为环境温度的函数，其中仅仅考虑弱导电材料的氧化变化不产生影响。

6.根据权利要求1, 2或5所述的装置，其特征在于，所述装置是可变光学倍率透镜。

7.根据权利要求1, 2或5所述的装置，其中所述装置是可变光轴位置透镜。

8.根据权利要求1, 2或5所述的装置，其中所述芯层弱导电材料和所述邻近材料包括金属氧化物材料化合物。

9.根据权利要求1, 2或5所述的装置，其中所述芯层弱导电材料包括氧化钛，并且所述邻近材料包括Ta₂O₅。

10.根据权利要求9所述的装置，所述邻近材料还包括Al₂O₃。

11.一种制造梯度折射率液晶光学装置的方法，所述方法包括：

提供透明基板；

沉积在所述基板中的第一个上：

至少一个电极，被构造成在所述基板之间产生空间上不均匀的电场；以及

多个层，其形成具有芯层弱导电材料的高电阻层，其折射率高于所述基板的折射率，并被邻近材料层包裹，所述邻近材料层具有绝缘性质，和在所述芯层弱导电材料的折射率和所述基板的折射率之间的折射率，所述邻近材料具有与所述芯层弱导电材料大致相同的氧化物形成自由能，所述的自由能在室温下每摩尔氧气小于-700千焦耳，

其中所述多个层首先沉积在所述基板的所述第一个上，或者所述至少一个电极中的至少一个首先沉积到所述基板的所述第一个上；

在所述基板的第二个上沉积至少一个电极；

提供覆盖所述基板的取向层，以使液晶材料取向；

在所述基板上提供至少一个单元壁；

在所述单元壁中的一个所述基板上沉积液晶材料；

用所述基板中的第二个覆盖所述基板的所述第一个，以将所述液晶材料封闭在所述单元壁内；并将所述基板粘合在一起。

12.根据权利要求11所述的制造梯度折射率液晶光学装置的方法，其特征在于，所述透明基板准备用于通过晶片尺寸制造的装置阵列来制造，其中所述单元壁阵列设置在所述基板上，并且还包括从包含所述基板的所得晶片中分割出各个装置。

13.根据权利要求11或12所述的制造梯度折射率液晶光学装置的方法，其特征在于，所述装置的每个包括两个液晶单元，其中所述单元中的第一单元具有在第一线性方向上取向的液晶，所述单元中的第二个具有在与所述第一线性方向正交的第二线性方向上取向的液晶，所述装置作用于光的两个线性偏振。

14.根据权利要求11或12所述的制造梯度折射率液晶光学装置的方法，其特征在于，所述芯层弱导电材料和所述邻近材料包含金属氧化物材料化合物。

15.根据权利要求11或12所述的制造梯度折射率液晶光学装置的方法，其特征在于，所述芯层弱导电材料包括氧化钛，并且所述邻近材料包括Ta₂O₅。

16.根据权利要求15所述的制造梯度折射率液晶光学装置的方法，其特征在于，所述邻近材料还包括Al₂O₃。

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