CN107209437B - 具有改进的区域过渡的液晶光束控制装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

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

Description

具有改进的区域过渡的液晶光束控制装置及其制造方法

相关的申请

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

可以通过对液晶微元件的电极施加具有相位差的电信号，来实现在透镜和/或转向元件之间的边界处的改进的相位延迟过渡，从而使作用在一个微元件的液晶上的电场的一部分的方向被引导为液晶层的方向，其结果是相邻微元件的电极产生的电场具有很小的相位延迟分布的影响。微元件电极的电压差也可以用于实现所需的电场和液晶控制的交互。

申请人已发现，在液晶单元的一侧的条状电极与液晶单元的相反一侧的较宽的中间电极之间的偏置，可以实现适用于光束转向的电场分布，即锯齿状的分布。这种电极几何形状的结果是在条状电极附近的液晶单元上形成强电场，在中间电极上延伸的液晶单元上形成逐渐减弱的电场。所述偏置使得从条状电极延伸的电场的电场线基本上垂直地通过单元环绕中间电极的相反侧。电场的线相当垂直地穿过液晶，而其电极结构中不设置弱导电层，或相对电极之间不设置很大的距离。

这种电极布置提供了光束转向的液晶分布，其中在液晶的条状电极的相对侧不设置有效的电极，而设置更宽大的中间电极。为实现整个光通孔上形成光束转向，两层液晶可以被布置为一层具有被间隔开的光束转向液晶元件，其与另一层具有空闲的或非光束转向的液晶元件对准。

可以通过使用额外的中间电极，来改变转向的方向(以使得光束转向液晶取向分布形成在其他方向上)，或在中间电极的相对一侧设置额外的条状电极。

申请人还发现，这种偏置电极结构可以为具有单层结构的光束转向装置提供一个良好的有效光通孔，其使用时间复用控制电极。因此，当奇数元件的电极被通电，即偶数元件的电极可以被断开，即电浮置；而当偶数元件的电极被通电，即奇数元件的电极可以被断开，即电浮置。

申请人还发现，当电场在液晶单元的一个基板附近和另一个基板附近不同时，装置的光学性能可取决于光传播通过装置的方向，例如从顶部到底部相对于从底部到顶部。由于通过装置的光传播方向不同而带来的差异对于装置的某些几何形状或设计是非常显著的。

申请人还发现，不同的方向(例如，正交)图案化电极阵列可以由公共基板上的一个薄绝缘层分隔设置，并使用单层液晶(由层控制的偏振方向)以提供双向光束控制。这种装置可以在各方向上独立地提供光束控制。

图示简单说明本发明将通过参照所附的附图详细描述实施例，以更好的理解本发明的实施方式，

其中：

图1是具有两个区域或光束转向微元件的现有技术的液晶光束转向装置的一部分的示意性截面图，其中，所述电场的控制是由大量的电极来实现，以提供一个空间可变电场；

图2是具有两个区域或光束转向微元件的现有技术的液晶光束转向装置的一部分的示意性截面图，其中，所述电场的控制是由每个区域的两个电极和一个高电阻材料层来帮助延展在每个区域中的电场；

图3是具有两个区域或光束转向元件的双频液晶(DFLC)光束转向装置的示意性截面图，其中，所述电场的控制是由每个区域的两个电极和一个高电阻材料层来实现，以控制在每个区中的电场的延展，其中向电极输入高频电信号，以使液晶的本地局部取向垂直于较低频率电场下的液晶的非本地局部取向；

图4是模拟液晶取向引起的相位延迟与图2和图3中的实施方式中的电极间距离的函数关系的曲线图，示出了两种情况下的非线性区域(NLZ)；

图5是类似于图3的示意性截面图，其中，每个区域具有两个频率f1的电极条带；

图6是图5的装置的示意图，是具有连接到驱动电路的五个区域的平面图；

图7A是LC光束转向装置中跨越相邻区域或光束转向元件的示意性横截面图，其中，根据提出的解决方案，所述电场的控制是通过每个区域的两个控制电极和在过渡区设置的导电壁来实现的；

图7B是如图7A所示的LC光束转向装置中跨越相邻区域或光束转向元件的示意性横截面图，其中，根据提出的解决方案，所述电场的控制被通过使用弱导电材料层来增强，以用于延展每个区域中的电场；

图7C是示出如图7B所示的另一个LC光束转向装置的示意性横截面图，根据提出的解决方案，其具有一个电浮置电极。

图8A是LC光束转向装置中跨越相邻区域或光束转向元件的示意性横截面图，其中，根据提出的解决方案，所述电场的控制是通过每个区域的一个控制电极来实现，其中采用宽的光学透明墙延伸到每个其他元件区域；

图8B是如图8A所示的LC光束转向装置中跨越相邻区域或光束转向元件的示意性横截面图，其中，根据提出的解决方案，所述电场的控制被通过使用弱导电材料层来增强，以用于延展每个区域中的电场；

图8C是示出如图8B所示的另一个LC光束转向装置的示意性横截面图，根据提出的解决方案，其具有一个电浮置电极。

图9A是双LC光束转向装置中跨越相邻区域或光束转向元件的示意性横截面图，其中，根据提出的解决方案，所述电场的控制是通过每个区域的一个控制电极来实现，其中采用交错的、宽的光学透明墙延伸到每个其他元件区域；

图9B是如图9A所示的LC光束转向装置中跨越相邻区域或光束转向元件的示意性横截面图，其中，根据提出的解决方案，所述电场的控制被通过使用弱导电材料层来增强，以用于延展每个区域中的电场；

图9C是示出如图9B所示的另一个LC光束转向装置的示意性横截面图，根据提出的解决方案，其具有一个电浮置电极；

图10A是LC光束转向装置中跨越单个区域或光束转向元件的示意性横截面图，其中，根据提出的解决方案，该装置具有被在非转向状态下相同频率、相位和振幅的驱动信号分量所驱动的两个工作电极；

图10B是如图10A的LC光束转向装置中跨越单个区域或光束转向元件的示意性横截面图，其中，根据提出的解决方案，两个工作电极被具有相同频率和相位、但具有相反振幅的驱动信号分量所驱动；

图10C是如图10A的LC光束转向装置中跨越单个区域或光束转向元件的示意性横截面图，其中，根据提出的解决方案，两个工作电极被具有相同频率和相位、但具有不同的相反振幅的驱动信号分量所驱动；

图11是光束转向光学装置的示意性横截面图，根据提出的解决方案，其具有液晶单元内的带有4个光束成形单元的图案化电极，其中，条状电极在一个基板上，平面电极在单元的相对基板上；

图12是光束转向光学装置的示意性横截面图，根据提出的解决方案，其具有液晶单元内的4个光束成形单元，其中，条状电极在单元的一个基板上，以形成电极间的一个平面和边缘电场；

图13A是如图12中的单元的一个元件的变型放大图，其中，根据提出的解决方案，条状电极的间隙和单元厚度间隙的长宽比是大的；

图13B是如图12中的单元的一个元件的变型放大图，其中，根据提出的解决方案，条状电极的间隙和单元厚度间隙的长宽比是小的；

图13C是根据提出的解决方案的实施例的图12的单元的一个元件的放大视图；

图14是如图13C的元件的示意性平面图，根据提出的解决方案，其中液晶取向平行于条状电极；

图15A是具有两个液晶单元的液晶光束转向装置的横截面示意图，根据提出的解决方案，其中被供电的条状电极在一个基板上，而偏置的中间电极被接地，上部单元的奇数元件具有中间电极，而偶数单元不具有中间电极；下部单元的偶数元件具有中间电极，而奇数单元不具有中间电极；

图15B示出了如图15A的变型，根据提出的解决方案，其中的偏置是这样的，中间电极向外延伸出去，条状电极向内偏置；

图16是根据提出的解决方案，如图15A的电场线和从模拟导出的液晶再取向的示意图；

图17是根据提出的解决方案，光学相位延迟与横跨图15A中的装置的位置的函数关系的模拟结果的示意图；

图18A是单个液晶单元光束转向装置的示意性横截面图，根据提出的解决方案，其可在时间多路复用的方式下操作，以提供装置中的每个元件中的光束转向光学相位延迟分布(即奇数和偶数)，图示为奇数元件的工作状态；

图18B是如图18A的相同的图示，根据提出的解决方案，示出了偶数元件的工作状态；

图19是根据提出的解决方案的实施例，示出了图18A和18B的结构设置的模拟结果；

图20是根据提出的解决方案的实施例，条状电极阵列的示意性平面图，其具有条状电极之间的空间可变的间隙或间距；和

图21示出了光轴取向的示意性横截面图：

在顶部，常规折射菲涅尔透镜的横截面；

在中间，光学装置的几何形状的横截面，光学上对应于常规折射菲涅尔透镜，包括四个层叠的LC层，以降低穿过整个装置的入射光的灵敏度或像差，其中该入射光不平行于整个装置的所述光轴；和

在底部，示出了液晶透镜的平面图的示意图，根据提出的解决方案，其中在中间具有圆形的几何形状，其包括一个中央的圆形微元件和四个同心带状微元件；和

图22根据提出的解决方案，是如图21中所示的装置的平面示意图，其中，各个

图中类似的特征使用类似的标号。而所描述的层的次序是有意义的，“顶部”和“底部”在本说明书中的限定，仅仅是用于参考本申请的附图中的方向，并不意味着任何绝对的空间方向。

实施方式 跨平面场控制

图1示出了光束转向液晶装置10，其具有两个区域或区段12a和12b。液晶材料被设置在基板之间，以形成光通孔，被封闭在它们的边缘内(未示出)。该电场是由窄电极14a提供(例如布置成条状，如图6)，它们各具有所需的电压供给，并设置平面电极15的对面。在本实施例中，电极被设置在单元内的基板上。这样可以减少所需的电压，同时能够在单元的外侧安排电极，例如在比较薄的基板的相对侧上。

本领域中已知，透射液晶装置的电极可以是透明的，例如氧化铟锡(ITO)材料制成的涂层。所示的近似电压(位于图的顶部)在从区域12a的一侧从零或一个最小值开始增大，并在区域12b的区域边界处的另一侧上再次开始增大。驱动频率可以是对所有的电极14a都相同的，且液晶分子4自动定位为平行于电场3。尽管液晶单元的驱动信号通常是一个交流信号，在某些情况下，应当理解的是，也可以使用低电压DC信号。

单元壁(未示出)上的取向层保持基态向列液晶分子在一个方向上取向，如图所示。这样的取向层(如摩擦聚酰亚胺)在本领域中是公知的。

区域12的宽度是'w'，区域的光束转向角θ是随着区域12的相对极端的液晶材料的折射率的变化值δn和单元的厚度而增加，但是它随着宽度'w'的增加而减小，即

因此，需要减小宽度w。

电场线从电压差的区域延伸，并且所述电场的强度随着与这些区域之间的距离降低。电场线(对应于上述的变化段)在图1中示意性地示出为虚线，而不同的线宽度对应于不同电场强度。当施加到电极段14a上的电压是相等的，而平面电极15是在一个共同的电压或接地电压，则在单元中的电场基本上是均匀的(没有电压变化)，而电场线基本上是垂直于单元壁基板(未示出)。电场强度正比于由电极14a和15之间的距离，或单元间隙大小划分的电压。

当电压利用小的电极段14a而变化时，电场强度将横跨光通孔而空间变化(例如如图示意性的示出)。电场是在空间上变化的，但是平行线在整个光通孔都垂直于基板对，这对于液晶的控制是理想的。

如果某些电极段14a未连接到一个电位，这些电极段14a对面的电场线会被弯曲，强度会随着与其他接通的电极段14a的距离增加而降低。这样弯曲的电场线也被称为边缘电场。

区域12b的零电压或最小电压电极段14a具有由区域12a的相邻最大电压电极段14a产生的边缘电场，其通过在区域边界处产生两个电极14a之间的一些电场线来形成(还具有在单元内由位于区域12b的零电压或最小电压电极段14a的相对面的区域12a的最大电压电极段14a产生的电场)。这在图1的中心部分中示意性地示出了在区域12a和12b之间的电极段之间的弧形虚线。因此，没有实现在区域12b内所期望的零或最小电场。此外，区域12b的零或最小电压电极段14a的相对面的单元内的电场线不是平行的，从而导致区域12a和12b之间的液晶分子的不希望的指向。

当电场从Vmax控制的区域变化到零或Vmin控制的区域时，在区域12a和12b之间的过渡区域中，从而产生了一个非线性取向区(NLZ)。单独使用这种电极来实现电场的突然改变是不可能的。该非线性取向区也可以被称为一个复位区或“回扫区”。

其结果是，当横跨装置的光通孔上设置许多区域12，该装置的有效工作部分(线性变化)被减少到(w-NLZ)/w部分。该NLZ偏转光束到不希望的方向上(相对于线性变化部分将光重新定向到期望的方向上)，因此这是不理想的。

在图2中，电极段14a系列被通过使用弱导电性(或高电阻)层16和一对边界电极14b与14c来简化。弱导电层有助于逐渐扩展在光通孔上的每个区域12a和12b的电压，而不需要单独控制一系列的电极14a，如在图2中的虚线示意性的示出。可以通过施加到电极14c上的电压的频率来控制电压的扩展，以控制电压的分布，然而该频率还会引起液晶分子平行于电场的排列(当LC的介电各向异性是正的)。电极14b可以接地或者根据需要连接到较低的电压水平。在图2的设置中，每个区域的电极的数目被从图1中的许多个减少到只有两个。有可能包括一个或一个小数量的附加电极，以帮助形成在光通孔的电压分布，特别是在边缘附近。

使用这种具有弱导电层的环形电极布置而产生的电场，具有基本上互相平行并垂直于装置的光通孔上的基板的电场线，且因此适合于控制液晶。表述“环形电极”是指，电极结构使用缺少的电极以在所得电场中创建空间变化，无论所述环形的孔是两个独立的电极之间的间隙，超出电极而延伸出的间隙，或者是一个单一的电极的孔。

应该理解的是，这里的NLZ(图2)基本上如图1中一样，仍然是一个问题，其中控制电极复杂性已经降低，即每个区域12中更少的电极14需要被驱动。

在图3中，电极14d被提供并且连接到高频电压(图示为f2)，作用于液晶以产生垂直于电场的取向。本领域中已知的，该液晶是一个双频液晶(DFLC)。而电极14c连接到较低的频率(图示为f1)，电极布置使得液晶分子的取向平行于电场，电极14c将单元内的液晶定向为几乎垂直于取向层，而施加到电极14d的较高频率有助于迫使单元内的液晶分子垂直于电场，从而形成平行于取向层的方向。因为施加到电极14d的电压的频率是高的，相对于施加到电极14c上的较低的频率，弱导电层无助于延展高频电场。也可以考虑相反的情况，如果LC的基态取向是不同的，例如，垂直于取向层。

如图3中示出的电场线，f1是实线，f2是虚线。两个场重叠，并且从液晶材料仍感觉到它们的影响。电极14c产生一个相对较大的扩展电场，试图使液晶分子取向为平行于f1的电场，而电极14d产生相对局部的电场，试图使液晶分子取向为垂直于f2的电场。电极14c和14d上的电场如图重叠，然而电极14c、14d和电极15之间的液晶分子如图示出，被定向为从大致平行的取向到大致垂直的取向的空间压缩过渡。

根据层16的性质和LC单元的几何形状，f1的合适的频率的一个例子可以是在1到15kHz的范围内。根据DFLC材料的性能和操作的温度，f2的合适的频率的一个例子是通常高于30kHz，例如50kHz。

有效的效果是具有重叠的不同频率的电场，而其在液晶分子上的作用是快速改变(在时间和空间上)边界处的液晶取向，从而如图所示缩小NLZ区域。在图4的模拟中，使用的参数是：使用MLC-2048液晶(Merck的一种DFLC材料)的液晶层为60μm厚，周期为150μm的重复光束转向单元，宽度10μm的电极，间隙为10μm的电极14d和14c，频率在5-10kHz之间的10V电压f1，频率在100kHz的5.5V电压f2。纵轴是光穿过液晶单元的相位延迟(微米级)。

该高频场的作用是使液晶定向为垂直于电场的方向。控制电极14d和电极14c的组合效果是，在图3的情况下，较低频率电场使液晶的净取向比图1和2的其他情况下更在峰值，其中，控制电极14d被模拟为被连接到0V。然而，在NLZ区域的相位延迟分布的形状的极大改善，也大为降低。还可以看到，图3中的最小的相位延迟也被减小了，从而提供了在图3中的相位延迟的变化，几乎是与对应的使用相同的驱动电压f1的图1和2的实施方案中的模拟结果一样大。对于图3的情况下的相位延迟分布的形状更具有线性倾斜(更接近理想的锯齿状波形)，具有较少的正弦形状。

应当理解，图3的实施例所取得的NLZ区域的缩小，可以通过使用图1的多个分段电极系统来实现，其中区域12b的第一电极14a将被高频电压驱动，从而使液晶垂直于电场定向。

在图5的实施方案中，(非圆形)环形(线性成对的)的区域12a和12b的电极包括连接到频率f1的最小和最大的驱动电压的电极14b和14c。然后将位于边界区域12a和12b之间、电极14c和14b之间的电极14d连接到频率f2的驱动电压。这提供了对所得的(总)电介质转矩的空间分布的更好的控制，并且因此更好地控制液晶取向。如将要理解的是，如果一个光束转向装置用于在两个方向上可变地使光转向，且转向是相反的方向(如前所述)，理想的是用最大电压驱动14b和用用最小电压驱动14c。应当理解，虽然提供了单独的电极14c和14d被连接到低和高频率，所期望的相位延迟空间分布仍然可以使用具有两个频率来驱动单电极而实现。

液晶装置10在图1至5中示意性的示出，包括在一个方向上取向的单层液晶。如本领域中已知的，这种装置作用于光的单一线性偏振方向，而通过装置10的非偏振光作为两个线性偏振态由装置进行处理。在液晶材料中的折射系数的空间调制是相对于光的一个偏振方向的，而另一个偏振方向不具有折射率的空间调制。为使该装置10作用于非偏振光，一个第二单元通常设有正交于图1至5中所示的第一单元的LC分子的取向的LC分子，作用于其他偏振方向。以类似于第一单元的方式为额外的单元添加电极14和15。

如国际专利申请公开WO2009/146530，公布于2009年12月10日的设置在一起的四个单元，具有两个单元的取向层，作用在相同的偏振方向的相反的方向上。当不平行于装置10的光轴的光穿过元件时，这样的布置减小了装置10的敏感度或像差。

图6示出了光束转向装置的示意性平面图，显示了区域12a，12b，12c，12d和12e一起创建了光通孔18。根据图5配置的电极14b，14c和14d布置是示意性地示出了连接到电极的适当的驱动电路20。

根据液晶单元的典型尺寸，即约120微米的基板之间的单元间隙，以及约0.2的Δn，这将需要在装置中设置一个区域宽度，如图6所示出的约100微米，以提供约±13度的光束控制范围。如果该装置的光通孔18是3毫米宽，那么将设有30个区域12来代替示意性地示出在图6中的五个。

对于这样的装置的驱动电路可使用专用电路，FPGA装置，DSP装置来完成，并可以包括用于控制的一个编程处理器。如示意图所示，驱动电路20具有驱动器22，运行频率f1以控制左电极14b，驱动器24，运行频率f1以控制右电极14c，和驱动器26，运行频率f2以控制电极14c。在图6中未示出的是，驱动电路20也连接到相应的平面电极15。这样的驱动器22，24，26可以是以简单地开或关控制的，或者它们可以是可变可调节的，以控制可变可控的光参数，即光束转向角。该驱动器22，24也可以是频率调节和/或电压调节的。该驱动器26可以具有固定的电压和频率，尽管在它的驱动信号的参数控制也是可能的。控制器28被提供为在图6的实施例中的驱动电路20的一部分，以提供响应于外部控制信号输入端的驱动器22，24，26的设置。这样的控制器28可以分别从驱动器22，24，26中提供，例如在软件中。控制器28典型地存储有校准数据，以允许控制信号被转换成特定的驱动信号值。控制信号之间的相位延迟控制可以如图10A，10B和10C所描述的参考实施。

虽然图6示出了由右至左传播的光(或反之亦然，在同一平面上)的光束转向装置，应当理解，通过层叠额外单元具有正交排列的电极，光束转向装置可以在两个方向引导光，即左-右和上-下。

根据提出的解决方案的另一实施方案，图7A示出相邻区域12或LC光束转向装置10的光束转向元件12，其中，所述电场的控制是通过每个区域12的两个控制电极14c和14b采用提供在过渡区的导电壁17以降低每个区域12贯通到下一个区的从而形成NLZ的边缘场。导电壁17可短接到平面电极15。为了在给定的方向转向，电极14c可以在电极14b和15和导电壁17被连接到相同的电压(或接地)时被驱动。已经发现这样可以减少NLZ并增加在每个区域12中潜在的线性(棱柱状)和提高光束转向(或在圆形的几何形状提高菲涅尔透镜的操作效率)。

为清楚起见，连接电极14b与导电壁17到相同的电压可以选择性地在外部驱动电路20实现。一种隔离层(未示出)可以用在电极14c/14b与导电壁17之间。例如，通过电极14c，15和导电壁17连接到相同的电压(或接地)，而电极14b被驱动，入射光可以在相反的方向上转向。

图7B示出所提出的方案的另一实施例，其使用在图7A所示的光学元件的几何形状中的弱导电性或高电阻层(WCL)16。可以通过控制提供给电极14b和14c的驱动信号分量的频率来实现一种改进的锯齿分布。使用浮置电极13，根据提出的解决方案的又一个实施方案，在图7C中示出，可以提高电场分布，以获得更多的线性棱柱状调制分布。使用浮置电极可与其他实施方案结合使用，例如，与图2至6所示的实施例结合。

根据提出的解决方案的另一实施例，图8A示出相邻区域12或LC光束转向装置10的光束转向元件12，其具有两个层叠的LC层(这些层不需要是紧邻，或在全部区域宽度内交错)，其中，该电场是通过每个区域12内的一个控制电极(可替换的14e/14f)来控制，其中采用宽光学透明壁19，其在每个LC层的间隔的未驱动元件区域12内延伸，而LC层之间是形成交错的图案。

透明壁19可以允许电场穿透其，在驱动的电极14e或14f作用下，提供驱动和未驱动的光学装置元件12之间的平滑电场过渡。为了在给定的方向转向，电极14f可以在电极14e和15都连接到相同的电压(或接地)时被驱动。为了顶部和底部的单元都具有相同的效果，电场的几何形状和排列方向可以是如图8A中相同的。

已经发现图8A的布置在每个区域12(由于在该区域没有LC)中在被驱动电极14f的作用下，基本上消除了液晶的边缘场引起的不期望的重新取向，从而改善相位延迟操作。通过电极14f，15连接到相同的电压(或接地)，而电极14e被驱动，入射光可以在相反的方向上转向。每个LC层与一半的被驱动的光学装置元件12操作，而在一个LC层的每个未驱动光学装置元件12上的入射光由相应的其他LC层的被驱动的光学装置元件12来转向。

图8B示出了如图8A所示的采用WCL16的光学装置的几何形状的另一实施例。一种改进的锯齿状分布可以通过控制施加到电极14e和14f上的驱动信号分量的频率来实现。根据提出的解决方案的进一步的实施方案，在每个被驱动的元件区域12中使用浮置电极13，在图8C中示出，以改善电场分布，以在每个区域12中获得更多的线性棱柱状调制分布。

根据提出的解决方案的另一实施例，图9A示出了相邻区域12或采用交错的宽光学透明壁19的双LC层光束转向装置10的光束转向元件12，其中壁19延展到每个LC层的另一个未驱动的区域12中，其中，该电场的控制是通过每个区域12的一个控制电极(交替的14e/14f)来实现。在图8A，8B和8C的实施例中，存在由前LC层使光转向，然后再由后LC层进行转向的可能性，从而表示一种影响NLZ的不同方式。已经发现，这可以减少在每个区域12的光输出。为了降低由于这个再转向的损失，和提高相位延迟操作，光学元件的层状几何中的中央基板11b被省略。在晶片级制造中，电极层15(和相关联的取向层)沉积在每个透明壁19上。翻转芯片制造技术可被用于将交错电极条带配合到图示的电极层15上。LC材料可以被施加到被驱动的光学装置的元件区域12中，例如，通过真空，注射或毛细作用。

根据所提出的方案的另一实施例，图9B示出了如图9A所示的光学装置的几何形状中采用WCL16。可以通过控制提供给电极14e和14f的驱动信号分量的频率来实现一种改进的锯齿分布。在每个被驱动的元件区域12中使用浮置电极13，根据提出的解决方案的进一步的实施方案，在图9C中示出，以改善电场分布，以在每个区域12中获得更多的线性棱柱状调制分布。

根据提出的解决方案的另一实施例，图10A示出了单个区域或液晶光束转向装置10的光束转向元件12，其具有两个被驱动的电极14e和14f，每一个电极相应地由一个驱动信号分量来驱动驱动，其中每一个都具有振幅、频率和相位。所产生的横跨区域元件12的电势分布是如图中所示的虚线的弧面，其中采用与电极15(相同的相位和相同的频率)的5V驱动信号来控制电极14e和14f。这个状态下的元件区域12不提供光束控制。作为参考，根据本实施例的方案，未连接的电极14c被示出，以确认来调整电势分布，可以在不脱离所提出的方案的情况下，用于其他光学装置的几何形状。

图10B示出图10A中的两个被驱动的电极14e和14f，其上采用对应的相同的频率和振幅的驱动信号分量，但具有相反的相位。可以通过5V驱动电极14e、-5V驱动电极14f来实现光束转向，其中所述电场的电势分布导致LC分子的取向在区域元件12中具有拐点。图10C示出图10A中的两个被驱动的电极14e和14f，其上采用对应的不同的频率、振幅和相位的驱动信号分量。当频率是相同的，但具有一个相位差，例如180度，那么在电极之间具有大幅的电场分量和由此产生的沿液晶层的延伸。当驱动信号的频率是不同的时，电极14e和14f之间的电压是具有跳动频率的的交替电压，该电压产生一个沿液晶层的扩展的电场。通过5V驱动电极14f、-2V驱动电极14e来调整光束转向，其中所述电场的电势分布影响LC分子的取向，以使中心拐点从中间移动到区域元件12的一侧。

平面内电场控制光束控制装置是控制光束以实现：或者光束发散，或会聚，或光束的方向调整，即对光束实现控制的光学装置。

在液晶装置的情况下，电场通常用于控制液晶材料的取向。取向的变化影响折射率，并且可以创建所谓的梯度折射率(GRIN)透镜。为实现光束控制，可以不需要一个聚焦透镜。

当该装置的光通孔是大的，用液晶GRIN装置来实现大角度的光束控制是困难的，因为在光通孔的折射率变化相对小。通过使用光通孔上的多个光束控制元件，用具有较小的长宽比的小光学元件可以提供更大的光束转向能力。

可以对液晶光学装置的光通孔上的电场进行空间调制，以在空间上调制液晶取向。对于透镜，期望光通孔上具有平滑变化的取向控制，而无需使用多个透镜元件以形成透镜。在光束控制装置的情况下，使用多个元件可以是所期望的，如上所述，并且每个元件的小的光通孔面积上的电场分布以及其与液晶的互相作用，这与大光通孔的装置是不同的。

在一些光束控制装置中，利用设置在液晶层的相对侧的电极来实现控制电场，并且在其他情况下，利用设置在包含液晶层的一个基板(11a/11b)上的电极来形成电场。

使用摩擦取向层来实现取向的向列液晶只可以影响非偏振入射光的一个偏振方向。为调制非偏振光，通常使用两个正交的液晶取向层。第一层使光被分裂成两个正交偏振，只有一个偏振方向根据液晶空间调制方式被调制，而另一偏振方向基本上未被调制。第二层被布置成对由所述第一层未调制的偏振方向进行所需互补调制，并允许被所述第一层的调制的偏振方向很少被调制地穿过。

为实现光束转向的目的，有可能使用一个第一液晶层可控制地引导一个偏振方向的光在一个方向转向，而一个第二液晶层被用于可控地操纵其他偏振方向的光在正交方向上转向。

这可以参照图11以更好地理解，其示意性地示出了具有单个液晶层120的装置，其具有互连的、在一个基板上的平行条状电极114，其被一个电极间隙g所分隔，且在另一个相对的基板111上设置有透明平面电极115，以实现横跨厚度L的液晶层的控制电场(该厚度有时被称为单元间隙)。条状电极114也可以是透明的，即使它们通常仅10至20微米宽，不会阻碍光束的传播。在两个基板111的内表面采用刮擦过的聚合物的取向层118，以提供液晶120的一个初始基态取向。条状电极114优选设置在光入射的单元的基板侧，虽然它们也可以设置在相对的基板111上。

装置100示意性示出并且不按比例地示出了在横截面中的4个电极间隙，每个具有可控圆柱形透镜元件，以用于光束控制。电极114的配置可以是线性的(即手指状)，同心环，以螺旋形或任何其它的几何构型。电极间隙在光通孔上的数目可以根据应用而变化。

如图11中当在电极114和115之间施加电压时(见右边单元中示出的电场线)，在电极114和115下方的空间的电场比在电极之间的间隙更强。高电阻材料层可以在电极114附近添加，以帮助电场在间隙处分布，但间隙相比液晶层厚度的长宽比相对较小，那么这样的高电阻材料层可能不会带来很多益处。

向列液晶材料层120控制光的单个偏振方向。如本领域中已知的，这样的层可以堆叠在一起，使该装置可以调整光的两个线性偏振方向。在图11的实施例中，液晶材料120被示出具有几乎与基板平行的取向，使得它的基态具有从左到右的低预倾斜角。为调制正交的偏振方向，能够提供向列型液晶的另一层具有与基板延伸到页面内或外的平行取向。在该结构中，一个透明的(优选光学匹配的)所需尺寸的填充物122被设置用于分离液晶或相邻单元的电场。第一可控电压源V1连接到跨过条状电极114A和对置的平面电极115，而第二可控电压源V2连接到电极114B和对置的平面电极115。电压V1和V2确定液晶取向，因此确定所述光束转向的倾斜的方向。填充物可以是任何合适的材料，优选为透明材料，并且还优选具有类似于液晶材料的折射率。与此相反，相邻单元的电场的分离，仅通过填充物122是导电的和可控制的来实现。在两个填充物122之间的液晶相位延迟分布可具有期望的光束控制质量。

此外，对于光束控制的目的，在图11所示的条状电极图案可以仅在一个方向上用来引起光束转向。为了在两个方向上的光束转向，可以使用附加的层，其具有正交的控制电极114。

类似于图11，图12示出具有在一个基板111上的一个单一的液晶层120，其具有独立电极114A和114B，由间隙隔开，以提供电极之间的控制电场，其在间隙下方的液晶中是空间可变的。当给图12中的电极114A和114B施加的横跨的电压时(参见图中的两个单元右侧的电场线)，电场形成的几何形状基本上平行于电极之间的间隙中点的方向，同时在没有填充物122的电极之间的间隙的边缘处，其变成基本上垂直的方向。控制电场对比图11具有非常不同的几何形状，但是根据所施加的电压的条件，液晶取向是相似的(但不相同)。在本实施例中，透明材料122不响应于电场，且设置以形成液晶120单元的光束转向的折射率分布，透明材料122在两个层上以交错的方式设置。这将提供光在图示平面内的单一偏振方向上的“左或右”倾斜的能力。

图12的实施例相对于图11的实施例，具有只能在一个方向控制转向的缺点。为了其他方向的转向，应当使用单独的单元来实现该目的，或者可替换地，如果使用一个双频液晶，则可以使用总体频率以上的高频率以引起液晶取向正交于电场，从而为另一个方向的转向提供所需的分布。

在图12中，电极114A和114B之间的间距(g)的长宽比(R)与液晶层的厚度(L)之间的关系为，R＝g/L，可以是，例如，0.7和4之间(优选地约为2.5，对应于微透镜设备)，其中，无需在电极114A和114B所处的绝缘基板111上设置任何弱导电性涂层。例如，g可以是大约100微米，而L可以约为50微米，而长宽比约为2。长宽比在确定上述的所需的电场空间变化中起重要作用。电极114A和114B如图所示被布置在基板111的内部的单元一侧上，但是，它们也可以位于基板111的一个外侧面上。这后一种设置可能需要较高的驱动信号电压，然而，电场的几何图形可以是更适合于液晶材料内调制所述电场。

图13A至13C示意性地更详细地说明类似于图12的一对平行条状电极114A和114B产生的电场。图13A示出了长宽比约为5。单元中的电场线多平行于基板，除了电极附近的边缘区域。这种布置是已知用于显示器中，其中该液晶需要在两种状态之间切换，即一个接地状态(例如扭曲向列或垂直)，和液晶平行排列于基板的供电状态。在这种情况下，目的是在单元(在电极114A和114B之间)内实现液晶的均匀再取向。

图13B示出了单元的几何形状，其中，长宽比R小于约1。这种长宽比可以提供一个强度分布，其具有边际极值的观察角的功能，不适合光束转向。

图13C示出了单元的几何形状，其中，长宽比R是大于约1且小于约4。这种几何形状提供了良好的光束转向性能。

在图12和图13C的实施例中，所述电场具有“垂直”分量(称为“平面外”)，即垂直于该电极114A和114B所在的基板，和“水平”的分量，即延伸于电极之间。

当液晶处于由取向层118取向的基态时，其在电极114A和114B(垂直于电极条带)之间的方向延伸，被转向的光束强度分布可以由于电场和在单元中的液晶取向的期望空间分布之间的角度不对称差而被改变。如图13C所示，液晶120a的左侧取向与电场对齐，而在填充物122的任何液晶(在120b)构成的右侧取向是垂直于电场的。

如图13A，13B和13C可以理解，长宽比对单元内的液晶取向的空间分布产生影响，如图13C所示的一个合适的长宽比可以实现适当的光束调整光学装置，而图13A和13C提供光束调整是不均匀的或无效的。

条状电极114A和114B可以是足够窄的，以便减小相邻单元之间的边界区的尺寸。在图13C中所示的具有单元的装置的光通孔可以有许多这样的单元，无论是配置为条带，环，螺旋或其它几何图案，限定每个单元间的小间隙为大约30微米至约90微米，并且典型地为约50微米，每个线性毫米单位的光通孔约有20个单元。

图11和12的配置在零功率的条件下不提供光调制，然后在供电驱动时提供光束控制。

在图14中，平面图中示意性示出了另一种结构，其中所述取向层的方向几乎与条状电极114A和114B的方向相同。在此，在水平方向或X方向上的电场分量将作用在分子上，将它们转为横向，抵抗取向层的取向作用。但是，电场的垂直或Z方向分量跨越间隙对称性良好地作用在液晶分子。该构造提供了用于光束转向良好的相位延迟分布。

在图15A中，示出了一个不同的电场设置，用于光束调整和光束转向。在这种布置中，两个LC120单元从左到右用于转向(操纵)具有快轴偏振的光束，或者反之亦然。所有LC分子被定向在页面的同一平面上，虽然相对于所述条状电极114A和114B的方向，液晶的取向可以被选择，例如与电极的方向平行，如上其它实施例所描述的。

为转向操作，电极114C被接地(即连接至地或驱动信号源的极性相反)。施加电压到电极114A，而电极114B是浮置的或断开的。因此，对于在一个方向上的转向，电极114A和114C可以连接到，例如交流电压源；而电极114B被断开。在这种情况下，由于上层单元的作用，在垂直方向上传播的光的约一半将被转向到右边，而由于下层单元的作用，另一个光被转向到相同的方向。使得电极114A浮置和电极114B连接到电压，将使光束转向到左边(对应于具有正的介电和光学各向异性的液晶)。两个液晶层120之间的两个中间基板111可以设置为一个单一的基板111。

电极114A或114B与接地电极114C之间的电场基本上是“垂直”，即垂直于液晶层的横向延展，即使电极114A和114B在电极114C的一侧被稍微隔开。这在图16中示出。

可以理解，电场将在一个被驱动的电极，例如114B，和最近的接地中间电极114C、在中间基板111的相对侧上的接地电极114C、在中间基板111同一侧上的较远的接地电极114C之间延伸。电场足够强以延伸到最近的中间电极114C，以控制液晶120取向；而延伸到较远的电极114C的电场是足够弱的，对液晶120的取向可以忽略。因此，这样的电场线是适合用于对在接近基板平面111处具有接地状态的方向(由取向层提供)的液晶120，如图所示。电场线是在被驱动电极114A和/或114B的下面的区域最强，并且在从最近的电极114C远离的方向要弱得多，并且同样地向电极114C的中间的方向强度逐渐减小。这提供了电场梯度，适合用于液晶材料120的空间可变的取向，以提供光束转向或光束调整的元件。

设置有在相对面的一个偏置的中间电极114C的条状电极布置实现了相位延迟分布，如图17所示。图17的模拟状态是厚度为50微米的液晶，宽度为20微米的条状电极114，条状电极114A和114B之间的间隙为100微米。图16中的偏置并不需要非常大。从光束控制元件的中心开始计量，条状电极114A或114B的外边缘从偏置中间电极114C的相应的外边缘延伸约20微米。这是条状电极114A或114B的宽度。电极114A或114B的内侧边缘可能实际上与中间电极114C重叠，或不重叠(在图18A中，参数“D”可以是正的，零或略微负的，只要有条状电极114B足够延伸超出中间电极114C)。这样做的偏置量可以根据需要变化，其效果是减少了元件112的外边缘电场。

如在图15B中所示，偏置也可以是中间电极114C比条状电极114A和114B延伸更远的结果。结果是相同的，即边缘电场被降低，并且可以实现所期望的光束转向相位延迟分布。

向右转向和向左转向之间的不对称性可以是由一个在条状电极114A和114B之间垂直延伸的液晶平面取向进行说明，进而元件对电场的响应将有些不对称。

图17的模拟结果中值得注意的是：相位延迟从最小到最大的很陡的上升，如附图标记B所示。由于所述偏置，如上所述这引起了边缘场的减少的结果。如图所示，该上升或返回区域只代表约20％的光通孔区域。还应当指出的是，这是通过使用在基板的内表面上的电极来实现，从而使电压降低，并用一个单一的控制信号。该装置还避免了对任何弱导电层的需要。

光通孔的大约20％的返回区域会散射或在相反的方向引导光束。在一些应用设备中，这种影响是可以接受的，而在其他情况下，是不能接受的。当不能接受时，其中发现有该返回区域的所述光束控制元件的部分可以被遮蔽。虽然这降低了装置的传输效率，它可以去除的散射或错误定向的光。如图17所示，如果对于左，右转向合并的返回区被遮蔽，将有100微米的电极间隙中的60微米的可用转向区，用以构成所述转向元件。如上所述，如果液晶取向如图14所示，可以预期，合并的返回区域的大小会较少，由于左，右转向模式之间很大的对称性。

图18A示出了类似于图15A的实施例，其中奇数和偶数元件都偏置的中间电极114C和114D。这个装置是通过交替施加如图18A所示的驱动信号，然后，如图18B所示进行驱动。每个配置被用于形成电场以形成该装置的光束转向元件的奇数或偶数个元件。通过时间复用的电极驱动配置，所述液晶层120可以设置有所有元件的光束转向相位延迟分布。

使用包括电子开关的驱动电路，一个驱动信号被首先施加在电极114A和114C上(而114B和114D被断开)，用于在一个方向上实现转向，而施加一个驱动信号在电极114B和114C(而114A和114D被断开)上时，使另一个方向上实现转向。在图19中，示出了该第一“被驱动的手指组”的相位延迟。光束控制坡段为约80微米和返回区是约20微米。其次，驱动信号被施加在电极114B和114D上(而114A和114C被断开)，用于在一个方向上实现转向，而施加一个驱动信号在电极114A和114D(而114B和114C被断开)上时，使另一个方向上实现转向。在图19中，示出了该第二“被驱动的手指组”的相位延迟(驱动电压为10V，液晶材料是50微米厚的LC80，而电极期间为120微米，电极114A和114B为20微米宽)。在这两种设置中，光束控制坡段和返回区的特性基本上是相同的，并且显示产生了在当前驱动或调制的元件之间的未调制元件上的每个设置引起的调制的小波纹。在第一和第二配置之间来回选择驱动电路，以实现所述装置的所有元件上的光束控制相位延迟分布的维持。

在图18A的实施例中，优选的是使用中间电极114C，其在如图所示的相对条状电极中嵌入，由于每个条状电极可以用于左、右光束转向控制。然而，下面的图15B的结构可以在图18A的情况下实现，但是偏置需要分开嵌入的条状电极，以用于左和右光束转向，以配合具有非常小的分离间隙的电极114C和114D。因此，电极114A和114B将被视为电极114A-右，114A-左，114B-右和114B-左。

图15A或18A的装置控制光在一个平面内的一个线性偏振方向，并且可以被认为是一个“1/4单元”。两个这样具有正交电极线的元件，但是具有在同一平面中的LC分子用于控制两个平面内的相同的偏振方向，以形成一个“半单元”。此外，两个“半单元”(总体8个LC单元)可被提供以操作在两个平面内的非偏振光。在两个平面进行操作的光束转向装置可以在两个正交方向上控制光束。

光束控制器被提供以产生控制信号。例如，光源，如LED芯，可以使用光束控制器控制强度和/或颜色。此外，可以使用光束控制器来控制动态液晶控制元件，即在电极114A和114B(或任何上述的电极的安排)可以使用光束控制电路进行控制。光束控制器可以包括专用电路，或者它可以包括可配置的电路(例如FPGA)，或者可使用在合适的平台上，例如一个CPU或DSP系统中运行的程序代码来实现。

光束控制器可以被配置为从数据网络接收控制命令来调整光束方向。一些光源，例如红外光源，可以用来提供数据通信，并且在这种情况下，光束控制器可以用于调节包含数据的光源，而动态LC控制元件可用于控制包含数据的光束。除了光投影或光源，这还可以用于扫描仪，接收器和阅读器。

在图20的实施例中示出了具有条状电极114A和114B的电极阵列。电极间距在该装置的6mm的光通孔的中间为50微米，并在外侧为100微米。在示出的例子中，间隙从一个间隙至下一个间隙增大/减小5微米。小间隙有较高的光束调整或光束转向能力或光学功率，和更大的间隙具有较小的光学功率。

条状电极之间的间隙的这样的变化可以是线性的或非线性的。变化或微调的效果是可消除或减少在被传输的光中的任何颜色分离和热点的形成。这是因为光学元件的不同部分将光的相同波长(即颜色)重定向到不同的方向上。

例如，光束可以具有相对于光轴的对称性。在此情况下，电极可为同心环114A和114B(基本上形成一个菲涅尔透镜)。环的间距可以是在中央光轴附近较小，并在靠近最外面的环的位置相对较大，以使光束扩散更均匀。间距也可以考虑到光束的强度分布，以强度更大的位置提供更多的元件。这种类型的电极(同心环)可与单元的对面基板上的星形-数字化电极结构配合使用。

可以理解如本文所描述，该条状电极图案可应用于各种液晶单元设计。在同心环的情况下，在一个径向方向上相对于光轴进行光束调整或光束转向，并且因此典型的设计可能具有两层液晶，分别用于每个偏振方向。空间微调也可适用于圆形或星形电极的情况。

如上述实施例的液晶装置10/110包括具有在一个方向上排列的取向层的LC层。上文简要提到的，这样的装置10/110作用在光的单一线性偏振方向，非偏振光穿过所述装置，被光学装置处理为两个线性偏振态。LC材料的折射率的空间调制是作用于快轴偏振光的，而其它慢轴偏振光不受到折射率的空间调制。为了控制非偏振光，第二光学装置10/110通常具有正交于第一光学装置的取向的取向层，作用于其它偏振方向。这在图21中示意性地示出，设置与第一液晶单元的相似的方式布置的额外的LC单元的电极114和115。该方案在国际专利申请公开WO2009/146530中，公开日为2009年12月10，如图21示出，四个LC单元安排在一起，两个LC单元的取向层作用于相同的光偏振方向，其具有相反的方向取向的取向层。这样的4个LC单元的布置降低了装置10/110对不平行于整个装置的光轴的入射光的敏感性或图像像差。

图5到20示出了光束控制装置，所使用的设置，使液晶改变跨越区域的边界中的取向，以具有减小的非线性区，也可用于各种菲涅尔透镜的设计，例如，如图22所示。在这种情况下，电极的几何形状将是不同的，并不会仅形成矩形区域，而是通常呈弓形或圆形区域，此在菲涅尔透镜的设计是公知的。图22所示的透镜，常规的折射对应的透镜如在页面中的横截面中的虚线所示，其与具有类似的作用的四层液晶渐变折射率透镜配合取向。中央区域由中央环状电极14c结合弱导电材料16(图21中未示出)形成，以实现中央区域的轴对称电压分布，轴附近趋于零。在该图中，频带被维持为如相同的尺寸的常规菲涅尔透镜，但是应该理解的是，使用这样的液晶装置，相对于使用较厚的光学折射材料来制作菲涅尔透镜，每个微元件的尺寸将比通常小得多，数量大得多。为了更好的图示，电极14c和14d的图示具有比实际尺寸更大的分离。电极14c和14d之间的电连接和驱动信号源也为了便于绘图，未示出。四层液晶材料(图21)具有如图所示的取向，以提供对自然光(两个偏振方向)的良好的光学性能，并降低对不平行于光轴的光的敏感性。如果光束接近平行于光轴，这种透镜10可以仅两层，其可充分有效对自然光工作。另外的层也可用于增加透镜材料的厚度，从而增加光学功率。

如上所述，在图6中示意性示出的装置，使用与图7A-7C到图22所述的不同的电场控制结构，或可以使用不同的菲涅尔透镜设计，以用于各种应用，包括用于照明的由LED光源发射的光的重定向。液晶材料也可以用于转向或聚焦红外光，例如850纳米波长的光，以及如上所述的装置可用于在红外光谱扫描。

还应当理解的是，上述实施例的光学装置可以在太赫兹频率下进行操作，即波长范围为8000至14000纳米的人体辐射频率。因此，按照菲涅尔折射透镜的控制和/或红外光投射光束的光束转向控制对于波长范围敏感的探测器，都可以找到有用的应用情况，例如，红外运动检测器的光学系统。

虽然已通过参考其优选实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员可了解，可在本发明中进行形式上和细节上的各种改变而不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (24)

1.一种液晶光学装置，被配置为对通过光通孔的光进行光束转向的多个折射控制，该装置包括：

具有取向层的基板包含的液晶层；和

电极布置，其配置为在所述液晶层内的许多微元件的区域内形成空间变化的电压分布；

其特征在于：

所述液晶光学装置设置为形成光学相位延迟的空间变化，其具有微元件之间的边界处的突变，其近似于多个微单元的边界的锯齿状波形，以增加该光学装置的有效光通孔；其中，所述电极布置包括：

图案化电极结构，其包括在所述基板中的一个上的第一条状电极和第二条状电极，以及在所述基板中的另一个上的中间电极，所述中间电极位于接近所述微元件的区域的中间并具有第一边缘和第二边缘，所述第一边缘和所述第二边缘与相对于所述第一条状电极的第一位置和相对于所述第二条状电极的第二位置偏置，以使所述第一条状电极和所述第二条状电极与中间电极之间的电场产生强电场，其具有靠近所述第一条状电极和所述第二条状电极与所述中间电极之间的偏置的减小的边缘场，和横跨所述中间电极从所述中间电极的所述第一边缘或相对于所述第一条状电极的所述第一位置至所述中间电极的所述第二边缘的逐渐减小的电场，其中不需要用于产生各个区域的光通孔上电极的电压分布的弱导电材料，所述的偏置可以根据需要变化，其效果是减少了所述微元件的外边缘电场。

2.如权利要求1中所定义的液晶光学装置，还包括一个驱动电路，配置为向所述电极布置提供驱动信号。

3.如权利要求1或2中所定义的装置，其中，所述电极布置还包括浮置电极，用于微元件的电场调整。

4.如权利要求1或2中所定义的装置，包括一对液晶层，每个液晶层具有被光学惰性区域分隔开的微元件，所述惰性区域不受可变电场的影响，其中所述的一对液晶层的组合以实现所期望的光学控制，光学惰性区域允许在液晶和光学惰性区域之间的相位延迟的突变。

5.如权利要求4中所定义的装置，其中一个液晶层上的微元件对应于另一个液晶层的光学惰性区域。

6.如权利要求1或2中所定义的装置，包括在液晶微元件之间的导电壁，从而使作用在微元件上的液晶的电场不会作用于在相邻的微元件上的液晶。

7.如权利要求2中所定义的装置，其中所述的驱动电路配置为向一个基板的液晶元件的电极施加电信号的电压差，以使作用在微元件的液晶上的电场的一部分的方向被引导为液晶层的方向。

8.如权利要求7中所定义的装置，其中该驱动信号是一个交流信号，并使用所述电信号的相位差来提供电压差。

9.如权利要求1中所定义的装置，其中所述条状电极设置在每个所述中间电极的两侧附近，以通过选择性地驱动所述中间电极的被选中一侧的所述条状电极，来选择性的使光束转向到不同方向。

10.如权利要求9中所定义的装置，其中，所述中间电极插入到所述条状电极之间。

11.如权利要求9中所定义的装置，其中所述条状电极插入到所述中间电极之间。

12.如权利要求1，9-11中任一项所定义的装置，其中，所述装置包括两个液晶单元，所述两个液晶单元中的第一个提供由不被驱动的元件分隔的奇数光束转向元件，所述两个液晶单元中的第二个提供由不被驱动的元件分隔的偶数光束转向元件，所述奇数光束转向单元与由所述偶数光束转向元件分隔的所述不被驱动的元件的取向相同。

13.如权利要求1，9-11中任一项所定义的装置，其中，所述中间电极被设置为在相邻排列的所述微元件每一个中，所述中间电极能够以交替的方式被驱动，以保持光束转向空间分布。

14.如权利要求1-2中任一项所定义的装置，其中，所述电极布置具有一个线性图案。

15.如权利要求1-2中任一项所定义的装置，其中，所述电极布置具有一个螺旋形或圆形图案。

16.如权利要求1-2中任一项所定义的装置，其中所述微元件区域在装置的光通孔上具有可变的宽度。

17.如权利要求1-2中任一项所定义的装置，还包括用于对所述电极布置产生至少一个驱动信号的驱动信号控制器。

18.如权利要求1，9-11中任一项所定义的装置，还包括用于对所述电极布置产生至少一个驱动信号的驱动信号控制器，其中所述驱动信号的控制器被配置成选择性地将一些电极连接到驱动信号，并断开另一些电极而使其浮置。

19.如权利要求18中所定义的装置，其中所述驱动信号的控制器被配置为驱动所述装置在一个光束展宽模式。

20.如权利要求18中所定义的装置，其中所述驱动信号控制器被配置为交替连接驱动信号到不同组的电极，其对应于多个微元件的不同组，并断开其他电极而使其浮置。

21.如权利要求1-2中任一项所定义的装置，其中所述液晶光学装置被配置为在两个正交平面使光转向。

22.如权利要求1-2中任一项所定义的装置，其中该装置是一个菲涅尔透镜，和电极布置包括限定菲涅尔微元件之间的边界的条状电极。

23.如权利要求1-2中任一项所定义的装置，其中，包括两个彼此相邻的所述液晶层，在两个层之间设有正交的液晶取向。

24.如权利要求1-2中任一项所定义的装置，其中，包括四个彼此相邻的所述液晶层，其中，第一液晶层和第二液晶层之间设有相反方向的液晶取向，第三液晶层和第四液晶层之间设有相反方向的液晶取向，所述第一液晶层/所述第二液晶层与所述第三液晶层/所述第四液晶层之间的液晶取向为正交。

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