CN115004092B - 多深度液晶电极层透镜 - Google Patents

Abstract

典型的液晶透镜包含夹在利用环电极图案化的透明衬底之间的液晶。在所述电极上施加电压使液晶分子旋转，从而改变其表观折射率和所述透镜的焦距。所述环电极由间隙分开，且朝向所述透镜的周边变窄。如果所述环电极太窄，则它们无法很好地切换所述液晶。为了解决此问题，一种发明性液晶透镜包含具有阶梯状表面的衬底，所述阶梯状表面限定厚度随透镜半径增加的同心液晶区域。每个区域由不同的环电极组进行切换，所述不同的环电极组可以在所述阶梯状表面上、在所述阶梯状表面下方或与所述阶梯状表面相对。在每个区域内，所述环电极距所述透镜的中心越远，变得越窄。但所述环电极的宽度也随液晶厚度增加，从而抵消会降低透镜性能的宽度减小。

Description

多深度液晶电极层透镜

相关申请交叉引用

本申请要求2019年12月6日提交的第62/944,483号美国申请的优先权权益，所述美国申请以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

一种类型的液晶透镜由密封在两个透明衬底的相对面之间的液晶构成。所述透镜包含在透明衬底的相对面上的透明电极和对准层。对准层使液晶相对于衬底对准。透明电极中的一者可以例如以环或像素的形状图案化。另一透明电极可以是未图案化的，且充当接地平面。

将电压施加到图案化电极在整个液晶上会产生电场。各向异性的液晶分子通过电场对准自身，从而改变局部折射率。将电压梯度施加到图案化电极会产生梯度电场，其中每个电极产生与其邻近电极不同的电场。因为电场影响液晶的折射率，所以梯度电场产生液晶中的折射率的变化梯度，这继而可以产生光学透镜效应。图案化电极可以是圆形、线性、椭圆形或对于在液晶中产生的折射率梯度和透射通过透镜的波前的对应变化所需的几乎任何其它形状。

圆环电极在液晶透镜中是常见的。这些环电极通常由厚度在5nm与200nm之间的氧化铟锡(ITO)层光刻形成。ITO层沉积在第一透明衬底上，例如熔融石英玻璃，其可经受住真空、温度和光刻工艺的处理。图案化电极涂布有绝缘层，例如SiO₂或SU-8光阻剂。此绝缘层覆盖环电极且填充邻近环电极之间的间隙，从而使环电极彼此电隔离。

总线将环电极连接到电压供应器。这些总线是沉积在绝缘层上且光刻图案化的例如镍的导电材料的薄迹线。每个总线通过形成于绝缘层中的通孔连接到对应环电极。具有少量电极(例如，20个或更少)的透镜可以每个电极具有一个总线。在具有大量电极(例如，数百个电极)的透镜中，每个总线可以连接到电极子集，所述电极子集经由电阻桥(resistive bridge)彼此连接。(关于电阻桥的更多内容，参见例如Van Heugten等人的第10,599,006号美国专利，其标题为“具有凸起电阻桥的电活性透镜(Electro-ActiveLenses with Raised Resistive Bridges)”且以全文引用的方式并入本文中。)

环电极、总线和绝缘层涂布有对准层，例如由日本东京的日产化学公司(NissanChemical Corporation)制造的聚酰亚胺树脂化学品的线。透镜的其它透明衬底可涂布有充当接地平面和对准层的未图案化ITO层。例如Merck MLC-2140液晶等液晶材料密封在透明衬底的涂布表面之间以形成透镜。

在具有环电极的液晶透镜中，环电极距透镜的中心越远，逐渐变得越窄，而相邻环电极之间的间隙全部为大约相同的宽度。此方法的一个问题为，总电场振幅随着透镜半径而减小，因为在环电极之间的间隙上方没有产生电场。因此，超出某一距离，例如，在典型透镜中在10mm的半径处，环电极变得太窄以至于无法产生有效总电场：电极的宽度与邻近电极之间的间隙的宽度的比率变得太小以至于无法在透镜的周边处产生有效总电场。

例如，如果电极宽度为100μm，并且该电极的任一侧上的间隙宽度为3μm，那么在该点处作用于液晶的约3％的电场被破坏，从而引起相对较小的非所需光学效应。随着透镜变大，间隙保持恒定，但电极变窄，从而引起电极宽度与间隙宽度的比率减小。在电极宽度为30μm且间隙宽度仍为3μm的透镜中的点处，间隙宽度为电极宽度的10％，从而破坏大约10％的电场。3％的破坏可以是可容许的，但10％的破坏(以及此量所致的透镜劣化)可能不是可容忍的。这种破坏限制了液晶透镜的直径、环电极的数目和/或最小环电极宽度。

在电极宽度-间隙宽度比变得太小之前增加透镜直径的一种方式为增加液晶的厚度。随着液晶层厚度增加，用于切换液晶材料的电场也增加，并且用于产生电场的电极环的宽度也增加。本质上，除了间隙宽度，透镜的每个尺寸都按比例放大，所述间隙宽度通常由用于对电极进行图案化的光刻的空间分辨率设定。不利的是，增加液晶层的厚度使透镜切换得更缓慢(即，透镜的切换速度减小)，这不合需要，从而限制了此解决方案的有用性。

发明内容

本发明技术实现较大基于电极的液晶透镜，同时减少或最大限度地减少切换速度的下降，并且防止电极宽度与间隙宽度的比率低到不可接受。发明性透镜适合用于或用作眼科镜片，例如眼镜镜片、隐形眼镜和眼内透镜。它们还可用于混合、增强和虚拟现实系统中以调整查看者感知的虚拟对象的表观位置，以及用于成像相机、夜视传感器和使用透镜的任何其它光学装置中。

本发明技术包含一种电活性透镜，其具有第一衬底、第二衬底、液晶材料、接地电极和多个环电极。第一衬底具有均匀(例如，平坦或平滑)表面。第二衬底具有与均匀表面相对的阶梯状表面。该阶梯状表面至少具有第一阶梯和第二阶梯。液晶材料安置在均匀表面与阶梯状表面之间。接地电极安置在均匀表面或阶梯状表面上。环电极安置在均匀表面或阶梯状表面中的另一者上，其中至少两个环电极用于第一阶梯，并且至少两个环电极用于第二阶梯。在操作中，环电极在液晶材料上施加电压。该电压产生电场，所述电场使液晶分子自身重新定向，从而改变电活性透镜的焦距。

均匀表面可以是平面表面或弯曲表面。

阶梯状表面可以由与电活性透镜的光轴同心的不同直径的堆叠圆柱体形成。第一阶梯可以比第二阶梯高某一高度，所述高度被选择为提供等于电活性透镜的设计波长下的整数个波的光程距离。

第一阶梯可以具有与均匀表面相对且以电活性透镜的光轴为中心的圆形面，并且第二阶梯具有与圆形面同心且与均匀表面相对的环形面。圆形面与平面表面分开第一距离，并且环形面与均匀表面分开大于第一距离的第二距离。接地电极可以安置在阶梯状表面上，在此情况下，环电极安置在均匀表面上，其中用于第一阶梯的至少两个环电极与圆形面相对，并且用于第二阶梯的至少两个环电极与环形面相对。替代地，接地电极可以在均匀表面上，并且环电极可以在阶梯状表面下方，其中至少两个环电极在圆形面下方，并且至少两个环电极在环形面下方。接地电极还可以安置在均匀表面上，并且多个环电极可以安置在阶梯状表面上，其中至少两个环电极在圆形面上，并且至少两个环电极在环形面上。在此情况下，所述电活性透镜还可包含安置在连接圆形面和环形面的圆柱形面上的总线，以将圆形面上的环电极中的至少一者连接到电压供应器。

用于第一阶梯的环电极可包含具有第一直径和第一宽度的第一电极，并且用于第二阶梯的环电极可包含具有大于第一直径的第二直径和大于第一宽度的第二宽度的第二电极。可存在用于第一阶梯的至少十个环电极和用于第二阶梯的至少十个环电极。用于第一阶梯的环电极中的每一者可以具有第一面积，并且用于第二阶梯的至少两个环电极中的每一者可以具有大于第一面积的第二面积。

所述电活性透镜还可包含连接用于第一阶梯的环电极中的两者的第一电阻桥，以及连接用于第二阶梯的环电极中的两者的第二电阻桥。所述电活性透镜还可包含在第一阶梯与均匀表面之间具有第一直径的第一间隔护条(spacer bead)，以及在第二阶梯与均匀表面之间具有大于第一直径的第二直径的第二间隔护条。

此类电活性透镜可用于聚焦入射光。将第一电压施加到用于第一阶梯的环电极致动液晶材料的在第一阶梯与均匀表面之间的第一部分。类似地，将第二电压施加到用于第二阶梯的环电极致动液晶材料的在第二阶梯与均匀表面之间的第二部分。这改变所述电活性透镜的焦距。

一种替代电活性透镜包括第一衬底、第二衬底、液晶材料、接地电极和环电极。第一衬底具有均匀表面。第二衬底具有与均匀表面相对的具有至少两个阶梯的阶梯状表面。这些第一阶梯和第二阶梯之间的高度差被选择为提供等于电活性透镜的设计波长下的整数个波长的光程长度。液晶材料安置在均匀表面与阶梯状表面之间。接地电极在阶梯状表面上。并且环电极在均匀表面上，其中至少十个环电极与第一阶梯相对，并且至少十个环电极与第二阶梯相对。

与第一阶梯相对的环电极可包含具有第一直径和第一宽度的第一电极，并且用于第二阶梯的环电极可包含具有大于第一直径的第二直径和大于第一宽度的第二宽度的第二电极。用于第一阶梯的每个环电极可以具有第一面积，并且用于第二阶梯的每个环电极可以具有大于第一面积的第二面积。可存在用于第一阶梯的至少一百个环电极和用于第二阶梯的至少一百个环电极。还可存在连接与第一阶梯相对的环电极中的两者的第一电阻桥，以及连接与第二阶梯相对的环电极中的两者的第二电阻桥。

另一种替代电活性透镜包括第一衬底、第二衬底、液晶材料、接地电极和环电极。第一衬底具有均匀表面。第二衬底具有与均匀表面相对的具有至少两个阶梯的阶梯状表面。液晶材料安置在均匀表面与阶梯状表面之间。接地电极安置在阶梯状表面上。存在第一环电极，所述第一环电极各自具有相同(第一)面积且安置在与第一阶梯相对的均匀表面上，用于在液晶材料上施加第一电压。并且存在第二环电极，所述第二环电极各自具有相同(第二)面积且安置在与第二阶梯相对的均匀表面上，用于在液晶材料上施加第二电压。所述第二面积大于所述第一面积。

可存在至少一百个第一环电极和至少一百个第二环电极。可存在连接两个第一环电极的第一电阻桥和连接两个第二环电极的第二电阻桥。

又一种电活性透镜包含：第一衬底，其具有弯曲表面；第二衬底，其具有与均匀表面相对的阶梯状表面；液晶材料，其安置在弯曲表面与阶梯状表面之间；接地电极，其安置在阶梯状表面上；以及多个环电极，其安置在弯曲表面上，其中至少十个环电极与第一阶梯相对，并且至少十个环电极与第二阶梯相对。阶梯状表面的邻近阶梯之间的高度差可被选择为提供等于电活性透镜的设计波长下的整数个波长的光程长度。与第一阶梯相对的电极可包含具有第一直径和第一宽度的第一电极，并且与第二阶梯相对的环电极可包含具有大于第一直径的第二直径和大于第一宽度的第二宽度的第二电极。与第一阶梯相对的每个环电极可以具有第一面积，并且与第二阶梯相对的每个环电极可以具有大于第一面积的第二面积。可存在与第一阶梯相对的至少一百个环电极和与第二阶梯相对的至少一百个环电极。所述电活性透镜还可包含连接与第一阶梯相对的环电极中的两者的第一电阻桥，以及连接与第二阶梯相对的环电极中的两者的第二电阻桥。

前述概念和下文更详细论述的附加概念的所有组合(前提是这些概念不相互矛盾)被设想为是本文公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开的结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文所公开的发明主题的一部分。也可能在以引用的方式并入的任何公开内容中出现的本文中明确采用的术语应当被赋予最符合本文所公开的特定概念的含义。

附图说明

本领域的技术人员将理解附图主要是用于说明性目的且并非意图对本文所述的发明性标的物的范围进行限制。附图未必按比例绘制；在一些情况下，本文公开的发明主题的各个方面可在附图中夸大或放大地示出以助于理解不同特征。在附图中，类似的参考标号通常指类似的特征(例如，功能上类似和/或结构上类似的元件)。

图1A示出液晶透镜的横截面视图，其中阶梯状表面上的单个接地平面电极与均匀平面表面上的环电极相对。

图1B示出液晶透镜的横截面视图，其中阶梯状表面上的单独接地平面电极与均匀平面表面上的环电极相对。

图2A示出液晶透镜的横截面视图，其中阶梯状表面上的环电极与均匀平面表面上的接地平面电极相对。

图2B示出图2A的液晶透镜中的一些环电极和一部分阶梯状表面的透视图。

图2C示出液晶透镜的横截面视图，其中阶梯状表面下方的环电极与均匀平面表面上的接地平面电极相对。

图3示出液晶透镜的横截面视图，其中弯曲阶梯状表面上的单个接地平面电极与均匀弯曲表面上的环电极相对。

图4示出如图1A-3中所示的透镜中的环电极、电阻桥(弧)、总线和阶梯状表面的阶梯的平面视图。

图5A和5B示出适合用于发明性液晶透镜中的环电极和电阻桥。

图6A和6B示出适合用于发明性液晶透镜中的环电极和螺旋形电阻桥。

图7示出具有恒定宽度的螺旋形电阻桥。

图8示出宽度变化的螺旋形电阻桥。

图9示出具有宽度变化的间隙的螺旋形电阻桥。

具体实施方式

本发明技术实现基于电极的液晶透镜，其具有较大直径、相对较快切换速度和在其外围区中电极宽度与间隙宽度的较高比率。这通过多厚度液晶层来实现，所述液晶层的中心较薄，且距透镜的中心越远越厚。对于圆形对称透镜，液晶区域可以同心地布置，其中厚度随半径增加，且用于每个区域的环状或基本上环形电极(简称环电极)组不同。这些环电极可以是闭合环，也可以是不闭合的环；即，环电极形成的圆或环中可存在间隙。同样，环电极可以是也可以不是完全圆形的。

每个环电极具有等于其外半径与内半径之间的差的宽度。环电极的宽度随半径减小且随液晶厚度增加，从而使得从透镜的中心向外移动，环电极宽度以阶梯状锯齿方式变化。在中心薄区段中，环电极可以按逐渐变窄的常规方式设计。在电极宽度变得边界可接受--例如电极宽度与间隙宽度的比率为20比1的半径处，液晶的厚度增加，例如加倍，并且该半径处的环电极的宽度相应地增加。加宽电极距透镜的中心越远，变得越来越窄，直到其变得窄到不可接受，此时液晶厚度和电极宽度可以再次增加。此布置可以按需要重复多次。

电极可以用不同电压驱动不同厚度的液晶区段，例如，其中由较高电压驱动较厚液晶区域。这些交错电压可根据确保透镜的每个区段中的电极在驱动控制输入电路中彼此隔离来提供。替代地，不同群组可以连接到相同的驱动控制输入电路群组，然后可以通过电阻器进行调整。

可以使用光刻图案化来构造此类多深度透镜。例如，对于双层设计，可以在透镜的衬底中的一者的表面中心中形成SU-8光阻剂或其它合适材料的圆形(顶帽形)沉积物以形成阶梯状表面。阶梯高度(即，SU-8沉积物的厚度)限定截留在衬底之间的液晶层的厚度的变化。环电极可以在SU-8沉积物上、在SU-8沉积物下方或在没有SU-8沉积物的衬底上图案化。

示例发明性液晶透镜具有一个衬底的中心区段，其具有10微米高、20毫米直径的平台，所述平台由SU-8光阻剂制成，位于40mm直径的圆形透镜上。10微米间隔护条在平台上，并且20微米间隔护条在其它地方，使得中心区段具有10微米厚的液晶层，并且透镜的其余部分具有20微米厚的液晶层。

发明性液晶透镜的中心处的薄液晶区域可比较厚的外围液晶区域具有更高的切换速度。在一些情况下，这是可接受的折衷方案，因为在许多应用(例如，人类视觉)中，主要利用的是透镜的中心。例如，当此类透镜用于虚拟和/或增强现实装置中以校正聚散度调节冲突(Vergence Accommodation Conflict；VAC；其中大脑被欺骗以为图像更靠近，但眼睛实际上不适应更靠近的对象)时，当将图像定位在视图中时可以考虑透镜切换的速度。例如，考虑使虚拟对象看起来更靠近，然后跨越视场横向移动。如果虚拟对象应在100ms中改变其虚拟位置，但仅透镜的中心区段可以快速切换，而外围区段可能耗时300ms切换，那么可以首次定位/重新定位虚拟对象，使得中心透镜区段使虚拟对象在100ms中聚焦。随后300ms，在外围区段改变焦点以匹配中心区段之后，虚拟对象在视场中的位置可以横向平移到透镜的外围区段，这使虚拟对象正确聚焦。

多深度液晶透镜

图1A示出发明性液晶透镜100的横截面。该液晶透镜100包含密封在第一透明衬底110与第二透明衬底120之间的液晶材料140。合适的液晶为Merck MLC2140，向列液晶。许多其它制造商也有液晶可用，例如，日本的Chisso。第一透明衬底110具有面向由第二透明衬底120限定的分层或阶梯状表面122的平滑表面112。平滑表面112是平坦的、均匀的且规则的--它没有可感知的突出部、结块或凹痕--并且在此实例中是平面的。在其它实例中，平滑表面112可以是平滑弯曲的，例如呈球形、抛物线形或非球面表面的一部分的形状。

在此实例中，阶梯状表面122限定三个阶梯131-133(也称为层、层级或平台)，并且此实例示出为与透镜的光轴101同心(且因此彼此同心)。在一些情况下，这些层不是圆形或同心的，例如，它们可以是椭圆形的，或使中心相对于彼此和/或透镜的光轴移位。(其它数目和布置的阶梯也是可能的。)第一阶梯131具有以光轴101为中心、与第一衬底110的平滑表面112相对的圆形面134；第二阶梯132和第三阶梯133具有也以光轴101为中心的相应环形面135。圆形面134和环形面135通过圆柱形面136连接，所述圆柱形面的高度被选择为提供设计波长下的光程差的整数倍(例如，一个)波长。这些高度固定液晶140的不同区域的厚度。与具有由弯曲面或成角度面形成的表面的菲涅耳透镜不同，圆形面134和环形面135是平面的并且彼此平行且垂直于透镜的光轴101，所述光轴与圆柱形面136平行。

几何学上，阶梯状表面122可以通过将半径单调递减的圆柱体彼此堆叠来形成。物理上，阶梯状表面122可以通过在一块玻璃或塑料上沉积SUSU-8光阻剂、二氧化硅或另一合适的材料并对其进行图案化来形成。该阶梯状表面还可以通过3D打印或用树脂将第二衬底120模制成所需形状来形成。或者，该阶梯状表面可以通过将合适的材料冲压成所需形状来形成。存在许多其它合适的制造方法，包含微制造工艺，例如电子电路制造、金刚石单点车削等。

包含圆形面134、环形面135和圆柱形面136的阶梯状表面122涂布有充当接地平面电极124的透明导电材料，例如ITO。在操作中，此电极124将整个阶梯状表面122保持在相同(接地)电位。此涂布可以通过溅镀、气相沉积或另一合适的薄膜涂布方法来完成。电极124涂布有液晶对准层126，所述液晶对准层使液晶材料140相对于阶梯状表面122锚定和/或对准。

接地平面电极124与形成于第一衬底110的平滑表面112上的环电极114相对。(中心环电极114可以呈圆形而非环的形状。)环电极114可以经由总线和/或电阻桥连接到一个或多个电压供应器，如下文所描述。电压供应器将不同(例如，相位折叠)电压施加到环电极114，从而产生电场，所述电场使环电极114与接地平面电极124之间的液晶140以梯度方式重新对准自身。此重新对准改变透镜的焦距。

环电极114由间隙115分开且被划分成子集114a-114c，其中一个子集用于阶梯状表面122的每个阶梯131-133。每个子集114a-114c/阶梯131-133存在至少两个且可能更多(例如，10、20、30、40、50、60、70、80、90、100或更多个)环电极114。每个子集中的环电极114可以通过电阻桥彼此连接，且通过总线连接到一个或多个电压供应器，如下文所描述。

环电极114的宽度变化如下：在每个子集内/对于每个阶梯，环电极114距透镜的光轴101越远，逐渐变得越窄。(相比而言，间隙115全部为大约相同的宽度，例如，约3微米。)环电极114的宽度也随着液晶厚度/阶梯高度而逐步增加。因此，每个子集中的最外环电极114比下一个外子集中的最内环电极114窄。在图1A中，第一子集114a中的最外环电极114比第二子集114b中的最内环电极114窄，并且第二子集114b中的最外环电极114比第三子集114c中的最内环电极114窄。(下文描述的图4示出环电极114的平面视图。)下部阶梯132、133上的较宽环电极可以将较高电压施加到液晶140的较厚区域。电极涂布有绝缘层以防止总线使电极短路。总线通过电极和绝缘层，除了在离散位置处以外，不与电极进行电接触。

平滑表面112和环电极114涂布有液晶对准层116，所述液晶对准层可以是约40nm厚，使液晶材料140与平滑表面112对准和/或锚定。此对准层通常通过旋涂、喷涂、浸涂、喷墨打印或另一合适的方法施加。对准层还用毛毡布摩擦，暴露于偏振光，或加热以将预倾斜角引入到对准层。示例对准层材料为由日本的Nissan Chemicals制造的Sunever。

图1B示出图1A中的液晶透镜100的修改版本100'。在此修改的液晶透镜100'中，在阶梯状表面122的圆形面134和环形面135上存在单独的电极124'、124”和124”'。电极124'、124”和124”'可以涂布有绝缘层(未示出)，且经由形成于绝缘层上的总线(导电迹线；未示出)连接到相应电压供应器。这些电极124'、124”和124”'彼此不直接连接--它们不在阶梯状表面的圆柱形面136上方延伸--且因此可以保持在不同的电压电位。例如，这些电位可以被选择为考虑液晶材料140的厚度变化，使得在液晶材料140的较厚区域上存在较大电位降。这可以允许减小施加到环电极114以用于致动液晶100'的最大电压。替代地，电极124'、124”和124”'可以经由总线连接到共同接地，使得它们处于相同电位。随液晶材料和厚度而变的用于实现双折射率和光程差(OPD)的所需变化的电压公开于：Wu等人，“液晶的双折射测量(Birefringance Measurements of Liquid-Crystals)”，应用光学(Applied Optics)23(21):3911-3915，1984年12月，DOI:10.1364/AO.23.003911。例如，驱动电压可以增加0.2伏，以实现液晶的厚度从15μm增加到25μm的相同OPD。

图2A和2B示出环电极224形成于透明衬底220的阶梯状表面222上的发明性液晶透镜200。图2A示出液晶透镜200的横截面，并且图2B示出一部分阶梯状表面222和一些环电极224的透视图。透明衬底220和另一透明衬底210具有平滑(此处为平面)表面212，其中在平滑表面212与阶梯状表面222之间具有液晶材料240。平滑表面212涂布有形成接地平面电极214的透明导电材料，例如ITO，所述透明导电材料又涂布有液晶对准层216。

环电极224由直接沉积在阶梯状表面的圆形面234和环形面235上的导电迹线形成，所述导电迹线通过圆柱形面236连接且与透镜的光轴201同心。所述面限定阶梯231-233，所述阶梯设定从透镜的光轴201径向向外移动而液晶厚度增加的区域。在圆形面234上和每个环形面235上存在至少两个环电极224，从而为阶梯231-233和液晶材料240的区域提供环电极的相应子集224a-224c。子集224a-224c中的每一者的环电极224可以通过电阻桥相互连接，如下文所描述。

每个面/阶梯上的外环电极224比该面/阶梯上的内环电极224窄。并且每个面、阶梯上的最内环电极224比下一较高阶梯上的最外环电极224宽。在图2A中，第一阶梯231上的最外环电极224(第一子集224a)比第二阶梯233上的最内环电极224(第二子集224b)窄，并且第二阶梯233上的最外环电极224比第三阶梯233上的最内环电极224(第三子集224c)窄。

图2B示出环电极224如何通过电压供应连接或总线252a-252d(统称为总线252)连接到电压供应器250a和250b。(为了清楚起见，省略第三阶梯233。)总线252由沉积在覆盖环电极224的绝缘层(未示出)上的例如ITO或镍的导电材料形成。绝缘层填充使环电极224彼此分开且电隔离的间隙225。间隙225各自为大约相同的宽度(例如，约3微米)。此绝缘层可任选地在阶梯状表面222的圆柱形面236上方延伸。

每个总线252横穿绝缘层和阶梯状表面222的至少一部分到对应环电极224，且通过绝缘层中的对应孔或通孔连接到该环电极224。总线252a横穿环形面235、圆柱形表面236和一部分圆形面234到最内(中心)环电极224。总线252b横穿环形面235、圆柱形表面236和一部分圆形面234到环电极的第一子集224a中的最外环电极224。总线252a和252b一起将环电极224的第一子集224a连接到第一电压供应器250a，所述第一电压供应器用第一电压驱动环电极224的第一子集224a。类似地，总线252c和252c横穿环形面235和外圆柱形面236以将环电极224的第二子集224b的最内电极和最外电极分别连接到第二电压供应器250b，所述第二电压供应器用第二电压驱动环电极224的第二子集224b，由于液晶的厚度增加，所述第二电压可更高以实现相同的OPD。一些液晶对电压具有如此高的响应速率，以至于可不需要增加来补偿增加的厚度。

图2C示出图2A和2B中的液晶透镜200的修改版本200'。在此修改的液晶透镜200'中，环电极224'形成于阶梯状表面222'下方而非阶梯状表面222上。例如，环电极224'、电阻桥、绝缘层和总线可形成于平坦衬底表面上。一旦形成这些元件，就可以沉积(且任选地图案化)额外透明材料，例如树脂或光阻剂，以在环电极224'的顶部上形成阶梯状表面222'。当将电极定位在阶梯状表面下方时，必须向上调整电压，如上文所描述。邻近电极224'之间仍存在间隙225'，但那些间隙由此额外(绝缘)材料覆盖。阶梯状表面222'形成为使得每个阶梯存在多个环电极。当沿着透镜的光轴201查看时，环电极224'形成与图1A和2A中所示的液晶透镜100和200中使用的图案类似或相同的图案。

图3示出具有液晶材料340密封在弯曲透明衬底310与320之间的发明性液晶透镜300的横截面。该液晶透镜300是具有凸外表面318和凹外表面328的凸凹透镜。在此形状下，当由适当材料制成且具有适当尺寸时，透镜300适合用作隐形眼镜或眼镜镜片。发明性液晶透镜还可以具有两个凸外表面以例如用作眼内透镜，或具有两个凹外表面。在任何情况下，外表面可以是球形区段或更复杂的形状，包含非球面形状，以为透镜提供固定光学功率。外表面还可成形为校正像差(例如，患者眼睛的散光)或如在双焦、三焦或渐进透镜中提供多个焦距。

衬底310和320的内表面也是弯曲的。在此情况下，上部衬底310具有平滑凹内表面312，并且下部衬底具有凸阶梯状内表面322。内表面一起形成保持液晶材料340的密封腔。取决于透镜300的所需可切换光学特性，上部衬底的内表面可以是平面的、凸面的或具有更复杂的形状。同样，阶梯状内表面322可具有与图1A、1B和2A-2C中所示的阶梯类似的平面阶梯，或成角度的或凹面的阶梯，这同样取决于透镜300的所需可切换光学特性。在此实例中，阶梯状表面322形成三个阶梯331-333，当沿着透镜的光轴301查看时，所述阶梯形成呈现为圆形(334)和环形(335)但略微弯曲(凸面)的面。这些面中的每一者可以与其相邻面邻接或与介入圆柱形面336邻接。

阶梯状表面322上的导电层形成接地平面电极324。透镜300还包含上部衬底310的凹内表面312上的环电极312。这些环电极314由间隙315分开，且具有在与如图4中所示的阶梯(下文描述)对准中减小和增加的宽度。环电极314和间隙315可以用绝缘层(未示出)覆盖。总线和/或电阻桥(未示出)将环电极314连接到控制器或其它电压供应器或电压供应器组。替代地，环电极可以在阶梯状表面322上或下方，其中接地平面在上部衬底的凹内表面312上，如图2A-2C。

多深度液晶透镜的示例性设计过程

当设计液晶透镜的电极结构时，应考虑若干因素。这些因素包含：(1)透镜的直径；(2)液晶层的中心区域(液晶层的最薄部分)的厚度；(3)液晶的可用双折射率(折射率变化)；(4)电极的最小可允许宽度(通常由用于制造电极的光刻工艺设定)；(5)透镜中所需的最小电极数目；(6)总可用光程差(OPD)；以及(7)透镜的设计波长。

考虑所需直径为30mm的透镜的以下示例设计过程，液晶的起始厚度为10微米(0.010mm)，液晶的可用双折射率(折射率变化)为0.22(例如，1.5至1.72)，最小可允许电极宽度为500微米，并且透镜中的电极的最小数目为15。需要多于最小数目的电极，但不需要少于最小数目的电极。设计波长为550nm(绿色)。

在此实例中，第一步骤为使用与设计不具有阶梯状表面的液晶透镜所用的相同过程来确定电极环组的宽度。尽管电极的所需最小数目为15，但计算15个电极的宽度示出最外电极不满足最小所需宽度。通过将电极的数目增加到20，至少十一个内电极符合所需最小宽度。可以调整液晶厚度和宽度以及外电极的数目以如下文所描述进行补偿。每个电极应具有与所有其它电极相同的表面积。这通过确定透镜的整个表面积并除以所需的电极数目来计算。在此实例中，30mm直径透镜的整个表面为706.86mm²。当该值除以20时，每个电极应具有35.343mm²的表面积。(电极之间的间隙小到足以在设计过程的此阶段被忽略。)

将最外环电极的外直径设定为所需透镜直径，其在此情况下为30mm。通过以下方式计算最外环电极的内直径：从总透镜表面积减去最外环电极的所需表面积，然后除以π，且取商的平方根，从而得到最外环电极的内半径。将该半径加倍得到最外环电极的内直径。在此实例中，706.86平方毫米的总表面积减去单个电极的35.343mm²的所需面积得到外电极内的671.52mm²的表面积，其对应于14.62mm的内半径和29.24mm的内直径。重复该过程，直到计算所有电极为止，其中每个环电极的内直径小于电极之间的充当下一内环电极的外直径的间隙。(如果需要，那么最内电极可以是圆形的。)

表1示出这些计算的结果，其中1号环电极为最内电极并且20号环电极为最外电极。表1仅示出中心十一个电极(1-11号电极)满足0.5mm的最小宽度要求，而其余九个电极(12-20号电极)不满足该要求。

表1：起始环电极宽度(常规液晶透镜)

使每个电极至少0.5mm宽的这种设计问题的解决方案的第一部分为使12号电极更宽，然后重新开始电极设计计算，使得13+号电极与更宽的12号电极具有相同的面积。但在这样做之前，我们应考虑可用OPD，以确保电极与OPD的比率足以提供所需的光学功率和波前平滑度。

通过以下方式计算此设计的可用OPD：液晶层厚度乘以其可用双折射率，然后除以设计波长。在此情况下，中心10微米厚度乘以0.22的可用双折射得到2.2微米的光延迟。2.2微米的延迟除以550nm(绿光)的设计波长示出四个波的OPD可用。但是，OPD不足以通过简单地增加12-20号电极的宽度来提供具有所需波前平滑度的所需光学功率。以阶梯式方式，可以实现光学功率，但波前将相当粗糙。

解决方案的第二部分为增加可用OPD。这通过以下方式实现：增加大于11号电极的外半径的半径处的液晶层的厚度，然后重复上文概述的电极设计过程，但这次从12号电极的内直径开始，所述内直径为表1中的11号电极的外直径。换句话说，产生具有半径大于11号电极的外半径的电极的第二阶梯或层，其中第二阶梯上的电极具有0.5mm或更大的宽度。

为了满足至少15个电极的设计目标，将第二阶梯的每个电极的面积设定为第二阶梯的面积除以四(总共15个电极减去第一/中心阶梯上的11个内电极)。此计算得到四个电极中的每一者具有79.53mm²的面积。表2示出第二阶梯上的四个电极的宽度和半径以及11号环电极(第一阶梯上的最外电极)和半径大于所需透镜半径的第一电极的半径和宽度：

电极编号	面积	外半径(mm)	电极宽度(mm)	备注
					11	388.77	11.12	0.52	第一阶梯
12	468.29	12.21	1.08	第二阶梯
					13	547.81	13.21	1.00
14	627.34	14.13	0.93
					15	706.86	15.00	0.87	最外
16	786.38	15.82	0.82	超过透镜半径

表2：第二阶梯的环电极半径和宽度

表3示出阶梯状透镜的最终电极半径和宽度，其中1号电极为最内(中心)电极，并且15号电极为最外电极：

表3：最终环电极宽度

然后，我们通过计算来自先前较薄电极的第一加厚电极的宽度的增加且按比例增加液晶层厚度来确定第二阶梯上方的液晶层厚度的增加。在此实例中，厚度的增加为2.08的因子，其针对20.8微米的新总厚度转化为OPD(和阶梯高度)的10.8微米的增加。

在其它透镜中，电极的数目可以大得多，例如在30mm直径透镜中，为100、200、300或更多。每个阶梯可比下一外阶梯高一个或多个光波长。更低的增加将产生更多的阶梯，而更大的增加将产生更少的阶梯。例如，30mm透镜具有3个波的起始OPD且每次增加为一个波，透镜将具有五个阶梯。如果每次增加为3个波，那么透镜将具有两个阶梯。以上实例使用15个电极来说明具有更小、更容易读取的数值组的设计方法。这使得液晶层的厚度增加非整数量(2.08的因子)。替代地，OPD/阶梯高度的增加可以按设计波长的整数倍来完成，以增加衍射效率。如果将阶梯高度设定为设计波长的整数倍，那么透镜直径可能不会恰好为所需的值，但在具有较大数目的电极，例如在30mm直径透镜中具有300个电极的情况下，差变得可忽略不计，并且目标30mm直径可能仅错过仅几十微米。

最终设计步骤为调整电极的内半径和外半径，以在电极之间提供间隙，从而消除电极之间的电接触。每个电极可以由与施加到邻近电极的电压不同的电压供电，因此间隙防止电气短路。典型的间隙宽度为3微米，因此将每个电极的半径值调整1.5微米(即，内半径增加1.5微米且外半径减小1.5微米)。尽管目前典型的间隙为3微米，但是随着光刻技术改进，可以减小该间隙。

尽管直径30mm透镜中通常存在300个电极，但此数目也是光刻技术限制的结果。通常，电极越多越好，因为波前的阶梯将小得多。随着光刻技术的发展，电极的数目可以从数百个增加到数千个或更多。

施加到示例透镜设计的示例电压如下：

电极编号	伏
		1	1.87
2	1.66
		3	1.51
4	1.36
		5	1.23
6	1.11
		7	1.00
8	0.94
		9	0.86
10	0.81
		11	0.75
12	0.71
		13	0.66
14	0.62
		15	0.57

表4：环电极电压

环电极和电阻桥

图4示出当沿着透镜的光轴101、201和301查看时的可由环电极114、224、224'和314以及图1A、2A和2C中所示且上文所描述的透镜中的间隙115、225、225'和315形成的图案。虚线表示第一阶梯131、231和331与第二阶梯132、232和332之间以及第二阶梯132、232和332与第三阶梯133、233和333之间的边界或过渡。在此图案中，每个阶梯存在四个环电极，且总共存在三个阶梯。其它合适的图案可具有更多或更少的阶梯和/或每个阶梯具有更多或更少的环电极。通常，更多环电极提供对透镜的焦距的更精细控制以及更好的空间分辨率。并且更多阶梯可实现更大直径的透镜。在当今的光刻技术现状中，每个阶梯的电极的合理范围在30与100之间，其中每个透镜具有一个、两个、三个、四个或五个阶梯。随着光刻技术的发展，这些数目可以增加。

环电极宽度随半径和阶梯数目而变化，但间隙全部为大约相同的宽度。可以将间隙宽度设定为最小宽度(例如，约3、4或5微米)，其在相邻环电极之间提供所需电隔离，且可例如使用光刻或其它技术进行图案化。在当今的光刻液晶双折射技术现状的情况下，环电极宽度的范围可在5mm与15μm之间变化，而阶梯高度可在1μm与30μm之间变化。

图4还示出两个总线452a和452b(统称为总线452)，其将第一阶梯上的最内环电极和最外环电极分别连接到控制器或电压供应器上的电压供应端子。其它总线(为了清楚起见而省略)至少将其它阶梯上的最内环电极和最外环电极连接到控制器或其它电压供应器上的其它电压供应端子。对于每个阶梯具有更多环电极的透镜，额外总线还可以连接到中间环电极。如上文所描述，这些总线452在透明绝缘层(未示出)上，所述透明绝缘层在环电极的顶部上且填充环电极之间的间隙。每个总线452通过绝缘层中的孔或通孔连接到对应环电极。

电阻性弧或弯曲电阻桥460连接每个阶梯上的环电极。电阻桥460充当将每个阶梯上的最内环电极连接到每个阶梯上的最外环电极的分压器网络。由总线452施加的电压与电阻桥460的电阻成比例地跨越该电阻桥下降，从而跨越环电极产生电压梯度。此电压梯度在液晶材料中产生对应折射率梯度，从而使透镜具有光学功率。

每个电阻性弧460可形成为电阻性材料的薄的弯曲条带，例如ITO、碳纳米管、银纳米线或导电且光学透射的类似材料，所述条带跨越内环电极与外环电极之间的间隙将内环电极的外边缘上的点与外环电极的内边缘上的点连接。这些点可以在方位上彼此分开(即，在透镜的光轴与圆柱形z轴重合的圆柱形坐标中，电阻性弧的末端(端子)可以具有不同的角度坐标θ)。这种角度分离的范围可以从若干度(例如1°、5°或10°)至360°或更多，对应于遵循电极之间的螺旋路径的电阻性弧。这些电阻性弧被称为“螺旋形”电阻性弧。在图4中，电阻性弧460各自对向90°的角。电阻性弧460在角度上均匀地分布，但其它对角和角度分布是可能的。

电阻性弧的弧长度取决于其末端与电极半径之间的角度分离。通常，电阻性弧460可以横跨从1微米至10cm的任何指定长度。各自具有不同平均半径的若干电阻性弧可以通过短长度的相同电阻性弧材料串联连接。这些短长度可以按几乎任何所需旋转角定向。所得螺旋形电阻性弧可横跨围绕内电极的一个或多个(例如，两个、五个或十个)旋转以提供较高电阻(和较低功率耗散)。通常，其它所有相等时，螺旋形电阻性弧的长度越大，对于给定的弧宽度，其有效电阻越高。换句话说，电阻性弧的长度与宽度的高比率产生较高电阻。

对于包括围绕电极的内半径的单个旋转的螺旋形电阻性弧，其长度上的限制因素为电极的圆周，所述圆周可以是大于弧宽度的若干数量级(也就是说，在沿着弧的任何给定点处垂直于弧的长度和/或方向的共面尺寸)。可通过促进由围绕电极的内半径的后续另外旋转(和/或部分旋转)组成的电阻性弧来进一步增加此长度。最大长度由旋转数目限定，所述旋转数目受电极的宽度和圆周限制。

电极之间的间隙可大致为1.5微米宽，但间隙和/或电阻性弧宽度的范围可在0.1微米至10微米之间，包含其间的任何值和每个值以及子范围(例如0.242、0.50、0.7673、1.0、1.22和1.43微米)。电极、间隙和/或电阻性弧可以经由例如光刻、蚀刻、打印(例如，导电聚合物的打印)、自组装、提离、激光烧蚀和/或薄膜图案的任何其它方法形成。当使用光刻时，其可以涉及接近光刻、接触光刻、投影光刻、干涉光刻、无掩模光刻、电子束光刻和/或另一其它光刻技术。当使用蚀刻时，其可以涉及湿式(基于液体)蚀刻和/或干式(基于等离子体)蚀刻。

每个电阻性弧的电阻可在连接的每个电极之间相等。这可以通过将电阻性弧的长度选择为相同或几乎相同(例如，各自为50微米)而不是保留角度大小(例如，与图4中所示的实例相反，其中90度段用于每个连接)来实现。将电阻性弧设定为均匀长度确保电极之间的均匀电阻。

螺旋形电阻性弧的螺旋形性质可以最大限度地减少透镜对波前的畸变。螺旋形电阻性弧区域中的沿着弧的长度(行进方向)的电压可在两个连接的电极的电压之间变化。因此，弧区域中的折射率可在由弧连接的两个电极区域中的每一者的折射率之间变化，且因此可对波前轮廓造成最小的破坏。形成弧的导电材料的蚀刻区域可经历来自电极和/或电阻性弧的边缘场，这可最大限度地减少破坏。

图5A是沿着光轴观察的视图，其示出(在该放大水平下看起来)适合用于具有阶梯状或分层内部衬底表面的液晶透镜中的多个环状电极3200。环状电极3200(在该放大水平下看起来)基本上由多个基本上环状的非导电间隙3300分开。另外，图5A示出电压供应连接(总线)3700和具有非重叠部分3410(在该视图中部分可见)和重叠部分3420的螺旋形间隙3400。电压供应连接3700将内电极3200连接到电压供应器(未示出)。

图5B是适合用于致动发明性液晶透镜中的一个阶梯上方的液晶的一对导电和/或电阻性相邻电极4110和4120的特写。电极4110和4120基本上由间隙4400分开，所述间隙限定单间隙非重叠部分4410和双间隙重叠部分4420。间隙4400可以可视化为在起始末端4430处开始并在结束末端4440处结束，并且在位置4450处半径突然改变。重叠部分4420限定(弯曲)重叠长度4490。

重叠部分4420的双间隙之间为具有(弯曲)弧长度4590的螺旋形弧4500。弧4500可以由与相邻电极4110和4120相同的材料形成，且因此可以在那些电极之间提供导电和/或电阻性连接，所述导电和/或电阻性连接可以允许电流从电极4110流动通过弧入口4540，沿着弧4500的长度4590，围绕弧拐角4560，并且离开弧出口4550到电极4120，和/或在反向方向上流动。弯曲长度4490越长，弧长度4590越长，且因此螺旋形弧4500提供的电阻越大。同样，重叠部分4420的双间隙越靠近，弧4500越窄，且螺旋形弧4500提供的电阻越大。当间隙4400从非重叠部分4410过渡到重叠部分4420时，所述间隙的半径变化可以是突然的，如间隙拐角4460所示，或者更为渐进的，可能发生在非重叠部分4410的任何所需部分(且直至整个长度)上。同样，弧4500可具有基本上恒定的半径和/或可具有破坏和/或不连续部，例如在弧拐角4560处所示。

图6A是沿着光轴观察的适合用于发明性液晶透镜中的电极5110和5120处的视图。这些电极5110和5120(在该放大水平下看起来)基本上由具有横跨若干转的重叠部分的螺旋形间隙5400分开。

图6B是图6A的区B的特写。此图示出基本上由具有横跨若干转的重叠部分5420的螺旋形间隙5400分开的相邻电极5110和5120。此结构看起来包括三个间隙环5422、5424和5426。间隙5400的重叠部分5420的几何形状至少在垂直于光轴的平面中基本上限定螺旋形弧5500的几何形状。螺旋形弧5500在光轴方向上的几何形状可由电极层5100的深度控制。在此实例中，给定螺旋形弧5500的几何形状，电流可以从电极5110流动通过弧入口5550，沿着第一径向部分5555，围绕第一拐角5560，沿着第一弧部分5562，围绕第二拐角5572，沿着第二径向部分5574，围绕第三拐角5576，沿着第二弧部分5564，围绕第四拐角5582，沿着第三径向部分5584并且离开弧出口5540到电极5120。间隙宽度Wg可以是恒定的或可以沿着间隙5400变化。同样，弧宽度Wa可以是恒定的或沿着弧5500变化。

图7-9示出电阻桥几何形状的额外方面。图7示出基本上由螺旋形间隙7400分开的相邻电极7110和7120，所述螺旋形间隙限定沿着螺旋形弧7500的每个位置处的基本上恒定的弧宽度Wa。相比而言，在图8中，相邻电极8110和8120基本上由具有变化的弧宽度Wa的螺旋形间隙8400分开。图9示出基本上由螺旋形间隙9400分开的电极9110和9120，所述螺旋形间隙的宽度从间隙9400的最内转的相对较薄宽度Wg1变化到间隙9400的最外转的相对较宽宽度Wg2。

透镜电子装置

每个发明性液晶透镜(例如，上文所描述的透镜100、100'、200、200'和300)可包含或耦合到用于致动液晶材料以便改变透镜的焦距的电子装置。控制电子装置提供交流电，例如在1Hz至20kHz的频率以及范围从零伏至500伏的峰-峰振幅下振荡的正弦波或方波。这些电子装置可包含传感器，例如测距仪或倾斜开关，其检测佩戴透镜的人正观察的位置。所述电子装置还可包含无线接口，包含天线和收发器，用于从佩戴者控制和致动的例如遥控钥匙或智能手机等外部装置接收改变焦点的无线命令，且用于将装置信息发送到外部装置。天线可以采用沿着透镜的外边缘或在其附近安置的环形状或环形金属件的形式。

无线接口和任选的传感器耦合到处理器或控制器，例如合适的微处理器或集成电路，其将电压直接施加到环电极或致动将电压施加到环电极的一个或多个电压供应器。处理器、无线接口、任选的传感器和任选的电压由电池、电容器或其它合适的电源供电，所述电源可使用电感或磁共振充电经由天线或另一线圈使用而再充电。包含天线和任选的单独充电线圈的电子装置可以嵌入到透镜的衬底中的一者中或夹在衬底之间。天线和/或任选的单独充电线圈还可以位于一个衬底的表面上或沿着衬底之间的接缝，且经由一个或多个导电迹线连接到电子装置。

结语

尽管已经在本文中描述和示出了各种发明实施例，但本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或本文所述的一个或多个优点的多种其它装置和/或结构，并且此类变化和/或修改中的每个都被认为在本文所述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置均是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于发明示教用于的一个或多个特定应用。本领域的技术人员顶多使用常规实验即可认识到或能够确定本文所描述的特定发明性实施例的许多等同物。

应理解，前述实施例仅借助于实例呈现，并且在所附权利要求书和其等效物的范围内，可以用与具体描述和要求保护的不同的方式来实践发明性实施例。本公开的发明实施例涉及本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。另外，两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法(如果此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并非互不一致)的任何组合包含在本公开的发明性范围内。

而且，各种发明概念可以体现为一种或多种方法，已经提供了其示例。作为方法的一部分执行的动作可以用任何合适的方式排序。因此，可以构造按不同于所说明的次序执行动作的实施例，其可以包含同时执行一些动作，即使在说明性实施例中展示为依序的动作也是如此。

应理解，如本文中定义和使用的所有定义都优先于字典定义、以引用的方式并入的文档中的定义和/或定义的术语的普通含义。

如本文在说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一”除非明确相反指示，否则应理解为意味着“至少一个”。

如本文在说明书和权利要求书中所用，短语“和/或”应理解为意指如此结合的要素中的“任一个或两个”，即，要素在一些情况下结合存在并且在其它情况下分开存在。用“和/或”列出的多个要素应以相同方式解释，即，要素中的“一个或多个”如此结合。除了由“和/或”子句具体指出的元件之外，还可以任选地存在其它元件，无论与具体指出的那些元件相关还是无关。因此，作为非限制性实例，当结合开放式语言(例如“包括”)使用时，提及“A和/或B”在一个实施例中可以仅指A(任选地包含除B之外的元素)；在另一个实施例中仅指B(任选地包含除A之外的元素)；在又一个实施例中，兼指A和B(任选地包含其它元素)；等等。

如本文在本说明书和权利要求书中所用，“或”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。举例来说，当在列表中分隔多个项目时，“或”或“和/或”将解释为包含性的，即，包含至少一个，但也包含数个要素或要素列表中的一个以上要素和任选地额外未列出的项目。只有明确相反指示的术语，如“仅仅……中的一个”或“恰好……中的一个”或当在权利要求书中使用时“由……组成”将指的是包括多个元件或元件列表中的恰好一个元件。一般来说，如本文中所用的术语“或”当前面是例如“任一”、“……中的一个”、“仅……中的一个”或“恰好……中的一个”等排它性术语时，仅应解释为指示排它性替代方案(即，“一个或另一个但并非两者”)。“基本上由……组成”当在权利要求书中使用时，应具有如其在专利法领域中所用的普通含义。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或多个元件的列表时，短语“至少一个”应理解为指选自所述元件列表中的任何一个或多个元件的至少一个元件，但不一定包含元件列表中具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。此定义还允许除了元素列表内具体识别的短语“至少一个”所指的元素之外的元素可任选地存在，无论其是否与具体识别的那些元素相关。因此，作为非限制性实例，在一个实施例中，“A和B中的至少一个”(或，等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以指代至少一个，任选地包含多于一个A，而不存在B(并且任选地包含除了B之外的元件)；在另一实施例中，可以指代至少一个，任选地包含多于一个B，而不存在A(并且任选地包含除了A之外的元件)；在又一实施例中，可以指代至少一个，任选地包含多于一个A，和至少一个、任选地包含多于一个B(并且任选地包含其它元件)；等。

在权利要求书中以及在上述说明书中，例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”、“由……组成”等所有连接词应理解为是开放的，即，意指包含但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，只有过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”才应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。

Claims (30)

1.一种电活性透镜，其包括：

第一衬底，其具有均匀表面；

第二衬底，其具有与所述均匀表面相对的阶梯状表面，所述阶梯状表面至少具有第一阶梯和第二阶梯，所述第一阶梯与所述均匀表面分开第一距离，所述第二阶梯比所述第一阶梯更远离所述电活性透镜的光轴且与所述均匀表面分开第二距离，所述第二距离大于所述第一距离；

液晶材料，其安置在所述均匀表面与所述阶梯状表面之间；

接地电极，其安置在所述均匀表面或所述阶梯状表面中的一者上；以及

多个环电极，其安置在所述均匀表面或所述阶梯状表面中的另一者上，用于在所述液晶材料上施加电压，所述多个环电极包括用于所述第一阶梯的至少两个环电极和用于所述第二阶梯的至少两个环电极。

2.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述均匀表面是平面表面。

3.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述均匀表面是弯曲表面。

4.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述阶梯状表面由与所述电活性透镜的光轴同心的不同直径的堆叠圆柱体形成。

5.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述第一阶梯比所述第二阶梯高某一高度，所述高度被选择为提供等于所述电活性透镜的设计波长下的整数个波的光程距离。

6.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述第一阶梯具有与所述均匀表面相对且以所述电活性透镜的光轴为中心的圆形面，并且所述第二阶梯具有与所述圆形面同心且与所述均匀表面相对的环形面。

7.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中所述接地电极安置在所述阶梯状表面上，并且所述多个环电极安置在所述均匀表面上，其中用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极与所述圆形面相对，并且用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极与所述环形面相对。

8.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中所述接地电极安置在所述均匀表面上，并且所述多个环电极安置在所述阶梯状表面下方，其中用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极在所述圆形面下方，并且用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极在所述环形面下方。

9.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中所述接地电极安置在所述均匀表面上，并且所述多个环电极安置在所述阶梯状表面上，其中用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极在所述圆形面上，并且用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极在所述环形面上。

10.根据权利要求9所述的电活性透镜，其进一步包括：

总线，其安置在连接所述圆形面和所述环形面的圆柱形面上，以将用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极中的至少一者连接到电压供应器。

11.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极包含具有第一直径和第一宽度的第一电极，并且用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极包含具有大于所述第一直径的第二直径和大于所述第一宽度的第二宽度的第二电极。

12.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述多个环电极包括用于所述第一阶梯的至少十个环电极和用于所述第二阶梯的至少十个环电极。

13.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极中的每一者具有第一面积，并且用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极中的每一者具有大于所述第一面积的第二面积。

14.根据权利要求1所述的电活性透镜，其进一步包括：

第一电阻桥，其连接用于所述第一阶梯的所述至少两个环电极中的两者；以及

第二电阻桥，其连接用于所述第二阶梯的所述至少两个环电极中的两者。

15.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中所述电活性透镜进一步包括：

第一间隔护条，其在所述第一阶梯与所述均匀表面之间具有第一直径；以及

第二间隔护条，其在所述第二阶梯与所述均匀表面之间具有大于所述第一直径的第二直径。

16.一种用电活性透镜聚焦光的方法，所述电活性透镜包括：第一衬底，其具有均匀表面；第二衬底，其具有与所述均匀表面相对的阶梯状表面且至少具有第一阶梯和第二阶梯，所述第一阶梯与所述均匀表面分开第一距离，所述第二阶梯比所述第一阶梯更远离所述电活性透镜的光轴且与所述均匀表面分开第二距离，所述第二距离大于所述第一距离；液晶材料，其安置在所述均匀表面与所述阶梯状表面之间；以及多个环电极，所述方法包括：

用施加到所述多个环电极中的至少两个内环电极的电压致动所述液晶材料的在所述第一阶梯与所述均匀表面之间的第一部分；以及

用施加到所述多个环电极中的至少两个外环电极的电压致动所述液晶材料的在所述第二阶梯与所述均匀表面之间的第二部分。

17.一种电活性透镜，其包括：

第一衬底，其具有均匀表面；

第二衬底，其具有与所述均匀表面相对的阶梯状表面，所述阶梯状表面至少具有第一阶梯和第二阶梯，其中所述第一阶梯与所述第二阶梯之间的高度差被选择为提供等于所述电活性透镜的设计波长下的整数个波长的光程长度；

液晶材料，其安置在所述均匀表面与所述阶梯状表面之间，所述液晶材料的厚度随着与所述电活性透镜的光轴的距离的增加而增加；

接地电极，其安置在所述阶梯状表面上；以及

多个环电极，其安置在所述均匀表面上，用于在所述液晶材料上施加电压，所述多个环电极包括与所述第一阶梯相对的至少十个环电极和与所述第二阶梯相对的至少十个环电极。

18.根据权利要求17所述的电活性透镜，其中与所述第一阶梯相对的所述至少十个环电极包含具有第一直径和第一宽度的第一电极，并且用于所述第二阶梯的所述至少十个环电极包含具有大于所述第一直径的第二直径和大于所述第一宽度的第二宽度的第二电极。

19.根据权利要求17所述的电活性透镜，其中用于所述第一阶梯的所述至少十个环电极中的每一者具有第一面积，并且用于所述第二阶梯的所述至少十个环电极中的每一者具有大于所述第一面积的第二面积。

20.根据权利要求17所述的电活性透镜，其中所述多个环电极包括用于所述第一阶梯的至少一百个环电极和用于所述第二阶梯的至少一百个环电极。

21.根据权利要求17所述的电活性透镜，其进一步包括：

第一电阻桥，其连接与所述第一阶梯相对的所述至少十个环电极中的两者；以及

第二电阻桥，其连接与所述第二阶梯相对的所述至少十个环电极中的两者。

22.一种电活性透镜，其包括：

第一衬底，其具有均匀表面；

第二衬底，其具有与所述均匀表面相对的阶梯状表面，所述阶梯状表面至少具有第一阶梯和第二阶梯，所述第二阶梯比所述第一阶梯更远离所述电活性透镜的光轴；

液晶材料，其安置在所述均匀表面与所述阶梯状表面之间，所述液晶材料的第一厚度在所述均匀表面与所述阶梯状表面的第一阶梯之间，所述液晶材料的第二厚度在所述均匀表面与所述阶梯状表面的第二阶梯之间，所述第二厚度大于所述第一厚度；

接地电极，其安置在所述阶梯状表面上；

多个第一环电极，其安置在与所述第一阶梯相对的所述均匀表面上，用于在所述液晶材料上施加第一电压，所述多个第一环电极中的每个第一环电极具有第一面积；以及

多个第二环电极，其安置在与所述第二阶梯相对的所述均匀表面上，用于在所述液晶材料上施加第二电压，所述多个第二环电极中的每个第二环电极具有大于所述第一面积的第二面积。

23.根据权利要求22所述的电活性透镜，其中所述多个第一环电极包括至少一百个第一环电极，并且所述多个第二环电极包括至少一百个第二环电极。

24.根据权利要求22所述的电活性透镜，其进一步包括：

第一电阻桥，其连接所述多个第一环电极中的两个第一环电极；以及

第二电阻桥，其连接所述多个第二环电极中的两个第二环电极。

25.一种电活性透镜，其包括：

第一衬底，其具有弯曲表面；

第二衬底，其具有与所述弯曲表面相对的阶梯状表面，所述阶梯状表面至少具有第一阶梯和第二阶梯，所述第二阶梯比所述第一阶梯更远离所述电活性透镜的光轴；

液晶材料，其安置在所述弯曲表面与所述阶梯状表面之间，所述液晶材料的第一厚度在所述弯曲表面与所述阶梯状表面的第一阶梯之间，所述液晶材料的第二厚度在所述弯曲表面与所述阶梯状表面的第二阶梯之间，所述第二厚度大于所述第一厚度；

接地电极，其安置在所述阶梯状表面上；以及

多个环电极，其安置在所述弯曲表面上，用于在所述液晶材料上施加电压，所述多个环电极包括与所述第一阶梯相对的至少十个环电极和与所述第二阶梯相对的至少十个环电极。

26.根据权利要求25所述的电活性透镜，其中所述第一阶梯与所述第二阶梯之间存在高度差，所述高度差被选择为提供等于所述电活性透镜的设计波长下的整数个波长的光程长度。

27.根据权利要求25所述的电活性透镜，其中与所述第一阶梯相对的所述至少十个环电极包含具有第一直径和第一宽度的第一电极，并且与所述第二阶梯相对的所述至少十个环电极包含具有大于所述第一直径的第二直径和大于所述第一宽度的第二宽度的第二电极。

28.根据权利要求25所述的电活性透镜，其中与所述第一阶梯相对的所述至少十个环电极中的每一者具有第一面积，并且与所述第二阶梯相对的所述至少十个环电极中的每一者具有大于所述第一面积的第二面积。

29.根据权利要求25所述的电活性透镜，其中所述多个环电极包括与所述第一阶梯相对的至少一百个环电极和与所述第二阶梯相对的至少一百个环电极。

30.根据权利要求25所述的电活性透镜，其进一步包括：

第一电阻桥，其连接与所述第一阶梯相对的所述至少十个环电极中的两者；以及

第二电阻桥，其连接与所述第二阶梯相对的所述至少十个环电极中的两者。