ES2971467T3 - Lente sintonizable independiente de la polarización y método de fabricación de la misma - Google Patents

Abstract

1. Un dispositivo óptico que comprende: - una primera capa de electrodo; - una segunda capa de electrodo proporcionada a una distancia de la primera capa de electrodo; - siendo la primera y segunda capas de electrodos transmisoras de luz; en el que el dispositivo óptico comprende además, entre la primera y la segunda capas de electrodos: o un elemento óptico difractivo adyacente a la primera capa de electrodos y que comprende al menos una superficie inclinada; y o un material cristalino líquido que llena un espacio entre la superficie inclinada y la segunda capa de electrodo; teniendo el material cristalino líquido una preinclinación que compensa un ángulo de pendiente de al menos una superficie inclinada. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Lente sintonizable independiente de la polarización y método de fabricación de la misma

Campo de la invención

La presente descripción se refiere a dispositivos ópticos, en particular a dispositivos ópticos que comprenden un líquido.

Antecedentes de la invención

La presbicia es un trastorno bien conocido en donde el ojo pierde su capacidad para enfocar a corta distancia y que afecta a más de 2 mil millones de pacientes en todo el mundo. Las soluciones clásicas incluyen lentes pasivas tales como gafas de lectura, lentes progresivas o lentes de contacto multifocales. Sin embargo, estas lentes pasivas suelen tolerar un campo de visión limitado, un contraste reducido o tiempos de adaptación prolongados.

Por lo tanto, las lentes reenfocables, donde la longitud focal de, una parte de, la lente puede cambiarse han atraído mucha atención en este campo, ya que eliminarían muchos de los problemas conocidos. Aunque existen algunas soluciones optomecánicas, se prefieren las soluciones electroópticas ya que son más fáciles de reconfigurar, tienen un tiempo de respuesta más rápido y son mecánicamente más robustas. La mayoría de las soluciones electroópticas requieren una cavidad llena de uno o más líquidos y generalmente utilizan una implementación basada en cristal líquido. Si bien la tecnología de pantalla de cristal líquido es muy madura, ha resultado difícil hallar una forma de integrar una lente de cristal líquido reenfocable en lentes oftálmicas, principalmente debido a la forma de menisco, que generalmente tienen las lentes oftálmicas.

Por ejemplo, las lentes de cristal líquido reenfocables existentes se describen en el documento US 7.728.949. Esta patente describe lentes que consisten en dos mitades de lente de plástico: una primera mitad de lente curva con una estructura óptica difractiva/refractiva y una segunda mitad de lente. En ambas mitades de la lente se depositan electrodos transparentes. Las mitades de la lente se pegan juntas a través de toda la superficie, excepto en el área de la estructura óptica, con un adhesivo curable por UV. En la ubicación de la estructura óptica, un material cristalino líquido llena el espacio entre ambas mitades de la lente. En el estado apagado, el cristal líquido tiene el mismo índice de refracción que el sustrato plástico de las mitades de la lente. Luego oculta la estructura difractiva/refractiva y no hay acción de la lente. Al aplicar un campo eléctrico entre las mitades de la lente, el índice de refracción del material cristalino líquido se modula y se vuelve diferente de la estructura óptica difractiva/refractiva subyacente, lo que conduce a la acción de la lente.

El enfoque anterior, donde la lente de cristal líquido se fabrica directamente sobre dos mitades de la lente relativamente gruesas (>1 mm) tiene una serie de desventajas. Es muy difícil fabricar en gran volumen porque una deposición conforme de la capa de electrodo sobre la superficie curva de la estructura óptica difractiva/refractiva es difícil de realizar y puede conducir a un problema de fiabilidad. Obtener un sello rentable y estéticamente limpio usando un proceso de llenado de una gota de última generación es difícil de realizar en lentes ultradelgadas, lo que impide la producción de alto volumen de este enfoque. La estructura óptica difractiva/refractiva puede tener una superficie plana, pero esto limita el diámetro máximo en diseños típicos de lentes delgadas donde la lente plana necesita integrarse de alguna manera entre las superficies anterior y posterior curvadas. La estructura óptica difractiva/refractiva puede curvarse, pero luego el cristal líquido puede derramarse durante el proceso, lo que conduce a la contaminación de las superficies y mala adhesión del pegamento. El llenado de la cavidad después de la adhesión es otra opción pero puede dejar visible el canal, a través del cual se llena la lente y compromete la estética de la lente. Se ha de fabricar cada preforma de lente por separado, lo que limita el rendimiento.

Como se observa en el documento US7728949, es un requisito que la lente electroactiva sea insensible a la polarización de la luz que debe enfocar. Sin embargo, esto se complica por el hecho de que la mayoría de los materiales cristalinos líquidos son birrefringentes y, como tales, sensibles a la polarización. Se sabe de dos soluciones básicas: una necesita usar una estructura de lente de múltiples capas con cristales líquidos nemáticos, p. ej., dos capas con alineación ortogonal para ambas polarizaciones, o bien usar una sola capa combinada con un cristal líquido colestérico, como se propone en el documento US7728949. El enfoque hace que sea realmente difícil crear una estructura de lente multicapa, forzando el uso del cristal líquido colestérico para construir una lente independiente de polarización con solo una capa. Sin embargo, es conocido por los expertos en el estado de la técnica que es muy difícil controlar la turbidez de las capas colestéricas, particularmente capas gruesas, debido a las líneas de desremachado y la gran energía interna de las capas colestéricas. Para evitar la turbidez de los cristales líquidos colestéricos, se tiene que reducir el grosor de la capa de cristal líquido, pero esto limita la altura del trazado forzando el uso de un paso más corto de los broches en la estructura óptica difractiva/refractiva, aumentando así las aberraciones cromáticas.

Un ejemplo de una estructura de lente con cristales nemáticos se conoce a partir del documento US2013/0128334A1. La lente comprende material cristalino líquido entre una estructura de lente de Fresnel y un sustrato superior. Las capas de electrodos debajo de la estructura de lente de Fresnel y en el sustrato superior. Asimismo, hay capas de alineación presentes en el sustrato superior (cubriendo la capa de electrodo y enfrentándose al material cristalino líquido) y en la estructura de lente de Fresnel. La capa de alineación se construye normalmente a partir de un material de poliimida y se trata previamente para obtener una dirección de alineación, tal como mediante frotamiento. Cuando los cristales líquidos entran en contacto con la capa de alineación, las moléculas se encuentran preferiblemente en el plano del sustrato y alineadas en la dirección de alineación. Como se especifica en relación con la Figura 6, las moléculas cristalinas líquidas están alineadas en la dirección azimutal, es decir, paralelas a la capa de alineación. La dirección de alineación también se indica como preinclinación. Cuando se aplica un campo eléctrico suficientemente fuerte sobre la lente, las moléculas cristalinas líquidas se orientarán perpendicularmente a la capa de alineación. La alineación de las moléculas determina el índice de refracción global del material y con ello la visibilidad. Esto permite ajustar la visibilidad de la lente. Si es invisible, la fuerza dióptica general será diferente a la del caso en donde la lente es visible. Se observa que la estructura conocida a partir del documento US2013/0128334A1 comprende un denominado frente de onda variable (que incluye la estructura de lente mencionada anteriormente) y un componente de compensación de fase que está destinado a corregir las discontinuidades de fase entre las porciones de frente de onda.

Como se ha dicho, las lentes multicapa que usan cristales líquidos planos en estado apagado pueden dar como resultado una lente independiente de polarización con menos turbidez, pero el enfoque propuesto conducirá a lentes con un grosor grande y muchos problemas de manipulación. En particular, cuando se define un dispositivo óptico de manera que los cristales líquidos se encuentran en la dirección plana cuando el dispositivo está apagado, se desea que la estructura de lente de Fresnel tenga un índice de refracción sustancialmente igual al de las moléculas en la dirección plana. Normalmente es aproximadamente 1,7, mientras que el índice de refracción en la dirección paralela es aproximadamente 1,5. Cuando se desea fabricar una lente independiente de la polarización basada en dos estructuras de lentes apiladas dispuestas en direcciones ortogonales, los inventores han observado en investigaciones que condujeron a la presente invención, que es bastante difícil evitar la generación de imágenes fantasma. El uso de cristales líquidos homeotrópicos que están dispuestos en una dirección perpendicular a la dirección de alineación podría ser una opción. Sin embargo, esto es problemático porque la superficie de la estructura de Fresnel no es plana. Como consecuencia, las moléculas cristalinas líquidas que se alinean perpendicularmente a la superficie de lente de Fresnel obtienen una variedad de orientaciones.

Sumario de la invención

Por lo tanto, existe la necesidad de un dispositivo óptico con perfil de fase eléctricamente sintonizable, por ejemplo, un cambio de longitud focal, por lo que este dispositivo puede fabricarse en masa con propiedades ópticas fiables.

Existe además una necesidad de una lente sintonizable independiente de la polarización que comprenda una pila de un primer dispositivo óptico y un segundo dispositivo óptico, en donde la transición entre un primer estado y un segundo estado de enfoque diferente se pueda lograr bien y en donde se evite la aparición de imágenes dobles o al menos se suprima considerablemente.

También existe la necesidad de una lente para gafas que comprenda dicha lente sintonizable independiente de la polarización.

Existe además la necesidad de un método de fabricar dicho dispositivo óptico, y/o una pila de un primer y un segundo dispositivo óptico comprendidos en una lente sintonizable independiente de la polarización.

Según un primer aspecto, la invención se refiere a una lente sintonizable independiente de la polarización según la reivindicación independiente 1 adjunta. Las realizaciones preferidas de dicha lente sintonizable independiente de la polarización se definen en las reivindicaciones dependientes 2 a 8 adjuntas.

Según un aspecto adicional, se proporciona una lente para gafas que comprende la lente sintonizable de la invención, como se define en la reivindicación dependiente adjunta 9.

Según otro aspecto adicional, se proporciona un método para fabricar una lente sintonizable independiente de la polarización según la reivindicación adjunta 10. Una realización preferida de dicho método se define en la reivindicación dependiente adjunta 11.

Los inventores de la presente invención han observado que el uso de material cristalino líquido homeotrópico es factible para conseguir una lente sintonizable independiente de la polarización, a pesar de las superficies inclinadas de la estructura de lente de Fresnel sobre la que se aplica el material cristalino líquido. Para evitar artefactos, se puede aplicar una preinclinación. Sin embargo, una simple preinclinación no impide que se generen imágenes dobles. Estas imágenes dobles son causadas por disclinaciones, es decir, la orientación de las moléculas de LC - con sus dipolos inherentes - en una dirección no deseada. Generalmente esto conduce a que las moléculas de LC no estén alineadas localmente en la dirección de alineación, sino que se doblen en la dirección opuesta. Además, una desviación en el estado encendido puede considerarse como una torsión local a través del cristal líquido desde la primera capa de alineación hacia la siguiente, en donde la orientación efectiva paralela a la primera capa de electrodo cambia con la distancia a la primera capa de alineación: una rotación ocurre. Sin embargo, cuando se aplica una preinclinación que es mayor que el ángulo de pendiente de la superficie inclinada (en donde está presente una molécula de LC), y además de tal manera que el ángulo transversal proyectado con respecto a la dirección de alineación no es demasiado grande, entonces el problema se suprime de forma suficiente. Cualquier disclinación que todavía se produzca se encuentra fuera del centro y más bien hacia el borde. Además, cuando se apilan dos dispositivos ópticos idénticos para llegar a una lente sintonizable independiente de la polarización, el riesgo de que dicha disclinación en un dispositivo óptico sea amplificada por el otro dispositivo óptico se vuelve bastante pequeño.

Compensando el ángulo de pendiente de al menos una superficie inclinada en la dirección de alineación, se evita la mayoría de dichas inclinaciones. Las moléculas de LC tienden a orientarse en una dirección de alineación predeterminada ya que la pendiente está compensada. Esto disminuye significativamente las fallas ópticas y mejora la confiabilidad óptica del dispositivo. Se observa para mayor claridad que al menos una superficie inclinada está inclinada con respecto a al menos la primera capa de electrodo. Para una superficie inclinada esférica, el ángulo de pendiente será mayor en el borde con la primera capa de electrodo. El ángulo de inclinación se define con respecto a la normal de una ubicación de una molécula de LC en la superficie inclinada, y es un ángulo de inclinación aplicado debido al tratamiento previo de la capa de alineación. La orientación de una molécula cristalina líquida normal a la primera capa de electrodo también se especifica como el ángulo p de inclinación absoluto, y es la combinación del ángulo de pendiente y el ángulo a de preinclinación aplicado. Una proyección del ángulo p de inclinación absoluto sobre la primera capa de electrodo incluye un ángulo transversal 0 con respecto a la dirección de alineación inferior a 60 grados. Dado que la preinclinación se define en la dirección de alineación, el ángulo de pendiente también se define en la dirección de alineación. Como se entenderá con referencia a las figuras, el ángulo transversal 0 inferior a 60 grados con respecto a la dirección de alineación tiene, por tanto, un valor entre -60 y 60 grados.

Preferiblemente, dicha preinclinación compensa la pendiente eligiendo la preinclinación de manera que las proyecciones sobre la primera capa de electrodo de las moléculas en el material cristalino líquido queden dentro de un intervalo de 45 grados desde la dirección de alineación, más preferiblemente dentro de un intervalo de 30 grados desde la dirección de alineación. Dichos intervalos definen ángulos absolutos, por lo tanto, el intervalo de hasta 60 grados va de -60 a 60 grados con respecto a la dirección de alineación. Más preferiblemente, este último se mide en un estado apagado del dispositivo óptico. Esto significa que cuando las moléculas de LC se alinean verticalmente, su vector muestra un componente vertical, así como un componente en la dirección de alineación y un componente perpendicular a la dirección de alineación. Este componente en la dirección de alineación es, al menos en una realización preferida, mayor que el componente perpendicular de modo que una proyección de las moléculas quede dentro del intervalo mencionado anteriormente desde la dirección de alineación.

La dirección de alineación define la orientación prevista de la mayoría de las moléculas al activar un campo eléctrico. Sin embargo, el hecho de que las moléculas se orienten en esta dirección está relacionado con su orientación con respecto a las capas de electrodos. Por lo tanto, cuando se hace una proyección de las moléculas sobre la primera capa de electrodo, se puede determinar que las moléculas se orientan en la dirección deseada cuando la proyección se encuentra dentro del intervalo mencionado anteriormente desde la dirección de alineación. Cuando se cumple esta condición, las moléculas tenderán a orientarse en la dirección de alineación cuando se active el campo. Esto proporciona una reacción predecible y, por tanto, fiable de las moléculas para que se puedan alcanzar los efectos ópticos deseados.

En una realización preferida, a las moléculas de LC en dicha superficie inclinada única se les da una preinclinación uniforme. Se observa que la superficie inclinada en el centro de la estructura de lente de Fresnel puede tener un ángulo de pendiente menor (máximo) que cualquiera de las superficies inclinadas angulares circunferenciales a la misma. Por lo tanto, el ángulo de preinclinación puede ser mayor para tales superficies inclinadas angulares que para el centro. Aún así, en una realización adicional, la preinclinación es sustancialmente uniforme sobre el dispositivo óptico. Proporcionar un ángulo de preinclinación sustancialmente constante es bastante fácil de realizar y controlar. Se observa que dicho ángulo de pendiente se mide en un plano que comprende la dirección de alineación y una dirección perpendicular a la primera capa de electrodo.

Alternativamente, es posible ajustar selectivamente los ángulos de preinclinación dependiendo de la posición en el dispositivo óptico (p. ej., usando un material fotosensible). En una realización adicional, se puede garantizar que el ángulo de inclinación absoluto (la orientación de las moléculas de LC con respecto a la primera capa plana de electrodo) sea el mismo en todo el dispositivo dentro de un margen de tolerancia. Para alterar la preinclinación, se puede, por ejemplo, aumentar la intensidad con la que se frota la superficie (Stohr y col., “ Microscopic Origin of Liquid Crystal Alignment on Rubbed Polymer Surfaces” ) o usar materiales de alineación fotosensibles (Yaroshchuk y col., “ Photoalignment of liquid crystals: basics and current trends” ).

El experto se dará cuenta de que cuando se proporcionan estructuras difractivas de tipo Fresnel como en la invención, las superficies inclinadas se alternan con superficies de conexión que interconectan superficies inclinadas adyacentes. Las superficies de conexión están orientadas sustancialmente perpendiculares a las superficies inclinadas o sustancialmente perpendiculares a las capas de electrodos. Como tal, dicha superficie de conexión constituye con la superficie de conexión una estructura vertical conocida como incendio.

Cuando una capa de alineación se extiende sobre tales superficies de conexión y se trata previamente para proporcionar una preindinación a las moléculas de LC, las moléculas de LC pueden obtener una orientación en el estado apagado sustancialmente paralela a la primera capa de electrodo. El efecto presente se considera de influencia menor. Sin embargo, en una realización ventajosa, la primera capa de alineación se puede aplicar según un patrón predefinido, de modo que dichas superficies de conexión hasta la punta del trazado permanezcan libres de la capa de alineación. La aplicación con patrón de la primera capa de alineación, normalmente basada en poliimida, se puede efectuar mediante impresión por chorro de tinta, serigrafía, el uso de una máscara fotolitográfica (ya sea antes o después de la aplicación de una capa de poliimida) y/o el recubrimiento con una capa de poliimida fotosensible y posterior irradiación (con UV) y eliminación de las porciones no curadas de la capa.

En otra realización, la capa de alineación sobre una superficie inclinada está segmentada en al menos un segmento interno y segmentos externos, estando alineados dichos segmentos con dicha dirección de alineación, en donde los segmentos externos tienen un ángulo a de preinclinación superior al de al menos un segmento interno. En esta realización más específica, no sólo la capa de alineación se trata previamente de manera diferente en los diferentes segmentos, sino que se aplican capas de alineación separadas.

Preferiblemente, se proporcionan múltiples separadores encima del elemento óptico difractivo entre la superficie inclinada y la segunda capa de electrodo. Los separadores mantienen las capas a una distancia predeterminada entre sí permitiendo que las capas se extiendan sustancialmente paralelas. Los separadores están adecuadamente divididos sobre el área de la superficie para proporcionar estabilidad mecánica sin alterar el rendimiento óptico.

En una realización, el segundo dispositivo óptico de la lente sintonizable independiente de la polarización es un polarizador. La lente sintonizable resultante se puede utilizar en gafas de sol. Para ello, se monta adecuadamente sobre unas gafas de sol convencionales sin polarizador, gafas de sol que opcionalmente están provistas de un poder dióptrico. El polarizador se proporcionará en una dirección tal que tenga en cuenta la segunda dirección de polarización ortogonal de la luz visible, como bien conoce el experto.

En otra realización preferida, el segundo dispositivo óptico es otra lente, que influye en la polarización de la luz en la segunda dirección ortogonal, con respecto al primer dispositivo óptico. Más preferiblemente, el segundo dispositivo óptico corresponde al primer dispositivo óptico porque comprende una combinación de una estructura de lente de Fresnel, una primera capa de alineación, material cristalino líquido y una capa de alineación adicional entre una primera y una segunda capa de electrodo. Dicha lente sintonizable independiente de la polarización debe ensamblarse en sí misma nuevamente en gafas, preferiblemente entre una primera y una segunda lente para gafas con cualquier poder dióptrico adecuada. Una ventaja de la presente lente sintonizable es que se puede configurar para que sea invisible (poder dióptrico cero) en el estado apagado, ya que los materiales que coinciden con el índice de refracción de los cristales líquidos en el estado apagado (normalmente 1,5) están generalmente disponibles. Por tanto, sólo se utiliza electricidad cuando se usa activamente la lente (es decir, al enfocar la lente).

Incluso en una implementación adicional, se prefiere que dichos dispositivos ópticos primero y segundo sean sustancial o totalmente idénticos. Esto facilita la fabricación. Además, se considera preferible que los dispositivos ópticos primero y segundo estén ensamblados en una orientación invertida, de modo que los segundos electrodos estén más cerca entre sí que los primeros electrodos; dicho de otro modo, los primeros electrodos están más bien en el exterior del conjunto, en donde los segundos electrodos están en el interior del conjunto. Se ha descubierto que esto da como resultado el mejor rendimiento cuando se utiliza material cristalino líquido homeotrópico.

Particularmente en vista de la integración deseada en las gafas, se prefiere que la lente definida por la estructura de lente de Fresnel tenga un diámetro de 15 a 35 mm, tal como de 20 a 30 mm. Esta es una lente bastante amplia. El problema que condujo a la presente invención se observó particularmente en relación con lentes con dicho diámetro. También estará disponible en diámetros mayores, pero es posible que las imágenes dobles no se supriman lo suficiente.

Preferiblemente, la primera capa de electrodo se extiende sustancialmente paralela a la segunda capa de electrodo. Esto es preferible para conseguir un dispositivo estable en donde la distancia entre los electrodos y, por tanto, la intensidad del campo sea la misma en toda la anchura. Además, dicha extensión paralela se puede lograr aplicando cada uno de los electrodos primero y segundo sobre un sustrato, y posteriormente se ensamblan entre sí los sustratos con capas de electrodos y cualesquiera capas adicionales (tales como la estructura de lente de Fresnel y las capas de alineación).

En otra implementación adicional, se proporcionan múltiples separadores entre las superficies inclinadas y la segunda capa de electrodo. Los múltiples separadores están adecuadamente distribuidos para no perturbar el rendimiento óptico. El poder dióptrico de la lente sintonizable independiente de la polarización está adecuadamente en el intervalo entre 0 y 4, preferiblemente entre 0,5 y 3,0, tal como entre 1,0 y 2,5.

Las estructuras de lentes de Fresnel utilizadas pueden ser de varios órdenes, como sabe el experto, en donde la altura de la estructura de lentes de Fresnel aumenta con el orden. Un orden más alto proporciona una mejor calidad óptica, pero cambia más lentamente. Además, parece que los problemas con las imágenes dobles son más pronunciados para las lentes de orden superior que para las de orden inferior. Se han fabricado lentes de tercer orden y lentes de sexto orden. Para fabricar la lente sintonizable independiente de la polarización, se realizan las etapas definidas en la reivindicación 10 adjunta.

En aras de la claridad, se observa que se desea un tratamiento previo de la capa de alineación adicional de modo que las moléculas de LC estén orientadas en la orientación deseada en el lado superior y en el lado inferior del espacio en donde está presente el material de LC. No es necesario que el ángulo de preinclinación resultante aplicado a la capa de alineación adicional sea igual al aplicado a la primera capa de alineación. Cuando la segunda capa de electrodo es plana, que es la situación preferida, el ángulo de preinclinación de la capa de alineación adicional puede ser menor que el de la primera capa de alineación. De manera adecuada, el ángulo de preinclinación en la primera capa de alineación está en el intervalo de 4-8 grados, tal como de 5-7 grados, por ejemplo aproximadamente 6 grados. Para mayor claridad, se observa que la dirección antiparalela de la preinclinación de la capa de alineación adicional pretende referirse a la situación en el dispositivo generado.

En una implementación preferida, dicho método incluye las etapas definidas en la reivindicación 11 adjunta. En otro ejemplo que no entra dentro de la invención reivindicada, se puede aplicar una primera capa de alineación según un patrón predeterminado correspondiente a un primer segmento y se puede aplicar una segunda capa de alineación según un patrón predeterminado correspondiente a un segundo segmento, teniendo dicha primera y segunda capa de alineación un ángulo (a) de preinclinación distinto. La primera y segunda capa de alineación pueden comprender aquí material fotosensible, que se trata mediante irradiación para definir los ángulos de preinclinación. Por ejemplo, el dopaje de una poliimida con nanopartículas oligoméricas poliédricas de silsesquioxano se puede usar para generar materiales con un ángulo de preinclinación diferente dependiendo de la concentración de las nanopartículas, como lo describe S-C Jeng y col., “ Controlling the alignment of polyimide for liquid crystal devices” Capítulo 5 en Polímeros de Alto Rendimiento - a base de poliimida - de la química a las aplicaciones (INTECH, 2012), páginas 87-104, esp 88-89 y 95. Como alternativa o adicionalmente, se puede aplicar una primera capa de alineación, que comprende un material fotosensible, y en donde dichos segmentos se proporcionan mediante tratamiento de dicho material fotosensible, en donde el tratamiento para al menos un primero y un segundo de dichos segmentos es diferente, a fin de proporcionar ángulos de preinclinación mutuamente diferentes y/o direcciones de alineación mutuamente diferentes.

Si bien esta tecnología es en sí conocida, la aplicación en el contexto de las estructuras de lentes Fresnel para prevenir o reducir el problema de imágenes dobles no se conoce ni se aborda en la técnica anterior.

Nuevamente, en una realización adicional, cada una de las superficies inclinadas angulares se extiende desde un trazado que sobresale de la primera capa de electrodo, teniendo además dicho trazado una pared lateral que se extiende sustancialmente transversal a la primera capa de electrodo (8), en donde la primera capa de alineación se proporciona según un patrón predefinido de manera que las paredes laterales de los trazados se mantengan libres y permanezcan sin capa de alineación.

La invención se refiere además a una lente sintonizable independiente de la polarización como se define en la reivindicación adjunta 1. El dispositivo óptico de este aspecto puede fabricarse con el método de la reivindicación adjunta 10 y permite la reducción de problemas de imagen doble cuando se aplica en una lente sintonizable independiente de la polarización. En una realización adecuada, la lente sintonizable independiente de la polarización es curva. Preferiblemente, el conjunto del primer y segundo dispositivo óptico se trata para aplicar una curvatura predefinida. Más preferiblemente, dicha curvatura predefinida coincide con la curvatura de las gafas de una gafa en donde se va a integrar la lente sintonizable independiente de la polarización, ya sea mediante fijación a un lado de dicha gafa o, más preferiblemente, mediante integración entre dos mitades de lente de dicha gafa. Se ha descubierto que la aplicación de curvatura no tiene un impacto negativo en las propiedades de alineación de las moléculas de LC. Usando este método, se puede fabricar un dispositivo óptico con las propiedades ópticas confiables descritas anteriormente. El experto se dará cuenta de que la preinclinación se puede proporcionar utilizando múltiples técnicas y, dependiendo de la técnica utilizada, en diferentes etapas del proceso de fabricación.

Breve introducción de las figuras

La invención se describirá ahora con más detalle con respecto a los dibujos que ilustran algunas realizaciones preferidas de la invención. En los dibujos:

la figura 1 muestra una sección transversal de un dispositivo óptico según una realización de la invención;

la figura 2 muestra una orientación LC prevista en un estado encendido y apagado del dispositivo;

la figura 3 ilustra los efectos de una dirección de alineación en superficies inclinadas;

la figura 4 ilustra la preinclinación que compensa las superficies inclinadas;

la figura 5 ilustra vistas de parte de una superficie de lente en donde los efectos de la preinclinación sobre las moléculas de LC se muestran en múltiples ubicaciones de la superficie de lente;

la figura 6 ilustra una vista en perspectiva de una superficie de lente en donde la superficie está segmentada y en donde se aplican diferentes inclinaciones previas a los segmentos; y

la figura 7 ilustra múltiples opciones para aplicar la preinclinación a la superficie de una lente.

Descripción detallada de realizaciones ilustradas

En los dibujos se ha asignado el mismo número de referencia a un elemento igual o análogo.

La presente descripción se describirá con respecto a realizaciones particulares y haciendo referencia a ciertas figuras, pero la descripción no está limitada a las mismas. Las figuras descritas son solo esquemáticas y no son limitantes. En las figuras, el tamaño de algunos de los elementos puede haberse exagerado y no haberse dibujado a escala con fines ilustrativos. Las dimensiones y las dimensiones relativas no corresponden necesariamente a las reducciones reales para la práctica de la descripción.

Además, los términos primero, segundo, tercero y similares en la descripción y en las reivindicaciones, se utilizan para distinguir entre elementos similares y no necesariamente para describir un orden secuencial o cronológico. Los términos son intercambiables en circunstancias apropiadas y las realizaciones de la descripción pueden funcionar en otras secuencias que las descritas o ilustradas en la presente memoria.

Además, los términos superior, inferior, sobre, debajo y similares en la descripción y las reivindicaciones se utilizan con fines descriptivos y no necesariamente para describir posiciones relativas. Los términos así utilizados son intercambiables en circunstancias apropiadas y las realizaciones de la descripción descritas en la presente memoria pueden funcionar en otras orientaciones que las descritas o ilustradas en la presente memoria.

La expresión “ que comprende” , utilizada en las reivindicaciones, no debe interpretarse como restringida a los medios enumerados a continuación; no excluye otros elementos o etapas. Debe interpretarse como que especifica la presencia de las características, números enteros, etapas o componentes indicados a los que se hace referencia, pero no excluye la presencia o adición de una o más características, números enteros, etapas o componentes, o grupos de los mismos. Por tanto, el alcance de la expresión “ un dispositivo que comprende los medios A y B” no debe limitarse a dispositivos que consisten únicamente en componentes A y B. Significa que con respecto a la presente descripción, los únicos componentes relevantes del dispositivo son A y B. La expresión “ al menos uno de” , usada en las reivindicaciones, debe interpretarse como que especifica la presencia de una o más de las características, números enteros, etapas o componentes mencionados a los que se hace referencia, reemplazando así la expresión y/o. Por tanto, al menos uno de A y B debe interpretarse como A y/o B. La expresión “ uno de” , usada en las reivindicaciones, debe interpretarse como que especifica la presencia de una sola de las características, números enteros, etapas o componentes mencionados a los que se hace referencia, reemplazando así la expresión o. Por tanto, uno de A y B debe interpretarse como A o B.

Un termoplástico, o plástico termoablandable, es un material plástico, un polímero, que se vuelve flexible o moldeable por encima de una temperatura específica y se solidifica al enfriarse. Preferiblemente, estas capas termoplásticas están hechas de polímeros que son ópticamente transparentes; es decir, que tienen entre 5 y 100 % de eficiencia de transmisión de luz en el espectro visual, p. ej. 400-700 nm. Los ejemplos son tereftalato de polietileno, triacetato de celulosa, policarbonato de poliuretano transparente o materiales de tiouretano utilizados para fabricar gafas tales como Mitsui MR8. Las películas fabricadas de estos materiales pueden tener espesores que varían entre 5 y 1000 pm y de forma típica soportan radios de flexión de hasta 3 mm.

El elemento óptico difractivo puede comprender una estructura difractiva tal como rejillas flameadas, lentes de Fresnel, axicones de Fresnel u otras estructuras que inducen un perfil de fase predeterminado en la luz transmitida.

El material fluido que llena la cavidad 7 es un material cristalino líquido. Preferiblemente, el índice de refracción del material cristalino líquido, que llena la cavidad, se corresponde con el índice de refracción del elemento óptico 4 difractivo, el borde 6 y el adhesivo al menos para uno de los estados del material cristalino líquido. Por ejemplo, el índice ordinario del cristal líquido E7 bien conocido es igual al pegamento UV NOA74. El material cristalino líquido está alineado verticalmente en el estado apagado. Un material cristalino líquido alineado verticalmente es un material en donde los cristales líquidos se alinean naturalmente verticalmente con respecto a una superficie de alineación. En otras palabras, cuando no se aplica tensión, en el estado apagado del dispositivo óptico, los cristales líquidos permanecen sustancialmente perpendiculares a la superficie de alineación. También se sabe que un material de este tipo tiene una anisotropía dieléctrica negativa(e)y es en sí conocido. El material cristalino líquido resultante se denomina también homeotrópico. En una parte inferior del dispositivo óptico, la superficie de alineación está formada principalmente por las superficies inclinadas de la estructura difractiva. En una parte superior del dispositivo óptico, la superficie de alineación está formada por la segunda capa de electrodo o la capa que comprende el segundo electrodo. Las capas de alineación superior e inferior forman las paredes inferior y superior de la cavidad del dispositivo óptico. En una realización, la superficie de alineación inferior y la superficie de alineación superior no son paralelas sino que muestran segmentos inclinados correspondientes a las superficies inclinadas.

Se ha observado que los cristales en materiales cristalinos líquidos alineados verticalmente tienden a tomar, en su estado apagado, la posición sustancialmente perpendicular con respecto a la superficie de contacto, que es la superficie de alineación, en lugar de con respecto a la capa de electrodo. Una consecuencia de este comportamiento en el dispositivo óptico de la invención es que al menos una parte de los cristales adoptan una posición, en su estado apagado, inclinada con respecto a la primera capa de electrodo. Esta inclinación está directamente relacionada con la pendiente de al menos una superficie inclinada en la estructura difractiva. Por lo tanto, normalmente, esta inclinación con respecto a la capa de electrodo es discontinua sobre el dispositivo óptico. En la descripción adicional, la inclinación de la molécula de LC con respecto a la normal de la primera capa de electrodo se denomina ángulo de inclinación efectivo. En la figura 4, el ángulo de inclinación efectivo se ilustra con la indicación p de referencia.

El concepto de preinclinación es conocido para los materiales LC. En la literatura, el término preinclinación puede tener definiciones ligeramente diferentes, generalmente dependiendo de las circunstancias. En la presente descripción, se usan materiales cristalinos líquidos alineados verticalmente, y la capa de alineación es discontinua y muestra diferentes direcciones de pendiente y/o ángulos con respecto a las capas de electrodos. En este contexto, la inclinación previa se define como relacionada con un ángulo, en un estado apagado del dispositivo, entre los cristales LC y una superficie normal de un material de alineación. El material de alineación es el material en contacto con las moléculas de LC. En la figura 4, la preinclinación se ilustra con la indicación a de referencia. Según esta definición, está claro que cuando la superficie de alineación es paralela a la primera capa de electrodo, el ángulo p de inclinación efectivo y la preinclinación a son iguales. Esto se ilustra en la figura 4 en la parte central de la figura. Además, según esta definición, cuando no se proporciona ninguna inclinación previa, las moléculas de LC se extienden sustancialmente perpendiculares a la superficie de alineación.

En la literatura se describen múltiples técnicas para proporcionar una preinclinación a las moléculas de LC. Muchas de estas técnicas tienen como objetivo apuntar las moléculas de LC en una dirección predeterminada. Esto influye en la dirección en donde se orientan las moléculas de LC cuando cambian al estado encendido. Para la mayoría de los sistemas ópticos, se prefiere que estas moléculas de LC se orienten en una única dirección. Esto también deja claro que la preinclinación en muchos casos no sólo define un ángulo, sino que también define una dirección en donde se orienta el ángulo. Por ejemplo, cuando la preinclinación se realiza mediante frotamiento, la dirección del roce determina la dirección de preinclinación y la intensidad del roce determina el ángulo de preinclinación.

Para completar, se explican los efectos ópticos de los materiales LC en un dispositivo óptico, incluido el efecto denominado fuga de luz. Para garantizar una respuesta óptica uniforme para una polarización en toda la estructura difractiva, las moléculas nemáticas de LC deben permanecer alineadas uniaxialmente en todos los estados. De esta forma, el retardo provocado por las moléculas birrefringentes no afectará a la polarización de la luz linealmente polarizada en dos orientaciones perpendiculares específicas. Cuando el perfil de fase de la luz transmitida se ve influenciado por, p. ej. la altura de la estructura difractiva en varios lugares, se puede manejar cuidadosamente para exhibir un comportamiento específico, como enfocándose en un punto. La luz linealmente polarizada paralela a la dirección uniaxial permanecerá linealmente polarizada pero tendrá un perfil de fase cambiado, mientras que la dirección perpendicular no se verá afectada. Después se puede construir un dispositivo óptico con la respuesta deseada colocando un polarizador lineal frente a la celda LC con la orientación de corrección (a costa de una transmisión de luz general reducida) o colocando dos celdas idénticas bajo un ángulo de 90 grados, lo que lleva a un dispositivo independiente de la polarización.

Sin embargo, si la orientación molecular se desvía de una configuración uniaxial, por ejemplo debido a la superficie de la estructura difractiva, se produce un retardo dependiente de la posición. Como resultado, se producirá un cambio de polarización dependiente de la posición y el perfil de fase local se convertirá en una superposición de dos estados. A diferencia de la orientación uniaxial perfecta, un polarizador lineal no puede eliminar el perfil de fase no deseado en todo el dispositivo y, por lo tanto, entrará en vigor una imagen doble dependiente de la posición. De manera similar, dos dispositivos idénticos conducirían a imágenes dobles dependientes de la posición. Este efecto se denomina fuga de luz y se minimiza mediante la presente invención.

Preferiblemente, el sustrato inferior comprende la primera capa termoplástica óptica transparente 2, y comprende un primer electrodo óptico transparente 8. El sustrato superior comprende la segunda capa termoplástica transparente óptica 3, y comprende el segundo electrodo óptico transparente 9. Las capas 2 y 3 están dispuestas a una distancia fija d, preferiblemente establecida por varios separadores 5 dispuestos en la parte superior del elemento óptico difractivo 4. Preferiblemente, la distancia d se mantiene además mediante el borde 6. El elemento óptico difractivo 4, los separadores 5 y el borde 6 están colocados entre las capas 2 y 3 y entre las capas de electrodos 8 y 9, como se ilustra en la Figura 1. Esta distancia d puede estar entre 10 nanómetros (nm) y 100 micrómetros (|-im), convencionalmente entre 50 nm y 50 pm.

En una realización preferida, el borde 6, el separador 5 y el elemento óptico difractivo 4 tienen la misma composición de material. Por ejemplo, el separador 5, el elemento óptico difractivo 4 y el borde 6 pueden hacerse a partir de un monómero de alto índice de refracción, tal como diacrilato de bisfenol flúor o pegamentos UV de alto índice de refracción, tales como NOA 1625 o NOA 164, disponible comercialmente en Norland Products, Inc, como Norland Optical Adhesives (NOA).

Como se describe a continuación, el borde 6, el separador 5 y el elemento óptico difractivo 4 pueden formarse utilizando tecnología de nanoimpresión a partir de la misma capa, que tiene la composición de material antes mencionada, presente en el sustrato inferior.

La tecnología de nanoimpresión es una tecnología de creación de patrones más simple, económica y de alto rendimiento en comparación con el modelado litográfico utilizado en la tecnología de semiconductores y de fabricación de paneles planos. Como se describe, entre otros, en “A review of roll-to-roll nanoimprint lithography” , por Kooy y col., en Nanoscale Research Letters 2014, incorporado aquí por como referencia, la litografía de nanoimpresión implica el uso de un molde prefabricado que contiene un patrón inverso al deseado. Este molde se prensa en un sustrato revestido con polímero, por lo que el diseño se replica en el polímero por deformación mecánica del mismo. Después de la deformación, el patrón se fija utilizando un proceso térmico en el polímero deformado o exponiendo el polímero deformado a luz UV dando como resultado un endurecimiento del patrón nanoimpreso. A continuación, se retira el molde. El patrón inverso puede corresponder a una única estructura a formar. La formación de una matriz de estructuras en el polímero requiere entonces repetir el proceso de nanoimpresión tantas veces como número de estructuras sean necesarias. El rendimiento puede aumentarse si el molde contiene una matriz del patrón inverso, por lo que durante una única nanoimpresión el número deseado de estructuras se forma simultáneamente en el mismo polímero.

Preferiblemente, la superficie del elemento óptico difractivo 4, superficie que está orientada hacia la segunda capa termoplástica 3 contiene ranuras submicrométricas configuradas como una capa de alineación para un material cristalino líquido. Estas ranuras se pueden crear cuando se forma el elemento óptico difractivo 4 mediante nanoimpresión como se ha descrito en los párrafos anteriores. El molde utilizado en el proceso de nanoimpresión no solo contiene la forma negativa del borde 6, el separador 5 y el elemento óptico difractivo 4, sino su superficie interior, al menos en la ubicación de la forma del elemento óptico difractivo 4, contiene ranuras en, p. ej., un patrón circular o rectangular. Este enfoque permite formar estas características de forma integral. Y.J. Liu y col. describen la formación de dichos patrones de alineación mediante el uso de tecnología de nanoimpresión en “ Nanoimprinted ultrafine line and space nano-gratings for liquid crystal alignment” , como lo hace R. Lin y col. en “ Molecular-Scale Soft Imprint Lithography for Alignment” .

Las propiedades de alineación del material cristalino líquido no solo están determinadas por la geometría de las ranuras mismas, sino también por el material que constituye el elemento óptico difractivo 4 en donde se forman las ranuras. Si se usa otro material para la misma configuración de las ranuras, puede formarse una capa de alineación conforme adicional que recubre estas ranuras para proporcionar diferentes propiedades de alineación del material. Por ejemplo, puede recubrirse una capa de alineación homeotrópica, superponiendo al menos algunas de las ranuras si el material del elemento óptico difractivo alinea las moléculas de cristal líquido de manera plana. Esta capa de alineación conforme puede cubrir la superficie ranurada completa del elemento óptico difractivo 4. Como alternativa, solo parte de esta superficie ranurada puede cubrirse con esta capa de alineación conforme adicional permitiendo aprovechar la diferencia de las propiedades de alineación del material entre la capa de alineación conforme adicional y el elemento óptico difractivo 4.

Una capa de un material de aplanamiento puede estar presente dentro de la cavidad 7 en la parte superior del elemento óptico difractivo 4. Una capa de alineación puede también estar presente en la parte inferior de la cavidad 7, mediante ranuras formadas en la superficie de la capa de aplanamiento, cuya superficie está orientada hacia la segunda capa termoplástica 3. Durante el funcionamiento del dispositivo 1 estas ranuras ayudan a orientar los cristales líquidos presentes en la cavidad 7. Preferiblemente, otra capa de alineación también está presente en el lado de la cavidad 7 adyacente al segundo electrodo 3 óptico transparente, orientada así a la superficie ranurada.

Los materiales de respectivamente el elemento óptico difractivo 4 y la capa de aplanamiento, al menos en su interfaz, pueden tener el mismo índice de refracción. Además, la constante dieléctrica en campos eléctricos de baja frecuencia (p. ej. 1 Hz-10kHz) de estos materiales puede diferir. Este material de aplanamiento también se puede utilizar para formar la parte superior del borde 6. Si hay una muesca 16 presente, se forma en este material de aplanamiento.

Los electrodos ópticos transparentes pueden estar hechos de materiales tales como Óxido de Indio Estaño (ITO,Indium Tin Oxide),nanoalambres de plata ClearOhm® o tintas AGFA Orgacon. Debido a la fragilidad del ITO, pueden utilizarse materiales menos rígidos y más flexibles tales como PEDOT:PSS, grafeno, nanotubos de carbono o nanocables de plata. Los electrodos ópticos transparentes 8, 9 puede modelarse para direccionar individualmente diferentes zonas del elemento óptico difractivo 4. Estos electrodos también pueden modelarse para reducir la capacidad total, p. ej., solo teniendo electrodos dentro del área del elemento óptico difractivo 4 o para separar el electrodo dentro de esta área desde el electrodo dentro del área del borde 6.

En un segundo aspecto de esta descripción, los dispositivos ópticos 1 como se describe en el aspecto anterior, se utilizan en instrumentos ópticos. Cuando se inserta en un instrumento óptico, el dispositivo óptico 1 se configura para ajustar el perfil de fase de la luz hacia el ojo.

Dicho instrumento óptico puede ser una lente, donde el dispositivo óptico se utiliza como inserto de lente. Cuando se consideran aplicaciones oftálmicas, la lente podría ser una lente de gafas, una lente de contacto o una lente intraocular. Dado que tanto las lentes de gafas como las lentes de contacto generalmente tienen forma de menisco, el dispositivo óptico puede integrarse más fácilmente en la lente, cuando el dispositivo óptico 1 también está curvado con una curvatura sustancialmente igual que la curvatura de la lente en donde debe incorporarse. De forma típica, el dispositivo óptico se curvará entonces en dos direcciones ortogonales. Para las lentes intraoculares, puede incorporarse un dispositivo óptico plano o curvado.

Dichos instrumentos ópticos pueden contener más de un dispositivo óptico 1. Múltiples dispositivos ópticos 1 pueden apilarse. Al apilar múltiples dispositivos ópticos, pueden combinarse las propiedades electroópticas de los dispositivos ópticos individuales. Por ejemplo, dos dispositivos llenos de cristal líquido nemático pero con una alineación ortogonal pueden conducir a una lente sintonizable independiente de polarización.

La Figura 2 muestra el comportamiento previsto de las moléculas 10 de LC para crear una diferencia bien controlada en el índice de refracción entre el estado encendido/apagado. Tal diferencia controlada da como resultado las propiedades ópticas fiables deseadas del dispositivo óptico. En las figuras, las moléculas de LC en el estado apagado son referidas con 10a y las moléculas de LC en el estado encendido son referidas con 10b. En el estado apagado, las moléculas de LC están alineadas verticalmente.

El dispositivo óptico que comprende las moléculas de LC funciona mediante una diferencia en el índice de refracción del cristal líquido en su estado encendido y apagado. Este es el resultado de un cambio en la orientación de las moléculas de LC y, a menos que se controle cuidadosamente, la lente se comporta erróneamente. En particular, se desea que la mayoría, preferiblemente todas, las moléculas apunten hacia arriba en el estado inactivo. En este estado, el índice de refracción del cristal líquido coincide sustancialmente con el índice de refracción del material de resina de la lente. Esto significa que el índice de refracción ordinario, ne, de la mezcla de cristal líquido utilizada es sustancialmente el mismo que el índice de refracción del material de la lente. Esta coincidencia se realiza de forma suficiente para todas las longitudes de onda de la luz visible. Por lo tanto, se prepara un material de resina para fabricar la lente con una curva de dispersión del índice de refracción que se parece mucho a la curva de dispersión de la mezcla de cristal líquido, de manera que el índice de refracción de los dos no se desvía en más de 0,05.

Cuando se aplica un campo eléctrico, se desea que la mayoría, preferiblemente todas, las moléculas de LC se alineen sustancialmente horizontalmente, extendiéndose todas sustancialmente paralelas a un eje predeterminado, más preferiblemente apuntando sustancialmente en la misma dirección. De esta forma, hay potencia óptica para una sola polarización y que tanto la capa de alineación superior como la inferior funcionan de forma coordinada. Para que esta potencia óptica sea de utilidad práctica, la diferencia entre el índice de refracción ordinario y el extraordinario debe ser suficientemente grande, normalmente > 0,15.

La Figura 1 muestra una sección transversal de un dispositivo óptico de la invención y muestra una situación típica en donde la estructura difractiva comprende múltiples superficies inclinadas 11 en donde las pendientes tienen diferentes direcciones de pendiente y/o diferentes ángulos de pendiente. Las lentes de Fresnel muestran un alto grado de simetría. Por lo tanto, las superficies inclinadas 11 pueden tener diferentes ángulos de pendiente. Las superficies inclinadas que están inclinadas en la dirección 12 de alineación preferida son referidas con 11a. Las superficies inclinadas que están inclinadas en una dirección opuesta a la dirección 12 de alineación preferida son referidas con 11b. La figura 4 muestra además una superficie plana 11c. Para obtener el comportamiento ilustrado en la figura 2 en un dispositivo óptico con dicha estructura difractiva, según la invención, se altera la preinclinación de las moléculas de LC. El comportamiento de un material LC, sin alteración de la preinclinación, se ilustra en la figura 3.

Los dispositivos ópticos se crean preferiblemente con una dirección 12 de alineación preferida en la poliimida. Esto asegura que la potencia de una dirección de polarización de la luz esté enfocada, mientras que la otra no se modifica. Esto se logra, según una realización, frotando las capas de poliimida tanto en la superficie de lente como en la superficie sin capa de la lente en una dirección antiparalela. Tenga en cuenta que también se pueden utilizar otras técnicas que logren el mismo resultado.

Durante las pruebas, se observó que esta técnica de crear una dirección de alineación preferida funcionaba correctamente para lentes con baja potencia óptica. En otras palabras, cuando se usan estructuras difractivas con estructuras medias o bajas, esta técnica funcionó correctamente. Sin embargo, para lentes de mayor potencia, esto resultaba en una gran cantidad de declinaciones cuando se activaba el campo.

La invención se basa, al menos parcialmente, en la idea de que la topografía de la superficie inclina adicionalmente las moléculas de LC y, por tanto, cuando se activa el campo, puede orientar las moléculas de LC (con sus dipolos inherentes) en direcciones opuestas en lados opuestos de la lente. Esto provoca disclinaciones, particularmente en el lado donde los dipolos de LC en las superficies superior e inferior están orientados en direcciones opuestas. Este comportamiento no deseado se ilustra en la figura 3 y se explica con más detalles a continuación. Este efecto no deseado se vuelve más pronunciado cuanto mayor es la pendiente de las facetas de la lente o, por tanto, la potencia y el diámetro de la lente. Tenga en cuenta que estas disclinaciones normalmente ocurren en el mismo lado de la lente en las llamas exteriores más pronunciadas.

La figura 3 ilustra tal situación. El dispositivo óptico de la figura 3, mostrado en el centro de la figura, se trata para que tenga una dirección 12 de alineación preferida hacia el lado derecho de la figura. La estructura difractiva del dispositivo óptico es una lente de Fresnel. En el lado izquierdo de la figura, se muestra una sección transversal de un segmento inclinado 11a en el lado izquierdo del dispositivo óptico. En el lado derecho de la figura, se muestra una sección transversal de otro segmento inclinado 11b en el lado derecho del dispositivo óptico. De las figuras se desprende claramente que estos segmentos de pendiente tienen orientaciones de pendiente opuestas.

La figura 3 muestra además, en ambos lados, una situación superior y una inferior. La situación superior corresponde a las moléculas de LC en su estado vertical 10a mientras que la situación inferior corresponde a las moléculas de LC en su estado tumbado 10b. El estado vertical es el estado que adoptan las moléculas de LC cuando no se crea ningún campo eléctrico significativo entre las capas de los electrodos. El estado tumbado es el estado que adoptan las moléculas de LC cuando se crea un campo eléctrico predeterminado entre las capas de los electrodos.

Como resultado de la dirección de alineación preferida, como se ilustra en la figura 3, la mayoría de las moléculas de LC tienden a orientarse hacia la derecha en el estado tumbado 10b. Sin embargo, el ángulo de pendiente en el lado derecho de la figura hace que las moléculas de LC que están ubicadas en las proximidades de la superficie de pendiente se orienten hacia la izquierda, ilustrado con el número 10bb de referencia. La figura del lado derecho y de la situación inferior ilustra que parte de las moléculas de LC se dirigen hacia la izquierda 10bb mientras que otra parte de las moléculas de LC se dirigen hacia la derecha 10b. En este contexto, cabe señalar que se trata de una extensión abstracta de la alineación de las moléculas en los lados de la cavidad en la célula LC en masa. En general, las moléculas en masa exhibirán una torsión adicional para compensar el desajuste de orientación en la masa de la célula. Esto perturba la luz transmitida a través de las moléculas de LC, de modo que los errores ópticos son visibles en el dispositivo óptico.

Para abordar este problema, la inclinación previa a del material LC con respecto a la superficie del material de alineación se modifica para compensar la inclinación establecida por la topografía de la superficie. Esta preinclinación es una propiedad conocida de un material LC, que expresa el ángulo a entre las moléculas de LC y la superficie normal del material 11 de alineación. Para simplificar, se puede entender que si se puede aumentar la preinclinación del LC más que la pendiente, todas las moléculas de LC se orientarán en la misma dirección y se podrá lograr el comportamiento de alineación deseado. Esto se ilustra en la figura 4. La figura 4 ilustra los principios de la preinclinación. La figura muestra el ángulo a entre la superficie normal y la molécula de LC en superficies con diferentes ángulos de pendiente.

A partir de la figura 4, queda claro que la preinclinación se puede elegir de manera que la inclinación absoluta, en las figuras ilustradas con el ángulo p, de las moléculas 10a de LC, corresponda con la dirección 12 de alineación preferida. En otras palabras, sustancialmente todas las moléculas 10a de LC están orientadas, en estado vertical, para tener la misma dirección p de inclinación absoluta. Para lograr esto, se elige que la preinclinación tenga un ángulo a mayor que el ángulo de la superficie inclinada opuesta más pronunciada. Esto se ilustra en la parte derecha de la figura 4, cuya superficie inclinada 11b tiene una superficie normal que muestra un ángulo con respecto al eje vertical en la dirección opuesta en comparación con la dirección de preinclinación. El ángulo a de preinclinación es mayor que el ángulo entre la superficie normal y la dirección vertical, de modo que la inclinación absoluta resultante p está en la dirección deseada. Cuando las moléculas de LC se activan al encender el campo eléctrico, todas las moléculas de LC se orientarán hacia el lado derecho, evitando así la situación ilustrada en la figura 3 y obteniendo propiedades ópticas confiables.

Para alterar la preinclinación, se puede aumentar la intensidad con la que se frota la superficie (Stohr y col., “ Microscopic Origin of Liquid Crystal Alignment on Rubbed Polymer Surfaces” ) o usar materiales de alineación fotosensibles (Yaroshchuk y col., “ Photoalignment of liquid crystals: basics and current trends” ) o una mezcla de LC alineadas vertical y horizontalmente (Wu y col., “ Controlling pretilt angles of liquid crystal using mixed polyimide alignment layer” ) u otros enfoques explicados en la bibliografía. Tenga en cuenta que es posible ajustar selectivamente los ángulos de preinclinación dependiendo de la posición de la lente (p. ej., usando un material fotosensible), asegurando que el ángulo de inclinación absoluto sea el mismo en toda la lente Fresnel.

Otro enfoque consiste en limitar las pendientes de las facetas. Esto se puede hacer usando un diseño más asférico de una lente para una potencia de lente específica o, como alternativa, quitando las partes exteriores de la mitad de la lente donde la pendiente es mayor que la preinclinación (p. ej., hacer una lente ovalada).

La figura 5A muestra una vista en perspectiva de parte de la superficie de una lente. Esta parte podría ser la parte media de un elemento óptico difractivo 4 como se describió anteriormente. En esta figura, la superficie normal se dibuja en múltiples ubicaciones de la superficie de lente. Esta superficie normal se dibuja como una flecha con una línea ininterrumpida y se indica con el signo N de referencia. La orientación LC en el estado apagado es, como se ha explicado anteriormente, una combinación de la superficie normal y la preinclinación. El vector que muestra la orientación LC también se dibuja en estas múltiples ubicaciones de la superficie de lente y se indica con el signo Np de referencia. Este vector de orientación de LC se dibuja con una línea de puntos interrumpida. Este vector de orientación de LC está directamente relacionado y pretende ilustrar la orientación de las moléculas de LC en el estado apagado. El ángulo de preinclinación se ilustra como el ángulo a, que es el ángulo entre la normal a la superficie N y el vector Np de orientación de LC.

El ángulo p de inclinación efectivo se define anteriormente como el ángulo entre la superficie normal de la primera capa de electrodo y la orientación de LC. En la figura 5, se muestra la superficie normal de la primera capa de electrodo y se indica con el signo 13 de referencia. El ángulo p de inclinación efectivo se muestra como el ángulo entre las moléculas de LC y la superficie normal 13.

El ángulo p de inclinación efectivo es determinante para la dirección de orientación de las moléculas de LC cuando se activa la lente. El efecto del ángulo p de inclinación efectivo sobre la dirección de orientación de las moléculas de LC se puede explicar mejor proyectando el vector Np de orientación de LC sobre una superficie paralela a la primera capa de electrodo. Cabe señalar que la dirección 12 de alineación se define normalmente paralela a la primera capa de electrodo. Las proyecciones del vector de orientación LC Np sobre esta superficie se muestran en la figura 5 y se indican con el signo Npxy de referencia. La proyección Npxy comprende un componente paralelo a la dirección 12 de alineación y un componente transversal a la dirección 12 de alineación. Cabe señalar que el componente transversal puede ser 0, dependiendo de la ubicación en la superficie de lente. En particular, cuando la superficie inclinada no está inclinada en una dirección transversal a la dirección de alineación, el componente transversal de la proyección Npxy es 0.

En la figura 5, se utiliza un ángulo 0 para ilustrar el ángulo entre la proyección Npxy y la dirección 12 de alineación. Las pruebas han demostrado que se puede garantizar un funcionamiento fiable y predecible del dispositivo de lente cuando, sustancialmente en toda la superficie de alineación, 0 es inferior a 60 grados, más preferiblemente inferior a 45 grados y lo más preferiblemente inferior a 30 grados. Basándose en la explicación anterior y las figuras correspondientes, el experto se dará cuenta de que el ángulo 0 se puede reducir aumentando la preinclinación y/o reduciendo los ángulos de pendiente.

La figura 5B muestra la misma superficie de lente en una vista superior, paralela a la primera capa de electrodo, y muestra las mismas flechas que se muestran en la figura 5A. De este modo, la figura 5B muestra las proyecciones de las moléculas de LC en la primera capa Npxy de electrodo. La figura 5B también muestra la normal N a la superficie. En la figura 5B, se puede ver claramente el ángulo 0. Para las proyecciones mostradas en la línea central de la lente, el ángulo 0 es 0. Para las proyecciones en la parte inferior de la lente, el ángulo 0 es de aproximadamente 30 grados.

La figura 5C muestra la misma superficie de lente en una vista lateral, mostrando también las mismas flechas que se muestran en las figuras 5A y 5B. De la figura 5C, queda claro que los ángulos de inclinación efectivos p son tales que todos los vectores Np de orientación LC apuntan al lado derecho de la figura. Como resultado, todos los vectores Np de orientación LC tienen un componente vectorial positivo en la dirección de alineación. El experto reconocerá directamente que el efecto de que todos estos vectores apunten al lado derecho de la figura es que las moléculas de LC se orientarán hacia el lado derecho cuando se activen. Esto crea una reacción uniforme de las moléculas de LC cuando se activan, lo que es, como se ha descrito anteriormente, ventajoso.

La figura 6 muestra una figura similar a la figura 5A, pero en donde la superficie de lente comprende dos segmentos. Las flechas de la figura 6 son análogas a las flechas de la figura 5, descritas anteriormente. La preinclinación es diferente en los dos segmentos, de modo que la dirección de alineación de un segmento es paralela y opuesta a la dirección de alineación en el otro segmento. En particular, la dirección 12a de alineación, en el lado derecho de la superficie de lente de la figura 6, apunta hacia la derecha. La dirección 12b de alineación, en el lado izquierdo de la superficie de lente de la figura 6, apunta hacia la izquierda. Cuando se activan las moléculas de LC, las moléculas de LC en el lado derecho de la superficie de lente se orientarán hacia la derecha, mientras que las moléculas de LC en el lado izquierdo de la superficie de lente se orientarán hacia la izquierda. Los efectos se describen arriba. La preinclinación absoluta puede ser significativamente menor cuando la superficie de lente está segmentada, para compensar el ángulo de pendiente de la superficie de lente. A partir de la figura 6, quedará claro para el experto en la materia que la mayor parte de la superficie normal mostrará al menos una componente vectorial en la dirección de alineación. La preinclinación tiene como objetivo en gran medida compensar la influencia de los componentes del vector en otras direcciones además de la dirección de alineación, de modo que su influencia se reduzca al activar las moléculas de LC.

La figura 7 muestra múltiples opciones de segmentación para superficies de lentes, en donde se pueden asignar múltiples direcciones de alineación y/o inclinaciones previas a los múltiples segmentos. En la figura 7, las flechas ilustran la dirección de alineación mientras que las líneas discontinuas ilustran la segmentación de la lente. La figura 7A muestra una superficie de lente con un solo segmento, por lo que tiene una sola dirección de alineación. La figura 7a corresponde con la realización mostrada en la figura 5. La figura 7B muestra una superficie de lente con dos segmentos correspondientes a la realización de la figura 6. Los dos segmentos están provistos de direcciones de alineación opuestas.

Cuando se consideran múltiples segmentos en la superficie de una lente, junto a dos segmentos con alineación paralela pero opuesta, son posibles otras configuraciones. Por ejemplo, en el caso de una estructura de lente de Fresnel difractiva centrosimétrica en combinación con un cristal líquido que tiene una alineación unidireccional preferida, las moléculas en los segmentos en el lado de la lente (véanse figuras 5A y 5B) tienen el componente transversal más grande con respecto a la dirección de alineación debido a la pendiente local. Para reducir el ángulo 0, véase figuras 5 y 6, sin afectar la calidad óptica en el centro de la lente, los segmentos exteriores pueden proporcionarse con un ángulo de preinclinación mayor. Esto podría ocurrir a expensas de una peor coincidencia de índices en el estado fuera del estado, pero conducirá a un mejor rendimiento óptico en el estado encendido. El límite entre los segmentos interior y exterior puede tener formas más complejas distintas de una línea paralela a la dirección de alineación y puede diseñarse según medidas de calidad óptica deseadas específicas. Dicha segmentación se ilustra en la figura 7C.

Una configuración de este tipo puede combinarse aún más con una división central con direcciones de alineación paralelas pero opuestas. En la figura 7D se ilustra un ejemplo de tal configuración. De esta manera, se impone por diseño una gran línea de declinación central, pero las desviaciones fuera del eje se minimizan en los lados, mientras que el ángulo de inclinación efectivo y el ángulo de preinclinación están en gran medida en la misma dirección.

A costa de la complejidad, se puede implementar una segmentación aún más refinada, optimizando aún más la calidad óptica.

Basándose en las figuras y en la descripción, el experto podrá comprender el funcionamiento y ventajas de la invención así como diferentes realizaciones de la misma. Sin embargo, cabe señalar que la descripción y las figuras están destinadas simplemente a comprender la invención y no a limitar la invención a ciertas realizaciones o ejemplos usados en la misma. Por lo tanto, se destaca que el alcance de la invención sólo quedará definido en las reivindicaciones.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Una lente sintonizable independiente de la polarización que comprende una pila de un primer dispositivo óptico y un segundo dispositivo óptico, en donde al menos el primer dispositivo óptico comprende:

-una primera capa (8) de electrodo;

-una segunda capa (9) de electrodo proporcionada a una distancia (d) de la primera capa (8) de electrodo, siendo la primera y segunda capas (8, 9) de electrodo transmisoras de luz, en donde la primera capa (8) de electrodo se extiende sustancialmente paralela a la segunda capa (9) de electrodo, y entre las que hay presentes:

-un elemento óptico difractivo (4) adyacente a la primera capa (8) de electrodo y que es una estructura de lente de Fresnel que comprende una primera superficie inclinada (11) en un centro de la estructura de lente de Fresnel, que está rodeada por una pluralidad de superficies anulares y otras inclinadas, cuya primera y otras superficies inclinadas tienen cada una un ángulo de pendiente con respecto a la primera capa (8) de electrodo, y están cubiertas con una primera capa de alineación; -una capa de alineación adicional dispuesta adyacente al segundo electrodo (9);

-un material cristalino líquido (10) que llena un espacio (7) entre dicha primera capa de alineación en la primera superficie y las otras inclinadas y dicha capa de alineación adicional adyacente a la segunda capa (9) de electrodo y que comprende moléculas de LC cristalinas líquidas que están alineadas verticalmente en un estado apagado donde no se aplica un campo eléctrico al material cristalino líquido (10);

en donde las moléculas de LC en una interfaz con dicha primera capa de alineación tienen una preinclinación con al menos un ángulo (a) de preinclinación aplicado en al menos una dirección (12) de alineación y un ángulo (p) de inclinación absoluto, siendo dicho ángulo (a) de preinclinación aplicado relativo a la normal de la superficie inclinada en una ubicación de una molécula de LC en la superficie inclinada, y siendo dicho ángulo (p) de inclinación absoluto relativo a la normal de la primera capa de electrodo, y en donde la capa de alineación adicional ha sido pretratada para su alineación en una dirección antiparalela a dicha dirección de alineación;

en donde dicho al menos un ángulo (a) de preinclinación aplicado es superior a dicho ángulo de pendiente y con ello compensa el ángulo de pendiente de dicha primera superficies y otras superficies inclinadas orientando dichas moléculas de LC para alinearse, en un estado encendido en donde se aplica un campo eléctrico al material cristalino líquido (10), de manera que sustancialmente todas las moléculas de LC estén orientadas de manera que las proyecciones (Npxy) de las moléculas de LC (Np) en la primera capa (8) de electrodo incluyan un ángulo (0) transversal a la dirección (12) de alineación dentro de un intervalo de 60 grados desde la dirección de alineación

2. La lente sintonizable de la reivindicación 1, en donde la estructura de la lente Fresnel tiene un diámetro de 15 a 35 mm.

3. La lente sintonizable de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha preinclinación aplicada (a) compensa el ángulo de pendiente, de manera que dicho ángulo (0) transversal a la dirección (12) de alineación está dentro de un intervalo de 45 grados desde la dirección (12) de alineación, preferiblemente dentro de un intervalo de 30 grados y/o en donde el ángulo (a) de preinclinación aplicado es sustancialmente uniforme a través del primer dispositivo óptico.

4. La lente sintonizable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa de alineación sobre al menos una de las superficies inclinadas está segmentada en al menos un segmento interior y segmentos exteriores, en donde los segmentos interiores y exteriores están dispuestos paralelos a la primera dirección de alineación, estando dichos segmentos alineados con dicha dirección de alineación, en donde los segmentos externos tienen un ángulo (a) de preinclinación superior al del al menos un segmento interior.

5. La lente sintonizable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada una de las superficies inclinadas anulares se extiende desde un trazado que sobresale de la primera capa de electrodo, teniendo además dicho trazado una pared lateral que se extiende sustancialmente transversal a la primera capa de electrodo (8), en donde la primera capa de alineación se proporciona según un patrón predefinido de manera que las paredes laterales de los trazados se mantengan libres y permanezcan sin capa de alineación.

6. La lente sintonizable de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se proporcionan múltiples separadores (5) encima del elemento óptico difractivo (4) entre las superficies inclinadas (11) del mismo y la segunda capa de electrodo (9).

7. La lente sintonizable de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el segundo dispositivo óptico es idéntico al primer dispositivo óptico, en donde el primer y el segundo dispositivos ópticos se montan preferiblemente en una orientación invertida, de manera que las segundas capas (9) de electrodos de dicho primer y segundo dispositivos ópticos están más cerca entre sí que las primeras capas (8) de electrodos y/o en donde el segundo dispositivo óptico es un polarizador.

La lente sintonizable de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer dispositivo óptico tiene un poder dióptrico en el intervalo de 0 - 4, preferiblemente entre 0,5 y 3,0, más preferiblemente 1,0 2,5.

Unas gafas que comprenden la lente sintonizable independiente de la polarización según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

Método de fabricar una lente sintonizable independiente de la polarización según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-8, comprendiendo el método la aplicación de una preinclinación, de manera que las moléculas de LC en una interfaz con dicha capa de alineación tengan una preinclinación con al menos un ángulo (a) de preinclinación aplicado en al menos una dirección (12) de alineación, y un ángulo (p) de inclinación absoluto, siendo dicho ángulo (a) de preinclinación aplicado relativo a la normal de la superficie inclinada en una ubicación de una molécula de Le en la superficie inclinada, y siendo dicho ángulo (p) de inclinación absoluto relativo a la normal de la primera capa (8) de electrodo, en donde dicho ángulo (a) de preinclinación aplicado es superior a dicho ángulo de pendiente y con ello compensa el ángulo de pendiente de al menos una superficie inclinada orientando dichas moléculas de LC para alinearse, en un estado encendido en donde se aplica un campo eléctrico al material cristalino líquido (10), de manera que sustancialmente todas las moléculas de LC estén orientadas de manera que las proyecciones (Npxy) de las moléculas de LC (Np) en la primera capa (8) de electrodo incluyan un ángulo (0) transversal a la dirección (12) de alineación dentro de un intervalo de 60 grados desde la dirección de alineación.

Método según la reivindicación 10, en donde la etapa de aplicar la preinclinación (a) comprende frotar el primer dispositivo óptico en dicha dirección de alineación o usar materiales de alineación fotosensibles, en donde la fabricación del primer dispositivo óptico comprende las etapas de:

-proporcionar un primer sustrato (2) con el primer electrodo (8), la estructura de lente de Fresnel y la primera capa de alineación;

-aplicar la preinclinación con al menos un ángulo (a) de preinclinación aplicado a la primera capa de alineación en al menos una dirección de alineación;

-proporcionar un segundo sustrato (3) con el segundo electrodo (9) y la capa de alineación adicional, y aplicar una preinclinación a la capa de alineación adicional en una dirección antiparalela a la primera dirección de alineación;

-montar el primer y el segundo sustrato (2, 3) y proporcionar material cristalino líquido (10), de manera que un espacio (7) formado tras el montaje entre la primera capa de alineación y la capa de alineación adicional se llene con dicho material cristalino líquido (10).