KR20200040865A - 액정 정렬 광학 장치 - Google Patents

Abstract

광학 장치는 제1 전극층; 상기 제1 전극층과 이격되도록 제공되는 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 광투과성이고; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고, 상기 제1 전극에 인접하고, 적어도 하나의 경사면을 포함하는 회절 광학 소자; 그리고 상기 경사면과 상기 제2 전극 사이의 공간을 채우는 액정 물질을 포함하고, 상기 액정 물질은 적어도 하나의 경사면의 기울기 각도를 보상하는 선경사를 가진다.

Description

액정 정렬 광학 장치

본 발명은 광학 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 액정을 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.

노안은 눈이 근거리에서 초점을 맞추는 능력을 상실하는 잘 알려진 장애로서, 전세계적으로 20억명 이상의 환자에 영향을 미친다. 이를 해결하기 위한 종래의 해결책은 독서 안경, 누진 렌즈 또는 다초점 콘택트 렌즈와 같은 수동 렌즈를 포함한다. 그러나, 이러한 수동 렌즈는 전형적으로 시야가 제한되거나, 콘트라스트가 감소되거나 또는 적응 시간이 긴 문제가 있다.

그러므로, 렌즈들 중 일부분의 초점 길이가 변화될 수 있는 재초점 렌즈(refocusable lense)들은 알려진 문제들의 많은 부분을 제거할 수 있어 많은 관심을 끌었었다. 광-기계적 해결책이 일부 존재하기는 하지만, 전자-광학적 해결책은 재구성이 쉽고, 응답 시간이 더 빠르며, 기계적으로 더 강력하기 때문에 더 적절하다. 대부분의 전자-광학적 해결책은 하나 이상의 액체들로 채워진 공동(cavity)을 필요로하고, 일반적으로 액정에 기초한 방식을 이용한다. 액정 표시 장치 기술은 발전은 매우 발전하였으나, 일반적으로 안과용 렌즈가 매니스커스 형태를 가짐으로 인해, 재초점가능 액정 렌즈를 안과용 렌즈에 적용하기 어렵다고 알려져 있다.

예를 들어, 재초점가능 액정 렌즈는 미국 특허 US 7,728,949에 기술된다.

이 특허는 회절/굴절 광학 구조의 제1 곡면 절반 렌즈(curved lens half)와 제2 절반 렌즈(lens half)의 두 개의 플라스틱 렌즈들로 구성된다. 두 절반 렌즈들 위에 투명한 전극들이 증착된다. 두 절반 렌즈들은 광학 구조의 영역을 제외하고 전체 표면에 걸쳐 자외선 경화 접착제에 의해 서로 접착된다. 광학 구조에서, 두 절반 렌즈들 사이의 간격에 액정 물질이 채워진다. 오프 상태에서, 액정은 절반 렌즈들의 플라스틱 기판과 같은 굴절률은 가진다. 다음으로, 회절/굴절 구조를 숨기고 렌즈 동작은 없다. 절반 렌즈들 사이에 전계를 인가함으로써, 액정 재료의 굴절률이 변조되고, 이는 주어진 회절/굴절 광학 구조와 달라짐에 따라 렌즈 작용이 이루어진다.

두 개의 상대적으로 두꺼운(>1mm) 절반 렌즈들 바로 위에 액정 렌즈가 형성되는 이러한 방법은 여러 단점을 가진다. 회절/굴절 구조의 곡면형 표면 위에 균일한 전극을 증착하는 것이 실현되기 어렵기 때문에 대량을 생산하기 매우 어렵고, 이는 신뢰성 문제를 야기할 수 있다. 원-드롭 필(one-drop fill) 공정을 사용하여 비용상 효율적이고 심미적으로 깨끗한 밀봉을 얻는 것은 초박형 렌즈에서 실현하기 어렵기 때문에, 위의 방법으로 대량 생산하는 것은 어렵다. 회절/굴절 광학 구조는 편평한 표면을 가질 수 있지만, 이는, 편평한 렌즈가 곡면형 후면과 전면 사이에 어떻게든 집적되어야 하는, 전형적인 얇은 렌즈 설계에서 최대 직경을 제한한다. 회절/굴절 광학 구조는 구부려질 수 있지만, 공정 동안 액정이 엎질러질 수 있고, 이에 의해 표면의 오염 및 접착제의 접착 불량을 야기할 수 있다. 접착 후에 공간을 채우는 것이 또 다른 방법이지만, 렌즈가 채워질 채널을 남겨야 하고, 이러한 채널은 식별될 수 있고 렌즈들의 미관을 손상 시킬 수 있다. 처리량을 제한하면서, 각기 빈 렌즈들을 별도로 제조해야 한다.

US7728949에서 논의한 바와 같이, 전기 활성 렌즈들은 초점을 맞추기 위한 광의 편광에 민감하지 않아야 한다. 그러나, 대부분의 액정 물질이 복굴절성을 가져 편광에 민감하기 때문에 어려운 문제이다. 두 개의 기본적인 해결책이 공지된다. 하나는 네마틱 액정들을 가지는 다층 구조, 즉 두 편광에 대하여 수직으로 배향된 두 개의 층을 가지는 구조의 렌즈 조립체를 이용하는 것이고, US7728949에서 제안된 바와 같이, 콜레스테릭 액정과 조합된 하나의 층을 이용하는 것이다. 다중층 렌즈 구조를 형성하는 것이 매우 어렵기 때문에, 단지 하나의 층을 가지는 편광 무의존 렌즈들을 형성하기 위해 콜레스테릭 액정을 이용하는 것에 집중하게 한다. 그러나, 당업자에게는 콜레스테릭 층들의 디스클리네이션 선(disclination line)과 큰 내부 에너지로 인해, 콜레스테릭 층들, 특히 두꺼운 층들의 불투명성을 제어하는 것이 매우 어렵다는 것이 공지되어 있다. 콜레스테릭 액정들의 불투명성(haziness)을 방지하기 위해, 액정층의 두께를 줄여야만 하는데, 이는 광학 회절/굴절 구조에서 더 짧은 피치의 블레이즈(blaze)들을 사용해야 하는 바, 블레이즈의 높이를 제한하고, 이는 색 수차(chromatic aberration)를 증가시키게 된다.

네마틱 액정을 가지는 렌즈 구조체의 한 예는 US2013/0128334A1에 공지된다. 이 렌즈는 프레넬(Fresnel) 렌즈 구조와 상부 기판 사이에 위치하는 액정 물질을 포함한다. 프레넬 렌즈 구조 아래와 상부 기판 위에 전극층들을 포함한다. 또한, 상부 기판 위(전극층을 덮고 액정 물질과 마주하도록)와 프레넬 렌즈 구조 위에 배향막들이 위치한다. 배향막은 전형적으로 폴리이미드 물질로 이루어지고, 배향 방향을 얻기 위해 러빙과 같은 전처리가 이루어진다. 액정들이 배향막과 접촉하면, 액정 분자들은 우선적으로 기판의 평면에 놓여지고 배향 방향으로 배열된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 액정 분자들은 방위 방향으로, 즉 배향막에 평행하게 배열된다. 배향 방향은 선경사로 지칭된다. 렌즈에 충분히 강한 전기장이 가해지면, 액정 분자들은 배향막에 수직을 이루도록 회전한다. 액정 분자들의 배열은 그 물질의 전체적인 굴절률, 따라서 가인성(visibility)을 결정한다. 이는 렌즈들의 가인성을 조절할 수 있게 한다. 렌즈가 가인성이 좋지 않은 경우, 렌즈가 가인성이 좋은 경우와 비교하여 전체적인 시신 강도가 달라진다. US2013/0128334A1에 개시된 구조는 소위 가변 파면(wavefront) 구성 요소 (앞에서 언급한 렌즈 구조 포함)와 파면 부분들 사이의 위상 불연속을 정정하기 위한 위상 보상 구성 요소를 포함한다.

앞서 설명한 바와 같이, 오프 상태에서 평면 액정들을 사용하는 다중층 렌즈들은 불투명이 감소된 편광 무의존 렌즈이지만, 제안된 방법에 따르면, 두꺼운 두께를 가지는 렌즈들인 바, 처리상 많은 문제들이 있다. 특히, 장치가 오프 상태일 때 액정 분자들은 평면 방향으로 놓여지도록 광학 장치를 정의할 때, 프라넬 렌즈 구조는 평면 방향에서 액정 분자들의 굴절률과 실질적으로 같은 굴절률을 가지는 것이 바람직하다. 일반적으로, 평행한 방향의 굴절률은 약 1.5인 반면, 평면 방향의 굴절률은 약 1.7이다. 직교 방향으로 배열된 두 개의 적층된 렌즈 구조들에 기초하여 편광 무의존 렌즈를 형성할 때, 본 발명자들은 본 발명이 이루어지게 된 선행에서 고스트 이미지(ghost image)의 생성을 방지하는 것이 다소 어렵다는 것을 관찰하였다. 오프 상태에서 배향 방향에 수직으로 배열된 수직 액정을 사용하는 것은 선택 사항일 수 있다. 그러나, 이는 프레넬 렌즈 표면이 편평하지 않는 문제점을 가진다. 결과적으로, 프레넬 렌즈의 표면에 수직으로 배열된 액정 분자들은 다양한 방향으로 배열된다.

전기적으로 조정 가능한 위상 프로파일, 예를 들어 초점 거리 변화를 가지고, 신뢰성 있는 광학 특성을 가지도록 대량 생산이 가능한 광학 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 적층된 제1 광학 장치와 제2 광학 장치를 포함하고, 서로 다른 초점의 제1 상태와 제2 상태 사이의 전이가 잘 달성될 수 있고, 이중 이미지(double images)의 발생을 방지하거나 적어도 충분히 억제 가능한 편광 무의존 조절 가능 렌즈에 대한 요구가 있다.

이와 같은 편광 무의존 조절 가능 렌즈를 포함하는 안경 렌즈에 대한 요구가 있다.

또한, 이와 같은 광학 장치 및/또는 편광 무의존 조절 가능 렌즈에 포함된 적층된 제1 광학 장치와 제2 광학 장치의 제조 방법에 대한 요구가 있다.

제1 실시예에 따르면, 본 발명은 적층된 제1 광학 장치 및 제2 광학 장치를 포함하는 편광 무의존 조절 가능 렌즈에 관련되고, 상기 제1 광학 장치는 제1 전극층과 상기 제1 전극층과 거리를 두고 위치하는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층은 광 투과성이다. 상기 제1 광학 장치는, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에, 상기 제1 전극층에 인접하고 프레넬 렌즈 구조인 회절 활성 광학 구조를 더 포함하고, 상기 프레넬 렌즈 구조는 상기 프레넬 렌즈 구조의 중심에 위치하는 제1 경사면과 상기 제1 경사면을 둘러싸는 복수의 각진 추가 경사면들을 포함한다. 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들은 각기 상기 제1 전극층(8)에 대해 기울기 각도를 가지고, 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들은 제1 배향막으로 덮여 있다. 상기 제2 전극(9)에 인접한 상기 공간(7)의 측면에 위치하는 추가 배향막이 위치한다. 액정 재료는 적어도 하나의 경사진 표면상의 상기 제1 배향막과 상기 제2 전극층에 인접한 상기 추가 배향막 사이의 공간을 채우고, 상기 액정 재료는 오프 상태에서 수직으로 배향된 액정(LC) 분자들을 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 액정 분자들은 단일 배향 방향으로 선경사되도록 전처리되고, 상기 선경사는 상기 경사면 위의 각 액정 분자들의 위치에 대응하는 상기 기울기 각도보다 크고, 따라서, 온 상태에서, 상기 액정 물질의 상기 액정 분자들을 상기 제1 전극 위로 투영한 투영부(Npxy)와 상기 배향 방향이 이루는 횡방향 각도가 60도의 범위(θ) 내의 범위의 각도를 가지도록 상기 액정 분자를 배향함으로써, 상기 적어도 하나의 경사면의 기울기 각도를 보상한다.

다른 실시예에 따르면, 본 발명의 조절 가능한 렌즈들을 포함하는 안경 렌즈가 제공된다.

다른 실시예에 따르면, 적층된 제1 광학 장치 및 제2 광학 장치를 포함하는 편광 무의존 조절 가능 렌즈를 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 단일 배향 방향으로 선경사를 적용하는 단계를 포함하고, 선경사는 상기 경사면 위에서 각 액정 분자의 위치에 대응하는 상기 기울기 각도보다 크고, 온 상태에서, 상기 액정 물질의 상기 액정 분자들을 상기 제1 전극 위로 투영한 투영부(Npxy)와 상기 배향 방향이 이루는 각도가 60도의 범위(θ) 내의 범위의 횡방향 각도를 가지도록 상기 액정 분자를 배향함으로써, 상기 적어도 하나의 경사면의 기울기 각도를 보상한다. 상기 조절 가능 렌즈들은 특히 본 발명의 렌즈이다.

본 발명의 발명자들은 그 위에 액정 재료가 적용된 프레넬 렌즈 구조의 경사면에도 불구하고, 수직 배향 액정 물질의 사용을 통해 편광 무의존 가변 렌즈를 달성하는 것이 가능하다는 것을 관찰하였다. 인공물을 방지하기 위하여, 선경사가 적용될 수 있다. 그러나, 단지 선경사만으로 이중 이미지 발생을 방지하지는 않는다. 이러한 이중 이미지는 디스클리네이션, 즉 고유한 쌍극자를 갖는 액정 분자의 원하지 않는 방향으로 배향되는 것에 의해 발생한다. 일반적으로, 이에 의해 액정 분자들이 국지적으로 배향 방향으로 배열되지 않고, 반대의 방향으로 기울어진다. 온 상태에서, 디스클리네이션은 무엇보다도 제1 배향막으로부터 추가 배향막에 이르기까지 국지적 꼬임으로 시인될 수 있고, 제1 전극층에 평행한 유효 배향은 제1 배향막까지의 거리에 따라 변화하고, 회전이 일어난다. 그러나, 무엇보다 배향 방향에 대한 투영된 횡방향 각도가 지나치게 크지 않는 방식으로, (액정 분자가 존재하는 부분 위에서) 경사면의 기울기 각도보다 큰 선경사가 적용되면, 앞서 언급한 문제는 충분히 억제된다. 여전히 발생하는 디스클리네이션은 중앙부분의 외부, 오히려 가장자리 쪽을 향해 발견된다. 무엇보다, 편광 무의존 조절 가능 렌즈를 구현하기 위해 두 개의 동일한 광학 장치들을 적층할 때, 하나의 광학 장치 내의 디스클리네이션이 나머지 광학 장치에 의해 증폭되는 문제는 다소 작아진다. 배향 방향에서 적어도 하나의 경사면의 기울기 각도를 보상함으로써, 이러한 디스클리네이션은 피할 수 있다. 기울기가 보상되기 때문에, 액정 분자들은 소정의 배향 방향으로 배향되게 된다. 이처럼 광학적 문제점을 감소시켜 장치의 광학적 신뢰성을 향상시킨다. 명확성을 위하여, 적어도 하나의 경사면은 적어도 제1 전극층에 대해 경사진 것이 관찰된다. 구형의 경사면에서, 기울기 각도는 제1 전극층에 대해 가장자리에서 가장 커질 것이다. 틸트 각도는 경사면 위의 액정 분자의 위치의 법선에 대해 정의되고, 배향층의 선처리에 따라 가해진 틸트 각도이다. 상기 제1 전극층에 수직인 액정 분자의 배열 방향은 또한 절대 틸트 각도(β)로서 특정되며, 상기 기울기 각도와 상기 적용된 선경사 각(α)의 조합이다. 상기 절대 틸트 각도(β)의 상기 제1 전극 위로의 투영은 상기 배향 방향과 60도보다 작은 횡방향 각도를 이룬다. 상기 선경사는 배향 방향에 대해 정의되기 때문에, 상기 기울기 각도 역시 배향 방향에 대해 정의된다. 도면을 참고로 설명할 내용과 같이, 상기 배향 방향에 대한 상기 횡방향 각도(θ)는 60도 보다 작고, 따라서, -60도 내지 +60도의 값을 가진다.

바람직하게, 상기 액정 물질 내의 상기 분자들을 제1 전극층 위로 투영한 투영부들이 상기 배향 방향으로부터 45도 범위 내에 놓이도록, 보다 바람직하게는 상기 배향 방향으로부터 30도 범위 내에 놓이도록 선택된 상기 선경사에 의해, 상기 선경사는 기울기를 보상한다. 상기 범위들은 절대 각도를 정의하고, 따라서, 60도에 이르는 범위는 상기 배향 방향에 대해 -60도 내지 +60도의 범위 내에 있다. 보다 바람직하게, 후자는 광학 장치의 오프 상태에서 측정된다. 이는, 액정 분자들이 수직으로 배열될 때, 액정 분자들의 벡터는 수직 성분뿐만 아니라 상기 배향 성분 및 상기 배향 방향에 수직인 성분을 나타낸다는 것을 의미한다. 적어도 바람직한 실시예에서, 배향 방향에서의 이러한 성분은, 상기 액정 분자들의 투영 부분이 상기 배향 방향으로부터 상기 언급한 범위 내에 놓이도록, 수직 성분보다 크다. 배향 방향은 전기장이 가해질 때, 대부분의 상기 액정 분자들의 의도된 방향을 정의한다. 그러나, 상기 액정 분자들이 이러한 방향으로 배열되는 지 여부는 상기 전극 층들에 대한 상기 액정 분자들의 방향에 관련된다. 따라서, 상기 제1 전극층 위로 상기 액정 분자들을 투영할 때, 상기 투영부가 상기 배향 방향으로부터 상기 언급한 범위 내에 놓일 때, 상기 액정 분자들이 상기 원하는 방향을 향한다고 결정될 수 있다. 이러한 조건이 만족될 때, 전기장이 가해지면, 상기 액정 분자들은 상기 배향 방향으로 향하게 된다. 이에 의해, 상기 액정 분자들의 예측 가능하고, 따라서 신뢰 가능한 반응을 얻을 수 있고, 따라서, 원하는 광학 효과에 이를 수 있다.

바람직한 실시예에서, 하나의 경사면 위의 상기 액정 분자들은 균일한 선경사를 가진다. 상기 프레넬 렌즈 구조의 중심에서 상기 경사면은 이를 둘러싸고 있는 상기 각진 경사면들 중 어느 것보다 작은 (최대) 기울기 각도를 가질 수 있는 것이 보여진다. 따라서, 상기 선경사 각도는 상기 중심에서보다 상기 각진 경사면들에 대해서 더 클 수 있다. 다른 실시예에서, 여전히 선경사는 상기 광학 장치에 걸쳐 실질적으로 균일하다. 실질적으로 일정한 선경사 각도를 제공하는 것을 실현하기 쉽고 제어하기 상당히 쉽다. 상기 기울기 각도는 상기 배향 방향을 포함하는 평면에서 측정되고 상기 제1 전극층에 수직인 방향인 것이 보여진다.

대안적으로, (예를 들어, 감광성 물질을 이용함으로써) 상기 광학 장치의 위치에 따라 상기 선경사 각도들을 선택적으로 조절하는 것이 가능하다. 다른 실시예에서, 면형의 상기 제1 전극층에 대하여 상기 액정 분자들의 방향인 절대 틸트 각도는, 허용 한계 내에서, 상기 장치에 걸쳐 동일하다는 것이 보장될 수 있다. 선경사를 바꾸기 위하여, 예를 들어, 표면을 러빙하는 세기를 증가시키거나(Stohr et al, 'Microscopic Origin of Liquid Crystal Alignment on Rubbed Polymer Surfaces'), 감광성 배향 물질을 이용(Yaroshchuk et al, 'Photoalignment of liquid crystals: basics and current trends')할 수 있다.

당업자는, 프레넬형 회절 구조가 본 발명에서와 같이 제공될 때, 경사면들이 인접한 경사 면들을 상호 연결하는 연결 면들과 교대하는 것을 알 수 있을 것이다. 상기 연결 면들은 상기 경사 면들에 실질적으로 수직을 이루거나, 상기 전극층들에 대해 실질적으로 수직을 이루는 방향을 향한다. 이처럼, 연결 면들은 다른 연결 면과 함께 블레이즈로 알려진 강한 구조를 이룬다.

이러한 연결 면들 위에 배향막이 위치하고, 상기 액정 분자들에게 선경사를 제공하도록 선처리될 때, 상기 액정 분자들은, 오프 상태에서, 상기 제1 전극층에 실질적으로 평행한 배열을 얻을 수 있다. 이러한 효과는 중요하지 않은 영향으로 간주된다. 그러나, 다른 실시예에서, 상기 블레이즈의 끝 부분까지 이러한 연결 면들 위에는 배향막이 없도록, 상기 제1 배향막은 소정의 패턴에 따라 제공될 수 있다. 전형적으로 폴리이미드를 기반으로 상기 제1 배향막을 패턴으로 제공하는 것은 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, (폴리이미드 층을 제공하기 전 또는 후에) 사진식각 마스크의 사용 및/또는 감광성 폴리이미드 층의 코팅 후 (자외선 UV)의 노광 및 상기 층 중 경화되지 않은 부분의 제거와 같은 수단에 의해 수행될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 프레넬 렌즈 구조는 제1 부영역과 제2 부영역을 가지도록 제공되고, 상기 제1 부영역에서의 선경사(α)는 상기 제2 부영역에서의 선경사보다 작다. 상기 부영역들은, 상기 제1 부영역에서 상기 하나 이상의 경사면들의 상기 기울기 각도가 상기 제2 부영역에서 상기 하나 이상의 경사면들의 적어도 하나의 기울기 각도보다 작도록, 적절하게 배치된다. 상기 부영역들은 예를 들어, 가늘고 긴 조각(strip) 또는 링과 같이 적용될 수 있다. 이에 따라, 허용 한계 내에서 상기 절대 틸트 각도(β)가 상기 광학 장치에 대해 균일하도록, 기울기 각도의 차이는 보상 가능하다.

다른 실시예에서, 경사면 위의 배향막은 적어도 하나의 내부 부영역과 외부 부영역들로 나뉘어지고, 상기 부영역들은 상기 배향 방향으로 배향되고, 상기 외부 부영역들은 상기 적어도 하나의 내부 부영역의 선경사 각도보다 큰 선경사 각도를 가진다. 보다 바람직한 실시예에서, 서로 다른 부영역에서 상기 배향막이 다르게 선처리되는 것뿐만 아니라, 별개의 배향막들이 적용될 수도 있다.

바람직하게, 상기 회절 광학 구조물은 상기 하나 이상의 경사면이 대향하는 기울기 방향을 갖는 경사면 부영역들을 포함하는 타원체 형상을 갖는다. 상기 타원체 형상은 광학 목적으로 자주 사용되고, 선경사 보상 없이 액정 분자들이 대향 방향으로 필연적으로 기울어진 대향 경사면들을 형성하고, 이는 앞서 설명한 디스클리네이션을 형성한다. 바람직하게, 회절 광학 구조로서 타원체 형상을 사용할 때, 배향 방향은 타원체의 최단축에 평행하도록 선택된다. 이는 선경사가 이 최단축에 평행하다는 것을 의미한다. 이 방향에서, 회절 광학 구조의 기울기 각도들은 최소 선경사로 보상될 수 있다. 이 방향에서, 디스클리네이션을 유도하는 경사들은 억제된다.

바람직하게, 상기 제1 전극은 상기 제2 전극과 실질적으로 평행하게 연장된다. 바람직하게, 상기 경사면과 상기 제2 전극층 사이에 복수의 스페이서들이 제공된다. 상기 스페이서들은 상기 층들이 일정한 간격을 유지하도록 함으로써, 상기 층들이 실질적으로 평행하게 연장될 수 있게 한다. 상기 스페이서들은 광학 성능의 저하 없이 기계적 안정성을 제공할 수 있도록 표면 영역 전반에 걸쳐 적절하게 분포된다.

한 실시예에서, 상기 편광 무의존 조절 가능 렌즈들의 상기 제2 광학 장치는 편광자이다. 이로 인해, 조절 가능 렌즈들은 선글라스에 이용될 수 있다. 따라서, 편광자가 없는 일반적인 선글라스에 적절하게 조립되고, 선글라스는 선택적으로 렌즈 굴절력(dioptric power)이 제공된다. 상기 편광자는, 당업자에게 공지된 바와 같이, 가시광의 제2 직교 편광 방향을 고려하는 방향으로 제공된다

다른 바람직한 실시예에서, 상기 제2 광학 장치는, 상기 제1 광학 장치에 대하여 제2 직교 방향으로 빛의 편광에 영향을 주는, 또 다른 렌즈이다. 보다 바람직하게, 상기 제2 광학 장치는 프레넬 렌즈 구조, 제1 배향막, 액정 물질, 그리고 제1 전극층과 제2 전극층 사이의 추가 배향막의 조합을 포함하는 점에서, 상기 제1 광학 장치에 대응한다. 이러한 편광 무의존 조절가능 렌즈들은 그 자체로 다시 안경에, 바람직하게는 임의의 시도력을 갖는 제1 안경 렌즈와 제2 안경 렌즈 사이에 적절하게 조립 될 수 있다. 오프 상태(일반적으로 1.5)에서 상기 액정의 굴절률과 일치하는 재료가 일반적으로 유효하기 때문에, 현재 조절가능 렌즈들의 이점은 오프 상태에서 보이지 않도록(제로 시도력) 구성될 수 있다는 점이다. 따라서, 렌즈를 능동적으로 사용할 때 (즉, 렌즈의 초점을 맞출 때) 단지 전기만 사용된다.

다른 구현예에서, 상기 제1 광학 장치와 상기 제2 광학 장치는 실질적으로 또는 완전히 동일체이다. 이는 제조를 용이하게 한다. 더욱이, 상기 제1 광학 장치와 상기 제2 광학 장치는, 상기 제2 전극들이 상기 제1 전극들보다 서로 더 인접하도록, 달리 말하면, 상기 제1 전극들은 조립체의 외부에 위치하고, 상기 제2 전극들은 상기 조립체의 내부에 위치하도록, 반대 방향으로 조립되는 것이 바람직하다. 이것은 수직 배향 액정 물질을 사용할 때 최상의 성능을 나타내는 것으로 알려진다.

특히, 원하는 안경 내부로 통합되는 점에서, 상기 프레넬 렌즈 구조로 정의되는 렌즈들은 15-35mm, 예를 들어 20-30mm의 직경을 가지는 것이 바람직하다. 이는 상당히 넓은 렌즈들이다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이러한 직경을 가지는 렌즈들에 관련하여 관찰되었다.

바람직하게, 상기 제1 전극층은 상기 제2 전극층과 실질적으로 평행하게 확장된다. 이는, 전극들 사이의 거리, 따라서 전기장의 강도가 전체 폭에 걸쳐 동일한 안정한 장치를 달성하기 위해 바람직하다. 또한, 이처럼 두 전극층이 평행하게 확장되는 것은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 기판 위에 각기 적용되고, 전극층을 가지는 기판들과 추가 층들(상기 프레넬 렌즈 구조와 상기 배향막들)이 함께 조립됨으로써, 구현될 수 있다.

또 다른 구현에서, 상기 경사면들과 상기 제2 전극층 사이에 복수의 스페이서들이 제공된다. 상기 스페이서들은 광학 성능이 저하되지 않도록 적절하게 분포된다. 상기 편광 무의존 조절 가능 렌즈의 시도력(dioptric power)은 적절하게는 0 에서 5의 범위, 바람직하게는 +0.5 내지 +3.0의 범위, 예를 들어 1.0 내지 2.5의 범위 안에 있다.

사용된 상기 프레넬 렌즈 구조는 당업자에게 공지된 바와 같이, 다양한 차수(order)를 가질 수 있고, 프레넬 렌즈 구조의 높이는 차수에 따라 증가한다. 차수가 높을수록 광학 품질은 좋아지지만, 전환은 느려진다.

더욱이, 이중 이지미 문제는 저차수 렌즈보다 고차수 렌즈에서 더욱 확연함이 명백하다. 3차수 렌즈와 6차수 렌즈가 제조되었다.

광학 장치를 제조하기 위해 바람직하게 다음의 단계들이 수행된다:

제1 전극, 프레넬 렌즈 구조, 그리고 제1 배향막을 가지는 제1 기판을 제공하는 단계;

상기 제1 배향막에 단일 배향 방향으로 선경사를 적용하는 단계;

상기 제2 전극, 상기 추가 배향막을 포함하는 제2 기판을 제공하는 단계, 상기 추가 배향막에 상기 제1 배향 방향과 역평행(anti-parallel) 방향으로 선경사를 적용하는 단계, 그 후 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 조립하는 단계;

그리고 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 조립하고, 상기 제1 배향막과 상기 추가 배향막 사이에 형성된 공간 내에 액정 물질이 채워지도록 상기 액정 물질을 제공하는 단계를 포함한다.

상기 추가 배향막의 선처리는, 상기 액정 물질이 존재하는 상기 공간의 상부면과 바닥면에서 상기 액정 분자들이 원하는 방향으로 회전하도록, 이루어져야 함이 명확성을 위해 관찰된다. 상기 추가 배향막의 결과적인 선경사 각도는 상기 제1 배향막에 가해진 것과 같을 필요는 없다. 바람직하게 상기 제2 전극층이 평면형일 때, 상기 추가 배향막의 상기 선경사 각도는 상기 제1 배향막의 선경사 각도보다 작을 수 있다. 적합하게는, 상기 제1 배향막에서의 선경사 각도는 4-8도, 예를 들어 5-7도, 예를 들어 약 6도의 범위 내에 있다. 명확성을 위해, 상기 추가 배향막의 선경사의 역 평행 방향은 제조된 장치에서의 상황을 지칭하는 것으로 관찰된다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 광학 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법은 광투과성인 제1 전극층(8)과 상기 제1 전극층에 인접한 회절 광학 구조체(4)를 가지는 제1 기판을 제공하는 단계, 상기 회절 광학 구조체는 프레넬 렌즈 구조이고, 상기 프레넬 렌즈 구조는 그 중심에 위치하는 제1 경사면(11)과 상기 제1 경사면(11)을 둘러싸는 복수의 각진 추가 경사면들을 포함하고, 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들은 각기 상기 제1 전극층(8)에 대하여 기울기 각도를 가지고; 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들 위에 적어도 하나의 배향막을 적용하고 상기 적어도 하나의 배향막에 인접한 액정(LC) 분자들이 소정의 선경사를 가지도록 상기 적어도 하나의 배향막을 처리하는 단계;

광투과성 제2 전극층(9)과 상기 제2 전극층 위에 위치하는 추가 배향막을 포함하는 제2 기판을 제공하는 단계, 상기 추가 배향막은 상기 추가 배향막에 인접한 액정(LC) 분자들이 소정의 선경사를 가지도록 처리되고;

상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 간격(d)을 이루도록 배치되고, 상기 배향막들이 서로 마주하여 그 사이에 공간(7)을 이루고, 상기 공간이 액정 물질로 채워지도록 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 조립하는 단계를 포함하고,

상기 적어도 하나의 배향막의 적용 및/또는 처리는 서로 다른 배향 방향들 및/또는 다른 선경사 각도(α)를 가지는 복수의 부영역들을 제공하도록 구성된다.

이 측면에 따르면, 상기 제1 배향막은 서로 다른 배향 방향들 및/또는 다른 선경사 각도를 가지는 복수의 부영역들로 세분된다. 여기서, 상기 선경사는 아래 놓인 상기 프레넬 렌즈 구조의 기울기에 맞추어지도록 배열될 수 있다. 이는 상기 액정 분자들이 적합하게 배향되도록 하기 위해 유리하다. 적절하게는, 온-상태에서 상기 액정 분자들이 상기 제1 전극층 상에 투영될 때 상기 배향 방향에 대하여 최대 45도, 또는 최대 30도의 횡방향 각도를 포함하는 것이 달성된다. 상기 배향막을 부영역들로 구분하는 것은 이중 이미지 문제를 줄이기 위한 효과적인 방법으로 고려된다. 바람직하게, 상기 선경사를 제공하는 단계는 상기 광학 장치를 상기 배향 방향으로 러빙하는 단계 및/또는 감광성 배향 물질을 이용하는 단계를 포함한다.

바람직한 실시예에서, 제1 부영역에서는 제1 배향 방향을 가지고, 제2 부영역에서는 상기 제1 배향 방향과 평행하지만 반대 방향인 제2 배향 방향을 가지도록 제1 배향막이 제공된다. 여기서, 보다 바람직한 구현에서, 상기 제1 배향막에서, 바람직하게 상기 제1 부영역은 상기 프라넬 렌즈 구조의 중심의 아래를 향하는 쪽에 위치하는 경사면의 제1 부분을 덮고, 상기 제2 부영역은 상기 중심의 위를 향하는 쪽에 위치하는 상기 경사면의 제2 부분을 덮도록 상기 제1 부영역과 상기 제2 부영역이 제공된다. 이 실시예에서, 상기 제1 부영역과 상기 제2 부영역은 서로 반대의 배향 방향이 주어진다. 상기 제1 부영역과 상기 제2 부영역 사이의 경계는 상기 프레넬 렌즈 구조의 중심을 통과 할 수 있다. 대안적으로, 이러한 경계는 하나의 경사면에서 이어지는 경사면으로의 변화하는 부분과 적어도 부분적으로 일치할 수 있다. 이러한 구조의 장점은 사용자에게 가장 중요한 표면인 상기 중심에서의 상기 경사면에서 어떤 선도 보이지 않는다는 점이다. 가장 바람직하게, 상기 제1 배향막을 반대 배향 방향을 가지는 부영역들로 세분할 때, 액정 재료로 채워진 공동의 바닥면과 상부면 위에서 배향이 일치되도록 하기 위하여, 추가 배향막에 대응하는 부영역들이 적용된다.

추가 구현에서, 이러한 제1 부영역과 제2 부영역은 같은 배향 방향을 가지지만 선경사 각도가 다른 추가 부영역들로 나뉘어지거나 이를 수반할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 부영역과 상기 제2 부영역은 내부 부영역들이고, 상기 제1 부영역과 상기 제2 부영역 각각에 인접한 부분에 추가적인 외부 부영역들이 존재하고, 상기 내부 부영역과 상기 외부 부영역들은, 바람직하게 상기 제1 배향 방향에 평행한 상호 인터페이스를 가지도록, 상기 제1 배향 방향과 나란하게 배열되고, 상기 외부 부영역들은 서로 같은 배향 방향을 가지고, 상기 내부 부영역들과는 다른 선경사 각도를 가진다.

앞선 실시예들과 조합될 수 있는 다른 실시예에서, 제1 배향막은 제1 부영역에 따른 소정의 패턴에 따라 적용되고, 제2 배향막은 제2 부영역에 따른 소정의 패턴에 따라 적용되고, 사이 제1 배향막과 상기 제2 배향막은 서로 다른 선경사 각도(α)을 가진다. 상기 제1 배향막과 상기 제2 배향막은 감광성 재료를 포함하고, 상기 선경사 각도를 정의하기 위해 노광처리된다. 예를 들어, S-C Jeng et al의 "Controlling the alignment of polyimide for liquid crystal devices" (Chapter 5 in High Performance polymers - polyimide based -from chemistry to applications (INTECH, 2012), pages 87-104, esp 88-89 and 95)에서 개시된 바와 같이, 폴리이미드에 다면체 올리고머 실세스퀴옥산 나노 입자(polyhedral oligomeric silsesquioxane nanoparticles)를 도핑하는 것은 나노 입자들의 농도에 따라 다른 선경사 각도록 가지는 물질을 유도하는데 이용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제1 배향막이 감광성 물질을 포함하도록 적용되고, 상기 감광성 물질의 처리에 의해 상기 부영역들이 제공될 수 있다. 서로 다른 선경사 각도들 및/또는 서로 다른 배향 방향을 제공하도록, 상기 부영역들 중 적어도 제1 부영역과 제2 부영역에 대한 처리는 다를 수 있다.

이 기술 자체가 공지되었만, 이중 이미지의 문제를 방지하거나 감소시키기 위해 프레넬 렌즈 구조와 조합된 본 발명의 내용은 종래 기술에서 공지되거나 해결되지 않았다.

또 다른 실시예에서, 상기 각진 경사면들 각각은 상기 제1 전극층으로부터 돌출된 블레이즈(blaze)로부터 연장되고, 상기 블레이즈는 상기 제1 전극층(8)을 향해 실질적으로 횡단하도록 연장된 측벽을 더 가지고, 상기 제1 배향층은 상기 블레이즈들의 측벽들이 자유롭게 유지되고 배향막 없이 남도록 소정의 패턴에 따라 제공된다.

또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 전술한 제조 방법에 따라 제조된 광학 장치에 관련된다. 상기 광학 장치는 제1 전극층; 상기 제1 전극층으로부터 거리(d)만큼 이격되어 위치하는 제2 전극층(9), 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 광 투과성을 가지고, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 상기 제1 전극층에 인접하고 프레넬 렌즈 구조인 회절 활성 광학 구조(4)가 위치하고, 상기 회절 활성 광학 구조(4)는 상기 프레넬 렌즈 구조의 중심에 위치하는 제1 경사면(11)과 상기 제1 경사면을 둘러싸는 복수의 각진 추가 경사면들을 포함하고, 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들은 각기 상기 제1 전극층(8)에 대해 기울기 각도를 가지고, 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들은 제1 배향막으로 덮여 있고; 적어도 하나의 경사진 표면상의 상기 제1 배향막과 상기 제2 전극층에 사이의 공간을 채우고 오프 상태에서 수직 배향된 액정 분자들을 포함하는 액정 재료; 그리고 상기 제2 전극에 인접한 상기 공간의 측면에 위치하는 추가 배향막을 포함하도록 제공된다. 상기 제1 배향막과의 계면에서의 상기 액정 분자들은 단일 배향 방향으로 선경사(α)를 가지고, 상기 제1 배향막은, 서로 다른 배향 방향 및/또는 서로 다른 선경사 각도를 가지도록, 복수의 부영역을 가지도록 제공된다. 제1 부영역과 제2 부영역이 서로 다른 반대의 배향 방향을 가질 때, 이에 대응하여, 상기 추가 배향막은 반대 방향의 배향 방향들을 가지는 제1 부영역과 제2 부영역을 가지도록 제공된다.

본 발명은 또한 제1 광학 장치와 제2 광학 장치가 적층된 편광 무의존 조절 가능 렌즈에 관련되고, 적어도 상기 제1 광학 장치는 바람직하게는 상기 제2 광학 장치 역시 앞서 설명한 실시예에 따른 것이고, 및/또는 앞서 설명한 방법에 따라 얻어진 것이다. 이러한 광학 장치는 본 발명의 방법에 이해 제조될 수 있고, 편광 무의존 조절가능 렌즈에 적용될 때 이중 이미지 문제를 줄일 수 있다. 한 적합한 실시예에서, 상기 편광 무의존 조절가능 렌즈들은 구부러질 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 광학 장치와 상기 제2 광학 장치의 조립은 소정의 곡률을 적용할 수 있도록 처리된다. 보다 바람직하게는, 상기 소정의 곡률은, 예를 들어 이러한 유리의 한 측면에 부착되거나, 더욱 바람직하게는 그러한 안경 유리의 두 절반 렌즈들 사이에 통합됨에 따라, 편광 무의존 조절가능 렌즈들이 통합될 안경의 유리들의 곡률과 일치한다. 이러한 곡률의 적용은 액정 분자들의 배향 특성에 부정적인 영향을 미치지 않는 것이 알려져 왔다.

이러한 방법을 사용함으로써, 앞서 설명한 바와 같이, 신뢰성 있는 광학 특성을 가지도록 광학 장치를 제조할 수 있다. 당업자는 선경사는 다수의 기술을 사용하여 그리고 사용된 기술에 따라 제조 공정의 상이한 단계에서 제공될 수 있음을 이해할 것이다. 한 측면에 대해 위에 언급한 어떤 실시예나 구현은 명백하게 모순되지 않는 한, 다른 측면에도 적용된다.

전기적으로 조정 가능하고, 신뢰성 있는 광학 특성을 가지고, 대량 생산이 가능한 광학 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 광학 장치의 단면도이고;
도 2는 상기 장치의 온 상태와 오프 상태에서 액정의 방향을 도시하고;
도 3은 경사면들에서의 배향 방향의 효과를 도시하고;
도 4는 상기 경사면들을 보상하는 선경사를 도시하고;
도 5a 내지 도 5c는 상기 렌즈 표면의 다양한 위치에서 상기 액정 분자에 대한 선경사의 효과를 나타내는 렌즈 표면의 일부를 도시하고;
도 6은 부영역들로 나뉘고 상기 부영역들에 서로 다른 선경사가 적용된 렌즈 표면을 도시하고; 그리고
도 7은 렌즈 표면에 선경사를 가하는 다양한 방법을 도시한다.

이제 본 발명의 일부 바람직한 실시예를 도시한 도면을 참고하여, 본 발명은 보다 상세하게 설명될 것이다.

도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다.

본 발명은 특정 실시예 및 특정 도면을 참조하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 설명된 도면은 단지 개략적이고 비한정적이다. 도면에서, 일부 구성 요소의 크기는 설명을 위해 과장되어 축소되지 않고 도시될 수 있다. 치수 및 상대 치수는 본 개시를 실시하기 위한 실제 구현에 반드시 대응할 필요는 없다.

또한, 상세한 설명 및 청구 범위에서 제1, 제2, 제3 등의 용어는 유사한 요소를 구별하기 위해 사용되며 반드시 순차적 또는 시간 순서를 설명하는 것은 아니다. 상기 용어는 적절한 상황에서 상호 교환 가능하며, 본 개시의 실시예는 여기에 설명되거나 도시된 것과 다른 순서로 동작 할 수 있다.

또한, 상세한 설명 및 청구 범위에서 상, 하, 상, 하 등의 용어는 설명의 목적으로 사용되며 반드시 상대 위치를 설명하기 위한 것은 아니다. 이와 같이 사용된 용어는 적절한 상황에서 상호 교환 가능하며, 여기에 설명된 본 발명의 실시 예는 여기에 설명되거나 도시된 것과 다른 방향으로 동작 할 수 있다.

청구 범위에 사용 된 용어 "포함하는"은 이후에 열거된 수단으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며; 다른 요소나 단계를 제외하는 것이 아니다. 언급된 특징, 정수, 단계 또는 구성 요소의 존재를 특정하는 것으로 해석되어야 하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계 또는 구성 요소, 또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 장치"라는 표현의 범위는 구성 요소 A 및 구성 요소 B로만 구성된 장치로 제한되어서는 안된다. 이는 본 개시 내용과 관련하여, 장치의 유일한 관련 구성 요소는 A 및 B인 것을 의미한다. 청구항에 사용된 "적어도 하나의"라는 용어는 언급된 하나 이상의 언급 된 특징, 정수, 단계 또는 구성 요소의 존재를 명시함으로써 표현 및/또는 표현을 대체하는 것으로 해석되어야 한다. A 및 B 중 적어도 하나는 A 및/또는 B로 해석되어야 한다. 청구항에서 사용 된 용어 "하나"는 언급된 특징, 정수, 단계 또는 구성 요소 중 하나의 존재를 명시하는 것으로 해석되어야 한다. 이에 의해 표현을 '또는'과 대체되어야 한다. 따라서 A와 B 중 하나는 A 또는 B로 해석해야 한다.

열가소성 또는 열연화 플라스틱은 특정 온도 이상에서 유연하거나 성형 가능하고 냉각 시 고화되는 플라스틱 재료, 중합체이다. 바람직하게, 이들 열가소성 층들은 광학적으로 투명한 중합체, 즉 시각 스펙트럼, 예를 들어 400-700nm에서 5내지 100 %의 광 투과 효율을 갖는 중합체로 형성된다. 이러한 예로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate), 투명 폴리우레탄 폴리카보네이트(polyurethane polycarbonate), 또는 Mitsui MR8과 같이 안경 제조에 사용되는 티오우레탄(thiourethane) 재료등이다. 이들 재료로 형성된 필름은 5내지 1000㎛의 두께를 가질 수 있고 전형적으로 최대 3 mm의 굽힘 반경을 견딜 수 있다.

회절 광학 소자(DOE: diffractive optical element)는 블레이즈 격자, 프레넬 렌즈, 프레넬 액시콘 또는 투과된 광에서 미리 결정된 위상 프로파일을 유도하는 다른 구조물과 같은 회절 구조물을 포함 할 수 있다.

공동(7)을 채우는 유체 물질은 액정 물질이다. 바람직하게, 공동을 채우는 상기 액정 물질의 굴절률은 액정 물질의 적어도 하나의 상태에 대하여 회절 광학 소자(4), 보더(border)(6), 접착제의 굴절률에 맞춰진다. 예를 들어, 공지의 액정 E7의 일반적인 지표는 자외선 글루 NOA 74와 같다. 액정 물질은 오프 상태에서 수직으로 배열된다. 수직 배향 액정 물질은 자연적으로 배향 표면에 수직으로 배향되는 물질이다. 달리 말하면, 전압이 가해지지 않을 때, 광학 장치의 오프 상태에서, 액정들은 배향 표면에 실질적으로 수직 방향으로 유지된다. 이러한 물질은 또한 음의 유전율 이방성(ε)을 갖는다는 것이 공지되어 있고, 그 자체가 공지되어 있다. 이러한 액정 물질은 또한 수직 배향으로 언급된다. 광학 장치의 아래 부분에서, 배향 표면은 회절 구조의 경사면들에 의해 주로 형성된다. 광학 장치의 윗 부분에서, 배향 표면은 제2 전극층 또는 제2 전극을 포함하는 다른 층에 의해 형성된다. 상부 배향막과 하부 배향막은 광학 장치의 공동의 하부 벽과 상부 벽을 이룬다. 한 실시예에서, 하부 배향 표면과 상부 배향 표면은 평행한 것이 아니라, 오히려 경사면들에 대응하는 경사진 부영역들로 보여진다.

수직 배향된 액정 물질들 내의 분자들은, 오프 상태에서, 전극층에 대하여가 아니라 배향 표면이 되는 접촉 표면에 대하여 실질적으로 수직인 위치를 취하는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 광학 장치에서 이러한 결과는, 오프 상태에서, 액정들 중 적어도 일부가 제1 전극층에 대하여 기울어진 위치를 가지는 것이다. 이러한 틸트는 회절 구조에서 적어도 하나의 경사면의 기울기에 직접 관련된다. 따라서, 통상적으로, 전극층에 대한 이러한 틸트는 광학 장치에 걸쳐 불연속적이다. 뒤에서 할 설명에서, 제1 전극층의 법선에 대한 액정 분자들의 틸트는 유효 틸트 각도로 지칭된다. 도 4에서, 유효 틸트 각도는 도면 부호 β로 도시된다.

선경사의 개념은 액정 재료에 대해 알려져 있다. 문헌적으로는, 선경사라는 용어는 일반적으로 상황에 따라 약간 다른 정의를 가질 수 있다. 본 명세서에서는, 수직 배향 액정 물질이 사용되고, 배향층은 전극층들에 대한 서로 다른 기울기 방향들 및/또는 서로 다른 각도를 불연속적으로 나타낸다. 이 명세서 내에서 선경사는, 장치의 오프 상태에서, 액정 분자들과 배향 물질의 표면 법선 사이의 각도에 관련한 것으로 정의된다. 배향 물질은 액정 분자들이 접촉하는 물질이다. 도 4에서, 선경사는 도면 부호 α로 도시된다. 이러한 정의에 따르면, 배향 표면이 제1 전극층과 평행일 때, 유효 틸트 각도(β)와 선경사(α)는 같다. 이는 도 4에서 도면의 가운데 부분에 도시된다. 따라서, 이 정의에 따르면, 선경사가 가해지지 않을 때, 액정 분자들은 배향 표면에 대해 실질적으로 수직을 이루도록 뻗어 있다.

액정 분자에 선경사를 제공하기 위한 다양한 기술들이 문헌에서 설명되어 있다. 이러한 기술들 대부분의 목표는 액정 분자들을 소정의 방향을 향하도록 하는 것이다. 이는 온 상태로 상태가 변화할 때, 액정 분자들의 회전하는 방향에 영향을 준다. 대부분의 광학 시스템에서, 이러한 액정 분자들은 단일 방향을 향하는 것이 바람직하다. 이를 통해, 많은 경우에서, 선경사는 각도를 정의할 뿐만 아니라 각도가 향하는 방향도 정의하는 것이 자명하다. 예를 들어, 러빙을 통해 선경사가 실현될 때, 러빙 방향은 선경사 방향을 결정하고, 러빙 세기는 선경사 각도를 결정한다.

완벽함을 가하기 위해, 빛샘이라고 불리는 효과를 포함하는, 광학 장치에서의 액정 분자들의 광학적 효과가 설명된다. 전체 회절 구조에 걸쳐 하나의 편광에 대한 균일한 광학 응답을 보장하기 위해, 네마틱 액정 분자들은 모든 상태에서 단일축으로 정렬된 상태로 유지하여야 한다. 이러한 방식에서, 복굴절 분자에 의해 야기된 위상차이는 두 특정 수직 배향에서 선형으로 편광된 빛의 편광에 영향을 미치지 않을 것이다. 투과된 빛의 위상 프로파일이, 예를 들어 다양한 위치에서의 회절 구조의 높이에 의해 영향을 받을 때, 한 포인트에 초점을 맞추는 것과 같은 특정 양상을 나타내도록 주의깊게 관리될 수 있다. 단축 방향에 평행한 선형 편광된 빛은 선형 편광된 상태를 유지하지만, 위상 프로파일은 변경되고, 반면에 수직 방향은 영향을 받지 않는다. 보정 배향을 갖는 액정 셀 앞에 선형 편광자를 배치하거나(전체 광 투과율은 감소시키는 대신), 또는 90도 각도로 두 개의 동일한 셀을 배치함으로써 원하는 응답을 갖는 광학 장치를 구성 할 수 있고, 이는 편광 무의존 장치를 초래한다.

그러나, 분자 배향이, 예를 들어 회절 구조의 표면으로 인해, 일축 구성으로부터 벗어나면, 위치에 의존하는 지연(retardation)이 발생한다. 이 결과로, 편광에서 위치에 따른 변화가 일어날 것이고, 국지적 위상 프로파일이 두 상태의 중첩 상태가 될 것이다. 완벽한 일축 배향과는 달리, 선형 편광기는 전체 장치에 걸쳐 원하지 않는 위상 프로파일을 제거 할 수 없고, 이에 따라 위치에 의존하는 이중 이미지가 발생한다. 유사하게, 두 개의 이러한 같은 장치들은 위치에 의존하는 이중 이미지를 가져온다. 이 효과는 빛샘으로 불리며, 본 발명에 의해 최소화된다.

바람직하게, 하부 기판은 제1 광학 투명 열가소성 층(2)을 포함하고, 제1 광학 투명 전극(8)을 포함한다. 상부 기판은 제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 포함하고, 제2 광학 투명 전극(9)을 포함한다. 두 층들(2, 3)은, 고정된 간격(d)을 이루도록 제공되고, 고정된 간격(d)은 바람직하게 회절 광학 요소(4)의 상부에 제공되는 복수의 스페이서(5)에 의해 설정된다. 이 간격은 바람직하게 보더(6)에 의해 추가적으로 유지된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 회절 광학 요소(4), 스페이서들(5), 그리고 보더(6)는 두 층들(2, 3) 사이, 그리고 두 전극층(8, 9) 사이에 위치한다. 상기 간격(d)은 10나노미터(nm) 내지 100마이크로미터(μm), 통상적으로 50nm 내지 50 μm 사이의 값일 수 있다.

바람직한 실시예에서, 보더(6), 스페이서(5), 회절 광학 요소(4)는 서로 같은 물질 조성을 가진다. 예를 들어, 스페이서(5), 회절 광학 요소(4)와 보더(6)는 비스페놀 플루오르 디아크릴레이트(bisphenol fluorine diacrylate)와 같은 고 굴절률 모노머 또는 Norland Optical Adhesives (NOA)와 같은 Products, Inc 사에서 시판되는 NOA 1625 또는 NOA 164와 같은 고 굴절률 UV 접착제로 제조 될 수 있다.

뒤에서 설명하는 바와 같이, 보더(6), 스페이서(5), 회절 광학 요소(4)는 앞에서 언급한 물질을 포함하는 하나의 층을 하부 기판 위에 형성한 후 나노임프린트 기술을 이용하여 형성될 수 있다.

나노임프린트 기술은, 반도체와 평판 패널의 제조 방법에서 이용되는 사진 식각 패터닝 기술과 비교하여, 단순하고, 저비용이고, 대량 생산 가능한 패터닝 기술이다. 참고 문헌으로 인용된, Kooy et al의 'A review of roll-to-roll nanoimprint lithography'에 공개된 바와 같이, 나노 임프린트 리소그라피는 원하는 패턴과 역의 형태를 포함하는 조립식 몰드의 사용을 포함한다. 이러한 몰드가 폴리머가 증착된 기판 위를 눌러, 기계적 변형에 의해 폴리머에 패턴이 복사된다. 변형 후, 변형된 중합체에 열 공정을 가하거나, 변형된 중합체에 자외선 광을 가함으로써, 나노 임프린트된 패턴을 경화함으로써, 패턴은 고정된다. 다음으로, 몰드가 제거된다. 반대 패턴은 형성될 단일 구조에 대응할 수 있다. 폴리머 내에 배열된 구조들을 형성한 후, 필요한 구조의 수만큼 나노 임프린트 공정을 반복해야 한다. 몰드가 배열된 역 패턴을 포함하는 경우, 처리량이 증가 될 수 있으며, 이에 의해 한번의 나노 임프린트 동안 같은 폴리머 내에 원하는 수의 구조가 동시에 형성된다.

바람직하게, 제2 열가소성층(3)을 향해 배향된 회절 광학 요소(4)의 표면은 액정 재료를 위한 정렬 층으로서 구성된 초미세(1마이크로 미만의) 홈(groove)들을 포함한다. 이러한 홈들은 앞서 설명한 나노임프린트에 의해 회절 광학 요소(4)를 형성할 때 제조된다. 나노임프린트 공정에서 사용된 몰드는 보더(6), 스페이서(5), 회절 광학 요소(4)의 음의 형태를 포함할 뿐만 아니라, 내부 표면에는 적어도 회절 광학 요소(4)의 위치에, 예를 들어 원형 또는 사각 패턴의 홈들을 포함한다. 이러한 시도는 통합된 방식으로 이러한 구조를 형성하는 것이 가능하다. 'Molecular-Scale Soft Imprint Lithography for Alignment'에서 R. Lin et al.가 개시한 바와 같이, Y.J. Liu et al는 'Nanoimprinted ultrafine line and space nano- gratings for liquid crystal alignment'에서 나노 임프린트 기술을 이용하여 배향 패턴들을 형성하는 것을 개시한다.

액정 재료의 배향 특성은 홈 자체의 기하학적 구조뿐만 아니라 홈이 형성되는 회절 광학 소자(4)를 구성하는 재료에 의해서도 결정된다. 만일 같은 구조의 홈을 위해 다른 물질이 이용된다면, 다른 물질의 정렬 특성을 제공하기 위해, 이러한 그루브 위에 추가적인 컨포멀(conformal) 배향막이 형성될 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 소자의 재료가 평면 방식으로 액정 분자를 정렬시키는 경우, 적어도 일부의 홈들을 덮는 수직 배향막이 코팅 될 수 있다. 이러한 컨포멀 배향막은 회절 광학 소자(4)의 홈을 가지는 표면 전체를 덮을 수 있다. 대안적으로, 이러한 홈을 가지는 표면 중 일부분만 추가적인 컨포멀 배향막에 의해 덮이는 경우, 추가적인 컨포멀 배향막과 회절 광학 소자(4) 사이의 물질 배향 특성들의 차이를 이용할 수 있다. 회절 광학 소자(4) 위에 위치하는 공동(7) 내부에 평탄화 물질의 층이 존재할 수 있다. 제2 열가소성 층(3)을 향하도록 배향된, 평탄화 층의 표면에 형성된 홈들에 의해, 배향막은 공동(7)의 하부에도 역시 존재할 수 있다. 장치(1)의 동작 동안, 이러한 홈들은 공동(7)에 존재하는 액정들의 배향을 돕는다. 바람직하게, 제2 열가소성 층(3)에 인접하여 홈을 가지는 표면과 마주하는 공동(7)의 측면에, 추가적인 배향막이 또한 위치할 수 있다.

회절 광학 소자(4)와 평탄화 층의 각각의 물질들은, 적어도 그들 사이의 경계에서, 같은 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 낮은 주파수(예를 들어, 10Hz 내지 10kHz)의 전기장에서 이러한 물질들의 유전율은 다를 수 있다. 이러한 평탄화 물질은 보더(6)의 상부 부분을 형성하는데 또한 사용될 수 있다. 만일 노치(16)가 존재한다면, 이 역시 평탄화 물질로 형성된다.

광학 투명 전극은 ITO(Indium Tin Oxide), ClearOhm® 은(Ag) 나노와이어, 또는 AGFA Orgacon 잉크와 같은 재료로 만들어질 수 있다. ITO의 취약성(brittleness)으로 인해, PEDOT: PSS, 그래핀, 탄소 나노 튜브 또는 은 나노와이어와 같이 덜 단단하고 더 유연한 재료가 사용될 수 있다. 광학 투명 전극(8, 9)은 회절 광학 요소(4)의 다른 구역들을 개별적으로 처리하도록 패턴화 될 수 있다. 이 전극은 전체 용량을 줄이기 위해, 회절 광학 소자(4)의 영역 내에 전극만을 갖도록 하거나, 또는 이 영역 내의 전극을 경계 영역 내의 전극으로부터 분리함으로써, 패턴화될 수도 있다.

본 개시의 제2 측면에서, 앞선 측면에서 개시된 바와 같이 광학 장치(1)는 광학 기기에 사용된다. 광학 기기에 삽입될 때, 광학 장치(1)는 눈을 향한 빛의 위상 프로파일을 조정하도록 구성된다.

이러한 광학 기기는 렌즈일 수 있고, 광학 장치는 렌즈 삽입으로 사용된다. 안과에서의 적용을 고려할 때, 렌즈는 안경 렌즈, 콘택트 렌즈 또는 안내 렌즈일 수 있다. 안경 렌즈 및 콘택트 렌즈는 일반적으로 메니스커스 형상을 갖기 때문에, 광학 장치(1)가 내장될 렌즈의 곡률과 실질적으로 동일한 곡률로 만곡될 때, 광학 기기는 렌즈에보다 쉽게 통합 될 수 있다. 전형적으로, 광학 장치는 두 개의 직교 방향으로 만곡될 것이다. 안내 렌즈의 경우, 평면 또는 곡면 광학 장치가 내장 될 수 있다.

이러한 광학 기구는 하나 이상의 광학 장치(1)를 포함 할 수 있다. 복수의 이러한 광학 장치(1)들이 적층될 수 있다. 복수의 광학 장치들을 적층함으로써, 하나의 광학 장치의 전기 광학적 특성이 조합될 수 있다. 예를 들어, 네마틱 액정으로 채워지고, 수직으로 배향된 두 개의 장치들은 편광 무의존 조절가능 렌즈를 야기한다. 도 2는 온/오프 상태 사이에서 잘 제어된 굴절률 차이를 생성하기 위한 액정 분자(10)의 의도된 거동을 도시한다. 이러한 제어된 차이는 광학 장치의 바람직한 신뢰성 있는 광학 특성을 야기한다. 도면에서, 오프 상태의 액정 분자는 10a로 지칭되고, 온 상태의 액정 분자는 10b로 지칭된다. 오프 상태에서, 액정 분자는 수직 배향된다.

액정 분자들을 포함하는 광학 장치는 그 온 상태와 오프 상태에서 액정의 굴절률 차이에 의해 동작한다. 이는 액정 분자의 배향 변화의 결과이며, 조심스럽게 제어하지 않으면 렌즈가 오작동하게 된다. 특히, 오프 상태에서, 대부분의, 바람직하게는 모든 액정 분자들이 위쪽을 향하는 것이 바람직하다. 이 상태에서, 액정의 굴절률은 렌즈의 수지 재료의 굴절률과 실질적으로 일치된다. 이는 사용된 액정 혼합물의 일반적인 굴절률(ne)이 렌즈 물질의 굴절률과 실질적으로 동일함을 의미한다. 이러한 일치는 모든 파장의 가시 광선에 대해 충분한 방식으로 이루어진다. 따라서, 렌즈를 제조하기 위한 수지 재료는 액정 혼합물의 분산 곡선과 매우 유사한 굴절률 분산 곡선을 가지도록 준비되어, 이 둘의 굴절률은 0.05이상으로 차이나지 않는다.

전기장이 인가될 때, 액정 분자의 대부분, 바람직하게는 모든 액정 분자는 실질적으로 수평으로 정렬되고, 모두 소정의 축에 실질적으로 평행하게 연장되고, 보다 바람직하게는 실질적으로 동일한 방향을 가리키는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 단지 하나의 편광에 대하여 광학적 출력이 있으며, 상부 배향막과 하부 배향막 모두가 조정된 방식으로 작용한다. 이 광학적 출력을 실제로 사용하기 위해서, 일반적인 굴절률과 특별한 굴절률의 차이가 일반적으로 > 0.15 정도 커야 한다.

도 1은 본 발명의 광학 장치의 단면도를 도시한다. 도 1에서는 서로 다른 기울기 방향 및/또는 서로 다른 기울기 각도들을 가지는 복수의 경사면들(11)을 포함하는 회절 구조를 도시한다. 프레넬 렌즈는 매우 대칭적이다. 따라서, 경사면들(11)은 다른 기울기 각도들을 가질 수 있다. 바람직한 배향 방향(12)과 같은 방향으로 기울어진 경사면은 도면 부호 11a로 도시한다. 바람직한 배향 방향(12)과 반대의 방향으로 기울어진 경사면은 도면 부호 11b로 도시한다. 도 4는 편평한 표면(11c)을 더 도시한다. 본 발명에 따르면, 이러한 회절 구조를 가지는 광학 장치에서, 도 2에 도시한 바와 같은 양상을 얻기 위하여, 액정 분자들의 선경사가 변경된다. 선경사의 변화가 없는 액정 물질의 양상은 도 3에 도시된다.

바람직하게, 광학 장치들은 폴리이미드 내에 바람직한 배향 방향(12)을 가지도록 형성된다. 이를 통해, 빛의 한 편광 방향의 파워가 집중되고 나머지 하나는 변경되지 않는다. 한 실시예에 따르면, 렌즈 층 표면이 아니라 양쪽 렌즈 위에 위치하는 폴리이미드 층들을 역방향으로 러빙함으로써 달성된다. 같은 결과를 가져오는 다른 기술이 또한 사용될 수 있음은 자명하다.

데스트 동안, 바람직한 배향 방향을 이루기 위한 이 기술은 낮은 광학 파워를 가지는 렌즈에 적절하게 작동하는 것이 관찰되었다. 달리 말하면, 중간 또는 낮은 구조들을 가지는 회절 구조들이 사용될 때, 이 기술은 적절하게 작동한다. 그러나, 고파워 렌즈에서, 전기장이 가해졌을 때, 매우 많은 수의 디스클리네이션이 발생하였다.

본 발명은 표면 높낮이가 액정 분자들을 추가적으로 회전시켜, 전기장이 가해졌을 때, 액정 분자들(본질적으로 쌍극자를 가지는)이 반대 방향에 있는 렌즈에서 반대 방향으로 회전할 수 있다는 이해를 적어도 부분적으로 기초로 한다. 상부면과 하부면에서 액정 쌍극자가 반대의 방향으로 회전하는 측면에서 특히, 디스클리네이션의 원인이 된다. 이러한 원하지 않는 양상은 도 3에 도시되고, 아래에서 보다 상세히 설명된다. 이러한 원하지 않는 효과는 렌즈 측면의 기울기가 높거나, 렌즈의 파워와 직경이 커질 때 더욱 뚜렷해진다. 이러한 디스클리네이션은 외부의 가장 가파른 블레이즈들에서 렌즈들의 같은 면에서 전형적으로 발생한다.

도 3은 이러한 상황을 도시한다. 도 3의 중앙에 도시한 바와 같이, 광학 장치는 도면에서 오른쪽을 향해 바람직한 선경사 방향(12)을 가지도록 처리된다. 광학 장치의 회절 구조는 프레넬 렌즈이다. 도면의 왼쪽에, 광학 장치의 왼쪽면에서의 경사 부영역(11a)의 단면도를 도시한다. 도면의 오른쪽에, 광학 장치의 오른쪽면에서의 추가 경사 부영역(11b)의 단면도를 도시한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 이러한 경사 부영역들은 반대의 경사 배열을 가짐이 자명하다.

또한 도 3은, 그 양쪽에서, 상부와 하부의 상태를 도시한다. 상부 상태는 액정 분자들이 서는 상태(10a)에 대응하고, 하부 상태는 액정 분자들이 눕는 상태(10b)에 대응한다. 서는 상태는 전극들 사이에 주요한 전기장이 가해지지 않았을 때, 액정 분자들이 취하는 상태를 말한다. 눕는 상태는 전극들 사이에 소정의 전기장이 가해졌을 때, 액정 분자들이 취하는 상태를 말한다.

바람직한 배향 방향의 결과로, 도 3에 도시한 바와 같이, 액정 분자들의 대부분은 눕는 상태(10b)에서 오른쪽을 향하는 경향이 있다. 그러나, 도면의 우측에서의 기울기 각도는, 도면 부호 10b로 도시된 바와 같이, 경사면의 근접에 위치하는 액정 분자들이 좌측으로 향하도록 영향을 미친다. 도면의 우측과 하부에서 액정 분자의 일부(10bb)는 좌측으로 향하고 액정 분자의 다른 일부(10b)는 우측으로 향하는 것을 도시한다. 본 개시에서, 공동의 가장자리에서의 액정 분자들의 배열은 전체 액정 셀로 확장될 것을 추론할 수 있다. 일반적으로, 전체 액정 셀 내에서 일치하지 않는 배열을 보상하기 위해, 액정분자들에게 추가적으로 비틀림(twist)이 발생하게 된다. 이는 액정 분자들을 통해 투과된 빛을 변화시켜, 광학 장치에서 광학적 오류가 시인된다.

이러한 문제의 해결을 위해, 표면의 높낮이에 의해 설정되는 틸트를 보상하도록, 배향 물질의 표면에 대한 액정 분자의 선경사를 변화시킨다. 이러한 선경사는 액정 물질의 공지된 특성으로, 액정 분자들과 배향 물질(11)의 표면 법선 사이의 각도를 의미한다. 간략하게 설명하면, 액정의 선경사를 기울기보다 더 크게 하면, 액정 분자들은 같은 방향으로 배열되고, 의도된 배향 동작이 달성될 수 있다. 이는 도 4에서 도시된다. 도 4는 선경사의 원리를 도시한다. 도면은 서로 다른 기울기 각도들을 가지는 표면 위의 액정 분자와 표면 법선 사이의 각도를 나타낸다.

도 4로부터, 각도(β)로 도시한 바와 같이, 액정 분자들(10a)의 절대 경사(tilt)가 바람직한 배향 방향(12)에 대응하도록, 선경사가 선택될 수 있음이 자명하다. 달리 말하면, 모든 액정 분자들(10a)는, 오른쪽 위를 향하는 상태에서, 절대 틸트(β)와 같은 방향을 가지도록 배열된다. 이를 달성하기 위하여, 선경사는 가장 가파른 대향 경사면 각도보다 큰 각도를 갖도록 선택된다. 이는 도 4의 오른쪽에 도시되어 있고, 경사면(11b)은 수직축에 대해 선경사 각도와 반대 방향의 각도를 가지는 표면 법선을 가진다. 선경사 각도(α)는 수직 방향과 표면 법선 사이의 각도보다 크고, 결과적인 절대 틸트(β)는 원하는 방향이 된다. 전기장이 가해짐에 따라 액정층이 활성화되면, 모든 액정 분자들은 모두 오른쪽 방향으로 회전하여 도 3에 도시한 상황을 피하게 되고 신뢰할 수 있는 광학 성능을 얻게 된다.

프리 틸트를 변경하기 위하여, 표면을 러빙할 때의 강도를 증가시키거나(Stohr et al, 'Microscopic Origin of Liquid Crystal Alignment on Rubbed Polymer Surfaces') 또는 감광성 배향 물질을 이용하거나(Yaroshchuk et al, 'Photoalignment of liquid crystals: basics and current trends'), 수직 배향된 액정과 수평 배향된 액정 물질을 혼합하거나(Wu et al., 'Controlling pretilt angles of liquid crystal using mixed polyimide alignment layer'), 다른 문헌에 설명된 다른 방법을 이용할 수 있다. 렌즈의 위치에 따라(예를 들어, 감광성 물질을 이용하여) 선경사 각도를 선택적으로 조절하여, 프레넬 렌즈 전체에 걸쳐 절대 틸트 각도를 같게 유지하는 것이 가능하다.

다른 방법은 측면(facet)들의 기울기를 제한하는 것이다. 이는 특정 렌즈 파워를 위해 렌즈의 비구면 설계를 사용하거나, 기울기가 선경사보다 큰 반쪽 렌즈의 외부 부분을 제거(예를 들어, 타원형 렌즈 형성)하여 이루어질 수 있다.

도 5a는 렌즈 표면의 일부의 사시도를 나타낸다. 이 부분은 위에서 설명한 회절 광학 요소(4)의 가운데 부분일 수 있다. 도면에서, 표면 법선은 렌즈 표면의 다양한 위치에 도시된다. 이 표면 법선은 실선의 화살표로 도시되고, 도면 부호 N으로 도시된다. 앞서 설명한 바와 같이, 오프 상태에서 액정의 배열은 표면 법선과 선경사의 조합이다. 이러한 렌즈 표면의 복수의 위치에서의 액정 배열을 나타내는 벡터가 도시되어 있고, 도면 부호 Np로 도시된다. 액정 방향 벡터는 점선 화살표로 도시된다. 액정 방향 벡터는 오프 상태에서 액정 분자들의 배열에 관련된다. 선경사 각도는 α로 도시되고, 표면 법선(N)과 액정 방향 벡터(Np) 사이의 각도이다.

앞서 설명한 바와 같이, 유효 틸트 각도(β)는 제1 전극의 표면 법선과 액정 배열 사이의 각도로 정의된다. 도 5a 내지 도 5c에서, 제1 전극의 표면 법선은 도면 부호 13으로 도시된다. 유효 틸트 각도(β)는 액정 분자와 표면 법선(13) 상의 각도로 보여진다.

유효 틸트 각도(β)는 렌즈가 활성화될 때, 액정 분자들의 배열 방향을 결정한다. 액정 분자들의 배열 방향에서, 유효 틸트 각도(β)의 효과는 제1 전극층에 평행한 표면 위로 투영된 액정 방향 벡터(Np)에 의해 가장 잘 설명된다. 일반적으로, 배향 방향(12)은 제1 전극층과 평행하게 정의된다. 액정 방향 벡터(Np)를 이러한 표면 위로 투영한 부분은 도 5a 내지 도 5c에서 도면 부호 Npxy로 도시된다. 투영부(Npxy)는 배향 방향(12)과 나란한 성분과 배향 방향(12)을 가로지르는 성분을 포함한다. 렌즈 표면 위의 위치에 따라 가로지르는 성분은 0일 수 있음이 자명하다. 특히, 배향 방향에 가로지르는 방향에 대하여 경사면이 기울어지지 않는 경우, 투영부(Npxy)의 가로지르는 성분은 0이다.

도 5a 내지 도 5c에서, 각도(θ)는 투영부(Npxy)와 배향 방향(12) 사이의 각도를 나타내는데 사용된다. 실험을 통해, 실질적으로 전체 정렬 표면에 걸쳐서, 각도(θ)가 60도 보다 작고, 보다 바람직하게는 45도 보다 작고, 가장 바람직하게는 30도 보다 작을 때, 렌즈 장치의 신뢰성 있고 예측 가능한 동작을 가져옴을 알 수 있었다. 도면을 참고하여 위에서 설명한 바를 기초하면, 당업자는, 선경사를 증가시키거나 및/또는 기울기 각도를 감소시킴으로써, 각도(θ)를 작게 만들 수 있음을 알 수 있을 것이다.

도 5b는 같은 렌즈 표면의 제1 전극 층에 평행한 평면도로, 도 5a와 같은 구성은 같은 화살표로 표시된다. 따라서, 도 5b는 제1 전극층 위의 액정 분자들의 투영부들(Npxy)을 도시한다. 도 5b는 또한, 표면 법선(N)을 도시한다. 도 5b에서, 각도(θ)가 명확하게 도시될 수 있다. 도시한 바와 같이, 렌즈의 중앙선 위로 투영된 투영부의 경우 각도(θ)는 0이다. 렌즈의 아래 부분 위로 투영된 투영부의 경우, 각도(θ)는 약 30도이다. 도 5c는 같은 렌즈 표면의 측면도로, 도 5a 및 도 5b와 같은 구성은 같은 화살표로 표시된다. 도 5c로부터, 유효 틸트 각도(β)는 모든 액정 방향 벡터(Np)가 도면의 오른쪽을 향하도록 하는 것임이 명확하다. 결과적으로, 액정 방향 벡터(Np)는 모두 배향 방향에 대해 양의 벡터 성분을 가진다. 당업자는 이들 벡터가 도면의 오른쪽을 가리키는 효과는 액정 분자가 활성화 될 때 액정 분자가 오른쪽을 향할 것이라는 점을 알 수 있을 것이다. 이에 따라, 활성화 될 때 액정 분자의 균일한 반응을 일으키고, 이는 앞서 설명한 바와 같이, 유리하다.

이에 따라, 활성화 될 때 액정 분자의 균일한 반응을 일으키고, 이는 앞서 설명한 바와 같이, 유리하다. 도 6의 화살표는 앞서 설명한 도 5a 내지 도 5c의 화살표와 유사하다. 두 부영역에서 선경사는 서로 다르고, 하나의 부영역의 배향 방향은 나머지 하나의 부영역의 배향 방향과 평행하나 서로 반대이다. 특히, 렌즈 표면의 오른쪽에서, 배향 방향(12a)은 오른쪽을 향한다. 도 6의 렌즈 표면의 왼쪽에서, 배향 방향(12b)은 왼쪽을 향한다. 액정 분자들이 활성화되면, 렌즈 표면의 오른쪽 위의 액정 분자들은 오른쪽을 향하고, 렌즈 표면의 왼쪽 위의 액정 분자들은 왼쪽을 향한다. 이 효과는 앞서 설명된 바와 같다. 렌즈 표면이 부영역으로 나뉘어질 때, 렌즈 표면의 기울기 각도를 보상하기 위해, 절대 선경사는 매우 작을 수 있다. 도 6으로부터, 표면 법선의 대부분이 배향 방향으로 적어도 벡터 성분을 보일 것이라는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 선경사는 배향 방향 이외의 다른 방향으로의 벡터 성분의 영향을 보상하여 액정 분자를 활성화시킬 때 이들의 영향이 감소되는 것을 목표로 한다.

도 7은 렌즈 표면의 복수의 부영역을 구분하는 예를 도시하고, 복수의 배향 방향들 및/또는 선경사들은 복수의 부영역에서 정해질 수 있다. 도 7에서, 화살표는 배향 방향을 도시하고, 점섬은 렌즈의 부영역들을 도시한다. 도 7의 A는 하나의 영역을 가져서, 단지 하나의 배향 방향을 가지는 렌즈 표면을 도시한다. 도 7은 도 5에 도시한 실시예에 대응한다. 도 7의 B는 도 6에 도시한 실시예에 대응하는 두 개의 부영역들을 가지는 렌즈 표면을 도시한다. 두 부영역들은 반대의 배향 방향을 가지도록 제공된다.

렌즈 표면에서 복수의 부영역을 고려할 때, 평행하지만 반대의 배향 방향을 가지는 두 부영역들 옆에 다른 구성이 가능하다. 예를 들어, 바람직한 단일 배향된 액정과 조합된 중심 대칭 회절 프레넬 렌즈 구조의 경우, 렌즈 측면의 부영역에 위치하는 분자들(도 5a 및 5b 참조)은 국부적인 기울기에 기인하여 배향 방향에 대해 가장 큰 가로지르는 성분을 갖는다. 도 5a 내지 도 5c 및 도 6을 참조하면, 렌즈의 가운데 부분에서 광학 품질에 영향을 주지 않으면서, 각도(θ)를 줄이기 위하여, 바깥 부분의 부영역은 큰 선경사 각도를 가지도록 제공될 수 있다. 이는 오프 상태에서 인덱스 매칭이 나쁠 수 있으나, 온 상태에서 높은 광학적 성능이 좋아지게 될 것이다. 내부의 부영역과 외부의 부영역 사이의 경계는 배향 방향에 평행한 선 외에 복잡한 형상을 가질 수 있고, 특별히 요구되는 광학적 성능 측정에 따라 디자인될 수 있다. 이러한 부영역들의 구분은 도 7의 C에 도시된다.

이러한 구성은 평행하지만 반대의 배향 방향을 가지는 중앙 부분과 추가로 조합될 수 있다. 이러한 구성의 한 예는 도 7의 D에 도시된다. 이러한 방식으로, 디자인에 의해서, 중앙의 큰 디스클리네이션이 부과되지만, 축에서 벗어난 편차는 최소화되고, 유효 틸트 각도와 선경사 각도는 같은 방향이다.

복잡하기는 하지만, 더욱 세분화된 부영역의 구분이 수행될 수 있고, 이에 의해 광학적 품질은 더욱 최적화될 수 있다.

도면 및 설명에 기초하여, 당업자는 본 발명의 동작 및 장점뿐만 아니라 다른 실시 예를 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 도면은 단지 본 발명을 이해하기 위한 것이며, 본 발명을 여기에 이용한 특정 실시예 또는 예로 한정하려는 것이 아님이 자명하다. 그러므로 본 발명의 범위는 청구 범위에 의해서만 정의될 수 있다는 것이 강조된다.

Claims (24)

1. 적층된 제1 광학 장치 및 제2 광학 장치를 포함하는 편광 무의존(independent) 조절가능 렌즈로서, 적어도 상기 제1 광학 장치는:
   제1 전극층 (8);
   상기 제1 전극층으로부터 거리(d)만큼 이격되어 위치하는 제2 전극층(9) - 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 광 투과성을 가짐 -, 그리고 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 있는,
   상기 제1 전극층에 인접하고 프레넬 렌즈 구조인 회절 활성 광학 구조(4)로서, 상기 프레넬 렌즈 구조의 중심에 위치하는 제1 경사면(11)과 상기 제1 경사면을 둘러싸는 복수의 각진 추가 경사면들을 포함하고, 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들은 각기 상기 제1 전극층(8)에 대해 기울기 각도를 가지고, 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들은 제1 배향막으로 덮여 있는, 회절 활성 광학 구조(4);
   상기 제2 전극(9)에 인접한 상기 공간(7)의 측면에 위치하는 추가 배향막; 및적어도 하나의 경사진 표면상의 상기 제1 배향막과 상기 제2 전극층에 인접한 상기 추가 배향막 사이의 상기 공간 (7)을 채우고 오프 상태에서 수직으로 배향된 액정(LC) 분자들을 포함하는 액정 재료(10)를 포함하고,
   상기 제1 배향막과의 계면에서의 상기 액정 분자들은 단일 배향 방향(12)으로 선경사(α)를 가지고, 상기 추가 배향막은 상기 배향 방향과 역평행(anti-parallel) 방향으로 배향되도록 전처리되고, 상기 선경사(α)는 상기 기울기 각도보다 크고, 상기 선경사(α)를 통해, 온 상태에서, 상기 액정 물질의 액정 분자들(Np)을 상기 제1 전극 위로 투영한 투영부(Npxy)와 상기 배향 방향(12)이 이루는 횡방향 각도가 60도의 범위(θ) 내의 범위의 각도를 가지도록 상기 액정 분자를 배향함으로써, 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들의 상기 기울기 각도를 보상하는, 편광 무의존 조절가능 렌즈.
   
2. 제1항에서,
   상기 선경사(α)는, 상기 선경사가 상기 배향 방향으로부터 45도의 범위(θ) 내의 횡방향 각도, 보다 바람직하게는 상기 배향 방향으로부터 30도의 범위(θ) 내의 각도로 선택되도록 상기 기울기를 보상하는, 편광 무의존 조절가능 렌즈.
   
3. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 선경사(α)는 상기 제1 광학 장치에서 실질적으로 균일한, 편광 무의존 조절가능 렌즈.
   
4. 제1항 또는 제2항에서,
   경사면 위의 상기 배향막은 적어도 하나의 내부 부영역과 외부 부영역들로 나뉘어지고, 상기 부영역들은 상기 배향 방향으로 배향되고, 상기 외부 부영역들은 상기 적어도 하나의 내부 부영역의 선경사 각도보다 큰 선경사 각도(α)를 가지는, 편광 무의존 조절가능 렌즈.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
   상기 각진 경사면들 각각은 상기 제1 전극층으로부터 돌출된 블레이즈(blaze)로부터 연장되고, 상기 블레이즈는 상기 제1 전극층(8)을 향해 실질적으로 횡단하도록 연장된 측벽을 더 가지고, 상기 제1 배향층은 상기 블레이즈들의 측벽들이 자유롭게 유지되고 배향막 없이 남도록 소정의 패턴에 따라 제공되는, 편광 무의존 조절가능 렌즈.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,
   상기 제1 전극층(8)은 상기 제2 전극층(9)과 실질적으로 평행하게 확장된, 편광 무의존 조절가능 렌즈.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
   상기 경사면들(11)과 상기 제2 전극층(9) 사이에 복수의 스페이서들이 위치하는, 편광 무의존 조절가능 렌즈.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
   상기 제2 광학 장치는 상기 제1 광학 장치와 같은, 편광 무의존 조절가능 렌즈.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에서,
   상기 제2 광학 장치는 편광자인, 편광 무의존 조절가능 렌즈.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 광학 장치는 0 내지 +4, 바람직하게는 +0.5 내지 +3.0, 보다 바람직하게는 +1 내지 +2.5의 범위 내에 있는 시도(dioptric)를 가지는, 편광 무의존 조절가능 렌즈.
    
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 광학 장치는 15-35 mm, 바람직하게는 20-30 mm의 직경을 가지는, 편광 무의존 조절가능 렌즈.
    
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에서 청구하는 상기 편광 무의존 조절가능 렌즈를 포함하는 안경.
    
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 편광 무의존 조절가능 렌즈를 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은 상기 배향막과의 계면에서 상기 액정 분자들이 단일 배향 방향(12)으로 선경사(α)를 가지도록 선경사를 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 선경사(α)는 상기 기울기 각도보다 크고, 상기 선경사(α)를 통해, 온 상태에서, 상기 액정 물질의 액정 분자들(Np)을 상기 제1 전극 위로 투영한 투영부(Npxy)와 상기 배향 방향(12)이 이루는 횡방향 각도가 60도의 범위(θ) 내의 각도를 가지도록 상기 액정 분자를 배향함으로써, 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들의 상기 기울기 각도를 보상하는, 편광 무의존 조절가능 렌즈를 제조하는 방법.
    
14. 제13항에서,
    상기 선경사(α)를 적용하는 단계는 상기 광학 장치를 상기 배향 방향으로 러빙하는 단계 및/또는 감광성 배향 물질을 이용하는 단계를 포함하는, 편광 무의존 조절가능 렌즈를 제조하는 방법.
    
15. 제13항 또는 제14항에서,
    상기 제1 광학 장치의 제조 방법은:
    상기 제1 전극, 상기 프라넬 렌즈 구조, 그리고 상기 제1 배향막을 가지는 제1 기판을 제공하는 단계;
    상기 제1 배향막에 상기 단일 배향 방향으로 선경사를 적용하는 단계;
    상기 제2 전극, 상기 추가 배향막을 포함하는 제2 기판을 제공하고, 상기 추가 배향막에 상기 제1 배향 방향과 역평행(anti-parallel) 방향으로 선경사를 적용하는 단계;
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 조립하고, 상기 제1 배향막과 상기 추가 배향막 사이에 형성된 공간 내에 액정 물질이 채워지도록 상기 액정 물질을 제공하는 단계를 포함하는, 편광 무의존 조절가능 렌즈를 제조하는 방법.
    
16. 광투과성인 제1 전극층(8)과 상기 제1 전극층에 인접한 회절 광학 구조체(4)를 가지는 제1 기판을 제공하는 단계 - 상기 회절 광학 구조체는 프레넬 렌즈 구조이고, 상기 프레넬 렌즈 구조는 그 중심에 위치하는 제1 경사면(11)과 상기 제1 경사면(11)을 둘러싸는 복수의 각진 추가 경사면들을 포함하고, 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들은 각기 상기 제1 전극층(8)에 대하여 기울기 각도를 가짐 -;
    상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들 위에 적어도 하나의 배향막을 적용하고 상기 적어도 하나의 배향막에 인접한 액정(LC) 분자들이 소정의 선경사를 가지도록 상기 적어도 하나의 배향막을 처리하는 단계;
    광투과성 제2 전극층(9)과 상기 제2 전극층 위에 위치하는 추가 배향막을 포함하는 제2 기판을 제공하는 단계 - 상기 추가 배향막은 상기 추가 배향막에 인접한 액정(LC) 분자들이 소정의 선경사를 가지도록 처리됨 -;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 간격(d)을 이루도록 배치되고, 상기 배향막들이 서로 마주하여 그 사이에 공간(7)을 이루고, 상기 공간이 액정 물질층(10)으로 채워지도록 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 조립하는 단계를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 배향막의 적용 및/또는 처리는 서로 다른 배향 방향들(12a, 12b) 및/또는 다른 선경사 각도(α)를 가지는 복수의 부영역들을 제공하도록 구성되는, 광학 장치의 제조 방법.
    
17. 제16항에서,
    제1 배향막과 제2 배향막이 상기 제1 경사면과 상기 추가 경사면들 위에 소정의 패턴에 따라 제공되고, 상기 제1 배향막과 상기 제2 배향막은 제1 부영역과 제2 부영역에 대응하고, 상기 제1 배향막과 상기 제2 배향막은 특정의 선경사 각도(α)를 가지는, 광학 장치의 제조 방법.
    
18. 제17항에서,
    상기 제1 배향막과 상기 제2 배향막은 감광성 재료를 포함하고, 상기 선경사 각도를 정의하기 위해 노광처리되는, 광학 장치의 제조 방법.
    
19. 제16항에서,
    제1 배향막이 상기 적어도 하나의 경사면에 적용되고, 상기 제1 배향막은 감광성 물질을 포함하고, 상기 부영역들은 상기 감광성 물질을 처리하여 제공되고, 상기 부영역들 중 적어도 제1 부영역과 제2 부영역에 대한 상기 처리는, 서로 다른 선경사 각도들 및/또는 서로 다른 배향 방향들을 제공하도록 다르게 수행되는, 광학 장치의 제조 방법.
    
20. 제16항에서,
    제1 부영역에서는 제1 배향 방향을 가지고, 제2 부영역에서는 상기 제1 배향 방향과 평행하지만 반대 방향인 제2 배향 방향을 가지도록 제1 배향막이 제공되고, 상기 제1 배향막에서, 바람직하게 상기 제1 부영역은 상기 프라넬 렌즈 구조의 중심의 아래를 향하는 쪽에 위치하는 경사면의 제1 부분을 덮고, 상기 제2 부영역은 상기 중심의 위를 향하는 쪽에 위치하는 상기 경사면의 제2 부분을 덮도록 상기 제1 부영역과 상기 제2 부영역이 제공되는, 광학 장치의 제조 방법.
    
21. 제20항에서,
    상기 제1 부영역과 상기 제2 부영역은 내부 부영역들이고, 상기 제1 부영역과 상기 제2 부영역 각각에 인접한 부분에 추가적인 외부 부영역들이 존재하고, 상기 내부 부영역과 상기 외부 부영역들은, 바람직하게 상기 제1 배향 방향에 평행한 상호 인터페이스를 가지도록, 상기 제1 배향 방향과 나란하게 배열되고, 상기 외부 부영역들은 서로 같은 배향 방향을 가지고, 상기 내부 부영역들과는 다른 선경사 각도를 가지는 광학 장치의 제조 방법.
    
22. 제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에서,
    상기 각진 경사면들 각각은 상기 제1 전극층으로부터 돌출된 블레이즈(blaze)로부터 연장되고, 상기 블레이즈는 상기 제1 전극층(8)을 향해 실질적으로 횡단하도록 연장된 측벽을 더 가지고, 상기 제1 배향층은 상기 블레이즈들의 측벽들이 자유롭게 유지되고 배향막 없이 남도록 소정의 패턴에 따라 제공되는, 광학 장치의 제조 방법.
    
23. 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따라 얻어진 광학 장치.
    
24. 적층된 제 1 광학 장치 및 제 2 광학 장치를 포함하고, 적어도 상기 제1 광학 장치는 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따라 얻어진, 편광 무의존(independent) 조절가능 렌즈.

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