具有多个电极层的电活性透镜的制作方法

背景技术：

1、电活性透镜可以通过若干方法制造，包括在第一衬底上图案化导电材料的一系列同心电极，然后将一层液晶夹在第一衬底和与第一衬底相对的第二衬底之间。第二衬底可以具有图案化在其上的一个或多个导电材料的圆形图案，或任何其他形状以匹配或超过图案化电极的区域，从而允许形成在两个衬底之间产生电压场的电路。当跨电极施加电场时，两个衬底之间的液晶材料改变其折射率。

2、通过在透镜上的不同电极位置处施加电压场梯度，可以产生折射率梯度，从而创建透镜。所使用的电极数量越高，就可以产生越精细的折射率梯度分辨率。这会产生更平滑的波前曲率，因此提供更高质量的光学器件。

3、然而，增加电极的数量也增加了电子器件以及向电极供电的遮光元件的复杂性，因此已经开发了多种允许少量电力供应线在更多数量的电极上施加电压梯度的方法。具体而言，n条电力供应线可以用于在m>n个电极上施加电压梯度，在电极之间具有电阻桥。在这些电活性透镜中，每第m/n个电极连接到电力供应线，并且其他电极用电阻桥彼此耦接。

4、授予bos等人的美国专利9,280,020公开了一种电活性透镜，其具有在与电极相同的平面中制造的电阻桥，该专利通过引用并入本文。这些电阻桥在电极环中的间隙中。遗憾的是，这些间隙会劣化电活性透镜的光学质量。减小间隙尺寸提高了光学性能，但可能使电阻桥的制造更复杂。另外，美国专利9,280,020中的电活性透镜消耗太多的电力而无法实用，因为电阻桥提供了使电流从一个驱动通道流到其他驱动通道的短路径。此额外电流导致电活性透镜的功耗的不合需要的增加。

5、授予van heugten等人的美国专利no.10,599,006通过提供具有更大、更高电阻的桥的电活性透镜来解决这些问题，这样的桥不会劣化透镜光学性能，该专利也通过引用并入本文。在这些设计中，电极处于一层中，电阻桥处于另一层中，电极层与电阻桥层之间具有一层绝缘材料，因此电极可以保持连续且靠近在一起。另外，不需要从电极移除或牺牲表面积以为这些“升高的”电阻桥腾出空间。结果，升高的电阻桥可以更大并且具有更高的电阻，从而允许电活性透镜以低得多的功耗操作。

技术实现思路

1、当在玻璃衬底上制造时，类似于美国专利no.10,599,006中公开的那些电活性透镜可以具有由1.5-2微米的间隙分开的同心环电极，以防止电极电短路。这些电极提供优异的电和光学性能，但具有玻璃衬底的电活性透镜不如具有塑料衬底、聚合物衬底或其他非玻璃衬底的电活性透镜那样适合大量生产。遗憾的是，用于在塑料衬底上图案化电极的当前光刻工艺不能产生间隙小于约5.5微米的同心环电极。这样大的间隙会劣化电活性透镜的光学性能。

2、本技术解决了在塑料衬底上制造的电活性透镜中的相邻电极之间的宽间隙的问题。实际上，其可以用于消除任何类型的衬底上的相邻电极之间的间隙。并非在单层中形成电极，而是在由相应层的绝缘材料分开的两层或更多层中制造电极，其中，每一层中的电极之间的间隙可以如需要那样大。类似于影子盒或木板围栏，每一层中的电极以交错方式布置在绝缘层的不同侧上，其中一侧上的电极跨越绝缘层的另一侧上的电极之间的间隙。然而，当沿着电活性透镜的光轴观察时，电极之间可以没有可见的间隙。电极连接到单独一层上的电阻桥和/或吻合线以提供良好的电性能。尽管现有技术中1.5至2.0um的间隙已经很好了，但能够使用这种方法将间隙减小到零进一步改善了光学质量。这种新方法使得沿着光轴的间隙能够为零，同时保持电隔离。

3、为了了解如何做到，考虑具有两层同心环电极的电活性透镜，所述两层同心环电极以电活性透镜的光轴为中心，并且从最内环到最外环连续编号。第一电极层包括奇数编号的电极，并且第二电极层包括偶数编号的电极。绝缘材料的薄层将第一电极层和第二电极层分开。在每个层中，每个电极与(多个)相邻电极由x微米宽且填充有绝缘材料的间隙分开(即，第一层中的第一电极与第三电极之间存在x微米的间隙，并且第一层中的第二电极与第四电极之间存在x微米的间隙)。取决于用于制造电极的光刻工艺的分辨率，此间隙可以为5.5微米或更大。然而，如果电极与间隙一样宽或更宽，则当沿着电活性透镜的光轴观察时，连续编号的电极之间看起来没有间隙。沿着光轴的视角消除电极之间的间隙改善了电活性透镜的光学性能。

4、在电极尺寸和间距的优选实施例中，电极离电活性透镜的光轴中心越远，其宽度逐渐变得越窄。在一个示例中，从中心数的第二电极为151微米宽，第三电极为118微米宽，而第四电极为99微米宽。如果第二电极和第四电极在上层级上，并且第三电极在下层级上，则第二电极和第四电极之间的间隙为118微米，第三电极的宽度与第二电极和第四电极之间的间隙相同(即，在此示例中为118微米)。第三电极的内边缘与第二电极的外边缘对准，并且第三电极的外边缘与第四电极的内边缘对准。

5、如设计光学器件的本领域技术人员容易理解的，可以使用matlab或另一种合适的编程语言来计算电极尺度、间距和对准。以下matlab代码可以用于计算给定设计波长和每个电极的光路距离(opd)的透镜电极的半径和位置：

6、％示例性30mm透镜电极位置计算器：

7、f＝1；％焦距(m)

8、stepsize＝1e-6；％opd分布曲线的采样率，单位m

9、designwavelength＝550e-9；％透镜的最优波长

10、maxradius＝15e-3；％透镜的大小

11、opdstep＝1/8；％每个电极的opd步长

12、radius＝0:stepsize:maxradius；

13、radiusindex＝length(radius)；

14、opd＝radius.^2/(2*f*designwavelength)；％计算理想opd分布曲线

15、j＝1；

16、for i＝1:radiusindex

17、if opd(i)>j*opdstep

18、electrodelocation(j)＝radius(i)；％这是电极之间的界面(即，间隙位置)

19、j＝j+1；

20、end

21、end

22、本文公开的发明的电活性透镜适合用作人工晶体、隐形眼镜、眼镜片或用于增强或虚拟现实系统的透镜。这种电活性透镜可以包括第一基本透明衬底、第一基本透明衬底上的第一电极、第一电极上的第一绝缘层、第一绝缘层上的第二电极，以及第二电极上的第二绝缘层。所述透镜还包括电阻桥，所述电阻桥在第二绝缘层上并且经由图案化到(多个)第一(任选地，还有第二)绝缘层中的孔连接第一电极中的一个与第二电极中的一个。

23、第一电极可以相对于第二电极径向交错。所述第一电极包括第一环电极，并且所述第二电极包括与所述第一环电极同心的第二环电极。当沿着所述电活性透镜的光轴观察时，所述第一环电极与所述第二环电极之间没有明显的间隙。所述第一环电极可以具有至少等于所述第二环电极的内半径的外半径。

24、可以有位于所述第一电极的相邻对之间的间隙中和所述第二电极的相邻对之间的间隙。所述第一电极的所述相邻对之间的所述间隙中的至少一个可以为至少5.5微米宽。在所述第一电极的所述相邻对之间的所述间隙中和所述第二电极的所述相邻对之间的所述间隙中可以有绝缘材料。

25、所述电光透镜还可以包括夹在所述第一基本透明衬底和所述第二基本透明衬底之间的第二基本透明衬底液晶材料。所述液晶材料响应于由所述第一电极和/或第二电极致动而改变电活性透镜的焦点。

26、另一种本发明的电活性透镜可以包括第一塑料衬底、第二塑料衬底、设置于所述第一塑料衬底与所述第二塑料衬底之间的液晶材料、设置于所述第一塑料衬底上并且通过5微米的第一间隙彼此分开的第一电极、设置于所述第一电极上的绝缘层，以及设置于所述绝缘层上的第二电极，所述第二电极通过5微米的第二间隙彼此分开，并且相对于所述第一电极交错。在操作中，第一和第二电极将电场施加到液晶材料，由此改变电活性透镜的焦点。

27、所述第一电极和第二电极可以分别是第一同心环电极和第二同心环电极。当沿着所述电活性透镜的光轴观察时，所述第一同心环电极可以看起来占据所述第二间隙，并且所述第二同心环电极可以看起来占据所述第一间隙。所述第一同心环电极中的一个可以具有第一内半径和第一外半径，并且所述第二同心环电极中的一个可以具有大于(例如，大≤2.0μm)所述第一内半径并且小于(例如，小≤2.0μm)所述第一外半径的第二内半径。

28、所述绝缘层可以是第一绝缘层，所述第一绝缘层包括设置于所述第一同心环电极上和所述第一间隙中的第一绝缘材料。所述第一绝缘材料将所述第一同心环电极彼此电隔离并且与所述第二同心环电极电隔离。可以存在设置于所述第二同心环电极上和所述第二间隙中并且使所述第二同心环电极彼此电隔离的第二绝缘材料。

29、所述电活性透镜还可以包括设置于所述第二绝缘材料上的一个或多个(升高的)电阻桥。这些电阻桥中的每一个与所述第一同心环电极和所述第二同心环电极的对应子集电连接。

30、或者，所述电活性透镜可以包括电阻弧。例如，可以有第一电阻弧，所述第一电阻弧形成在所述第一塑料衬底上并且通过所述第一绝缘层中的第一通孔连接所述第一同心环电极中的一个与所述第二同心环电极中的一个。类似地，可以有第二电阻弧，所述第二电阻弧形成在所述第一绝缘层上并且通过所述第一绝缘层中的第二通孔连接所述第二同心环电极中的另一个与所述第一同心环电极中的另一个。

31、可以通过在基本透明衬底上形成其间具有第一间隙的第一电极来制造本发明的电活性透镜。可以在所述第一电极上并且在所述第一间隙中设置第一绝缘层。在所述第一绝缘层上形成相对于所述第一电极径向交错的第二电极，在所述第二电极之间具有第二间隙。在所述第二电极上并且在所述第二间隙中设置第二绝缘层。形成吻合线，所述吻合线通过所述第一绝缘层和所述第二绝缘层连接到所述第一电极中的至少一些，并且/或者通过所述第二绝缘层连接到所述第二电极中的至少一些。所述基本透明衬底可以是塑料衬底，并且形成所述第一电极可以包括以至少5微米的特征尺寸以光刻方式图案化所述第一电极。如果需要，可以将电阻桥电连接到所述第一电极的子集和所述第二电极的子集。或者，相应的电阻弧可以在所述第一电极和所述第二电极的平面中形成，并且通过所述第一绝缘层中的通孔或孔连接到相应的第一电极或第二电极。

32、前述概念和下文更详细论述的附加概念的所有组合(条件是此类概念不是相互矛盾的)都被认为是本文公开的发明主题的一部分。具体而言，在本公开结束时出现的所要求保护的主题的所有组合被认为是本文公开的发明主题的一部分。本文明确采用的也可以出现于以引用方式并入的任何公开内容中的术语应被赋予与本文所公开的特定概念最一致的意义。