CN102566191B - 液晶透镜结构及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液晶透镜结构及其驱动方法，此液晶透镜结构包含上基板、下基板、液晶及高分子复合薄膜及液晶层。上基板具有第一导电层和第一配向层。下基板具有第二导电层和第二配向层。液晶及高分子复合薄膜设置于第一配向层的一侧，并形成第一透镜。液晶层设置于液晶及高分子复合薄膜和第二配向层之间，并形成第二透镜。通过内设液晶及高分子复合薄膜，以实现低电压及大对焦范围的液晶透镜。

Description

液晶透镜结构及其驱动方法
技术领域
本发明涉及一种液晶透镜结构及其驱动方法，特别涉及一种内设液晶及高分子复合薄膜的液晶透镜结构及其驱动方法。
背景技术
相机、手机相机或立体影像处理等装置，常利用变焦镜头将影像作自动对焦、放大或缩小以成像。传统变焦镜头设有多个镜群(lensgroup)，通过镜群间沿光轴方向移动，以改变彼此间的间距，而使整体焦距改变，但不影响成像距离。然而此种镜头需要较长的镜群移动距离，且其距离为非线性关系，因此在结构设计、控制精确度上甚为困难，成本也居高而难以降低。另有使用液态镜头(liquidlens)或液晶镜头(liquidcrystallens，简称LClens)，以改善镜群移动的距离，从而缩小相机的尺寸。
液态镜头的一般原理是由一个可调节的液体填充透镜和一个固体透镜所组成，可以利用改变液体填充透镜的形状(双凸或凹凸)或是改变不同折射率的填充介质来做调整镜头焦距以达到变焦目的。或是除了利用液晶填充透镜外加上液晶折射率随外加电场，可实行电控改变焦距的液晶透镜，如“Liquid-CrystalLens-CellswithVariableFocalLength”、作者为SusumuSato、JapanJ.ofAppliedphysics，1979年3月12日。
在另一现有技术(US2007/0139333)中，也公开了一种光学组件(opticalelement)，其包含第一基板、第二基板及液晶层，第一基板具有一第一电极，而第二电极设置于第二基板的一侧，并具有一孔洞，液晶层设置于第一基板和第二基板之间，通过一电源连接第一电极和第二电极，以提供一电压至该液晶层，从而改变液晶分子转向，甚至利用第二基板上加上一介电层及第三电极，第三电极可以调整影像质量及调整焦距。然而在此现有技术中，亦具有下列问题需要解决：
1.结构复杂：增加制造成本；
2.高驱动电压：增加驱动电路成本，且更为耗能。
发明内容
为了解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种液晶透镜结构及其驱动方法，以解决电极设计复杂、操作电压高、体积厚度较大及焦距范围无法调整等问题。
为实现上述发明目的，本发明提供一种液晶透镜结构，包含上基板、下基板、液晶及高分子复合薄膜及液晶层。上基板具有第一导电层和第一配向层，第一导电层设置于上基板的一侧，且第一配向层设置于第一导电层的一侧。下基板具有第二导电层和第二配向层，第二导电层设置于下基板的一侧，且第二配向层设置于第二导电层的一侧。液晶及高分子复合薄膜设置于第一配向层的一侧，并形成第一透镜。液晶层设置于液晶及高分子复合薄膜和第二配向层之间，并形成第二透镜。
其中，液晶及高分子复合薄膜可由液晶和高分子单体所构成，且此液晶及高分子复合薄膜可为一双折性质薄膜。
其中，第一导电层可具有一开孔，此开孔的孔径可为2mm，因此液晶及高分子复合薄膜的等效折射率与介电系数可因制作时不均匀电场分布而呈圆对称分布。此开孔的中间具有较小的介电系数与较大的等效折射率，而开孔的边缘具有较大的介电系数与较小的等效折射率。
其中，液晶及高分子复合薄膜可为一介电系数分布均匀的薄膜或一介电系数分布不均匀的薄膜。
其中，第一透镜可为正透镜或负透镜。
其中，液晶透镜结构可用于微型投影机、手机照相系统或需电控焦距组件的可携式装置。
其中，液晶透镜结构的电压操作范围可为15Vrms-35Vrms。
根据本发明的目的，本发明还提供一种驱动方法，用以驱动一液晶透镜结构，此驱动方法包含下列步骤：首先，提供第一工作电压；之后，切换此第一工作电压至第二工作电压。
其中，第一工作电压可为15Vrms，第二工作电压可为35Vrms，因此施加电压可从15Vrms切换至35Vrms。
其中，第一工作电压可为35Vrms，第二工作电压可为15Vrms，因此施加电压可从35Vrms切换至15Vrms。
其中，驱动方法还可包含切换第二工作电压至第三工作电压的步骤，因此施加电压可由15Vrms切换至55Vrms，再从55Vrms切换至35Vrms；或施加电压可由35Vrms切换至0Vrms，再从0Vrms切换至15Vrms。
综上所述，根据本发明的液晶透镜结构及其驱动方法，其可具有一或多个下述优点：
(1)此液晶透镜结构及其驱动方法可使用单电压驱动，且结构简单；
(2)此液晶透镜结构及其驱动方法可使用液晶及高分子复合薄膜代替玻璃，降低非液晶层的分压，因此操作电压较低；
(3)此液晶透镜结构的整体结构简单，厚度薄；
(4)此液晶透镜结构及其驱动方法可利用高分子薄膜制作不同的初始焦距来调整焦距范围。
附图说明
图1为本发明液晶透镜结构的第一实施例示意图；
图2为本发明液晶透镜结构的第二实施例示意图；
图3a为本发明液晶及高分子复合薄膜的第一实施例示意图；
图3b为本发明液晶及高分子复合薄膜的第二实施例示意图；
图3c为本发明液晶及高分子复合薄膜的第三实施例示意图；
图4a为本发明不加电压的液晶透镜结构图；
图4b为本发明施加电压的液晶透镜结构图；
图5a为本发明的液晶透镜结构应用于相机镜头模块(compactcameramodule)的架构图；
图5b为本发明的液晶透镜结构应用于相机镜头模块的物平面与施加电压的关系图；
图6a为本发明的液晶透镜结构应用于微型投影机的架构图；
图6b为本发明的液晶透镜结构应用于微型投影机的成像平面与施加电压的关系图；
图7为本发明驱动方法的流程图；
图8为本发明驱动方法第一实施例的流程图；
图9为本发明驱动方法第二实施例的流程图；
图10为本发明驱动方法第三实施例的流程图；以及
图11为本发明驱动方法第四实施例的流程图。
结合附图在其上标记以下附图标记：
1、52、67-液晶透镜结构；
11-上基板；111-第一导电层；1111-开孔；112-第一配向层；12-下基板；121-第二导电层；122-第二配向层；13-液晶及高分子复合薄膜；14-液晶层；
5-影像系统；51-物体；53-透镜组；54-光传感器；
6-投影系统；61-LED光源；62-中继镜头；63-前偏振片；64-LCOS显示面板；65-偏极化分光镜；66-投影镜头；68-屏幕；
S71-S73：步骤。
具体实施方式
如图1所示，其为本发明液晶透镜结构第一实施例的示意图。如图所示，液晶透镜结构1包含上基板11、下基板12、液晶及高分子复合薄膜13和液晶层14。
上基板11可包含第一导电层111和第一配向层112，第一导电层111设置于上基板11的一侧，而第一配向层112设置于第一导电层111的一侧。同样的，下基板12亦可包含第二导电层121和第二配向层122，第二导电层121设置于下基板12的一侧，第二配向层122设置于第二导电层121的一侧。其中，上基板11和下基板12可为一玻璃基板，故可在玻璃基板上镀上ITO层(IndiumTinOxides即为纳米铟锡金属氧化物)，以作为上基板11的第一导电层111和下基板12的第二导电层121。
液晶及高分子复合薄膜13可由液晶和高分子单体所组成，为一双折性质薄膜，其设置于第一配向层112的一侧，且液晶及高分子复合薄膜13的等效折射率及其介电系数可呈圆对称分布，因此液晶及高分子薄膜13可因折射率的分布形成一第一透镜，并具有初始焦距。换言之，折射率的分布状况可使第一透镜作为一正透镜或负透镜。
液晶层14可设置于液晶及高分子复合薄膜13和第二配向层122之间，其同样因折射率分布形成一第二透镜，并具有一焦距，因此液晶透镜结构1的总焦距(totalfocallength)是由液晶及高分子复合薄膜13的初始焦距加上液晶层14的焦距所造成的。
如图2所示，其为本发明液晶透镜结构的第二实施例示意图。在第二实施例中，其结构与第一实施例类似，其差异在于第一导电层111进一步具有一开孔1111，此开孔1111可为一2mm的圆形孔径，故当提供一电源至第一导电层111和第二导电层121时，可产生一圆对称的电场分布，在开孔1111的中间的液晶及高分子薄膜13具有较小的介电系数与较大的等效折射率，而开孔1111的边缘的液晶及高分子薄膜13则具有较大的介电系数与较小的等效折射率；或是在开孔1111中间的液晶及高分子薄膜13具有较大的介电系数与较小的等效折射率，而开孔1111边缘的液晶及高分子薄膜13则具有较小的介电系数与较大的等效折射率。值得一提的是，开孔1111的形状以圆形孔径为优选，但不以此为限。
如图3a、3b、3c所示，其分别为本发明液晶及高分子复合薄膜的第一实施例示意图，本发明的液晶及高分子复合薄膜的第二实施例示意图，及本发明液晶及高分子复合薄膜的第三实施例示意图。在图3b和图3c的实施例中，液晶及高分子复合薄膜为一介电系数分布均匀的薄膜。在图3a的实施例中，液晶及高分子复合薄膜为一介电系数分布不均匀的薄膜。
值得注意的是，第一导电层111的开孔1111在于提供一非均匀的电场，并非必要组件，本领域的技术人员可通过改变液晶及高分子复合薄膜13的介电系数分布(如均匀分布或非均匀分布)，以获得较佳聚焦效果的液晶透镜结构1。
如图4a、4b所示，其分别为本发明不加电压的液晶透镜结构图，以及本发明施加电压的液晶透镜结构图。当提供一电源至液晶透镜结构1时，由于第一导电层111的圆形孔径而形成圆对称电场分布，因此可通过圆对称电场分布以改变液晶层的液晶分子转向，并进而改变透镜结构的整体焦距。
液晶透镜结构1在不加电压时，其焦距为8.82公分，当施加电压后，在35Vrms会有最短焦距4.41公分，因此可以反推得知液晶层14的焦距由无限远至8.82公分。
如图5a和图5b所示，其分别为本发明液晶透镜结构应用于相机镜头模块(compactcameramodule)的架构图，及本发明液晶透镜结构应用于相机镜头模块的物平面与施加电压的关系图。
如图5a所示，影像系统5包含液晶透镜结构52、透镜组53和光传感器54。物体51(Object)经由液晶透镜结构52作第一次成像后，再由透镜组53作第二次成像，使其成像在光传感器54(imagesensor)上达到对焦的效果，对应不同的物距d0(objectdistance)可以调整改变液晶透镜52的焦距来达到相同的对焦效果，在图5b中，可看出相同的最远对焦物距至3.5m而最近的对焦距离为8.6cm，由于使用液晶及高分子复合薄膜13的液晶透镜结构1具有较小的相位损耗(Phaseloss)，因此可以达到较短的对焦距离。此外，在相同物距下，本发明所使用的操作电压也较现有技术的液晶透镜(如Sato所提出光学组件)来的低。
如图6a和图6b所示，其分别为本发明液晶透镜结构应用于微型投影机的架构图，及本发明液晶透镜结构应用于微型投影机的成像平面与施加电压的关系图。
如图6a所示，投影系统6(projectionsystem)包含一LED光源61、一中继镜头62(relaylens)、前偏振片63(pre-polarizer)、LCOS显示面板64、偏极化分光镜65(PolarizationBeamSplitter，PBS)、投影镜头66和一液晶透镜结构67。
影像由LCOS显示面板64发出之后，经由投影镜头66与液晶透镜结构67投影至屏幕68上成像，其像距di(imagedistance)对液晶透镜操作电压的关系图如图6b所示，同样能够成像的最短像距使用高分子薄膜的液晶透镜还是较短。此外，考虑微型投影机的操作范围为3.5m-35cm时，使用液晶及高分子复合薄膜透镜的操作电压小于10Vrms，明显低于现有技术的液晶透镜(如Sato所提出的光学组件)的操作电压50Vrms。
上述实施例以相机镜头模块和微型投影机进行说明，然而不以此为限，还可将液晶透镜结构应用于需电控焦距组件的可携式装置。
为了让本发明显露出特点，进一步比较本发明与Sato的发明，如下表所示。
因此本发明通过使用液晶及高分子复合薄膜作为隔离层的技术特点，相较于Sato的发明更具有调整初始焦距、体积小及操作电压低的显著效果。
如图7所示，其为本发明驱动方法的流程图。此驱动方法可用以驱动液晶透镜结构，其包含下列步骤。
步骤S71，提供第一工作电压；
步骤S72，切换第一工作电压至第二工作电压；
步骤S73，切换第二工作电压至第三工作电压。
值得一提的是，液晶透镜结构1的最佳操作范围为15Vrms-35Vrms，因此下述实施例将以此两个电压进行说明，然而对于本领域普通技术人员应可轻易了解，电压除了可两段式切换操作外(即仅切换15Vrms及35Vrms)，亦可连续切换于不同电压间，例如切换15Vrms及15.3Vrms、切换15.3Vrms及15.5Vrms或是切换15.7Vrms及16Vrms等。
如图8所示，其为本发明驱动方法第一实施例的示意图。
首先，提供15Vrms的工作电压；
接着，由15Vrms切换至35Vrms。
在此实施例中，施加电压由一低工作电压切换至一高工作电压，上升时间为468ms。
如图9所示，其为本发明驱动方法第二实施例的流程图。
首先，提供35Vrms的工作电压；
接着，由35Vrms切换至15Vrms。
在此实施例中，施加电压由一高工作电压切换至一低工作电压，下降时间约为1s。
如图10所示，其为本发明驱动方法第三实施例的流程图。
首先，提供15Vrms的工作电压；
接着，由15Vrms切换至55Vrms；
最后，由55Vrms切换至35Vrms。
在此实施例的上升时间，施加一个55Vrms时间为298ms的脉冲，以加速液晶转动。
如图11所示，其为本发明驱动方法第四实施例的流程图。
首先，提供35Vrms的工作电压；
接着，由35Vrms切换至0Vrms；
最后，由0Vrms切换至15Vrms。
在此实施例的下降时间，增加一个0Vrms持续737ms的脉冲，以帮助液晶回复，因此本发明通过第一工作电压切换至第二工作电压，及第二工作电压切换至第三工作电压，使液晶透镜的反应速度由原来的1.47s变为0.64s，进一步加快液晶透镜的反应速度。
本发明利用内设液晶及高分子复合薄膜13于液晶透镜结构1中，以实现低电压及大对焦透镜的液晶透镜，此液晶及高分子复合薄膜13具有不均匀的介电系数分布，不但可做为液晶透镜的配向层本身，亦具有一固定焦距。此液晶透镜的焦距由液晶层14和液晶及高分子复合薄膜13所贡献，其中液晶层14造成电动对焦。而液晶及高分子复合薄膜13造成固定焦距，此液晶与现有技术的液晶透镜相比，具低电压操作、结构简单及整体厚度降低的优点，且此透镜在应用上更有优势。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本发明的权利要求保护范围中。

Claims (14)

1.一种液晶透镜结构，其特征在于，包含：
一上基板，具有一第一导电层和一第一配向层，该第一导电层设置于该上基板的一侧，且该第一配向层设置于该第一导电层的一侧；
一下基板，具有一第二导电层和一第二配向层，该第二导电层设置于该下基板的一侧，且该第二配向层设置于该第二导电层的一侧；
一液晶及高分子复合薄膜，设置于该第一配向层的一侧，并形成一第一透镜，该液晶及高分子复合薄膜的等效折射率与该液晶及高分子复合薄膜的介电系数为圆对称分布，该液晶及高分子复合薄膜由一液晶和一高分子单体所构成；以及
一液晶层，设置于该液晶及高分子复合薄膜和该第二配向层之间，并形成一第二透镜；
其中，该第一导电层具有一开孔，当提供一电源至该第一导电层和该第二导电层时，产生圆对称的电场分布，在该开孔的中间的该液晶及高分子薄膜具有较小的介电系数与较大的等效折射率，而该开孔的边缘的该液晶及高分子薄膜则具有较大的介电系数与较小的等效折射率；或是在该开孔中间的该液晶及高分子薄膜具有较大的介电系数与较小的等效折射率，而该开孔边缘的该液晶及高分子薄膜则具有较小的介电系数与较大的等效折射率。
2.如权利要求1所述的液晶透镜结构，其特征在于，该液晶及高分子复合薄膜为一双折性质薄膜。
3.如权利要求1所述的液晶透镜结构，其特征在于，该开孔的孔径为2mm。
4.如权利要求1所述的液晶透镜结构，其特征在于，该液晶及高分子复合薄膜为一介电系数分布均匀的薄膜。
5.如权利要求1所述的液晶透镜结构，其特征在于，该液晶及高分子复合薄膜为一介电系数分布不均匀的薄膜。
6.如权利要求1所述的液晶透镜结构，其特征在于，该第一透镜为一正透镜或一负透镜。
7.如权利要求1所述的液晶透镜结构，其特征在于，该液晶透镜结构用于一微型投影机、一手机照相系统或需电控焦距组件的可携式装置。
8.如权利要求1所述的液晶透镜结构，其特征在于，该液晶透镜结构的电压操作范围为15Vrms-35Vrms。
9.一种驱动方法，用于驱动如权利要求1所述的液晶透镜结构，其特征在于，该驱动方法包含下列步骤：
提供一第一工作电压；以及
切换该第一工作电压至一第二工作电压。
10.如权利要求9所述的驱动方法，其特征在于，该第一工作电压为15Vrms，该第二工作电压为35Vrms。
11.如权利要求9所述的驱动方法，其特征在于，该第一工作电压为35Vrms，该第二工作电压为15Vrms。
12.如权利要求9所述的驱动方法，其特征在于，切换该第一工作电压至该第二工作电压之步骤后，还包含下列步骤：
切换该第二工作电压至一第三工作电压。
13.如权利要求12所述的驱动方法，其特征在于，该第一工作电压为15Vrms，该第二工作电压为55Vrms，该第三工作电压为35Vrms。
14.如权利要求12所述的驱动方法，其特征在于，该第一工作电压为35Vrms，该第二工作电压为0Vrms，该第三工作电压为15Vrms。
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