CN109425987A - 光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学系统，包括至少一个液晶透镜及成像镜头模块。光学系统用以形成物体的影像。至少一个液晶透镜及成像镜头模块设置在来自物体的光的路径上。至少一个液晶透镜包括第一衬底、第二衬底及液晶层。第二衬底相对于第一衬底。液晶层设置在第一衬底及第二衬底之间。在液晶层上的每个位置的有效折射率与被施加的电压有关。至少一个液晶透镜用以通过改变液晶层的液晶分子的转向分布而改变至少一个液晶透镜的光轴。

Description

光学系统
技术领域
本发明涉及一种光学系统。
背景技术
近年来，随着增强现实(Augmented Reality，AR)及虚拟现实(Virtual Reality，VR)的崛起，对于使用者的眼睛所看到的影像质量的要求更高。在光学成像系统中，物体离光轴中心愈远，在像平面上形成的影像的像差愈明显。人眼可视角度大约为60度。然而，为了改善在广视角的像差问题，需加入更多光学镜片以校正像差，这会增加成本及产品的重量。
此外，头戴式显示器(head mounted display，HMD)的最大问题是虚像与使用者的眼睛间的距离无法改变。为了改变虚像的距离，成像系统需要有变焦的功能，例如在系统中加入马达以调整透镜的间距。结果将大幅增加产品的重量、尺寸、耗电及噪音。
发明内容
本发明提供一种能够有效减少像差或达成变焦功能的光学系统。
本发明的一项实施例提出一种光学系统，包括至少一个液晶透镜及成像镜头模块。光学系统用以形成物体的影像。至少一个液晶透镜设置在来自物体的光的路径上。成像镜头模块设置在来自物体的光的路径上。至少一个液晶透镜包括第一衬底、第二衬底及液晶层。第二衬底相对于第一衬底。液晶层设置在第一衬底及第二衬底之间，其中在液晶层上的每个位置的有效折射率与被施加的电压有关，至少一个液晶透镜用以通过改变液晶层的液晶分子的转向分布而改变至少一个液晶透镜的光轴。成像镜头模块包括多个透镜，其中至少一个液晶透镜及成像镜头模块形成物体的影像。
基于上述，本发明的实施例所提供的光学系统包括至少一个液晶透镜。液晶透镜是通过电压驱动改变液晶分子的转向分布，以使得在液晶层上的每个位置的有效折射率改变且液晶透镜的光轴偏离液晶透镜的几何轴。因此，可补偿在广视角的影像的光程差以减少像差，改善影像质量。此外，通过控制液晶分子的转向分布，可调整液晶透镜的屈亮度(refractive power)，以达成变焦的功能。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1是根据本发明一项实施例的光学系统100的示意侧视图。
图2是描绘于图1的实施例的液晶透镜110的示意剖面图。
图3A及图3B是根据本发明的实施例的液晶透镜110的示意剖面图。
图3C是根据本发明另一项实施例的液晶透镜110的示意剖面图。
图4是根据本发明另一项实施例的光学系统100a的示意侧视图。
图5是根据本发明另一项实施例的光学系统100b的示意侧视图。
图6是根据本发明一项实施例的光学系统100c的示意剖面图。
图7是根据描绘于图6的实施例的调制传递函数(modulation transferfunction，MTF)图。
图8是根据本发明另一项实施例的光学系统100d的示意剖面图。
图9是根据描绘于图8的实施例的MTF图。
图10是根据本发明一项实施例的光学系统100e的示意侧视图。
图11及图12分别是根据本发明其它实施例的光学系统100f及100g的示意侧视图。
图13是根据本发明一项实施例的光学系统100h的示意侧视图。
图14A是根据本发明一项实施例的液晶透镜110a的示意俯视图及仰视图。
图14B是根据本发明另一项实施例的液晶透镜110b的示意俯视图及仰视图。
图15A是本发明一项实施例的液晶透镜110c的示意剖面图。
图15B及图15C分别是本发明其它实施例的液晶透镜110d及110e的示意剖面图。
图16是本发明一项实施例的液晶透镜110f的示意剖面图。
图17是本发明一项实施例的液晶透镜110g的示意剖面图。
图18是本发明一项实施例的液晶透镜110h的示意剖面图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的较佳实施例，其实例绘示于随附图式中。尽可能地，在图式及说明中使用相同的附图标记指称相同或相似的部件。
图1是根据本发明一项实施例的光学系统100的示意侧视图。图2是描绘于图1的实施例的液晶透镜110的示意剖面图。参照图1及图2，本实施例的光学系统100包括至少一个液晶透镜110及成像镜头模块120(例如，图1绘示一个液晶透镜110)。光学系统100用以形成物体140a的影像130a。至少一个液晶透镜110及成像镜头模块120设置在来自物体140a的光150的路径上。至少一个液晶透镜110包括第一衬底112、第二衬底114及液晶层116。第二衬底114相对于第一衬底112。液晶层116设置在第一衬底112及第二衬底114之间。在液晶层116上的每个位置的有效折射率与在第一电极111及第二电极113上所施加的电压有关。至少一个液晶透镜110用以通过改变液晶层116的液晶分子116a的转向分布而改变至少一个液晶透镜110的光轴A1。成像镜头模块120包括多个透镜122，其中至少一个液晶透镜110及成像镜头模块120形成物体140a的影像130a。
在本实施例中，成像镜头模块120的光轴A2平行于至少一个液晶透镜110的光轴A1，且成像镜头模块120的多个透镜122包括具有正屈亮度的会聚透镜121及具有负屈亮度的发散透镜123。
在本实施例中，物体140a为光阀，且光阀例如为液晶覆硅(liquid-crystal-on-silicon，LCOS)面板、数字微镜组件(digital micro-mirror device，DMD)或透射式液晶显示器(transmissive liquid crystal display，transmissive LCD)。光源可发射光到光阀以将光阀照亮。当光阀是LCOS面板时，偏振分束器(polarizing beam splitter，PBS)可设置在光阀及液晶透镜110之间。当光阀是DMD时，分别具有两种彼此垂直的旋转方向的液晶分子116a的两个液晶透镜110可设置在光150的路径上。在其它实施例中，物体140a可为有机发光二极管显示器(organic light-emitting diode display)、发光二极管显示器(light-emitting diode display)、或任何其它空间光调制器(light spatialmodulator)或显示器。
图3A及图3B是根据本发明的实施例的液晶透镜110的示意剖面图。在图3A及图3B中，为了清楚表现，只绘示第一衬底112、第二衬底114及液晶层116的液晶分子116a，其中箭头代表液晶分子116a的转向。参照图3A及图3B，液晶透镜110是通过电压驱动而改变液晶分子116a的转向分布，其中在液晶层116上的每个位置的有效折射率与被施加的电压有关。特别地，在液晶层116上的每个位置通过液晶层116的光150的光程(optical path length，OPL)(OPL等于液晶层116的有效折射率乘以液晶层116的厚度T)可通过所施加的电压控制。当平面波通过由电压驱动的液晶透镜110，可形成具有正屈亮度的会聚球面波(如于图3A所绘示的)或具有负屈亮度的发散球面波(如于图3B所绘示的)。因此，可调整液晶透镜110的屈亮度以达成变焦的功能。
图3C是根据本发明另一项实施例的液晶透镜110的示意剖面图。在图3C中，为了清楚表现，只绘示第一衬底112、第二衬底114及液晶层116的液晶分子116a，其中箭头代表液晶分子116a的转向。参照图3C，通过控制电压改变液晶分子116a的转向分布，液晶透镜110的光轴A1偏离液晶透镜110的几何轴G。因此，可补偿影像130a在广视角的OPL以减少像差，改善影像质量。当液晶层116具有透镜的功能时，液晶透镜110的光轴A1定义为液晶层116的光轴。当液晶分子116a的转向分布向上偏移时，液晶透镜110的光轴A1向上偏移，使得液晶透镜110的光轴A1偏离液晶透镜110的几何轴G。液晶透镜110的几何轴G意谓通过液晶透镜110中心的液晶透镜110的中心轴。
图4是根据本发明另一项实施例的光学系统100a的示意侧视图。参照图1及图4，物体140a是在物平面140上，影像130a是在像平面130上。在本实施例中，影像130a是实像。像平面130及物平面140互为共轭平面，自物平面140上的同一点发出的成像光线全都会聚到像平面130上的同一点。此外，液晶透镜110可设置在像平面130及成像镜头模块120之间(如于图1所绘示的)，或在物平面140及成像镜头模块120之间(如于图4所绘示的)。
图5是根据本发明另一项实施例的光学系统100b的示意侧视图。参照图5，通过控制电压改变液晶分子116a的转向分布，液晶透镜110的光轴A1偏移到液晶透镜110的上侧110’。因此，可补偿物体140a的下半部的成像光束150b的OPL，以减少像差。在其它实施例中，液晶透镜110的光轴A1可偏移到液晶透镜110的下侧以补偿物体140a的上半部的成像光束150a的OPL，且本发明不限于此。因此，可通过使液晶透镜110的光轴A1偏移而减少像差，改善影像质量。
图6是根据本发明一项实施例的光学系统100c的示意剖面图。参照图6，光学系统100c还包括光阀740，其中光阀740是物体140a，光阀740是由微结构像素阵列(micro-structure pixel array)形成。此外，光阀740的光轴A3及成像镜头模块120的光轴A2相对于液晶透镜110的几何轴G具有倾斜角度θ，其中倾斜角度θ大于0度且小于或等于60度。在本实施例中，光阀740例如为液晶覆硅(LCOS)面板、数字微镜组件(DMD)、或透射式液晶显示器(transmissive LCD)。光源可发射光到光阀740以将光阀740照亮。当光阀740是LCOS面板时，偏振分束器(PBS)可设置在光阀740及液晶透镜110之间。当光阀是DMD时，可采用分别具有两种彼此垂直的旋转方向的液晶分子116a的两个液晶透镜110。
图7是根据描绘于图6的实施例的调制传递函数(MTF)图。图8是根据本发明另一项实施例的光学系统100d的示意剖面图。图9是根据描绘于图8的实施例的MTF图。参照图6、图7、图8及图9，如于图6所绘示的，当光阀740的光轴A3及成像镜头模块120的光轴A2相对于液晶透镜110的几何轴G具有倾斜角度θ时，液晶透镜110的光轴A1未偏离液晶透镜110的几何轴G，但如于图8所绘示的，液晶透镜110的光轴A1向上偏离液晶透镜110的几何轴G。因此，比起如于图7所绘示的MTF图，如于图9所绘示的MTF图在较大角频率(单位为每度周期数)处显示好得多的调制性能，其中调制(modulation)值愈大，影像质量愈好。也就是说，影像130a的质量因为液晶透镜110的光轴A1的偏移而改善。
图10是根据本发明一项实施例的光学系统100e的示意侧视图。参照图10，通过改变液晶层116的液晶分子116a的转向分布，原始光束252可偏移并形成与原始光束252间具有位移的光束254。亦即，通过改变液晶层116的液晶分子116a的转向分布，影像130a可在像平面130上向上、下、左或右偏移。
图11及图12分别是根据本发明其它实施例的光学系统100f及100g的示意侧视图。参照图11及图12，光学系统100f及100g可还包括眼球追踪器(eye tracker)160以侦测眼球50的转动。按照眼球50视线的方向，改变液晶层116的液晶分子116a的转向分布以补偿光150的OPL。例如，当用户注视影像130a的上侧时，眼球追踪器160侦测到使用者的眼球50向上转。然后改变液晶层116的液晶分子116a的转向分布且液晶透镜110的光轴A1向上偏移以补偿光150的OPL。因此，改善了用户所观看的影像上侧的质量。在本实施例中，液晶透镜110可设置在物平面140及成像镜头模块120之间(如于图11所绘示的)，或成像镜头模块120设置在物平面140及液晶透镜110之间(如于图12所绘示的)。此外，在物平面140及成像镜头模块120之间的距离D小于成像镜头模块120的有效焦距，且影像130a是虚像。
图13是根据本发明一项实施例的光学系统100h的示意侧视图。参照图13，通过改变液晶层116的液晶分子116a的转向分布，液晶透镜110的上半部及下半部可具有不同屈亮度，且自物平面140至像平面331的上半部的距离D1及自物平面140至像平面332的下半部的距离D2可不相同。
图14A是根据本发明一项实施例的液晶透镜110a的示意俯视图及仰视图。图14B是根据本发明另一项实施例的液晶透镜110b的示意俯视图及仰视图。在图14A及图14B中，为了清楚表现，只绘示第一衬底112、第二衬底114、第一电极111及第二电极113。参照图14A，液晶透镜110包括多个第一电极111及多个第二电极113。多个第一电极111设置在第一衬底112上并沿着第二方向d2排列。每个第一电极111沿着第一方向d1延伸。多个第二电极113设置在第二衬底114上并沿着第一方向d1排列。每个第二电极113沿着第二方向d2延伸。第一方向d1正交于第二方向d2。此外，多个第一电极111的宽度W1可不同于多个第二电极113的宽度W2，以减少迭纹(moire)现象。参照图14B，液晶透镜110包括设置在第一衬底112上的共享电极115，及多个薄膜晶体管(thin-film transistor，TFT)119与分别与多个薄膜晶体管119电性连接的多个像素电极117设置在第二衬底114上。在其它实施例中，共享电极115可设置在第二衬底114上，多个薄膜晶体管(TFT)119及分别与多个薄膜晶体管119电性连接的多个像素电极117可设置在第一衬底112上，且本发明不限于此。
图15A是本发明一项实施例的液晶透镜110c的示意剖面图。参照图15A，液晶透镜110c还包括至少一个设置在两个相邻的像素电极117之间的浮动电极(floatingelectrode)210以控制电压分布。至少一个浮动电极210可设置在第一衬底112及第二衬底114中的至少一者上。亦即，至少一个浮动电极210可设置在第一衬底112或第二衬底114、或同时在第一衬底112及第二衬底114上。(图15A绘示浮动电极210设置在第一衬底112上)
图15B及图15C分别是本发明其它实施例的液晶透镜110d及110e的示意剖面图。参照图15B及图15C，浮动电极210及第一电极111可设置在不同层。例如，浮动电极210可设置在多个第一电极111及配向层(alignment layer)190之间，如于图15B所绘示的。浮动电极210可设置在多个第一电极111及第一衬底112之间，如于图15C所绘示的。在本实施例中，浮动电极210分别是离散的。浮动电极210的电压与两个相邻像素电极117的电压有关，且可从一个相邻像素电极117到另一个相邻像素电极117逐渐变化。
图16是本发明一项实施例的液晶透镜110f的示意剖面图。参照图16，可将厚绝缘层170加在多个第一电极111与配向层190之间使得在厚绝缘层170的底表面上的电压在多个电极之间连续地变化。特别地，电压分布并非离散的，而是连续的，且液晶层116的液晶分子116a的转向分布可连续地变化。因此，可改善影像质量。在此实施例中，厚绝缘层170的厚度范围为从300nm至1000nm。在其它实施例中，厚绝缘层170可加在多个第二电极113与配向层190之间，或可分别加在多个第一电极111与配向层190之间及在多个第二电极113与配向层190之间。本发明不限于此。
图17是本发明一项实施例的液晶透镜110g的示意剖面图。参照图17，多个第一电极111是细长的且多个高阻抗材料层180设置在两个相邻的第一电极111之间使得电压在多个第一电极111之间连续地变化。因此，可改善影像质量。高阻抗材料层180的片电阻范围为从109至1014Ω/sq。高阻抗材料层180例如由半导体材料(包括III-V半导体化合物或II-VI半导体化合物)或高分子材料(包括PEDOT，聚(3,4-乙烯二氧噻吩))制成。在其它实施例中，多个第二电极113是细长的且多个高阻抗材料层180设置在两个相邻的第二电极113之间，或多个第一电极111与多个第二电极113都是细长的且多个高阻抗材料层180分别设置在两个相邻的第一电极111及两个相邻的第二电极113之间。本发明不限于此。
图18是本发明一项实施例的液晶透镜110h的示意剖面图。参照图18，高阻抗材料层180可加在多个第一电极111与配向层190之间使得电压在多个第一电极111之间连续地变化。因此，可改善影像质量。在其它实施例中，高阻抗材料层180可加在多个第二电极113与配向层190之间，或可分别加在多个第一电极111与配向层190之间及在多个第二电极113与配向层190之间。本发明不限于此。
高阻抗材料层180的片电阻是落在109Ω/sq至1014Ω/sq的范围内。
基于上述，在由本发明的实施例提供的光学系统中，光学系统包括至少一个液晶透镜，液晶透镜是通过电压驱动而改变液晶分子的转向分布，以使得在液晶层上的每个位置的有效折射率改变及液晶透镜的光轴偏离液晶透镜的几何轴。因此，可补偿影像在广视角的光程差以减少像差，改善影像质量。此外，通过控制液晶分子的转向分布，可调整液晶透镜的屈亮度以达成变焦的功能。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。

Claims (20)

1.一种光学系统，用以形成物体的影像，其特征在于，所述光学系统包括：
至少一个液晶透镜，设置在来自所述物体的光的路径上，且包括；
第一衬底；
第二衬底，相对于所述第一衬底；以及
液晶层，设置在所述第一衬底及所述第二衬底之间，其中在所述液晶层上的每个位置的有效折射率与被施加的电压有关，及所述至少一个液晶透镜用以通过改变所述液晶层的液晶分子的转向分布而改变所述至少一个液晶透镜的光轴；以及
成像镜头模块，设置在来自所述物体的光的路径上且包括多个透镜，其中所述至少一个液晶透镜及所述成像镜头模块形成所述物体的所述影像。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述成像镜头模块的光轴平行于所述至少一个液晶透镜的光轴。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述物体是在物平面上，所述影像是在像平面上，所述像平面及所述物平面互为共轭平面，及自所述物平面上的同一点所发出的成像光线全都会聚到所述像平面上的同一点。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于：所述液晶透镜设置在所述物平面及所述成像镜头模块之间，或设置在所述像平面及所述成像镜头模块之间。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述成像镜头模块的所述多个透镜包括具有正屈亮度的会聚透镜及具有负屈亮度的发散透镜。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述液晶透镜包括多个电极与至少一个高阻抗材料层以控制电压分布，及所述多个电极与所述至少一个高阻抗材料层设置在所述第一衬底及所述第二衬底中的至少一者上，其中电压分布在所述多个电极之间连续地变化。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于：所述液晶透镜还包括设置在所述多个电极与所述高阻抗材料层之间的绝缘层。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述液晶透镜包括设置在所述第一衬底及所述第二衬底中的至少一者上的多个浮动电极，以控制电压分布。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述液晶透镜还包括多个第一电极及多个第二电极，所述多个第一电极设置在所述第一衬底上并沿着第二方向排列，每个所述第一电极沿着第一方向延伸，所述多个第二电极设置在所述第二衬底上并沿着所述第一方向排列，及每个第二电极沿着所述第二方向延伸，其中所述第一方向正交于所述第二方向。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于：所述多个第一电极的宽度不同于所述多个第二电极的宽度。
11.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述液晶透镜还包括设置在所述第一衬底上的共享电极、及多个薄膜晶体管与分别电性连接到所述多个薄膜晶体管的像素电极，其设置在所述第二衬底上。
12.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述液晶透镜是通过电压驱动而改变所述液晶分子的转向分布，以使得所述液晶透镜的屈亮度为可调整。
13.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述液晶透镜是通过电压驱动而改变所述液晶分子的转向分布，以使得所述液晶透镜的光轴偏离所述液晶透镜的几何轴。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其特征在于：还包括光阀，其中所述光阀为所述物体，及所述光阀是由微结构像素阵列形成。
15.根据权利要求14所述的光学系统，其特征在于：所述光阀的上半部或下半部的成像光束的光程差是通过将所述液晶透镜的光轴偏移而补偿。
16.根据权利要求14所述的光学系统，其特征在于：所述光阀的光轴及所述成像镜头模块的光轴相对于所述液晶透镜的几何轴具有倾斜角度，其中所述倾斜角度大于0度且小于或等于60度。
17.根据权利要求13所述的光学系统，其特征在于：所述影像通过改变所述液晶层的所述液晶分子的转向分布在像平面上向上、下、左或右偏移。
18.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述物体是在物平面上，所述液晶透镜设置在所述物平面与所述成像镜头模块之间，及在所述物平面与所述成像镜头模块之间的距离小于所述成像镜头模块的有效焦距。
19.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述物体是在物平面上，所述成像镜头模块设置在所述物平面及所述液晶透镜之间，及在所述物平面及所述成像镜头模块之间的距离小于所述成像镜头模块的有效焦距。
20.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述物体是在物平面上，所述影像是在像平面上，所述液晶透镜的上半部及下半部具有不同的屈亮度，及自所述物平面至所述像平面的上半部的距离及自所述物平面至所述像平面的下半部的距离彼此不同。
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