CN112965279A - 调焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种调焦光学系统，包括至少一组可调控透镜单元；其中，可调控透镜单元包括半波片和液晶透镜；待调焦入射光自半波片一侧入射，并从液晶透镜侧射出，半波片和液晶透镜配合对待调焦入射光进行调焦。利用上述发明能够快速调节光学系统的焦距，且整体光学系统紧凑轻便，适用范围广。

Description

调焦光学系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，更为具体地，涉及一种调焦光学系统。
背景技术
现有的光学系统调焦，主要是通过机械件带动传统光学元件移动，通过改变传统元件之间的间隔实现预设的光焦度变化，进而完成调焦操作。可知，这种光学系统比较传统，且系统体积庞大，机械件移动受限导致焦距调节范围有限，同时受机械运动速度的限制，从一个焦距调节到另一个焦距的速度较慢，人眼可以感受到整个过程，所以很难满足高频快速切换焦距的要求，即现有光学调焦方式存在受限于机械件移动的距离及移动速度，导致整体系统的光焦度可调范围有限且响应速度较慢的问题。
因此，如何能够简单、便捷的实现高精度、大范围的光学系统调焦是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种调焦光学系统，以解决目前光学系统调焦存在的体积大、速度慢、可调范围有限等问题。
本发明提供的调焦光学系统，包括至少一组可调控透镜单元；其中，可调控透镜单元包括半波片和液晶透镜；待调焦入射光自半波片一侧入射，并从液晶透镜侧射出，半波片和液晶透镜配合对待调焦入射光进行调焦。
此外，优选的技术方案是，在半波片的两端连接有第一控制电压；第一控制电压用于控制半波片开启或者关闭相位延迟功能。
此外，优选的技术方案是，当第一控制电压开启时，待调焦入射光通过半波片时，不改变相位状态信息；当第一控制电压关闭时，半波片用于对待调焦入射光进行相位延迟处理。
此外，优选的技术方案是，液晶透镜为不可调液晶透镜或可调液晶透镜；其中，当液晶透镜为可调液晶透镜时，在液晶透镜的两端连接有第二控制电压；第二控制电压用于控制液晶透镜开启或关闭透镜功能。
此外，优选的技术方案是，当液晶透镜为可调液晶透镜且第二控制电压开启时，经过半波片的待调焦入射光通过液晶透镜时，不改变经过半波片的待调焦入射光的状态；当液晶透镜为可调液晶透镜且第二控制电压关闭时，液晶透镜用于对经过半波片的待调焦入射光进行汇聚或发散处理。
此外，优选的技术方案是，当液晶透镜为可调液晶透镜且第二控制电压关闭时，当入射液晶透镜的光线为左旋光时，液晶透镜对左旋光进行汇聚处理；当入射液晶透镜的光线为右旋光时，液晶透镜对右旋光进行发散处理。
此外，优选的技术方案是，如权利要求4的调焦光学系统，其特征在于，当可调控透镜单元设置有n组，且液晶透镜为可调液晶透镜时，调焦光学系统可输出3n个焦距值；调焦光学系统的总焦距为：
Φ总＝Φ1+Φ2+...Φn
其中，Φn表示第n组可调控透镜单元的焦距值。
此外，优选的技术方案是，当可调控透镜单元设置有m组，且液晶透镜为不可调液晶透镜时，调焦光学系统可输出2m个焦距值；调焦光学系统的总焦距为：
Φ总＝Φ1+Φ2+...Φm
其中，Φm表示第m组可调控透镜单元的焦距值。
此外，优选的技术方案是，液晶透镜为聚合物液晶或者小分子液晶。
此外，优选的技术方案是，当可调控透镜单元设置有至少两组时，可调控透镜单元之间相互平行且间隔设置。
利用上述调焦光学系统，设置至少一组可调控透镜单元，每个可调控透镜单元进一步包括半波片和液晶透镜，可通过半波片调整入射光的偏振状态，进而改变液晶透镜的光焦度，不同光焦度的组合实现最终光学系统输出焦度的连续变化，可适用于连续调焦或非连续调焦，且在连续调焦过程中效果更佳显著，结构简单、操作方便，且焦距范围大、调节灵活。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例调焦光学系统的可调控透镜单元的结构图；
图2-1为根据本发明实施例的液晶透镜的原理图一；
图2-2-为根据本发明实施例的液晶透镜的原理图二；
图3-1为根据本发明实施例的调焦光学系统的原理图一；
图3-2为根据本发明实施例的调焦光学系统的原理图二；
图3-3为根据本发明实施例的调焦光学系统的原理图三；
图4示出了根据本发明实施例的可调控透镜单元设置有三组的结构图；
图5示出了根据本发明实施例的可调控透镜单元设置有三组的光路图。
其中的附图标记包括：可调控透镜单元10、可调控透镜单元20、可调控透镜单元30、半波片1、液晶透镜2。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
为解决现有光学调焦系统存在的系统整体体积大、速度慢、可调范围有限等问题，本发明提供一种调焦光学系统，设置至少一组可调控透镜单元，每个可调控透镜单元进一步包括半波片和液晶透镜，通过半波片和液晶透镜的配合对光线进行调焦，可输出变化的焦度值，结构简单、操作方便，且焦距范围大、调节灵活。
为详细描述本发明的调焦光学系统，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1示出了根据本发明实施例的调焦光学系统的可调控透镜单元的示意结构。
如图1所示，本发明实施例的调焦光学系统，包括至少一组可调控透镜单元；其中，每个可调控透镜单元进一步包括一个半波片1和一个液晶透镜2，半波片1和一个液晶透镜2可相互平行设置；待调焦入射光自半波片1一侧入射，并从半波片1更一侧射入液晶透镜2中，然后从液晶透镜2射出，通过半波片1和液晶透镜2配合对待调焦入射光进行调焦，系统结构简单，且调节范围广。
具体地，图2-1和图2-2分别示出了液晶透镜的示意原理。
如图2-1和图2-2共同所示，本发明实施例的液晶透镜2中的液晶分子转动角度的两倍即是该位置处液晶分子提供的几何相位延迟量，如果液晶分子转动按照球面透镜的透过率函数分布，则该液晶几何相位透镜，即液晶透镜2表现为相同的球面透镜的性质，但其色散与衍射光学元件一致。当一定偏振态的光通过液晶透镜后，会汇聚或发散。
作为具体示例，当进入液晶透镜2的入射光为左旋光时，液晶透镜2对左旋光进行汇聚处理；当入射液晶透镜2的光线为右旋光时，液晶透镜2对右旋光进行发散处理，上述两种光线的光焦度数值大小相同，正负相反。其中，当左旋光通过液晶透镜2后，其偏振态会变为右旋偏振，同样的，右旋偏振光通过液晶透镜2后会变为左旋偏振，因此可以通过调控入射光的偏振态来切换液晶透镜2的光焦度值。
在本发明的一个具体实施方式中，液晶透镜为可调液晶透镜或者不可调液晶透镜，液晶透镜2的材料可以是聚合物类液晶，也可以是小分子液晶类，两者区别是，聚合物液晶透镜2不可被直接调控，以其为材料制作的液晶透镜2为被动式液晶透镜2，即不可调液晶透镜2；而小分子液晶透镜2可以通过施加电场的方式调控，以其为材料制作的液晶透镜2为主动式液晶透镜2，即可调液晶透镜2。
进一步地，结合二分之一波片(即半波片1)和液晶透镜2在多种组合可以实现切换液晶透镜2光焦度的目的。
具体地，可在半波片1的两端连接第一控制电压，第一控制电压用于控制半波片1开启或者关闭相位延迟的功能。其中，当第一控制电压开启时，当待调焦入射光通过半波片时，不改变相位状态信息；当第一控制电压关闭时，半波片用于对待调焦入射光进行相位延迟处理。同时，当液晶透镜为可调液晶透镜时，在液晶透镜的两端连接有第二控制电压，第二控制电压用于控制液晶透镜开启或关闭透镜功能。其中，当当液晶透镜为可调液晶透镜且第二控制电压开启时，经过半波片的待调焦入射光通过液晶透镜时，不改变经过半波片的待调焦入射光的状态；当当液晶透镜为可调液晶透镜且第二控制电压关闭时，液晶透镜用于对经过半波片的待调焦入射光进行汇聚或发散处理。
具体地，图3-1至图3-3分别示出了根据本发明实施例的调焦光学系统的示意原理。
如图3-1所示，半波片1和液晶透镜2配合除了可提供大小相同，正负相反的光焦度外，还可以提供零光焦度，即对入射光不作任何响应。其中，半波片1两端的第一控制电压可选择开启或者关闭，与半波片1对应的液晶透镜2两端的第二控制电压选择打开。
同时，开启液晶透镜2两端的第二控制电压，液晶透镜2中的液晶分子重新排布，失去其透镜的功能，入射光无论是左旋还是右旋均会无差别的直接透过透镜。当关闭液晶透镜2两端的第二控制电压后，液晶透镜2中的液晶分子重新回到原有的排布状态，显示出透镜效果。当固定入射光的偏振态为左旋后，开启半波片1两端的第一控制电压，半波片1失去相位延迟效果，入射光保持左旋偏振态通过，同时左旋光对应液晶透镜2的聚焦状态，即提供正光焦度。同样的，当关闭半波片1两端的第一控制电压，半波片1重新用于相位延迟效果，将左旋偏振光变为右旋光，右旋光对应液晶透镜2发散状态，即提供负光焦度。
如图3-2所示，在该实施例中，控制半波片1两端的第一控制电压开启，同时，液晶透镜2两端的第二控制电压关闭，当左旋入射光射入半波片1后，由于半波片1失去延迟效果，入射光仍保持左旋入射至液晶透镜2中，液晶透镜2对左旋光进行聚焦，形成右旋的聚焦光。
如图3-3所述，在该实施例中，控制半波片1两端的第一控制电压关闭，同时，液晶透镜2两端的第二控制电压关闭，当左旋入射光射入半波片1后，经过半波片1的延迟作用，变为右旋光并射入液晶透镜2中，液晶透镜2对右旋光进行发散，形成左旋的发散光。
需要说明的是，上述半波片1两端的第一控制电压和液晶透镜2两端的第二控制电压均存在开启和关闭两种状态，二者之间可相互组合，形成多种调焦结果，并不限于上述具体示例。
在本发明的一个具体实施方式中，可调控透镜单元可设置多组，多组可调控透镜单元之间可相互平行设置，也可配置为其他的位置关系，通过多组可调控透镜单元可实现连续或非连续的调焦的光学系统，系统的调焦范围更大，且结构简单，可适用范围广。
具体地，图4和图5分别从不同角度示出了根据本发明实施例的可调控透镜单元设置有三组的具体结构，包括可调控透镜单元10、可调控透镜单元20和可调控透镜单元30，其中的光路可根据单个可调控透镜单元中的半波片1和液晶透镜2的具体状态进行调整。
其中，当可调控透镜单元设置有n组，且液晶透镜为可调液晶透镜时，调焦光学系统可输出3n个焦距值；进而可知，调焦光学系统的总焦距表达公式为：
Φ总＝Φ1+Φ2+...Φn
其中，Φn表示第n组可调控透镜单元的焦距值，系统的总焦距为各个可调控透镜单元的焦距值的总和。
对应的，当可调控透镜单元设置有m组，且液晶透镜为不可调液晶透镜时，调焦光学系统可输出2m个焦距值；调焦光学系统的总焦距为：
Φ总＝Φ1+Φ2+...Φm
其中，Φm表示第m组可调控透镜单元的焦距值，系统的总焦距为各个可调控透镜单元的焦距值的总和。
此外，当可调控透镜单元设置有至少两组时，可调控透镜单元之间可相互平行且间隔设置，也可配置为其他的位置关系。在具体应用过程中，可调控透镜单元的设置个数以及可调控透镜单元之间的距离可根据具体应用场景进行设计或调整，并不限于附图中所示具体结构。
根据上述本发明提供的调焦光学系统，设置液晶透镜和可调的半波片，通过可调的半波片调整入射光的偏振态，进而改变液晶透镜的光焦度，通过不同光焦度的可调控透镜单元的组合实现最终光学系统输出光焦度的变化，可适用于连续调焦或者非连续调焦，并在连续调焦过程中效果更佳显著，不仅能够克服传统透镜和机械件调焦存在的缺陷，以液晶透镜为核心，采用电场调控的方式还能够快速的在较大范围调控系统焦距，整体调焦光学系统轻薄紧凑，可适用于VR/AR等多个领域。
如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的调焦光学系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的调焦光学系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种调焦光学系统，其特征在于，包括至少一组可调控透镜单元；其中，所述可调控透镜单元包括半波片和液晶透镜；
待调焦入射光自所述半波片一侧入射，并从所述液晶透镜侧射出，所述半波片和所述液晶透镜配合对所述待调焦入射光进行调焦。
2.如权利要求1所述的调焦光学系统，其特征在于，
在所述半波片的两端连接有第一控制电压；
所述第一控制电压用于控制所述半波片开启或者关闭相位延迟功能。
3.如权利要求2所述的调焦光学系统，其特征在于，
当所述第一控制电压开启时，所述待调焦入射光通过所述半波片时，不改变相位状态信息；
当所述第一控制电压关闭时，所述半波片用于对所述待调焦入射光进行相位延迟处理。
4.如权利要求1所述的调焦光学系统，其特征在于，所述液晶透镜为不可调液晶透镜或可调液晶透镜；其中，
当所述液晶透镜为可调液晶透镜时，在所述液晶透镜的两端连接有第二控制电压；
所述第二控制电压用于控制所述液晶透镜开启或关闭透镜功能。
5.如权利要求4所述的调焦光学系统，其特征在于，
当所述液晶透镜为可调液晶透镜且所述第二控制电压开启时，经过所述半波片的待调焦入射光通过所述液晶透镜时，不改变所述经过所述半波片的待调焦入射光的状态；
当所述液晶透镜为可调液晶透镜且所述第二控制电压关闭时，所述液晶透镜用于对经过所述半波片的待调焦入射光进行汇聚或发散处理。
6.如权利要求5所述的调焦光学系统，其特征在于，当所述液晶透镜为可调液晶透镜且所述第二控制电压关闭时，
当入射所述液晶透镜的光线为左旋光时，所述液晶透镜对所述左旋光进行汇聚处理；
当入射所述液晶透镜的光线为右旋光时，所述液晶透镜对所述右旋光进行发散处理。
7.如权利要求4所述的调焦光学系统，其特征在于，
当所述可调控透镜单元设置有n组，且所述液晶透镜为可调液晶透镜时，所述调焦光学系统可输出3n个焦距值；
所述调焦光学系统的总焦距为：
Φ总＝Φ1+Φ2+...Φn
其中，Φn表示第n组可调控透镜单元的焦距值。
8.如权利要求4所述的调焦光学系统，其特征在于，
当所述可调控透镜单元设置有m组，且所述液晶透镜为不可调液晶透镜时，所述调焦光学系统可输出2m个焦距值；
所述调焦光学系统的总焦距为：
Φ总＝Φ1+Φ2+...Φm
其中，Φm表示第m组可调控透镜单元的焦距值。
9.如权利要求1所述的调焦光学系统，其特征在于，
所述液晶透镜为聚合物液晶或者小分子液晶。
10.如权利要求1所述的调焦光学系统，其特征在于，
当所述可调控透镜单元设置有至少两组时，所述可调控透镜单元之间相互平行且间隔设置。
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