JP6001626B2

JP6001626B2 - 光学ズーム構造

Info

Publication number: JP6001626B2
Application number: JP2014246713A
Authority: JP
Inventors: 金際遠; 許志高; 張林萍; 曹勇
Original assignee: 點晶科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: JP2015176150A; US20150260884A1; US9684101B2; KR20150106792A; TW201534973A; TWI494599B; EP2919052A1; CN104914643A

Description

本発明は、光学ズーム構造に関し、特に液晶レンズを有する光学ズーム構造に関する。

一般的に、光学ズームシステムは、少なくとも１つの拡大光学レンズ及び少なくとも１つの調整光学レンズを含む。拡大光学レンズは発散の光学効果を奏することで、画像を拡大することができる。調整光学レンズは集光の光学効果を奏することで、拡大後の画像を更に集光することができる。これにより、拡大後の画像を目視できるようにすることができる。

しかしながら、上述した光学ズームシステムでは、異なるズーム倍率を得ようとすると、２つの光学レンズ同士の間の距離を変えると共に各光学レンズの構成をも調整しなければならない。そのため、製品のサイズを縮小することが困難となり、構成上の複雑さやコストが増大する問題があった。

本発明は、液晶レンズを備え、電圧を調整することによって光学ズーム構造のズーム倍率を変えることができる光学ズーム構造を提供することを課題とする。

本発明に係る光学ズーム構造は、少なくとも１つの第１の光学部と、少なくとも１つの第２の光学部と、画像表示領域とを含む。第１の光学部は、複数の第１の光学レンズを有する第１の固定焦点部と、第１の液晶レンズとを含む。第１の光学部は、発散の光学効果を奏する。第２の光学部は、複数の第２の光学レンズを有する第２の固定焦点部と、第２の液晶レンズとを含む。第２の光学部は、集光の光学効果を奏する。また、第２の光学部は、第１の光学部と画像表示領域との間に位置し、第１の液晶レンズ及び第２の固定焦点部は、第１の固定焦点部と第２の液晶レンズとの間に位置する。第１の固定焦点部と第１の液晶レンズとの間の距離が第１の距離であり、第１の液晶レンズと第２の固定焦点部との間の距離が第２の距離であり、第２の固定焦点部と第２の液晶レンズとの間の距離が第３の距離であり、第２の液晶レンズと画像表示領域との間の距離が第４の距離である。

このように、本発明に係る光学ズーム構造は、第１の固定焦点部、第１の液晶レンズ、第２の固定焦点部及び第２の液晶レンズを含む。第１の固定焦点部、第１の液晶レンズ、第２の固定焦点部、第２の液晶レンズ同士の間の距離は固定値である。第１の液晶レンズ及び第２の液晶レンズは、印加電圧を調整することによってその焦点距離を変えることができ、ひいては、異なる拡大効果が得られるように、第１の液晶レンズ、第２の固定焦点部、第２の液晶レンズの物距離及び像距離を変えることができる。

本発明の第１の実施例に係る光学ズーム構造を示した図である。本発明の第２の実施例に係る光学ズーム構造の変倍比を示した図である。本発明の第３の実施例に係る光学ズーム構造の変倍比を示した図である。本発明の第４の実施例に係る光学ズーム構造の変倍比を示した図である。

図１は、本発明の第１の実施例に係る光学ズーム構造１を示した図である。図１に示すように、光学ズーム構造１は、第１の光学部１０と、第２の光学部２０と、画像表示領域Ｒとを含む。第１の光学部１０は、第１の固定焦点部１１０と、第１の液晶レンズ１２０とを含む。第２の光学部２０は、第２の固定焦点部２１０と、第２の液晶レンズ２２０とを含む。第１の光学部１０は、発散の光学効果を奏する。第２の光学部２０は、集光の光学効果を奏する。

図１に示すように、第２の光学部２０は、第１の光学部１０と画像表示領域Ｒとの間に位置する。第１の液晶レンズ１２０は、第１の固定焦点部１１０と第２の光学部２０との間に位置する。第２の固定焦点部２１０は、第１の光学部１０と第２の液晶レンズ２２０との間に位置する。即ち、第１の液晶レンズ１２０及び第２の固定焦点部２１０は、第１の固定焦点部１１０と第２の液晶レンズ２２０との間に位置する。

詳しく述べると、第１の固定焦点部１１０と第１の液晶レンズ１２０との間の距離が第１の距離ｄ１であり、第１の液晶レンズ１２０と第２の固定焦点部２１０との間の距離が第２の距離ｄ２であり、第２の固定焦点部２１０と第２の液晶レンズ２２０との間の距離が第３の距離ｄ３であり、第２の液晶レンズ２２０と画像表示領域Ｒとの間の距離が第４の距離ｄ４である。本実施例において、第１の距離ｄ１の値は０．５ｍｍ〜２ｍｍの間であり、第２の距離ｄ２の値は０．１ｍｍ〜２０ｍｍの間であり、第３の距離ｄ３の値は０．１ｍｍ〜２０ｍｍの間であり、第４の距離ｄ４の値は０．５ｍｍ〜１０ｍｍである。

また、第１の固定焦点部１１０は、複数の第１の光学レンズを含む。第２の固定焦点部２１０は、複数の第２の光学レンズを含む。第１の光学レンズは、凹レンズ、凸レンズ及び接合レンズを含み、凹レンズ、凸レンズ及び接合レンズの順に配列されることによって発散レンズの光学効果を奏する。また、第２の光学レンズは、凸レンズ、凹レンズ及び接合レンズを含み、凸レンズ、凹レンズ及び接合レンズの順に配列されることによって集光レンズの光学効果を奏する。第１の光学レンズ及び第２の光学レンズが一定の曲率を有しているため、第１の固定焦点部１１０及び第２の固定焦点部２１０の焦点距離は固定値である。

第１の液晶レンズ１２０の構造は、第１の液晶層１２２と、１対の第１の配向層１２４と、１対の第１の駆動電極板１２６とを含む。図１に示すように、第１の駆動電極板１２６は、第１の液晶層１２２の両側に位置する。第１の配向層１２４は、第１の液晶層１２２と第１の駆動電極板１２６の間に位置する。第１の液晶層１２２は、複数の第１の液晶分子１２２ａを有する。第１の液晶分子１２２ａに凹レンズと等価の機能を持たせるように、電圧を印加すると、第１の駆動電極板１２６の駆動により第１の液晶分子１２２ａが回転する。また、第１の駆動電極板１２６は印加される電圧を調整することによって第１の液晶層１２２の屈折率分布を変化させ、これにより異なる焦点距離を得ることができる。

また、第２の液晶レンズ２２０の構造は、第２の液晶層２２２と、１対の第２の配向層２２４と、１対の第２の駆動電極板２２６とを含む。第２の液晶レンズ２２０の構造は、第１の液晶レンズ１２０と略同様であるため、詳しい説明を省略する。但し、第２の液晶分子２２２ａに凸レンズと等価の機能を持たせるように、電圧を印加すると、第２の駆動電極板２２６の駆動により第２の液晶分子２２２ａが回転する。第２の駆動電極板２２６は印加される電圧を調整することによって、第２の液晶層２２２の屈折率分布を変化させ、これにより異なる焦点距離を得ることができる。

本実施例において、第１の駆動電極板１２６及び第２の駆動電極板２２６の数は１対である。しかしながら、他の実施例において、第１の駆動電極板１２６及び第２の駆動電極板２２６の数は１対よりも多くてもよく、本発明は第１の駆動電極板１２６及び第２の駆動電極板２２６の数を制限しない。

実際の作動において、被写体Ｓからの反射光が光学ズーム構造１中に入射すると、光はまず第１の光学部１０を通過する。第１の光学部１０は、発散の光学効果を奏するため、光によって生成された画像を拡大することができる。その後、光は次いで第２の光学部２０を通過する。第２の光学部２０は、集光の光学効果を奏するため、第１の光学部１０を通過して拡大された画像を集光することができる。これにより、使用者は、集光によって生成された画像を見ることができる。

詳しく述べると、光は、第１の光学部１０に進入した場合、まず第１の固定焦点部１１０を通過する。第１の固定焦点部１１０は、凹レンズ、凸レンズ及び接合レンズの組み合わせであり、光によって生じた色差をなくすことができると共に、第１の固定焦点部１１０と第１の液晶レンズ１２０との間に結像Ｉ１を生じさせることができる。その後、光は第１の液晶レンズ１２０に進入する。第１の駆動電極板１２６の電圧が変えられると、第１の液晶レンズ１２０における第１の液晶分子１２２ａが凹レンズに類似する構造に配列されることによって発散の光学効果を奏するようになる。従って、結像Ｉ１を拡大することができると共に、第１の液晶レンズ１２０と第２の固定焦点部２１０との間に結像Ｉ２を生じさせることができる。また、第１の駆動電極板１２６の電圧を調整することによって第１の液晶分子１２２ａが配列される曲率半径を変化させることができ、異なる焦点距離を生成することができる。

また、第１の固定焦点部１１０と第１の液晶レンズ１２０との間の第１の距離ｄ１は所定値であり、この第１の距離ｄ１は第１の固定焦点部１１０によって生じた像距離と第１の液晶レンズ１２０の物距離との和である。第１の液晶レンズ１２０の焦点距離は、第１の駆動電極板１２６の電圧調整に伴って変化し、これにより第１の液晶レンズ１２０の結像Ｉ２の像距離が変化する。

次いで第１の光学部１０の光は、第２の光学部２０に進入する。光は第２の光学部２０に進入する際、まず第２の固定焦点部２１０を通過する。第２の固定焦点部２１０は凸レンズ、凹レンズ及び接合レンズの組み合わせであり、光によって生じた色差をなくすことができると共に、第２の固定焦点部２１０と第２の液晶レンズ２２０との間に結像Ｉ３を生じさせることができる。その後、光は第２の液晶レンズ２２０に進入する。第２の駆動電極板２２６の電圧が変えられると、第２の液晶レンズ２２０における第２の液晶分子２２２ａが凸レンズに類似する構造に配列されることによって集光の光学効果を奏するようになる。従って、結像Ｉ３を集光することができると共に、第２の液晶レンズ２２０と画像表示領域Ｒとの間に結像Ｉ４を生じさせることができる。また、第２の駆動電極板２２６の電圧を調整することによって第２の液晶分子２２２ａが配列される曲率半径を変化させることができ、異なる焦点距離を生成することができる。

また、第１の液晶レンズ１２０の結像Ｉ２の位置から第２の固定焦点部２１０までの距離は、第２の固定焦点部２１０の物距離である。詳しく述べると、第１の液晶レンズ１２０から第２の固定焦点部２１０までの間の第２の距離ｄ２は一定値であり、尚且つ第１の液晶レンズ１２０の像距離と第２の固定焦点部２１０の物距離との和である。即ち、第１の液晶レンズ１２０の像距離が変わると、第２の固定焦点部２１０の物距離もそれに伴って変わる。第２の固定焦点部２１０の焦点距離が一定値であるため、第２の固定焦点部２１０の像距離は物距離が変わるにつれて変わる。

第２の固定焦点部２１０の結像Ｉ３の位置から第２の液晶レンズ２２０までの距離は、第２の液晶レンズ２２０の物距離である。詳しく述べると、第２の固定焦点部２１０から第２の液晶レンズ２２０までの間の第３の距離ｄ３は一定値であり、この第３の距離ｄ３は、第２の固定焦点部２１０の像距離と第２の液晶レンズ２２０の物距離との和である。第２の液晶レンズ２２０の焦点距離は、第２の駆動電極板２２６の電圧が調整されるにつれて変わり、第２の液晶レンズ２２０の像距離を変化させる。光が第２の液晶レンズ２２０を通過した後、結像Ｉ４の位置は画像表示領域Ｒ中に位置する。

簡単に述べると、第１の固定焦点部１１０、第１の液晶レンズ１２０、第２の固定焦点部２１０及び第２の液晶レンズ２２０は、光学ズーム構造１内における移動部材ではない。即ち、第１の固定焦点部１１０、第１の液晶レンズ１２０、第２の固定焦点部２１０及び第２の液晶レンズ２２０それぞれの間の距離は一定している。従って、使用者が第１の駆動電極板１２６及び第２の駆動電極板２２６の印加電圧を調整することによって第１の液晶レンズ１２０及び第２の液晶レンズ２２０の焦点距離を変えると、第１の液晶レンズ１２０、第２の固定焦点部２１０及び第２の液晶レンズ２２０の物距離及び像距離もそれに伴って変わる。

また、単一レンズ結像の拡大率は、像距離を物距離で除した値である。従って、第１の液晶レンズ１２０、第２の固定焦点部２１０及び第２の液晶レンズ２２０の物距離及び像距離が変わると、第１の液晶レンズ１２０、第２の固定焦点部２１０及び第２の液晶レンズ２２０の拡大率もそれに伴って変わる。光学ズーム構造１の拡大率は、各レンズ部（第１の液晶レンズ１２０、第２の固定焦点部２１０及び第２の液晶レンズ２２０）の拡大率を乗じた値である。従って、第１の液晶レンズ１２０、第２の固定焦点部２１０及び第２の液晶レンズ２２０の拡大率が変わると、光学ズーム構造１は異なる拡大効果を達成することができる。

従来技術における光学ズームシステムがレンズ同士の間の距離を変えることによりシステムの拡大率を変えるものであるのとは異なり、本発明に係る光学ズーム構造１では、第１の液晶レンズ１２０、第２の液晶レンズ２２０の焦点距離を変えることにより光学ズーム構造１の拡大率を変える。換言すれば、本発明では、第１の固定焦点部１１０、第１の液晶レンズ１２０、第２の固定焦点部２１０及び第２の液晶レンズ２２０を移動させることなく、即ち、各光学部同士の間の距離を所定値とする状況において、光学ズーム構造１の拡大率を変えることが可能である。従って、従来技術の光学ズームシステムに比べて、本発明に係る光学ズーム構造１は、体積をより小さくすることが可能となる。本実施例において、光学ズーム構造１の拡大率は−０．３５３９〜−０．８３４２である。また、光学ズーム構造１の最大拡大率を最小拡大率で除した値は、この光学ズーム構造１の変倍比である。本実施例において、変倍比は１〜２．３５７である。

更に、光学ズーム構造１の拡大率が各レンズ部の拡大率を乗じたものであることから、本発明に係る光学ズーム構造１は、一定の体積において、第１の光学部及び第２の光学部の数を変えることにより光学ズーム構造１の拡大率を変えることも可能である。例えば、他の実施例において、第１の光学部、即ち発散の光学効果を奏することができるレンズ部を１つ又は複数追加することもできる。光学ズーム構造の拡大率は、２つ又は複数の第１の光学部の拡大率及び第２の光学部の拡大率を乗じた値である。

換言すれば、本発明は、第１の光学部及び第２の光学部の数を制限しない。第１の光学部及び第２の光学部の数は、所要のズーム倍率及び使用状況に応じて増減することができる。複数の第１の光学部と第２の光学部の結像原理は、上記実施例と同様であるため、詳しい説明を省略する。

続いて、異なる第１の距離ｄ１、第２の距離ｄ２、第３の距離ｄ３及び第４の距離ｄ４を有する状況において、異なる拡大率を生じる状況を例示的に説明する。図２は、本発明の第２の実施例に係る光学ズーム構造１の変倍比を示した図である。本実施例において、第１の固定焦点部１１０は、凹レンズに類似する発散効果を奏することができる。第２の固定焦点部２１０は、凸レンズに類似する集光効果を奏することができる。焦点距離は２５ｍｍである。また、第１の距離ｄ１は５０ｍｍ、第２の距離ｄ２は１７ｍｍ、第３の距離ｄ３は１８ｍｍ、第４の距離ｄ４は２５ｍｍである。図２において、ｍ３は本実施例における第２の固定焦点部２１０の軸方向拡大率を表し、ｍ４は第２の液晶レンズ２２０の軸方向拡大率を表し、Ｍは光学ズーム構造１の軸方向拡大率を表す。図２から分かるように、この実施例において、光学ズーム構造１の軸方向拡大率は−０．４１３２〜−０．６８１５である。また、光学ズーム構造１の変倍比は１．６４９３である。

図３は、本発明の第３の実施例に係る光学ズーム構造１の変倍比を示した図である。本実施例において、第１の固定焦点部１１０は、凹レンズに類似する発散効果を奏することができる。第２の固定焦点部２１０は、凸レンズに類似する集光効果を奏することができる。焦点距離は３５ｍｍである。また、第１の距離ｄ１は５０ｍｍ、第２の距離ｄ２は１７ｍｍ、第３の距離ｄ３は１８ｍｍ、第４の距離ｄ４は２５ｍｍである。図３において、ｍ３は本実施例における第２の固定焦点部２１０の軸方向拡大率を表し、ｍ４は第２の液晶レンズ２２０の軸方向拡大率を表し、Ｍは光学ズーム構造１の軸方向拡大率を表す。図３から分かるように、この実施例において、光学ズーム構造１の軸方向拡大率は−０．４７２３〜−０．８５９３である。また、光学ズーム構造１の変倍比は１．８１９４である。

図４は、本発明の第４の実施例に係る光学ズーム構造１の変倍比を示した図である。本実施例において、第１の固定焦点部１１０は、凹レンズに類似する発散効果を奏することができる。第２の固定焦点部２１０は、凸レンズに類似する集光効果を奏することができる。焦点距離は２９ｍｍである。また、第１の距離ｄ１は５０ｍｍ、第２の距離ｄ２は１７ｍｍ、第３の距離ｄ３は１８ｍｍ、第４の距離ｄ４は２５ｍｍである。図４において、ｍ３は本実施例における第２の固定焦点部２１０の軸方向拡大率を表し、ｍ４は第２の液晶レンズ２２０の軸方向拡大率を表し、Ｍは光学ズーム構造１の軸方向拡大率を表す。図４から分かるように、この実施例において、光学ズーム構造１の軸方向拡大率は−０．３５３９〜−０．８３４２である。また、光学ズーム構造１の変倍比は２．３５７である。

このように、本発明に係る光学ズーム構造は、第１の固定焦点部及び第１の液晶レンズを有する第１の光学部と、第２の固定焦点部及び第２の液晶レンズを有する第２の光学部とを含む。第１の固定焦点部、第１の液晶レンズ、第２の固定焦点部、第２の液晶レンズ同士の間の距離は固定値である。従来技術ではレンズ同士の間の距離によってシステムの拡大率を変えているのとは異なり、本発明では、第１の液晶レンズ及び第２の液晶レンズに印加される電圧を調整することにより焦点距離を変えており、それにより異なる拡大効果を得ることができる。従って、本発明に係る光学ズーム構造は、体積をより小さくすることができる。また、本発明に係る光学ズーム構造は、一定の体積において、第１の光学部及び第２の光学部の数を増加して異なる拡大効果を達成することもできる。

以上は本発明の実施例に過ぎず、本発明の保護範囲を制限するものではない。当業者が本発明の趣旨を逸脱しない範囲において行った変更や修正といった等価の置き換えは、本発明の保護範囲内に含まれる。

１光学ズーム構造
１０第１の光学部
１１０第１の固定焦点部
１２０第１の液晶レンズ
１２２第１の液晶層
１２２ａ第１の液晶分子
１２４第１の配向層
１２６第１の駆動電極板
２０第２の光学部
２１０第２の固定焦点部
２２０第２の液晶レンズ
２２２第２の液晶層
２２２ａ第２の液晶分子
２２４第２の配向層
２２６第２の駆動電極板
ｄ１第１の距離
ｄ２第２の距離
ｄ３第３の距離
ｄ４第４の距離
Ｓ被写体
Ｒ画像表示領域
Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４結像

Claims

複数の第１の光学レンズを有する第１の固定焦点部と、第１の液晶レンズとを含み、発散の光学効果を奏するのに用いられる少なくとも１つの第１の光学部と、
複数の第２の光学レンズを有する第２の固定焦点部と、第２の液晶レンズとを含み、集光の光学効果を奏するのに用いられる少なくとも１つの第２の光学部と、
画像表示領域と、
を含み、
前記第２の光学部は前記第１の光学部と前記画像表示領域との間に位置し、前記第１の液晶レンズ及び前記第２の固定焦点部は前記第１の固定焦点部と前記第２の液晶レンズとの間に位置し、
前記第１の固定焦点部と前記第１の液晶レンズとの間の距離が第１の距離であり、前記第１の液晶レンズと前記第２の固定焦点部との間の距離が第２の距離であり、前記第２の固定焦点部と前記第２の液晶レンズとの間の距離が第３の距離であり、前記第２の液晶レンズと前記画像表示領域との間の距離が第４の距離であり、
前記第１の距離は前記第１の固定焦点部によって生じた像距離と前記第１の液晶レンズの物距離との和によって決定され、
前記第２の距離は前記第１の液晶レンズの像距離と前記第２の固定焦点部の物距離との和によって決定され、
前記第３の距離は、前記第２の固定焦点部の像距離と前記第２の液晶レンズの物距離との和によって決定されることを特徴とする光学ズーム構造。
前記複数の第１の光学レンズは、凹レンズ、凸レンズ及び接合レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学ズーム構造。
前記複数の第１の光学レンズは、凹レンズ、凸レンズ及び接合レンズの順に配列されるとことによって発散レンズの光学効果を奏することを特徴とする請求項２に記載の光学ズーム構造。
前記複数の第２の光学レンズは、凸レンズ、凹レンズ及び接合レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学ズーム構造。
前記複数の第２の光学レンズは、凸レンズ、凹レンズ及び接合レンズの順に配列されることによって集光レンズの光学効果を奏することを特徴とする請求項４に記載の光学ズーム構造。
前記第１の液晶レンズは、複数の第１の液晶分子を有する少なくとも１つの第１の液晶層と、少なくとも１対の第１の駆動電極板とを含み、
前記第１の液晶層は前記１対の第１の駆動電極板の間に位置し、前記１対の第１の駆動電極板の駆動により前記複数の第１の液晶分子が凹レンズの形状に配列されることを特徴とする請求項１に記載の光学ズーム構造。
前記第２の液晶レンズは、複数の第２の液晶分子を有する少なくとも１つの第２の液晶層と、少なくとも１対の第２の駆動電極板とを含み、
前記第２の液晶層は前記１対の第２の駆動電極板の間に位置し、前記１対の第２の駆動電極板の駆動により前記複数の第２の液晶分子が凸レンズの形状に配列されることを特徴とする請求項１に記載の光学ズーム構造。
前記第１の光学部の数は２以上であることを特徴とする請求項１に記載の光学ズーム構造。