TWI401523B - A liquid crystal mirror device, and a monocular camera having a liquid crystal mirror device - Google Patents

Description

液晶反光鏡裝置及具有液晶反光鏡裝置的單眼相機

本發明是有關於一種反光鏡裝置及具有該反光鏡裝置的單眼相機，特別是指一種配合其使用狀態而利用電控方式使液晶排列改變的液晶反光鏡裝置，及具有該液晶反光鏡裝置的單眼相機。

參閱圖1、2，現有市面上的數位單眼反射式相機1，主要包含：一鏡頭11、一反光鏡裝置12、一感光件13、一個位於該反光鏡裝置12與該感光件13之間的快門14、一個對焦模組15，以及一取景模組16。該反光鏡裝置12包括：一個斜向設置而與入射光線夾45度角的主反光鏡121，以及一個連動地設置在該主反光鏡121後側的副反光鏡122。其中，該主反光鏡121為半穿透半反射式之鏡片。

當該相機1位於一個如圖1所示之取景狀態時，光線通過該鏡頭11而入射至該主反光鏡121後，大部分光線經由該主反光鏡121反射到該取景模組16供攝影者取景，少部分的光線穿透該主反光鏡121而到達該副反光鏡122，再受該副反光鏡122反射至相機1底部的對焦模組15進行對焦運算。當相機1轉換到一曝光狀態時，該主反光鏡121及副反光鏡122會彈起至圖2所示位置，待快門14開啟後(由於圖2示意快門14開啟後的狀態，所以圖2未示出快門14)，即可使該感光件13曝光而成像。當曝光完成後，該反光鏡裝置12就會復位至圖1的狀態。

雖然上述數位單眼反射式相機1可以達到照相功能，但是由於該反光鏡裝置12為機械式作動，因此該主反光鏡121在取景狀態與曝光狀態之間彈跳移動時，會對該相機1造成極大的振動，進而影響到畫面的銳利度，而且此振動會帶來碰撞及振動噪音，因此上述相機1較不適合使用在極安靜的場合。另一方面，機械式作動的反光鏡裝置12的連拍速度較慢，而且其快門14時滯時間(shutter lag)亦較長，所述快門14時滯時間是指按下快門14之後，到相機1可以開始曝光的這一段時間。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以降低振動、減少碰撞及振動噪音、連拍速度快、快門時滯時間短的液晶反光鏡裝置，以及具有該液晶反光鏡裝置的單眼相機。

於是，本發明具有液晶反光鏡裝置的單眼相機，包含：一可供一入射光線通過之鏡頭、一與該鏡頭間隔的液晶反光鏡裝置、一與該液晶反光鏡裝置間隔的感光件、一位於該液晶反光鏡裝置與該感光件之間的快門、一取景模組，以及一對焦模組。

其中，該液晶反光鏡裝置接收通過該鏡頭而來的入射光線，該液晶反光鏡裝置包括一個鄰近該鏡頭的主反光鏡，以及一個遠離該鏡頭的副反光鏡，該主反光鏡具有一個第一液晶層。該取景模組接收自該主反光鏡反射而來的光線而用於取景。該對焦模組接收穿透該主反光鏡並受該副反光鏡反射而來的光線，以進行對焦運算。

藉由主反光鏡主要是由液晶分子構成，液晶分子可受電壓控制而改變其分子排列，進而控制光線之反射或穿透比例，取代以往機械式反光鏡裝置之機械作動，因此本發明具有降低振動、減少碰撞及振動噪音、連拍速度快、快門時滯時間短等優點。

此外，該主反光鏡更具有一波板，該波板具有一個朝向該鏡頭的第一面，以及一個與該第一面反向間隔而朝向該副反光鏡的第二面，前述第一液晶層位於該第一面與該鏡頭之間，而該主反光鏡更具有一個位於該第二面與該副反光鏡之間的第二液晶層，當第一、二液晶層及波板配合使用時，可以產生不同比例的光反射與穿透比。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3、4、5，本發明具有液晶反光鏡裝置的單眼相機之較佳實施例包含：一鏡頭2、一液晶反光鏡裝置3、一感光件4、一快門5、一取景模組6，以及一個對焦模組7。

該液晶反光鏡裝置3間隔地設置在該鏡頭2之後方，並用以接收通過該鏡頭2而來的一入射光線20。該液晶反光鏡裝置3包括一個位於前側而鄰近該鏡頭2的主反光鏡31，以及一個位於該主反光鏡31與該感光件4之間的副反 光鏡32，該副反光鏡32為一反射率極高之面鏡，可將入射而來的光線朝該對焦模組7反射。

該主反光鏡31之設置方向與一水平線夾45度角，亦即與該水平之入射光線20夾45度角。該主反光鏡31具有一波板33，所述波板33為一個四分之一波板(quarter-wave plate)，並具有一個朝向該鏡頭2的第一面331，以及一個與該第一面331反向間隔而朝向該副反光鏡32的第二面332。

該主反光鏡31更具有一個披覆在該波板33之第一面331的第一導電層38、一披覆在該第一導電層38之表面的第一液晶層34、一個披覆在該第一液晶層34之表面而朝向該鏡頭2的第一基板單元35、一個披覆在該第二面332的第二導電層39、一披覆在該第二導電層39之表面的第二液晶層36，以及一個披覆在該第二液晶層36之表面而朝向該副反光鏡32的第二基板單元37。其中，該等第一、二導電層38、39皆由氧化銦錫(ITO)材料製成。

所述第一、二液晶層34、36之材料皆為雙頻膽固醇液晶(dual frequency cholesteric liquid crystal)(雙頻膽固醇液晶可使用Merck公司的雙頻液晶材料加上旋性物質製作而成。旋性物質可以是Merck的型號CB15、S811…等產品)，該等第一、二液晶層34、36在未通入電壓時，是處於平面配向(planar texture)狀態，此時液晶分子之螺旋軸垂直於基板平面，並可用於反射特定旋光之光線；當通入一低頻電壓時，液晶分子轉換到垂直配向(homeotropic)狀態而成為 高透光性，使入射光可穿透而過；接著再通入一頻率高於該低頻電壓的高頻電壓，液晶分子即回復到可用於反射特定旋光之平面配向狀態。

本實施例使用雙頻膽固醇液晶之優點，在於可以通入低頻電壓或高頻電壓，以提升液晶分子由垂直配向回到平面配向之速度，但是本發明不限於使用雙頻膽固醇液晶，也可以使用一般的膽固醇液晶，對於一般膽固醇液晶而言，要由平面配向轉換到垂直配向時，需通入電壓，當解除外加電壓時，液晶分子即自動回位到平面配向狀態，因此一般膽固醇液晶同樣可以達到切換排列狀態之目的，只是由垂直配向回到平面配向的作動時間會比雙頻膽固醇液晶長，但仍然可以符合使用需求。

本實施例雙頻膽固醇液晶之螺距設計為漸進式變化，使其反射波長落在可見光波長之範圍(380~720nm)，以作為可反射可見光之膽固醇液晶層。需要說明的是，膽固醇液晶會反射和其旋光性相同的圓偏振光。本實施例之第一、二液晶層34、36分別具有左、右旋光性，所以可分別用於反射左、右旋圓偏振光，並分別供右、左旋圓偏振光通過。

該第一基板單元35包括：一個間隔位於該第一液晶層34之前方的第一基板351、一個位於該第一基板351與第一液晶層34之間的第三導電層352，以及一個位於該第一基板351之表面並朝向該鏡頭2的第一抗反射層353。該第一基板351為玻璃基板，該第三導電層352為氧化銦錫 (ITO)材料所製成，該第一抗反射層353為氮化矽(SiN_x )材料所製成，可降低入射光線20的反射比例，使入射光線20確實能到達該第一液晶層34。

該第二基板單元37與該第一基板單元35之結構與材質皆相同，並且反向對稱地設置於第二液晶層36之表面，該第二基板單元37包括：一個間隔位於該第二液晶層36之後方的第二基板371、一個位於該第二基板371與第二液晶層36之間的第四導電層372，以及一個位於該第二基板371之表面並朝向副反光鏡32的第二抗反射層373。

該感光件4可以為電荷耦合元件(charge coupled device,簡稱CCD)，或者是光二極體(photon diode)等可以用於感光之元件。該快門5位於該液晶反光鏡裝置3與該感光件4之間，並可受一圖未示出且位於該相機之機殼表面的控制件帶動，該控制件可以為一按鍵或可受扳動之旋鈕，當控制件受到按壓或扳動時，即可帶動該快門5開啟而照相。

該取景模組6可接收自該主反光鏡31反射而來的光線，以供攝影者取景。該對焦模組7可接收穿透該主反光鏡31並受該副反光鏡32反射而來的光線，以進行對焦運算。

本發明使用時，該相機可在一個如圖3所示的取景狀態，以及一個如圖5所示的曝光狀態間轉換。當位於該取景狀態時，副反光鏡32位於該主反光鏡31後側，該快門5關閉，光線通過該鏡頭2而射向該主反光鏡31時，此時尚未對該主反光鏡31通入任何電壓，因此液晶分子位於平面配向狀態。由於自然光可以等效看成是兩個強度相同的左 旋圓偏振光和右旋圓偏振光的組合，所以當自然光進入該第一液晶層34時，佔整體光線50%的左旋圓偏振光被反射而朝該取景模組6射入，剩下50%的右旋圓偏振光可通過並到達該四分之一波板33，四分之一波板33改變右旋圓偏振光之偏振性，通過該波板33之右旋圓偏振光成為線偏振光並朝該第二液晶層36入射，此線偏振光一樣可以等效的看成是兩個強度相同的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的組合，所以第二液晶層36將線偏振光中的50%的右旋圓偏振光反射回到該波板33，而線偏振光中的50%的左旋圓偏振光通過該第二液晶層36並往該副反光鏡32前進。

其中，受第二液晶層36反射回到該波板33的右旋圓偏振光，受到該波板33之作用而成為線偏振光，並往該第一液晶層34射入，此線偏振光一樣可以等效的看成是兩個強度相同的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的組合，而再度使50%的右旋圓偏振光穿透而到達該取景模組6，以及使50%的左旋圓偏振光反射回該波板33。

因此，光線在第一、二液晶層34、36與波板33間來回傳播，並持續與第一、二液晶層34、36及波板33產生光學作用。總合起來，本實施例約有67%的可見光會反射至該取景模組6以供取景，33%的可見光會穿透該主反光鏡31而到達後方的副反光鏡32，該光線再受該副反光鏡32反射至該對焦模組7進行對焦運算。

當該相機轉換到該曝光狀態時，此時於第一、二液晶層34、36通入低頻電壓，使液晶分子轉換到垂直配向狀態 而形成高穿透態，同時，該副反光鏡32受到相關機械構件帶動而向下移動，不再遮擋入射光線20，且快門5會開啟(由於圖5示意快門5開啟後的狀態，所以圖5未示出快門5)，因此光線通過該鏡頭2之後，由於該主反光鏡31之高穿透態，使大部分的入射光線20可以通過而到達該感光件4並曝光。

當曝光完成後，再外加高頻交流電壓，使液晶分子回到平面配向狀態，此時副反光鏡32回位至該主反光鏡31後方，該快門5關閉，該相機又回復到圖3之取景狀態。

由以上說明可知，本發明主反光鏡31主要是由液晶分子所構成，利用液晶分子可受電壓控制而改變其分子排列，進而控制光線之反射或穿透比例，因此該相機在取景狀態與曝光狀態之間轉換時，該主反光鏡31本身皆為固定而未移動，僅是其內部液晶分子之排列在改變，本發明以液晶分子配合電控式的狀態轉換來取代以往機械式反光鏡裝置，具有下列優點：

(1)本發明使用固定式電控膽固醇液晶反光鏡裝置3，可以大幅降低傳統機械式主反光鏡作動時所帶來的振動，降低相機內部元件之碰撞程度以及振動所產生的聲響，因此本發明可應用於極安靜的場合進行拍攝工作。

(2)本發明使用電控式作動的時間，比傳統機械式作動時間更短，因此可以加快拍攝速度，使相機運用於連拍功能上更加方便，而且快門時滯時間(shutter lag)亦可大幅縮短，讓攝影者更可以掌握拍攝內容。在本發明中，快門時 滯時間是指液晶分子由平面配向狀態轉換到垂直配向狀態所須的時間。

(3)本發明施加電壓於該等第一、二液晶層34、36的方式，不限於前述方法，也可以只對該第一液晶層34或是只對該第二液晶層36施加電壓，亦即，只對右(左)旋膽固醇液晶層施加電壓，而不對該左(右)旋膽固醇液晶層施加電壓，當只對其中一液晶層34、36施加電壓時，還可以細分成兩種模式：

(a)一直對第一液晶層34或第二液晶層36施加電壓：此時該主反光鏡31可以視為一個50%穿透50%反射的半穿透半反光鏡，因此在曝光時仍有光線會受該主反光鏡31反射而進入該取景模組6，曝光時仍可看到影像，其優點為：本發明任何時候均可由相機之觀景窗看到拍攝影像，例如在長時間曝光下，或者錄影時，仍可由觀景窗看到影像，實用性大為增加。

(b)一直對第一液晶層34或第二液晶層36施加電壓，但是在曝光的時候，兩個液晶層34、36同時施加電壓而變成高穿透態，如此一來，在取景時該取景模組6的光量只有入射光線20的50%，這樣雖然會犧牲掉17%的光線進入該取景模組6，不過由於光線較為充足，所以由取景模組6內看到的影像雖然稍微黯淡，但仍可供取景，在此同時，多增加17%的光線提供給該對焦模組7作運算，進而提升對焦性能。而曝光時，兩個液晶層34、36都施加電壓，讓感光件4的曝光量達到100%。

因此，本發明可藉由改變施加電壓而調變該主反光鏡31之光穿透率，以配合不同的使用需求，改善傳統機械式主反光鏡僅能作為半反射半穿透鏡之缺點，因此本發明具有可調變透光量、應用性廣之優點。

(4)本發明用於錄影時，還是可以藉由上述電壓控制方式而利用觀景窗看到錄影影像，此種錄影方式在目前市面上尚未見到類似產品，因為一般機械式反光鏡裝置無法提供此功能，因此本發明確實為創新發明。

需要說明的是，本實施例採用第一、二液晶層34、36之雙層液晶結構配合該波板33，在取景狀態下，可達到反射與穿透比為67：33之效果，但實施時也可以僅使用一層液晶層，此時該主反光鏡31類似半穿透半反射之鏡面，反射與穿透比為50：50。

此外，本實施例之四分之一波板33可以使光線之反射與穿透比為67：33，但實施時不限於此，其它不同對應波長之波板33，可以產生不同的反射與穿透比。值得一提的是，本實施例之波板33為broadband之四分之一波板33，而非一般只針對特定色光而設計的波板，因此，本實施例之波板33具有讓可見光中的各種色光的相位都延遲1/4波長的功能。

而且雖然本實施例之第一、二液晶層34、36的旋光性不同，但是實際上在搭配四分之一波板33的情況下，即使第一、二液晶層34、36之旋光性相同，同樣會得到反射與穿透比67：33，所以第一、二液晶層34、36之旋光性是否 相同，不須限制。但是當使用其它種波板33時，第一、二液晶層34、36之旋光性的相同與否，可能就會造成反射與穿透比之改變，可視需求而作不同設計。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧鏡頭

20‧‧‧入射光線

3‧‧‧液晶反光鏡裝置

31‧‧‧主反光鏡

32‧‧‧副反光鏡

33‧‧‧波板

331‧‧‧第一面

332‧‧‧第二面

34‧‧‧第一液晶層

35‧‧‧第一基板單元

351‧‧‧第一基板

352‧‧‧第三導電層

353‧‧‧第一抗反射層

36‧‧‧第二液晶層

37‧‧‧第二基板單元

371‧‧‧第二基板

372‧‧‧第四導電層

373‧‧‧第二抗反射層

38‧‧‧第一導電層

39‧‧‧第二導電層

4‧‧‧感光件

5‧‧‧快門

6‧‧‧取景模組

7‧‧‧對焦模組

圖1是一種傳統的數位單眼反射式相機之示意圖，並顯示該相機位於一取景狀態；圖2是該傳統相機位於一曝光狀態之示意圖；圖3是一示意圖，顯示本發明具有液晶反光鏡裝置的單眼相機之一較佳實施例位於一取景狀態；圖4是該較佳實施例之一主反光鏡的結構示意圖；及圖5是該較佳實施例位於一曝光狀態的示意圖。

2．．．鏡頭

20．．．入射光線

3．．．液晶反光鏡裝置

31．．．主反光鏡

32．．．副反光鏡

4．．．感光件

5．．．快門

6．．．取景模組

7．．．對焦模組

Claims (17)

1. 一種具有液晶反光鏡裝置的單眼相機，包含：一鏡頭，可供一入射光線通過；一液晶反光鏡裝置，與該鏡頭間隔，並接收通過該鏡頭而來的入射光線，該液晶反光鏡裝置包括一個鄰近該鏡頭的主反光鏡，以及一個遠離該鏡頭的副反光鏡，該主反光鏡具有一第一液晶層，以及一個位於該第一液晶層與該副反光鏡之間的第二液晶層，所述第一、二液晶層之材料皆為膽固醇液晶；該主反光鏡更具有一波板，該波板具有一個朝向該鏡頭的第一面，以及一個與該第一面反向間隔而朝向該副反光鏡的第二面，所述第一液晶層位於該第一面與該鏡頭之間，所述第二液晶層位於該第二面與該副反光鏡之間；一感光件，與該液晶反光鏡裝置間隔；一快門，位於該液晶反光鏡裝置與該感光件之間；一取景模組，接收自該主反光鏡反射而來的光線而用於取景；及一對焦模組，接收穿透該主反光鏡並受該副反光鏡反射而來的光線，以進行對焦運算。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之具有液晶反光鏡裝置的單眼相機，其中，所述第一、二液晶層之材料皆為雙頻膽固醇液晶。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之具有液晶反光鏡裝置的單眼相機，其中，該主反光鏡與該入射光線夾45度角。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之具有液晶反光鏡裝置的單眼相機，其中，該波板為四分之一波板。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之具有液晶反光鏡裝置的單眼相機，其中，該主反光鏡更包括一個披覆在該波板之第一面的第一導電層，以及一個披覆在該波板之第二面的第二導電層，前述第一、二液晶層各別位於該等第一、二導電層之表面，而該主反光鏡更包括一個位於該第一液晶層之表面的第一基板單元，以及一個位於該第二液晶層之表面的第二基板單元。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之具有液晶反光鏡裝置的單眼相機，其中，該第一基板單元包括一個位於該第一液晶層之前方的第一基板，以及一個位於該第一基板與第一液晶層之間的第三導電層，該第二基板單元包括一個位於該第二液晶層之後方的第二基板，以及一個位於該第二基板與第二液晶層之間的第四導電層。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之具有液晶反光鏡裝置的單眼相機，其中，該第一基板單元更包括一個位於該第一基板之表面而朝向該鏡頭的第一抗反射層，該第二基板單元更包括一個位於該第二基板之表面並朝向該副反光鏡的第二抗反射層。
8. 依據申請專利範圍第1或2項所述之具有液晶反光鏡裝置的單眼相機，其中，所述第一、二液晶層之旋光性不相同。
9. 一種液晶反光鏡裝置，位於一鏡頭與一感光件之間，並 接受一通過該鏡頭而來的入射光線，該液晶反光鏡裝置包含：一個鄰近該鏡頭的主反光鏡，以及一個位於該主反光鏡與該感光件之間並可將通過該主反光鏡之光線反射的副反光鏡，所述主反光鏡包括：一波板，具有一個朝向該鏡頭的第一面，以及一個與該第一面反向間隔而朝向該副反光鏡的第二面；一第一液晶層，位於該第一面與該鏡頭之間；及一第二液晶層，位於該第二面與該副反光鏡之間。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之液晶反光鏡裝置，其中，所述第一、二液晶層之材料皆為膽固醇液晶。
11. 依據申請專利範圍第10項所述之液晶反光鏡裝置，其中，所述第一、二液晶層之材料皆為雙頻膽固醇液晶。
12. 依據申請專利範圍第9項所述之液晶反光鏡裝置，其中，該主反光鏡與該入射光線夾45度角。
13. 依據申請專利範圍第9至11項中任一項所述之液晶反光鏡裝置，其中，該波板為四分之一波板。
14. 依據申請專利範圍第9項所述之液晶反光鏡裝置，其中，該主反光鏡更包括一個披覆在該波板之第一面的第一導電層，以及一個披覆在該波板之第二面的第二導電層，前述第一、二液晶層各別位於該等第一、二導電層之表面，而該主反光鏡更包括一個位於該第一液晶層之表面的第一基板單元，以及一個位於該第二液晶層之表面的第二基板單元。
15. 依據申請專利範圍第14項所述之液晶反光鏡裝置，其中，該第一基板單元包括一個位於該第一液晶層之前方的第一基板，以及一個位於該第一基板與第一液晶層之間的第三導電層，該第二基板單元包括一個位於該第二液晶層之後方的第二基板，以及一個位於該第二基板與第二液晶層之間的第四導電層。
16. 依據申請專利範圍第15項所述之液晶反光鏡裝置，其中，該第一基板單元更包括一個位於該第一基板之表面而朝向該鏡頭的第一抗反射層，該第二基板單元更包括一個位於該第二基板之表面並朝向該副反光鏡的第二抗反射層。
17. 依據申請專利範圍第9至11項中任一項所述之液晶反光鏡裝置，其中，所述第一、二液晶層之旋光性不相同。