TWI476499B - 多聚焦模式之繞射光學元件 - Google Patents

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多聚焦模式之繞射光學元件
本發明係有關於一種特殊之繞射光學元件設計，其具有可依外加電壓之控制來切換不同聚焦特性，以產生一種以上之焦距。可應用於如光學成像系統之聚焦變換或是光碟機光學讀寫頭之讀寫不同規格碟片的物鏡數值孔徑變換等應用上。
透鏡在一般光學系統中為一重要且不可或缺的元件，然而在光學系統微型化發展的趨勢下，傳統之光學透鏡其結構體積過大，會造成發展上的限制與瓶頸，並且在現今多功能整合的時代，僅具單一特性的透鏡會使整體模組體積過大與製造成本的增加。以手機之相機鏡頭為例，其由早期的30萬畫素發展至現今千萬畫素，因畫素的提升使解析度增加，造成景深必須相對地縮短，故成像品質對物距的變化更為敏感。為因應此問題，便發展出所謂的自動對焦技術；傳統之自動對焦技術是將多片光學透鏡組成鏡組，搭配機械式致動器移動部分鏡片之相對位置來達到改變焦聚之目的，但由於體積較為龐大，故對整體成像系統朝微型化發展上造成限制。若能發展不需依靠機械式裝置來改變聚焦特性之光學鏡片，對成像系統之簡化與縮小體積將有極大之幫助。再以光碟機之光學讀寫頭技術為例，光碟機由早期的CD發展至DVD，近年來更發展至高密度的藍光BD系統，由於各種不同規格的碟片各有其適用之波長與物鏡數值孔徑(numerical aperture,NA)，因此，光學讀寫頭讀取多種不同碟片規格，除了必須具備多種雷射波長外，其物鏡更需具備多種不同的NA值。因此，傳統單一聚焦特性之透鏡無法符合需求，發展多聚焦特性之鏡片乃成為一重要之研究主題。
由於液晶(liquid crystal,LC)材料具備有特殊之光學雙折射性(birefringence)，可經由外加電壓之調控以改變其折射率(index of refraction)，因此非常適合用來設計具有可變換光學特性之光學元件。歷年來，已有許多文獻資料陸續揭露各種液晶光學元件技術，探討以外加電壓調變液晶折射率以改變透鏡焦距之方法。最早使用液晶來製作光學元件的觀念是被揭露在USP4066334美國專利公報中，其利用外加電壓之調變改變液晶分子之轉向以變化折射率，進而使入射光束在液晶材料中發生偏折。後續利用液晶可調變之特性所揭露之液晶光學元件創作不勝枚舉；例如，請參考「第1圖」之像差修正元件，其揭露於USP6690500美國專利公報中，將液晶光學元件之驅動電極設計成同心圓狀之週期性環狀結構，並在每一環狀電極上以高、低不同電壓驅動，使成連續之壓降，造成電極作用下之液晶分子的折射率為連續式分佈，其光程差(optical path difference,OPD)之相位調變形成如菲涅耳透鏡(Fresnel lens)之結構。又有如揭露於USP6864951美國專利公報中，利用非均勻性(inhomogeneous)高分子發散型液晶(polymer dispersed liquid crystal,PDLC)與搭配紫外光束(UV light)之照射，使液晶分子形成非均勻尺寸之顆粒(droplet)，可經由外加電壓之變化連續調變其光學聚焦特性。
前述USP6690500之創作是採用以週期性電極調變液晶成週期性菲涅耳區帶環(Fresnel zones)，以對入射光產生繞射進而達到光束偏折之目的。由於週期性電極之設計已固定了繞射之角度，故此種液晶元件並無法依外加電壓之變化來改變聚焦特性，僅具有切換「有繞射」與「無繞射」兩種模式之特性。另前述USP6864951，雖可經由外加電壓之變化連續調變其光學聚焦特性，但因採用高分子發散型液晶之架構，其紫外光之曝照製程嚴格，且介質易因散射造成光穿透率低與元件驅動電壓甚高等因素，在實用上產生諸多限制。
請參考「第2圖」，其為液晶繞射元件20之習知結構，採用類似平行板電容器之架構，上部為週期性分佈之電極，下部則為共通電極，兩電極間填入向列型液晶(nematic liquid crystal)為介質，液晶分子因為週期性電場之分佈而產生週期性之折射率變化。利用透明導電基板25經由微影與蝕刻後產生的光柵繞射圖案電極21搭配未經蝕刻的共用電極22，以間隙物24固定兩基板之間距，填充入液晶23，並給予適當之配向而製成。在外加電壓作用下之液晶，其對應於非尋常光(E-ray)之折射率n e是可經由電壓大小來改變的，其作用便是造成雙折射材料之折射率差異△n，此值可決定有加電壓區與無加電壓區之光程差(optical path difference,OPD)，如下式，
式中為光程之相位差，λ為雷射光波長，d為液晶層之厚度，n e(0)為無加電壓區之折射率，n e(V)為有加電壓區之折射率。故可透過外加電壓之大小來改變光程差，進而控制液晶光柵之繞射效率。一但電壓被移除，此液晶繞射光柵回復完全穿透之模式，無繞射現象發生，故僅能作為單一繞射模式切換之應用。根據此架構，在I326078中華民國之專利公報中，請參考「第3圖」，提出以兩組不同週期與排列方向之電極，並搭配互補電極之設計，以實現兩種不同光柵繞射模態之特性。該專利更進而將液晶摻雜入紫外光固化單體(UV-curable monomer)並經紫外光之固化以形成網狀聚合物(polymer network)現象，稱之為聚合物穩固液晶(polymer stabilized liquid crystal,PSLC)，請參考「第4圖」，以得到三種不同繞射模式之光柵效果，可產生三種不同角度之三光束繞射，應用於光碟機光學讀寫頭對不同碟片軌距之循軌應用上。
由於前述USP6690500美國專利公報揭露之液晶菲涅耳透鏡具有可調變液晶相位而成繞射透鏡之特性，然而卻僅具備有單一 聚焦特性。而I326078中華民國專利雖具有切換多種模式之特性，卻僅是具有線性繞射光柵之作用，不具有透鏡聚焦之效果。因此，若能結合兩者之特點，提出一設計架構，同時具有透鏡聚焦與多種聚焦模式切換之功能，將可應用於如前述之成像系統或光碟讀寫系統上，並且大幅地簡化光學系統之體積與複雜度。故本創作即根據上述之說明，利用液晶可調變之光學特性，佐以PSLC之技術，並搭配新式之電極設計，以得到具有多種聚焦模式之菲涅耳繞射透鏡設計架構，可應用於如成像裝置或光學讀寫頭等系統上。
本發明提出多種不同之設計架構，以實現多種聚焦模式之繞射光學元件之功能。設計構想主要分成兩類，第一類別為主要是著重於電極之設計，包含不同週期間距之菲涅耳區帶環狀電極以及互補電極，並搭配普通向列型液晶以產生可切換兩種不同聚焦模式之菲涅耳繞射透鏡。第二類別則是除了電極之設計外，更採用特殊的PSLC技術為液晶介質，以實現可切換三種不同聚焦模式之菲涅耳繞射透鏡。
有關本發明之詳細內容及技術，茲就配合圖式說明如下：
請參照「第5圖」，其圖示本發明之第一種創作。採用兩個一般之液晶繞射透鏡，其透鏡聚焦特性是個別針對所需之焦距、光源波長、與繞射效率所設計，再將兩透鏡疊合而成。其各別有所設計適用之光源波長而產生不同之繞射效率，當使用於第一種焦距時，所設計之第一種焦距之圓環狀週期性電極被施以高電壓以產生聚焦作用，另一焦距之圓環狀週期性電極則被解除電壓使光束完全穿透，故兩透鏡不會有交錯干擾之現象；反之，當使用於第二種焦距時，第二種焦距之圓環狀週期性電極 被施以高電壓以產生聚焦作用，第一種焦距之圓環狀週期性電極則被解除電壓使光束完全穿透。
請參照「第6圖」，其圖示本發明之第二種創作。將上述第一創作之兩透鏡疊合架構改良成單一透鏡架構，將所設計之第一種焦距之圓環狀週期性電極與第二種焦距之圓環狀週期性電極製作在同一透明導電基板25之兩表面，整個雙面透明導電基板當作上部電極使用。兩圓環狀週期性電極互為獨立操作，共用另一下部之透明導電基板作為共通電極22，並於兩基板間填入已配向之液晶介質23，而形成雙模式之液晶繞射透鏡。實際操作於第一種聚焦模式時，上部基板之第一種焦距圓環狀週期性電極施加高電壓，而第二種焦距之圓環狀週期性電極則解除電壓。反之，當用作於第二種聚焦模式時，上部基板之第二種焦距圓環狀週期性電極施加高電壓，而第一種焦距之圓環狀週期性電極則解除電壓。在所有操作過程中，下部共通電極22皆被接地(或接低電壓)。此創作之上部透明導電基板以選擇較薄之基材厚度為考量。
請參照「第7圖」，其圖示本發明之第三種創作。本創作將所設計之第一種焦距之圓環狀週期性電極當作上部電極，另外設計第二種焦距之圓環狀週期性電極當作下部電極，上、下兩電極以圓心為中心進行互相對準組裝，兩電極間再填入已配向之液晶介質23。然而因此處之上、下電極皆為週期性電極，欠缺共通電極，故必須各別在上、下兩圓環狀週期性電極之電極間隙設計互補電極21b與21d，互補電極與週期性電極間是電性隔絕的。實際操作於第一種聚焦模式時，上部圓環狀週期性電極21a施加高電壓，下部圓環狀週期性電極21c與下部互補電極21d同時接地(或接低電壓)以形成下部共通電極22之作用。反之，當用操作於第二種聚焦模式時，下部圓環狀週期性電極21c施加高電壓，上部圓環狀週期性電極21a與上部互補電極21b同時接地(或接低電壓)以形成上部共通電極22之作 用。
請參照「第8圖」，其圖示本發明之第四種創作。此創作利用PSLC技術於雙模式液晶繞射透鏡之設計。首先在向列型液晶材料中混合低比例之紫外光固化單體，形成PSLC 27之調配，並填入於以具有第一種焦距之圓環狀週期性電極21a與共通電極22為上、下電極之兩透明基板間，經過配向及封裝後，再以具有第二種焦距之圓環狀週期性電極圖案之光罩28覆蓋，經紫外光照射，使光罩透光的區域，液晶與聚合物產生聚合穩固反應27b，形成網狀聚合物(polymer network)分佈之現象，液晶分子被包覆在網狀聚合物內，因而提高了液晶之臨界電壓，而光罩不透光區域則無網狀聚合物27a分佈，其臨界電壓則維持不變。經由此製程，兩基板內部之液晶分子形成以第二種焦距為主的週期性聚合效應分佈，只要在上下兩共通電極(並不需要週期性電極)間施以固定之電場，基於上述臨界電壓不同之特點，即可控制液晶偏轉，產生週期性折射率分佈之現象。為達到雙模式之作用，我們將上基板之電極設計成以第一種焦距之圓環狀週期性電極21a，並搭配如第三創作之互補電極21b設計。上部圓環狀週期性電極與內部週期性聚合穩固分佈兩者之圓心必須互為對準。實際操作於第二種聚焦模式時，上部第一種焦距之圓環狀週期性電極21a與互補電極21b必須同時施加高電壓，與下部接地(或接低電壓)的共通電極22間形成單一之電場分佈，並使內部液晶因有紫外光穩固27b與無紫外光穩固27a區域之臨界電壓差異而自然形成第二種焦距之週期性折射率分佈。當用作於第一種聚焦模式時，僅需將上部第一種焦距之圓環狀週期性電極21a施加高電壓，上部互補電極21b則解除電壓，利用上部圓環狀週期性電極與下部接地(或接低電壓)的共通電極22間形成週期性電場分佈以使內部液晶產生第一種焦距之週期性折射率分佈。
請參照「第9圖」，其圖示本發明之第五種創作，設計出一種 具有三種聚焦模式之單一液晶繞射透鏡。此創作結合第三與第四創作，將第三創作之兩基板間填入聚合物穩固液晶27，並於配向及封裝完成後以所設計之第一種焦距(例如25cm)之透鏡對應的圓環狀週期性電極圖案之光罩28進行紫外光照射。光罩透光的區域，因液晶與聚合物產生聚合穩固反應27b，形成週期性之網狀聚合現象。另外上、下基板之電極設計如創作三所示，分別以第二種(例如32cm)及第三種(例如39cm)焦距之透鏡的圓環狀週期性電極21a與21c，並搭配互補電極21b與21d之設計而成。上、下部兩圓環狀週期性電極與內部圓環狀週期性網狀聚合分佈以圓心為中心互為對準，使元件作用時電場能均勻分佈。在實際操作時，當用作於第一種焦距模式時，上部圓環狀週期性電極21a與互補電極21b必須同時施加高電壓，下部圓環狀週期性電極21c與互補電極21d必須同時接地(或接低電壓)。兩上、下共通電極間形成單一之電場分佈，並使內部液晶因有紫外光穩固27b與無紫外光穩固27a區域之臨界電壓差異而自然形成第一種焦距之週期性折射率分佈。
當用作於第二種焦距模式時，需將上部圓環狀週期性電極21a施加高電壓，上部互補電極21b則解除電壓，下部圓環狀週期性電極21c與下部互補電極21d同時接地(或接低電壓)以形成下部共通電極22，利用上部圓環狀週期性電極21a與下部接地(或接低電壓)的共通電極22間形成週期性電場分佈以使內部液晶產生第二種焦距之週期性折射率分佈。反之，當用作於第三種焦距模式時，需將下部圓環狀週期性電極21c施加高電壓，下部互補電極21d則解除電壓，上部圓環狀週期性電極21a與上部互補電極21b同時接地(或接低電壓)以形成上部共通電極22，利用下部圓環狀週期性電極21c與上部接地(或接低電壓)的共通電極22間形成週期性電場分佈以使內部液晶產生第三種焦距之週期性折射率分佈。
根據本發明之基本精神，除揭露數種多聚焦模式繞射光學透鏡之設計架構外，更可推廣此多聚焦模式繞射光學透鏡至各種光學成像裝置之鏡頭設計或光碟機之光學讀寫頭應用，亦不受限於何種光學系統之聚焦變換使用上。
雖然本發明已以較佳之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧像差修正元件
11‧‧‧絕緣層
12‧‧‧電極層
13‧‧‧電極圖案
14‧‧‧配向層
15‧‧‧液晶層
16‧‧‧操作電壓
20‧‧‧液晶繞射光學元件
21‧‧‧液晶繞射光學元件週期性電極
21a‧‧‧液晶繞射透鏡之第一種焦距週期性電極
21b‧‧‧液晶繞射透鏡之第一種焦距互補電極
21c‧‧‧液晶繞射透鏡之第二種焦距週期性電極
21d‧‧‧液晶繞射透鏡之第二種焦距互補電極
22‧‧‧液晶繞射透鏡共通電極
23‧‧‧液晶
23a‧‧‧無外加電場下之液晶，其對應於extraordinary ray之折射率為n e(0)，對應於ordinary ray之折射率為n o
23b‧‧‧有外加電場下之液晶，其對應於extraordinary ray之折射率為n e(V)，V為外加電壓大小，對應於ordinary ray之折射率為n o
24‧‧‧間隙物(spacer)
25‧‧‧透明導電基板
27‧‧‧聚合物穩固液晶(polymer stabilized liquid crystal,PSLC)
27a‧‧‧沒有接受紫外光固化之聚合物穩固液晶
27b‧‧‧有接受紫外光固化之聚合物穩固液晶
28‧‧‧具有週期性電極圖案之光罩
30‧‧‧元件第一種焦距
31‧‧‧元件第二種焦距
32‧‧‧元件第三種焦距
33‧‧‧元件互補電極端
34‧‧‧元件菲涅耳電極端
35‧‧‧平行光束
第1圖為揭露於USP6690500美國專利公報之液晶像差修正元件習知結構。
第2圖為為液晶繞射元件習知結構。
第3圖為揭露於I326078中華民國專利公報之雙模態繞射光柵習知結構。
第4圖為揭露於I326078中華民國專利公報之三模態繞射光柵習知結構。。
第5a圖為本發明之第一具體實施例基本架構立體圖。
第5b圖為本發明之第一具體實施例基本架構剖面圖。
第6a圖為本發明之第二具體實施例基本架構立體圖。
第6b圖為本發明之第二具體實施例基本架構剖面圖。
第7a圖為本發明之第三具體實施例基本架構立體圖。
第7b圖為本發明之第三具體實施例基本架構剖面圖。
第7c圖為本發明之第三具體實施例操作於所設計之第一種焦距液晶繞射透鏡模式之電極連接圖。
第7d圖為本發明之第三具體實施例操作於所設計之第二種焦距液晶繞射透鏡模式之電極連接圖。
第8a圖為本發明之第四具體實施例基本架構立體圖。
第8b圖為本發明之第四具體實施例基本架構剖面圖與光罩曝光示意圖。
第8c圖為本發明之第四具體實施例操作於所設計之第一種焦距液晶繞射透鏡模式之電極連接圖。
第8d圖為本發明之第四具體實施例操作於所設計之第二種焦距液晶繞射透鏡模式之電極連接圖。
第9a圖為本發明之第五具體實施例基本架構立體圖。
第9b圖為本發明之第五具體實施例基本架構剖面圖與光罩曝光示意圖。
第9c圖為本發明之第五具體實施例操作於第二種焦距(例如39.5cm)對應的液晶繞射透鏡模式之電極連接圖。
第9d圖為本發明之第五具體實施例操作於第三種焦距(例如32cm)對應的液晶繞射透鏡模式之電極連接圖。
第9e圖為本發明之第五具體實施例操作於第一種焦距(例如25cm)對應的液晶繞射透鏡模式之電極連接圖。
21a‧‧‧第一種焦距之液晶菲涅耳圓環狀週期性電極
21b‧‧‧第一種焦距之液晶菲涅耳圓環狀互補電極
21c‧‧‧第二種焦距之液晶菲涅耳圓環狀週期性電極
21d‧‧‧第二種焦距之液晶菲涅耳圓環狀互補電極
23‧‧‧液晶
25‧‧‧透明導電基板

Claims (5)

  1. 一種雙模式繞射透鏡，可經由外部連接之電壓的切換以改變其光學聚焦特性，得到兩種不同之焦距，包含：一片上部透明導電基板，製作有第一種焦距之圓環狀週期性電極，圓環狀週期性電極間之間隙則製作有互補電極，圓環狀週期性電極與互補電極互為電性隔絕；一片下部平行的透明導電基板，製作有第二種焦距之圓環狀週期性電極，圓環狀週期性電極間之間隙則製作有互補電極，圓環狀週期性電極與互補電極互為電性隔絕；上、下兩圓環狀週期性電極以圓心為中心互為對準；上部基板與下部基板間填入液晶材料並經封裝而組成；以及上、下兩基板之電極在電性上是互相隔絕的，分別獨立經由外加之電壓來操作控制。
  2. 一種雙模式繞射透鏡，可經由外部連接之電壓的切換以改變其光學聚焦特性，得到兩種不同之焦距，包含：一片上部透明導電基板，製作有第一種焦距之圓環狀週期性電極，圓環狀週期性電極間之間隙則製作有互補電極，圓環狀週期性電極與互補電極互為電性隔絕；一片下部平行的透明導電基板作為共通電極；上部基板與下部基板間填入已混合紫外光固化單體之聚合物穩固液晶材料並經封裝而組成，並形成第二種焦距之圓環狀週期性網狀聚合分佈；上部圓環狀週期性電極與內部圓環狀週期性網狀聚合分佈以圓心為中心互為對準；以及上、下兩基板之電極在電性上是互相隔絕的，分別獨立經由外加之電壓來操作控制。
  3. 如申請專利範圍第3項所述之雙模式繞射透鏡，其上部基板可以採用雙面透明導電基板，並將互補電極移至基板之外側面，並製作成電性隔絕之共通電極。
  4. 一種三模式繞射透鏡，可經由外部連接之電壓的切換以改變其光學聚焦特性，得到三種不同之焦距，包含：一片上部透明導電基板，製作有第一種焦距之圓環狀週期性電極，圓環狀週期性電極間之間隙則製作有互補電極，圓環狀週期性電極與互補電極互為電性隔絕；一片下部平行的透明導電基板，製作有第二種焦距之圓環狀週期性電極，圓環狀週期性電極間之間隙則製作有互補電極，圓環狀週期性電極與互補電極互相為電性隔絕；上部基板與下部基板間填入已混合紫外光固化單體之聚合物穩固液晶材料並經封裝而組成，並形成第三種焦距之圓環狀週期性網狀聚合分佈；上、下部圓環狀週期性電極與內部圓環狀週期性網狀聚合分佈以圓心為中心互為對準；以及上、下兩基板之電極在電性上是互相隔絕的，分別獨立經由外加之電壓來操作控制。
  5. 如申請專利範圍第5項所述之三模式繞射透鏡，其上部或下部基板可以採用雙面透明導電基板，並將互補電極移至基板之外側面，並製作成電性隔絕之共通電極。
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