TWI494599B - 光學變焦結構 - Google Patents
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Description
本發明提供一種光學變焦結構，且特別是有關於一種具有液晶透鏡的光學變焦結構。
一般而言，光學變焦系統會包括至少一組放大光學鏡片以及至少一組調整光學鏡片。放大光學鏡片會產生發散的光學效果，進而可以將影像進行放大。而調整光學鏡片則是會產生聚焦的光學效果，可以將放大後的影像重新聚焦，使得人眼能夠看見放大後的影像。
然而，所述的光學變焦系統若要取得不同的變焦倍率，必須改變兩光學鏡片之間的距離以及調整每一組光學鏡片的設計。進而使得產品的尺寸難以縮小，並且增加了設計的複雜程度以及成本。
本發明提供一種光學變焦結構，其具液晶透鏡，可藉由調控電壓來改變光學變焦結構的變焦倍率。
本發明提供一種光學變焦結構，包括至少一第一光學組、至少一第二光學組以及一影像顯示區。第一光學組包括第一定焦組以及第一液晶透鏡，第一定焦組具有多個第一光學鏡片。第一光學組會產生發散的光學效果。第二光學組包括第二定焦組以及第二液晶透鏡，而第二定焦組具有多個第二光學鏡片。第二光學組會產生聚焦的光學效果。另外，第二光學組位於第一光學組以及影像顯示區之間，而第一液晶透鏡以及第二定焦組位於第一定焦
組以及第二液晶透鏡之間。第一定焦組與第一液晶透鏡之間的距離是第一距離，第一液晶透鏡與第二定焦組之間的距離是第二距離，第二定焦組與第二液晶透鏡之間的距離是第三距離，而第二液晶透鏡與影像顯示區之間的距離為第四距離。
綜上所述，本發明提供一種光學變焦結構，其包括第一定焦組、第一液晶透鏡、第二定焦組、第二液晶透鏡。第一定焦組、第一液晶透鏡、第二定焦組、第二液晶透鏡彼此之間的距離為固定值。而第一液晶透鏡以及第二液晶透鏡可藉由調整施加電壓來改變其焦距，進而可以改變第一液晶透鏡、第二定焦組、第二液晶透鏡的物距以及像距，以得到不同的放大效果。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
1‧‧‧光學變焦結構
10‧‧‧第一光學組
110‧‧‧第一定焦組
120‧‧‧第一液晶透鏡
122‧‧‧第一液晶層
122a‧‧‧第一液晶分子
124‧‧‧第一配向層
126‧‧‧第一驅動電極板
20‧‧‧第二光學組
210‧‧‧第二定焦組
220‧‧‧第二液晶透鏡
222‧‧‧第二液晶層
222a‧‧‧第二液晶分子
224‧‧‧第二配向層
226‧‧‧第二驅動電極板
d1‧‧‧第一距離
d2‧‧‧第二距離
d3‧‧‧第三距離
d4‧‧‧第四距離
s‧‧‧物件
R‧‧‧影像顯示區
I1、I2、I3、I4‧‧‧成像
圖1為本發明第一實施例之光學變焦結構示意圖。
圖2為本發明第二實施例之光學變焦結構的變倍比模擬示意圖。
圖3為本發明第三實施例之光學變焦結構的變倍比模擬示意圖。
圖4為本發明第四實施例之光學變焦結構的變倍比模擬示意圖。
圖1為本發明第一實施例之光學變焦結構1示意圖，請參閱圖1，光學變焦結構1包括一第一光學組10、一第二光學組20以及一影像顯示區R。第一光學組10包括一第一定焦組110以及一第一液晶透鏡120，而第二光學組20則包括一第二定焦組210以及第二液晶透鏡220。第一光學組10會產生發散的光學效果，而第二光學組20會產生聚焦的光學效果。
如圖1所示，第二光學組20位於第一光學組10以及影像顯示區R之間，而第一液晶透鏡120位於第一定焦組110以及第二光學組20之間，第二定焦組210則位於第一光學組10以第二液晶透鏡220之間。也就是說第一液晶透鏡120以及第二定焦組210位於第一定焦組110以及第二液晶透鏡220之間。
詳細而言，第一定焦組110與第一液晶透鏡120之間的距離為第一距離d1，第一液晶透鏡120與第二定焦組210之間的距離為第二距離d2，第二定焦組210與第二液晶透鏡220之間的距離為第三距離d3，而第二液晶透鏡220與影像顯示區R之間的距離為第四距離d4。在本實施例中，第一距離d1的值介於0.5至2mm之間，第二距離d2的值介於0.1至20mm之間，第三距離d3的值介於0.1至20mm之間，而第四距離d4的值介於0.5至10mm之間。
另外，第一定焦組110包括多個第一光學鏡片，而第二定焦組210包括多個第二光學鏡片。第一光學鏡片包括凹透鏡、凸透鏡，以及膠合透鏡，且第一光學鏡片的排列方式依序為凹透鏡、凸透鏡以及膠合透鏡，而第一光學鏡片會表現出發散透鏡的光學效果。另外，第二光學鏡片包括凸透鏡、凹透鏡，以及膠合透鏡，且第二光學鏡片的排列方式依序為凸透鏡、凹透鏡以及膠合透鏡，而第二光學鏡片會表現出聚焦透鏡的光學效果。由於第一光學鏡片以及第二光學鏡片具有一定的曲率，第一定焦組110以及第二定焦組210的焦距為固定值。
而第一液晶透鏡120的結構包括一第一液晶層122、一對第一配向層124以及一對第一驅動電極板126。如圖1所示，第一驅動電極板126位於第一液晶層122的兩側，而配向層124位於第一液晶層122與第一驅動電極板126之間。第一液晶層122具有多個第一液晶分子122a，在施加電壓後，第一驅動電極板126會驅動第一液晶分子122a轉動，使其功能等效於凹透鏡。另外，第一
驅動電極板126可以藉由調整施加的電壓來改變第一液晶層122的折射率分布，進而得到不同的焦距。
另外，第二液晶透鏡220的結構包括一第二液晶層222、一對第二配向層224以及一對第二驅動電極板226。第二液晶透鏡220的結構大致與第一液晶透鏡120相同，在此不多做贅述。然而，在施加電壓後，第二驅動電極板226會驅動第二液晶分子222a轉動，使其功能等效於凸透鏡。第二驅動電極板226可以藉由調整施加的電壓來改變第二液晶層222的折射率分布，進而得到不同的焦距。
須說明的是，在本實施例中，第一驅動電極板126以及第二驅動電極板226的數量為一對。然而，在其他實施例中，第一驅動電極板126以及第二驅動電極板226的數量可以大於一對，本發明不限制第一驅動電極板126以及第二驅動電極板226的數量。
在實際操作中，物件S反射光線並入射至光學變焦結構1中，光線會先經過第一光學組10，由於第一光學組10會產生發散的光學效果，因此可將光線所產生的影像進行放大。之後光線會再經過第二光學組20，由於第二光學組20會產生聚焦的光學效果，因此可以將經第一光學組10所放大的影像進行聚焦。使得使用者得以看到聚焦所產生的影像。
詳細而言，光線進入第一光學組10時，會先經過第一定焦組110。第一定焦組110為凹透鏡、凸透鏡以及膠合透鏡的組合，可以消除光線所產生的色差並且在第一定焦組110與第一液晶透鏡120之間產生成像I1。之後，光線會進入第一液晶透鏡120。第一驅動電極板126會改變電壓，使得第一液晶透鏡120中的第一液晶分子122a排列成類似凹透鏡的結構，並具有發散的光學效果。因此可以對成像I1進行放大，並且在第一液晶透鏡120與第二定焦組210之間產生成像I2。此外，第一驅動電極板126還可以藉由電壓的調整來改變液晶分子122a排列的曲率半徑，進而產生不
同的焦距。
另外，第一定焦組110與第一液晶透鏡120之間的第一距離d1為定值，此第一距離d1為第一定焦組110所產生的像距與第一液晶透鏡120的物距之合。而第一液晶透鏡120的焦距會隨著第一驅動電極板126的電壓調整而改變，進而改變第一液晶透鏡120成像I2的像距。
經過第一光學組10的光線會再進入第二光學組20，光線進入第二光學組20時，會先經過第二定焦組210。第二定焦組210為凸透鏡、凹透鏡以及膠合透鏡的組合，可以消除光線所產生的色差並且在第二定焦組210與第二液晶透鏡220之間產生成像I3。之後，光線會進入第二液晶透鏡220。第二驅動電極板226會改變電壓，使得第二液晶透鏡220中的第二液晶分子222a排列成類似凸透鏡的結構，並具有聚焦的光學效果。因此可以對成像I3進行聚焦，並且在第二液晶透鏡220與影像顯示區R之間產生成像I4。此外，第二驅動電極板226還會藉由電壓的調整來改變液晶分子222a排列的曲率半徑，進而產生不同的焦距。
另外，第一液晶透鏡120成像I2的位置到第二定焦組210的距離為第二定焦組210的物距。詳細而言，第一液晶透鏡120到第二定焦組210之間的第二距離d2為一定值，且即為第一液晶透鏡120的像距與第二定焦組210的物距之合。也就是說，當第一液晶透鏡120的像距改變時，第二定焦組210的物距也會跟著改變。而由於第二定焦組210的焦距為一定值，第二定焦組210的像距會隨著物距的改變而改變。
而第二定焦組210成像I3的位置到第二液晶透鏡220的距離為第二液晶透鏡220的物距。詳細而言，第二定焦組210到第二液晶透鏡220之間的第三距離d3為一定值，此第三距離d3為第二定焦組210的像距與第二液晶透鏡220的物距之合。而第二液晶透鏡220的焦距會隨著第二驅動電極板226的電壓調整而改
變，進而改變第二液晶透鏡220的像距。光線經過第二液晶透鏡220後，成像I4的位置會位於影像顯示區R中。
簡而言之，第一定焦組110、第一液晶透鏡120、第二定焦組210以及第二液晶透鏡220在光學變焦結構1之中為非動件。也就是說第一定焦組110、第一液晶透鏡120、第二定焦組210以及第二液晶透鏡220之間的距離是固定的。因此，當使用者藉由調整第一驅動電極板126以及第二驅動電極板226的施加電壓來改變第一液晶透鏡120以及第二液晶透鏡220的焦距時，第一液晶透鏡120、第二定焦組210以及第二液晶透鏡220的物距以及像距也會跟著改變。
另外，單一透鏡成像的放大率為像距除以物距。因此當第一液晶透鏡120、第二定焦組210以及第二液晶透鏡220的物距以及像距改變時，第一液晶透鏡120、第二定焦組210以及第二液晶透鏡220的放大率也會跟著改變。而光學變焦結構1的放大率為每一個透鏡組(第一液晶透鏡120、第二定焦組210以及第二液晶透鏡220)的放大率相乘。因此，當第一液晶透鏡120、第二定焦組210以及第二液晶透鏡220的放大率改變，光學變焦結構1就可以達到不同的放大效果。
不同於先前技術中，光學變焦系統是利用改變透鏡之間的距離來改變系統的放大率，本發明的光學變焦結構1是利用改變第一液晶透鏡120、第二液晶透鏡220的焦距來改變光學變焦結構1的放大率。換句話說，本發明可以在不移動第一定焦組110、第一液晶透鏡120、第二定焦組210以及第二液晶透鏡220，也就是各光學組之間的距離為定值的情況下，改變光學變焦結構1的放大率。因此，相較於先前技術的光學變焦系統，本發明的光學變焦結構1可以具有較小的體積。在本實施例中，光學變焦結構1的放大率介於-0.3539至-0.8342之間。另外，光學變焦結構1的最大放大率除以最小放大率即為此光學變焦結構1的變倍比。在本實
施例中，變倍比介於1至2.357之間。
除此之外，由於光學變焦結構1的放大率為每一個透鏡組的放大率相乘，因此本發明的光學變焦結構1還可以在固定的體積下，藉由改變第一光學組以及第二光學組的數量來改變光學變焦結構1的放大率。例如，在其他實施例中，還可以增加一組或者多組第一光學組，也就是可以產生發散光學效果的透鏡組。而光學變焦結構的放大率則為兩個或者多個第一光學組的放大率以及第二光學組的放大率相乘。
換句話說，本發明不限制第一光學組以及第二光學組的數量。第一光學組以及第二光學組的數量可以根據所需的變焦倍率以及使用情形來進行增減。而多組第一光學組與第二光學組的成像原理則和先前的實施例相同，在此不多做贅述。
接下來，將舉例說明在不同的第一距離d1、第二距離d2、第三距離d3以及第四距離d4的情況下，所產生不同的放大率的情形。圖2為本發明第二實施例之光學變焦結構1的變倍比模擬示意圖，在本實施例中。第一定焦組110可以有類似於凹透鏡的發散效果，而第二定焦組210可以有類似凸透鏡的聚焦效果，焦距為25mm。另外，第一距離d1為50mm，第二距離d2為17mm，第三距離d3為18mm，第四距離d4為25mm。請參考圖2的內容，圖2所示的m3代表代表本實施例中，第二定焦組210的軸向放大率，m4代表第二液晶透鏡220的軸向放大率，而M代表光學變焦結構1的軸向放大率。從圖2可知，在這個實施例中，光學變焦結構1的軸向放大率介於-0.4132至-0.6815之間。另外，光學變焦結構1的變倍比為1.6493。
圖3為本發明第三實施例之光學變焦結構1的變倍比模擬示意圖。在本實施例中。第一定焦組110可以有類似於凹透鏡的發散效果，而第二定焦組210可以有類似凸透鏡的聚焦效果，焦距為35mm。另外，第一距離d1為50mm，第二距離d2為17mm，
第三距離d3為18mm，第四距離d4為25mm。請參考圖3的內容，圖3所示的m3代表本實施例中，第二定焦組210的軸向放大率，m4代表第二液晶透鏡220的軸向放大率，而M代表光學變焦結構1的軸向放大率。從圖3可知，在這個實施例中，光學變焦結構1的軸向放大率介於-0.4723至-0.8593之間。另外，光學變焦結構1的變倍比為1.8194。
圖4為本發明第四實施例之光學變焦結構1的變倍比模擬示意圖。在本實施例中。第一定焦組110可以有類似於凹透鏡的發散效果，而第二定焦組210可以有類似凸透鏡的聚焦效果，焦距為29mm。另外，第一距離d1為50mm，第二距離d2為17mm，第三距離d3為18mm，第四距離d4為25mm。請參考圖4的內容，圖4所示的m3代表代表本實施例中，第二定焦組210的軸向放大率，m4代表第二液晶透鏡220的軸向放大率，而M代表光學變焦結構1的軸向放大率。從圖4可知，在這個實施例中，光學變焦結構1的軸向放大率介於-0.3539至-0.8342之間。另外，光學變焦結構1的變倍比為2.357。
綜上所述，本發明提供一種光學變焦結構，其包括第一光學組，具有第一定焦組、第一液晶透鏡以及第二光學組，具有第二定焦組、第二液晶透鏡。第一定焦組、第一液晶透鏡、第二定焦組、第二液晶透鏡彼此之間的距離為固定值。不同於先前技術中，利用改變透鏡之間的距離來改變系統的放大率，本發明是藉由調整施加於第一液晶透鏡以及第二液晶透鏡的電壓來改變其焦距，進而得到不同的放大效果。因此本發明的光學變焦結構可以具有較小的體積。另外，本發明的光學變焦結構還可以在固定的體積下，增加第一光學組以及第二光學組的數量來達到不同的放大效果。
以上所述僅為本發明的實施例，其並非用以限定本發明的專利保護範圍。任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明的精神與範
圍內，所作的更動及潤飾的等效替換，仍為本發明的專利保護範圍內。
1‧‧‧光學變焦結構
10‧‧‧第一光學組
110‧‧‧第一定焦組
120‧‧‧第一液晶透鏡
122‧‧‧第一液晶層
122a‧‧‧第一液晶分子
124‧‧‧第一配向層
126‧‧‧第一驅動電極板
20‧‧‧第二光學組
210‧‧‧第二定焦組
220‧‧‧第二液晶透鏡
222‧‧‧第二液晶層
222a‧‧‧第二液晶分子
224‧‧‧第二配向層
226‧‧‧第二驅動電極板
d1‧‧‧第一距離
d2‧‧‧第二距離
d3‧‧‧第三距離
d4‧‧‧第四距離
s‧‧‧物件
R‧‧‧影像顯示區
I1、I2、I3、I4‧‧‧成像
Claims (8)
- 一種光學變焦結構，包括：至少一第一光學組，包括：一第一定焦組，具有多個第一光學鏡片；一第一液晶透鏡，其中該第一光學組用以產生發散的光學效果；至少一第二光學組，包括：一第二定焦組，具有多個第二光學鏡片；一第二液晶透鏡，其中該第二光學組用以產生聚焦的光學效果；以及一影像顯示區，其中該第二光學組位於該第一光學組以及該影像顯示區之間，而該第一液晶透鏡以及該第二定焦組位於該第一定焦組以及該第二液晶透鏡之間，其中該第一定焦組與該第一液晶透鏡之間的距離是一第一距離，該第一液晶透鏡與該第二定焦組之間的距離是一第二距離，該第二定焦組與該第二液晶透鏡之間的距離是一第三距離，而該第二液晶透鏡與該影像顯示區之間的距離是一第四距離；其中，該第一定焦組、該第一液晶透鏡、該第二定焦組、該第二液晶透鏡在該光學變焦結構中為非動件。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學變焦結構，其中該些第一光學鏡片包括凹透鏡、凸透鏡，以及膠合透鏡。
- 如申請專利範圍第2項所述之光學變焦結構，其中該些第一光學鏡片的排列方式依序為凹透鏡、凸透鏡以及膠合透鏡，且該些第一光學鏡片會表現出發散透鏡的光學效果。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學變焦結構，其中該些第二光學鏡片包括凸透鏡、凹透鏡，以及膠合透鏡。
- 如申請專利範圍第4項所述之光學變焦結構，其中該些第二光學鏡片的排列方式依序為凸透鏡、凹透鏡以及膠合透鏡，且該些第二光學鏡片會表現出聚焦透鏡的光學效果。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學變焦結構，其中該第一液晶透鏡包括：至少一第一液晶層，其具有多個第一液晶分子；以及至少一對第一驅動電極板，其中該第一液晶層位於該對第一驅動電極板之間，且該對第一驅動電極板驅動該些第一液晶分子排列成凹透鏡的形狀。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學變焦結構，其中該第二液晶透鏡包括：至少一第二液晶層，其具有多個第二液晶分子；以及至少一對第二驅動電極板，其中該第二液晶層位於該對第二驅動電極板之間，且該對第二驅動電極板驅動該些第二液晶分子排列成凸透鏡的形狀。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學變焦結構，其中該第一光學組的數量大於等於2。
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