TWI670524B - 光學透鏡總成及菲涅透鏡 - Google Patents

Abstract

光學透鏡總成包括圓形菲涅(Fresnel)透鏡，其具有多個鄰接的徑向透鏡區域，其中每個透鏡區域提供相同的焦距範圍，並且其中每個透鏡區域包括沿著徑向的多個透鏡區段。每個透鏡區段在徑向和旋轉方向二者上彎曲，如此則區域的一徑向邊緣包括相對為小的曲率和大的半徑，並且透鏡區域的相對徑向邊緣包括相對為大的曲率和小的半徑，如此則每個透鏡區段分別提供該焦距範圍。濾光器定位成相鄰於菲涅透鏡並且包括多條徑向控制線，其控制成使控制線為不透明或透明的，如此則光傳遞穿過透鏡區域之具有相同焦距的部分。

Description

光學透鏡總成及菲涅透鏡

本發明一般而言關於可電子聚焦的透鏡，更特別而言關於可電子聚焦的透鏡總成，其包括：菲涅(Fresnel)透鏡，其具有多個區段，每個區段在徑向和旋轉方向二者上彎曲；以及濾光器，其定位成鄰近菲涅透鏡而具有顯示器，其選擇性控制成使部分的濾光器為透明，如此則光僅傳遞穿過菲涅透鏡具有相同焦距之每個區段的部分，如此以瞬間改變透鏡總成的焦距。

傳統透鏡的曲率決定其焦距。例如像機的多樣光學系統需要具有可調焦距的透鏡。這一般而言要求透鏡總成包括至少二透鏡，其中透鏡可彼此相對的移動以改變透鏡組合的焦距。這種典型的透鏡總成藉由在垂直於透鏡平面的方向上來機械移動透鏡更遠或更近而聚焦。進一步而言，光學系統所要的孔徑(透鏡直徑)愈大，則透鏡總成須更大和更重。如此，則這些類型的光學系統一般而言須要具有移動零件、相較於透鏡寬度而相對為厚、需要 時間來移動透鏡以便將透鏡總成聚焦、且具有相對為小的孔徑。因為這些缺點，所以這些類型之透鏡的應用有限。

菲涅透鏡是一種已知的透鏡，其一般而言要比傳統透鏡更小型和更輕。典型的菲涅透鏡劃分成同心的環形區段，其中每個區段具有不同的角度指向而界定在區段之間的階段式不連續性，以及其中透鏡區段的角度指向朝向透鏡的外緣而增加，並且透鏡區段的厚度朝向透鏡的外緣而減少，如此則光為了透鏡焦距而適當繞射。相較於傳統的透鏡，這允許透鏡的整體厚度有所減少。

此技藝已知可電子聚焦的透鏡，其不須二透鏡彼此相對移動。於一特殊設計，透鏡是由液晶材料所做成，其中施加到透鏡的不同電壓使透鏡改變其曲率，這改變其焦距。當改變這種透鏡的焦距時，透鏡的焦距必須經過目前焦距和所要焦距之間的所有焦距，這要花一定量的時間來發生。於其他液晶透鏡設計，透鏡能夠從一焦距電子聚焦到另一焦距，而不經過其間所有的焦距。然而，這些類型的透鏡常常不是可縮放的、需要大電壓來操作、使用並非輕易可得的特異材料。

10‧‧‧光學透鏡總成

12‧‧‧濾光器

14‧‧‧菲涅透鏡

16‧‧‧徑向線

18‧‧‧中央轂

20‧‧‧徑向區域

22‧‧‧徑向狹縫

24‧‧‧控制器

30‧‧‧徑向區域

32‧‧‧區段

36、38‧‧‧點

40、42‧‧‧徑向邊緣

圖1是包括濾光器和菲涅透鏡之電子透鏡總成的前視圖；圖2是圖1所示之透鏡總成的截面圖； 圖3是與透鏡總成分開之菲涅透鏡的前視圖；圖4是圖3所示之菲涅透鏡的立體圖；圖5是圖3和4所示菲涅透鏡中之某一菲涅透鏡區域的立體圖；以及圖6是某一菲涅透鏡徑向區域中之某一菲涅透鏡區段的立體圖。

【發明內容與實施方式】

本發明以下的實施例討論乃針對可電子聚焦的透鏡總成，其本質上僅是範例性的，而絕非打算限制本發明或其應用或用途。

如下所將討論，本發明提出的光學透鏡總成可以瞬間電子聚焦到預定焦距範圍裡的任何焦距。如所將明白，透鏡總成不包括移動零件、不須為圓形、足夠平坦而使用作為在窗戶、眼鏡、隱形眼鏡、虛擬實境眼鏡、行動電話、太陽能面板、光學通訊、投影顯示器等上的薄膜。多重透鏡總成可以夾在一起以做出極薄的放大器。進一步而言，透鏡總成可以在複雜的圖案和方向中將光的大區域加以電改向，而同時顯著維持二維的裝置輪廓。光學透鏡總成或可看起來像一薄片的澄清塑膠，而邊緣上具有低輪廓的引線輸入以施加電壓。進一步而言，透鏡總成具有較低電力需求的潛力、比較薄、可以具有大孔徑而不移動。

本發明的透鏡總成包括：經修改的菲涅透 鏡，其具有多個區段而在徑向和旋轉方向二者上而非僅徑向上彎曲；以及濾光器，其定位靠著經修改的菲涅透鏡，而當控制訊號(其經常是電壓訊號)施加到濾光器時，僅允許光傳遞穿過菲涅透鏡的所選區域。如在此所用，徑向是從特殊裝置之中央到周邊的方向，而旋轉方向是繞著特殊裝置的方向。濾光器選擇性阻擋光，以便光學隔離菲涅透鏡之將產生特定焦距的部分。濾光器可以是智慧型玻璃，其在施加電壓、光或熱下改變其不透明度。智慧型玻璃的適合範例包括懸浮顆粒裝置、電致變色裝置、分散聚合物的液晶顯示器等。

於一非限制性實施例，濾光器上所顯示的圖案包括徑向線，其從中央焦點徑向冒出來，其中不透明之徑向線的弧寬稍微小於菲涅透鏡區段的弧寬。藉由僅允許光與菲涅透鏡之隔離的徑向條帶互動，則每條徑向線的相位角相關於每個菲涅透鏡區段而改變以便產生焦距改變。

圖1是上面討論類型之光學透鏡總成10的前視圖並且圖2是其截面圖。如熟於此技藝者所將明白，透鏡總成10將應用到或可得利於可聚焦之薄透鏡的許多光學裝置，其中幾種在上面有提到。透鏡總成10包括平坦的濾光器12和菲涅透鏡14，其中與透鏡總成10分開之菲涅透鏡14的俯視圖顯示於圖3，並且與透鏡總成10分開之菲涅透鏡14的立體圖顯示於圖4，而透鏡14在圖2顯示成平凸格式並且在圖3和4顯示成平凹格式。菲涅透鏡14可以由任何適合的光學材料做成，例如玻璃或光學 塑膠。注意透鏡總成10在本特殊實施例中具有圓形組態。然而，這是非限制性範例，因為其他的透鏡總成可以採取與在此討論一致的其他形狀。

濾光器12包括一系列的徑向線16，其從中央轂18延伸並且具有一定的寬度，其中可以控制線16的不透明度。濾光器12可以是操作成與在此討論一致的任何光學裝置，例如智慧型玻璃，其中不同的智慧型玻璃材料是此技藝所已知的，例如上面所提到的。對於智慧型玻璃是液晶顯示器的實施例而言，控制電壓施加到顯示器的區域以使當中顆粒改向，而使顯示器的那些區域為不透明或透明的。舉例而言，澄清電極的網路(未顯示)可以採取適合的組態而延伸穿過濾光器12，其中提供給特殊電極的適合電位會使關聯於那些電極的線16變成不透明或透明的。於圖1所示範例，多條線16會由電極所控制，如此則徑向區域20會是不透明的並且較窄的徑向狹縫22會是透明的，以允許光相對於菲涅透鏡14而通過，其原因將從下面的討論而變得明白。於本實施例，每條線16具有相同於每條狹縫22的徑向寬度。然而，於其他實施例，幾條鄰接的線16可以做成透明的以提供單一的狹縫22。

圖1所示濾光器12之非陰影的(透明的)徑向狹縫22和陰影的(不透明的)徑向區域20的代表則示範濾光器12的組態，其提供一焦距給透鏡總成10。為了獲得透鏡總成10的不同焦距，圖1所示的影像旋轉到其 他某種指向，如此則徑向狹縫22允許光傳遞穿過菲涅透鏡14之具有不同焦距的不同部分。以此方式，透過控制線16的不透明度來改變濾光器12的顯示器，則透鏡總成10可以幾乎瞬間從一焦距到另一焦距而改變其焦距。控制器24控制濾光器12的顯示器以改變透鏡總成10的焦距，並且可以是提供電壓、光或熱給濾光器12之任何適合的控制器，此視與在此討論一致之智慧型玻璃的材料而定。

菲涅透鏡14包括多個徑向區域30，其中區域30的弧長做極誇大的顯示，使得菲涅透鏡14會包括多於圖3和4所示的徑向區域30。圖5是某一徑向區域30的立體圖，其所具有的組態提供在一定範圍裡的連續焦距，而所有的徑向區域30都是相同的並且提供連續的焦距。在傳統的菲涅透鏡組態，每個徑向區域30包括徑向延伸之多個分開的區段32(在這非限制性實施例是四個)。每個區段32在旋轉方向上具有變化曲率，如此則每個區段32的不同區產生不同的焦距。圖6是某一區域30中之某一區段32的立體示例，其顯示另一區段曲率的示例。圖6所示的區段32中標示了點36和38以更好顯示特殊區域30中之區段32的指向。以此方式，則每個區段32的一徑向邊緣40具有小曲率和大半徑，並且每個區段32的相對徑向邊緣42具有大曲率和小半徑。

每個區域30中的區段32在菲涅透鏡設計中相對於彼此而建構，如此則特殊區域30中之區段32的曲 率以對於該區域為相同的方式來將光聚焦。藉由在區段32中提供這曲率，則每個區域30提供相同於所有其他區域30的焦距範圍。因此，藉由如上討論的選擇性控制濾光器12，如此則狹縫22相對於每個區域30所界定的徑向部分允許光傳遞通過，而可以獲得透鏡總成10的一焦距，其中光正傳遞穿過所有區域30中之所有的那些狹縫。藉由將徑向狹縫22移動到所有區域30的另一位置，則可以獲得透鏡總成10的另一焦距。由於濾光器12電改變狹縫22的位置，故透鏡總成的焦距可以在任何特殊時點而瞬間改變。

前面的討論僅揭示和描述本發明的範例性實施例。熟於此技藝者將從此種討論和從伴隨圖式與請求項輕易體認到當中可以做出多樣的改變、修飾和變化，而不偏離本發明如以下請求項所界定的精神和範圍。

Claims (20)

1. 一種光學透鏡總成，其包括：菲涅(Fresnel)透鏡，其包括多個透鏡區域，其中每個透鏡區域提供相同的焦距範圍，並且其中每個透鏡區域包括多個透鏡區段，其中該等透鏡區段的每一者在第一方向和第二方向二者上彎曲，使得每個透鏡區段分別提供該焦距範圍；濾光器，其定位成相鄰於該菲涅透鏡並且包括多條控制線；以及控制裝置，其耦合於該濾光器並且控制該等控制線是否是不透明或透明的，其中該控制裝置操作以使該等控制線為不透明或透明的，使得光僅能夠傳遞穿過該等透鏡區域之具有相同焦距的部分。
2. 根據申請專利範圍第1項的透鏡總成，其中該菲涅透鏡為圓形並且每個透鏡區域是徑向區域，以及其中該第一方向是徑向方向並且該第二方向是旋轉方向。
3. 根據申請專利範圍第2項的透鏡總成，其中每個透鏡區域包括：第一徑向邊緣，其具有相對為小的曲率和大的半徑；以及第二徑向邊緣，其具有相對為大的曲率和小的半徑。
4. 根據申請專利範圍第2項的透鏡總成，其中該濾光器為圓形並且該等控制線是徑向控制線。
5. 根據申請專利範圍第1項的透鏡總成，其中該濾光器是液晶顯示器，並且該控制裝置提供電壓訊號給該液晶顯示器以控制該等控制線的不透明度。
6. 根據申請專利範圍第1項的透鏡總成，其中該濾光器是智慧型玻璃。
7. 根據申請專利範圍第6項的透鏡總成，其中該智慧型玻璃選自以下所構成的群組：懸浮顆粒裝置，電致變色裝置、及分散聚合物的液晶裝置。
8. 根據申請專利範圍第1項的透鏡總成，其中該濾光器是平坦的。
9. 根據申請專利範圍第8項的透鏡總成，其中該濾光器接觸該菲涅透鏡。
10. 根據申請專利範圍第1項的透鏡總成，其中該控制裝置施加電壓訊號、光訊號或熱訊號給該濾光器。
11. 一種光學透鏡總成，其包括：圓形菲涅透鏡，其包括多個鄰接的徑向透鏡區域，其中每個透鏡區域提供相同的焦距範圍，並且其中每個透鏡區域包括沿著徑向方向的多個透鏡區段，其中該等透鏡區段的每一者在該徑向方向和旋轉方向二者上彎曲，使得每個透鏡區域的一徑向邊緣包括相對為小的曲率和大的半徑，並且每個透鏡區域的相對徑向邊緣包括相對為大的曲率和小的半徑，使得每個透鏡區段分別提供該焦距範圍；以及圓形智慧型玻璃濾光器，其定位成相鄰於該菲涅透鏡並且包括多條徑向控制線，該濾光器被控制成使該等控制線為不透明或透明的，使得光僅能夠傳遞穿過該等透鏡區域之具有相同焦距的部分。
12. 根據申請專利範圍第11項的透鏡總成，其中該濾光器是液晶顯示器，並且電壓訊號施加到該液晶顯示器以控制該等徑向線的不透明度。
13. 根據申請專利範圍第11項的透鏡總成，其中該智慧型玻璃選自以下所構成的群組：懸浮顆粒裝置、電致變色裝置、及分散聚合物的液晶裝置。
14. 根據申請專利範圍第11項的透鏡總成，其中該濾光器為平坦的。
15. 根據申請專利範圍第11項的透鏡總成，其中該濾光器接觸該菲涅透鏡。
16. 根據申請專利範圍第11項的透鏡總成，其中該濾光器回應於電壓訊號、光訊號或熱訊號。
17. 一種菲涅透鏡，其包括多個鄰接的徑向透鏡區域，其中每個透鏡區域提供相同的焦距範圍，並且其中每個透鏡區域包括沿著徑向方向的多個透鏡區段，其中該等透鏡區段的每一者在徑向方向和旋轉方向二者上彎曲。
18. 根據申請專利範圍第17項的透鏡，其中每個透鏡區域的一徑向邊緣包括相對為小的曲率和大的半徑，並且每個透鏡區域的相對徑向邊緣包括相對為大的曲率和小的半徑，使得每個透鏡區段分別提供該焦距範圍。
19. 根據申請專利範圍第18項的透鏡，其中該透鏡為圓形。
20. 根據申請專利範圍第17項的透鏡，其中該透鏡是包括濾光器之光學總成的一部分。