TWI676071B - 電控變焦的消色差透鏡 - Google Patents

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Yu-Jen Wang
林弘峻
Hung-Chun Lin
林怡欣
Yi-Hsin Lin
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國立交通大學
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Abstract

本發明提供一種電控變焦的消色差透鏡包括一第一液晶盒、一第二液晶盒、一第一電極層單元，及一第二電極層單元，該第一電極層單元及該第二電極層單元具有兩個預定圖案，以產生兩個預定徑向變化電場並分別通過該第一液晶盒及該第二液晶盒，從而讓該第一液晶盒及該第二液晶盒的其中一者獲得一預定正屈光度，而該第一液晶盒及該第二液晶盒的另一者獲得一預定負屈光度。當一入射光通過該第一液晶盒及該第二液晶盒時，該第一液晶盒的色差可與該第二液晶盒的色差相抵消。

Description

電控變焦的消色差透鏡
本發明是有關於一種液晶透鏡，特別是一種可電控變焦的消色差液晶透鏡。
傳統可電控變焦的液晶透鏡由本案發明人發表於標題為「可電控變焦的液晶透鏡之回顧」的文獻中(H.C. Lin, M.S. Chen, and Y.H. Lin, “A Review of Electrically Tunable Focusing Liquid Crystal Lenses,” Transactions on Electrical and Electronic Materials 12(6), 234-240, 2011)。
傳統無偏振片液晶透鏡由本案發明人發表於標題為「用於眼部應用之可電控變焦及無偏振片的液晶透鏡」的文獻中(Y.H. Lin and H.S. Chen, “Electrically tunable-focusing and polarizer-free liquid crystal lenses for ophthalmic applications,” Opt Express 21(8), 9428-9436, 2013)。
因此，本發明之目的，即在提供一種電控變焦的消色差透鏡。
於是，本發明電控變焦的消色差透鏡，包含一用以接收入射光的第一液晶盒、一第二液晶盒、一第一電極層單元，及一第二電極層單元。
該第一液晶盒包括一對沿著一法線相隔開的第一配向層，以及複數個第一液晶分子。該等第一液晶分子具有一第一介電異向差，且填充於該等第一配向層之間，而被該等第一配向層配向於一第一位向。
該第二液晶盒設置於該第一液晶盒之後，且包括一對沿著該法線相隔開的第二配向層，及複數個第二液晶分子。該等第二液晶分子具有一第二介電異向差，且填充於該等第二配向層之間，而被該等第二配向層配向於一與該第一位向正交或平行的第二位向。
該第一電極層單元及該第二電極層單元沿著該法線相隔開，以施加電壓至該第一液晶盒及該第二液晶盒，且該第一電極層單元及該第二電極層單元具有兩個預定圖案，以便產生一通過該第一液晶盒的第一預定徑向變化電場，以及一通過該第二液晶盒的第二預定徑向變化電場，使得該第一液晶盒及該第二液晶盒的其中一者獲得一預定正屈光度(predetermined positive optical power)，而該第一液晶盒及該第二液晶盒的另一者獲得一預定負屈光度(predetermined negative optical power)。
本發明之功效在於：藉由該第一預定徑向變化電場及該第二預定徑向變化電場，令該第一液晶盒及該第二液晶盒獲得該預定正屈光度及該預定負屈光度，且該預定負屈光度具有一絕對值，其不同於該預定正屈光度的絕對值，從而設定一預定焦距，使得當該入射光沿著該法線被引導並聚焦於一由該預定焦距所決定的預定焦點，該第一液晶盒的色差可與該第二液晶盒的色差相抵消，從而限制在該預定焦點的色散效應。
在本發明被更加詳細描述之前，應注意的是，在被認為是合適的情況下，於圖式中，元件編號被重複標示，是用以表示對應或類似的元件，該等元件可以選擇性地具有相似的特性。
為幫助敘述本發明，方向性術語可能會被使用於說明書及請求項中，以敘述本發明的部分(例如，前、後、左、右、上、下等)。該等方向性的定義只是意圖協助說明及請求本發明，而非意圖以任何型式限制本發明。
需要注意的是，圖式僅為說明之目的，並未依比例繪制，且非意圖表示下敘元件的實際尺寸或實際相對尺寸。
參閱圖1，本發明電控變焦的消色差透鏡的一第一實施例包括一用以接收入射光的第一液晶盒1、一第二液晶盒2、一第一電極層單元4及一第二電極層單元5。
該第一液晶盒1包括一對第一配向層11及複數個第一液晶分子12。該等第一配向層11沿著一法線(N)相隔開。該等第一液晶分子12具有一第一介電異向差，且填充於該等第一配向層11之間，而被該等第一配向層11配向於一第一位向(見圖1(a))。
該第二液晶盒2設置於該第一液晶盒1之後，且包括一對第二配向層21及複數個第二液晶分子22。該等第二配向層21沿著該法線(N)相隔開。該等第二液晶分子22具有一第二介電異向差，且填充於該等第二配向層21之間，而被該等第二配向層21配向於一與該第一位向正交或平行的第二位向(見圖1(a))。
該第一電極層單元4及該第二電極層單元5沿著該法線(N)相隔開，用以施加電壓至該第一液晶盒1及該第二液晶盒2，且該第一電極層單元4及該第二電極層單元5具有兩個預定圖案，以便產生一通過該第一液晶盒1的第一預定徑向變化電場，以及一通過該第二液晶盒2的第二預定徑向變化電場，使得該第一液晶盒1及該第二液晶盒2的其中一者獲得一預定正屈光度(predetermined positive optical power)，而該第一液晶盒1及該第二液晶盒2的另一者獲得一預定負屈光度(predetermined negative optical power)，該預定負屈光度具有一絕對值，其不同於該預定正屈光度的絕對值，從而設定一預定焦距，以及使得該入射光沿著該法線(N)被引導並聚焦於一由該預定焦距所決定的預定焦點，該第一液晶盒1的色差可與該第二液晶盒2的色差相抵消，從而限制在該預定焦點的色散效應。
需注意的是，由於該消色差透鏡的焦距是可電調控的，因此焦距是可以被連續改變的。
在圖1所示的該第一實施例中，該第一介電異向差及該第二介電異向差皆為正或負。如圖1(a)所示，當無電壓施加於該第一液晶盒1及該第二液晶盒2時，該第一位向平行於該第二位向。再者，如圖1(b)所示，當施加電壓於該第一液晶盒1及該第二液晶盒2時，該第一預定徑向變化電場及該第二預定徑向變化電場之其中一者在起始於該法線(N)的複數個徑方向上，具有由高至低的電場梯度，而該第一預定徑向變化電場及該第二預定徑向變化電場之另一者，在起始於該法線(N)的該等複數個徑方向上，具有由低至高的電場梯度。
在圖1所示的該第一實施例中，該第一電極層單元4具有沿著該法線(N)相隔開的一第一前電極層41及一第一後電極層42，且該第一前電極層41及該第一後電極層42分別設置於該等第一配向層11之前方及後方，以便產生通過該第一液晶盒1的該第一預定徑向變化電場。
此外，該第二電極層單元5具有沿著該法線(N)相隔開的一第二前電極層51及一第二後電極層52，且該第二前電極層51及該第二後電極層52分別設置於該等第二配向層21之前方及後方，以便產生通過該第二液晶盒2的該第二預定徑向變化電場。
在圖1所示的該第一實施例中，該第一後電極層42包括一延伸環繞該法線(N)的第一環電極421，以及一設置於該第一環電極421之後方的第一電極膜422。該第一電極膜422藉由一第一絕緣層423而與第一環電極421隔開。該第二後電極層52包括一延伸環繞該法線(N)的第二環電極521，以及一設置於該第二環電極521之後方的第二電極膜522。該第二電極膜522藉由一第二絕緣層523而與第二環電極521隔開。
在圖1所示的該第一實施例中，該第一介電異向差及該第二介電異向差皆為正值。如圖1(b)所示，一施加於該第一前電極層41及該第一環電極421之間的電壓(V1)大於一施加於該第一前電極層41及該第一電極膜422之間的電壓(V2)，以允許該第一預定徑向變化電場在起始於該法線(N)的該等複數個徑方向上，具有由低至高的電場梯度，從而讓該第一液晶盒1獲得該預定正屈光度。
另外，一施加於該第二前電極層51及該第二環電極521之間的電壓(V3)小於一施加於該第二前電極層51及該第二電極膜522之間的電壓(V4)，以允許該第二預定徑向變化電場在起始於該法線(N)的該等複數個徑方向上，具有由高至低的電場梯度，從而讓該第二液晶盒2獲得該預定負屈光度。
在圖1所示的該第一實施例中，該第一前電極層41形成於一基板61的一後表面。該等第一配向膜11之置於前方的一者形成於該第一前電極層41的一後表面，而該等第一配向膜11之置於後方的一者形成於一基板62的一前表面，該第一後電極層42被夾置於該基板62及一基板63之間。
另外，該第二前電極層51形成於一基板64的一後表面。該等第二配向膜21之置於前方的一者形成於該第二前電極層51的一後表面，而該等第二配向膜21之置於後方的一者形成於一基板65的一前表面。該第二後電極層52被夾置於該基板65及一基板66之間。
要說明的是，該等基板61~66為透光基板，例如玻璃基板等等，該等基板63、64可藉由適當的黏合劑接合。
參閱圖2，圖2為本發明電控變焦的消色差透鏡的一第二實施例。該第二實施例類似於該第一實施例，除了在該第二實施例中，該第一介電異向差及該第二介電異向差之其中一者為正值，且該第一介電異向差及該第二介電異向差之另一者為負值，以及如圖2(a)所示，當無電壓施加於該第一液晶盒1及該第二液晶盒2時，該第一位向正交於該第二位向。此外，該第一預定徑向變化電場及該第二預定徑向變化電場兩者都在起始於該法線(N)的該等複數個徑方向上，具有由高至低的電場梯度，或者兩者都在起始於該法線(N)的該等複數個徑方向上，具有由低至高的電場梯度。
在圖2所示的該第二實施例中，該第一後電極層42及該第二後電極層52之每一者為一環繞該法線(N)的環電極。該第一介電異向差為正值，而該第二介電異向差為負值。如圖2(b)示，當一電壓(V5)施加於該第一前電極層41及該第一後電極層42之間時，以及當一電壓(V6)施加於該第二前電極層51及該第二後電極層52之間時，該第一預定徑向變化電場及該第二預定徑向變化電場都在起始於該法線(N)的該等複數個徑方向上，具有由低至高的電場梯度，使該第一液晶盒1獲得該預定正屈光度以及該第二液晶盒2獲得該預定負屈光度。
在圖2所示的該第二實施例中，該第一前電極層41形成於一基板71的一後表面，而該第一後電極層42形成於一基板72的一前表面。該等第一配向膜11之置於前方的一者形成於該第一前電極層41的一後表面，而該等第一配向膜11之置於後方的一者形成於該第一後電極層42的一前表面。
另外，該第二前電極層51形成於一基板73的一後表面，而該第二後電極層52形成於一基板74的一前表面。該等第二配向膜21之置於前方的一者形成於該第二前電極層51的一後表面，而該等第二配向膜21之置於後方的一者形成於該第二後電極層52的一前表面。
要說明的是，該等基板71~74為透光基板，例如玻璃基板等等。該等基板72、73可藉由適當的黏合劑接合。
參閱圖3，圖3為本發明電控變焦的消色差透鏡的一第三實施例。該第三實施例類似於該第二實施例，除了在該第三實施例中，該第一液晶盒1及該第二液晶盒2是藉由一分隔件(cell separator)3相互隔開，以及該第一電極層單元4為單一電極層並設置於該等第一配向層11之前方，且該第二電極層單元5為一環繞該法線(N)的環電極並設置於該等第二配向層21的後方，以便產生一預定徑向變化電場單元，以作為該第一預定徑向變化電場及該第二預定徑向變化電場之結合。
在圖3所示的該第三實施例中，使用了一聚合物層(polymeric layer)30。該聚合物層30可為標題為「用於眼部應用之可電控變焦及無偏振片的液晶透鏡」的文獻 (Y.H. Lin and H.S. Chen, “Electrically tunable-focusing and polarizer-free liquid crystal lenses for ophthalmic applications,” Opt Express 21(8), 9428-9436, 2013)所揭示者。該聚合物層30的一前表面301作為該等第一配向層11之置於後方的一者，而該聚合物層30之一後表面302作為該等該等第二配向層21之置於前方的一者，而讓該聚合物層30於該前表面301及該後表面302之間的剩下部分作為該分隔件3。
在圖3所示的該第三實施例中，該第一電極層單元4形成於一基板81的一後表面，而該第二電極層單元5形成於一基板82的一前表面。該等第一配向膜11之置於前方的一者形成於該第一電極層單元4的一後表面，且該等第二配向膜21之置於後方的一者形成於該第二電極層單元5的一前表面。
要說明的是，該等基板81、82為透光基板，例如玻璃基板等等。
於一些實施例中，該分隔件3可為透光基板，例如玻璃基板等等，且該等第一配向膜11之置於後方的一者及該等第二配向膜21之置於前方的一者可分別形成於該分隔件3的前後表面上。
綜上所述，本發明電控變焦的消色差透鏡藉由徑向變化電場，令該第一液晶盒1及該第二液晶盒分別具有該預定正屈光度及該預定負屈光度，且該預定負屈光度具有一絕對值，其不同於該預定正屈光度的絕對值，從而設定一預定焦距，以及使得當該入射光沿著該法線(N)被引導並聚焦於一由該預定焦距所決定的預定焦點，該第一液晶盒1的色差可與該第二液晶盒2的色差相抵消，從而限制在該預定焦點的色散效應，故確實可達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書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。
1‧‧‧第一液晶盒
11‧‧‧第一配向層
12‧‧‧第一液晶分子
2‧‧‧第二液晶盒
21‧‧‧第二配向層
22‧‧‧第二液晶分子
3‧‧‧分隔件
30‧‧‧聚合物層
301‧‧‧前表面
302‧‧‧後表面
4‧‧‧第一電極層單元
41‧‧‧第一前電極層
42‧‧‧第一後電極層
421‧‧‧第一環電極
422‧‧‧第一電極膜
423‧‧‧第一絕緣層
5‧‧‧第二電極層單元
51‧‧‧第二前電極層
52‧‧‧第二後電極層
521‧‧‧第二環電極
522‧‧‧第二電極膜
523‧‧‧第二絕緣層
61~66‧‧‧基板
71~74‧‧‧基板
81、82‧‧‧基板
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一側視圖，說明本發明電控變焦的消色差透鏡的一第一實施例； 圖2是一側視圖，說明本發明電控變焦的消色差透鏡的一第二實施例；及 圖3一側視圖，說明本發明電控變焦的消色差透鏡的一第三實施例。

Claims (5)

  1. 一種電控變焦的消色差透鏡，包含：一第一液晶盒，用以接收入射光，包括一對沿著一法線相隔開的第一配向層，及複數個具有一第一介電異向差的第一液晶分子，且該等第一液晶分子填充於該等第一配向層之間，並被該等第一配向層配向於一第一位向；一第二液晶盒，設置於該第一液晶盒之後，包括一對沿著該法線相隔開的第二配向層，及複數個具有一第二介電異向差的第二液晶分子，且該等第二液晶分子填充於該等第二配向層之間，並被該等第二配向層配向於一與該第一位向正交或平行的第二位向；及一第一電極層單元及一第二電極層單元，沿著該法線相隔開，用以施加電壓至該第一液晶盒及該第二液晶盒，且該第一電極層單元及該第二電極層單元具有兩個預定圖案，其中，該第一電極層單元具有沿著該法線相隔開的一第一前電極層及一第一後電極層，且該第一前電極層及該第一後電極層分別設置於該等第一配向層之前方及後方，以便產生通過該第一液晶盒的一第一預定徑向變化電場，以及該第二電極層單元具有沿著該法線相隔開的一第二前電極層及一第二後電極層，且該第二前電極層及該第二後電極層分別設置於該等第二配向層之前方及後方，以便產生通過該第二液晶盒的一第二預定徑向變化電場，使得該第一液晶盒及該第二液晶盒的其中一者獲得一預定正屈光度，而該第一液晶盒及該第二液晶盒的另一者獲得一預定負屈光度，且該預定負屈光度的絕對值不同於該預定正屈光度的絕對值，從而設定一預定焦距，以及使得該入射光沿著該法線被引導並聚焦於一由該預定焦距所決定的預定焦點，該第一液晶盒的色差可與該第二液晶盒的色差相抵消，從而限制在該預定焦點的色散效應。
  2. 如請求項1所述的電控變焦的消色差透鏡，其中，該第一介電異向差及該第二介電異向差皆為正或負，該第一位向平行於該第二位向，且該第一預定徑向變化電場及該第二預定徑向變化電場之其中一者在起始於該法線的複數個徑方向上，具有由高至低的電場梯度，而該第一預定徑向變化電場及該第二預定徑向變化電場之另一者，在起始於該法線的該等複數個徑方向上，具有由低至高的電場梯度。
  3. 如請求項1所述的電控變焦的消色差透鏡，其中，該第一介電異向差及該第二介電異向差之其中一者為正，該第一介電異向差及該第二介電異向差之另一者為負，該第一位向正交於該第二位向，且該第一預定徑向變化電場及該第二預定徑向變化電場兩者都在起始於該法線的複數個徑方向上，具有由高至低的電場梯度，或者兩者都在起始於該法線的該等複數個徑方向上，具有由低至高的電場梯度。
  4. 如請求項3所述的電控變焦的消色差透鏡，其中，該第一電極層單元具有沿著該法線相隔開的一第一前電極層及一第一後電極層，且該第一前電極層及該第一後電極層分別設置於該等第一配向層之前方及後方，以便產生通過該第一液晶盒的該第一預定徑向變化電場，以及該第二電極層單元具有沿著該法線相隔開的一第二前電極層及一第二後電極層，且該第二前電極層及該第二後電極層分別設置於該等第二配向層之前方及後方，以便產生通過該第二液晶盒的該第二預定徑向變化電場。
  5. 如請求項3所述的電控變焦的消色差透鏡，其中，該第一液晶盒及該第二液晶盒藉由一分隔件相互隔開，且該第一電極層單元設置於該等第一配向層之前方，該第二電極層單元設置於該等第二配向層之後方，以便產生一預定徑向變化電場單元，以作為該第一預定徑向變化電場及該第二預定徑向變化電場之結合。
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