TWI807358B - 具有液晶元件的餅乾透鏡組件 - Google Patents

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Abstract

一種具有液晶元件的餅乾透鏡組件，包含一透鏡單元，及一液晶裝置。該透鏡單元包括一分光鏡、一反射式偏振片，及一設置在該分光鏡與該反射式偏振片之間的四分之一波片，當一光源被引入該透鏡單元時，在該四分之一波片與該反射式偏振片之間形成一具有三個路徑段的連續光路，使得沿一第一方向上偏振的一第一偏振光在該等路徑段的其中兩個路徑段上傳播，且使得沿一垂直於該第一方向的第二方向上偏振的一第二偏振光在該等路徑段剩餘的其中一個路徑段上傳播。該液晶裝置設置在該四分之一波片及該反射式偏振片之間，並包括一在該第一方向上的光軸，以讓該第一偏振光在該等路路徑段的其中兩個路徑段上傳輸時，能來回地行經該液晶裝置，而該第二偏振光由剩餘的該路徑段行經該液晶裝置。

Description

具有液晶元件的餅乾透鏡組件
本發明是有關於一種透鏡組件，特別是指一種能增加液晶裝置光學相位調製量而具有液晶元件的餅乾透鏡組件。
現有例如虛擬實境(virtual reality，VR)的近眼顯示器(near-eye-displays)的微型化系統已在遊戲、醫療保健、教育，及工程領域中廣泛被應用，且對近眼顯示器的要求更朝向尺寸微小化、重量輕，及期望能同時具有高解析度與大視野(FOV)等方向發展。因此，為了達到前述要求，通常會在近眼顯示器中使用例如餅乾透鏡等光學組件。
然而，當光穿過近眼顯示器中的液晶元件時，會累積光學相位，但可調控的光學相位範圍很有限；此外，現有的近眼顯示器仍是存在有視覺輻輳調節衝突(vergence-accommodation conflict)，讓使用者在長時間使用下，容易導致眼睛疲勞、頭暈，或噁心的症狀，而嚴重影響視覺體驗；再者，現有的近眼顯示器中的光學組件之間的距離一般是固定不變，而難以調整焦距，使用者仍是要依賴配戴矯正視力的眼鏡才能正常觀看，且使用者在同時配戴眼鏡與近眼顯示器時，顯得笨重且不便。
因此，本發明的目的，即在提供一種具有液晶元件的餅乾透鏡組件。
於是，本發明具有液晶元件的餅乾透鏡組件包含一透鏡單元，及一設置在該透鏡單元中的液晶裝置。
該透鏡單元包括一分光鏡、一反射式偏振片，及一設置在該分光鏡與該反射式偏振片之間的四分之一波片，當一光源被引入該透鏡單元時，在該四分之一波片與該反射式偏振片之間形成一具有三個路徑段的連續光路，使得沿一第一方向上偏振的一第一偏振光在該等路徑段的其中兩個路徑段上傳播，且使得沿一垂直於該第一方向的第二方向上偏振的一第二偏振光在該等路徑段剩餘的其中一個路徑段上傳播。
該液晶裝置設置在該四分之一波片及該反射式偏振片之間，並包括一在該第一方向上的光軸，以讓該第一偏振光在該等路路徑段的其中兩個路徑段上傳輸時，能來回地行經該液晶裝置，而該第二偏振光由剩餘的該路徑段行經該液晶裝置。
本發明的功效在於，將該液晶裝置設置在該透鏡單元而位在該四分之一波片與該反射式偏振片之間，並配合該分光鏡與光的偏振態特性，達成摺疊光路的設計，不僅能縮小整體體積，還進一步地讓該液晶裝置的該光軸(也就是配向方向)與通過該液晶裝置兩次的該第一偏振光的偏振態平行，以增加可調控的光學相位，從而解決現有液晶裝置的可調控的光學相位有限的問題，且進一步應用在近眼顯示器時，能解決其視覺輻輳調節衝突及用來矯正使用者的視力等問題。
在本發明被詳細描述之前，應當注意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1，本發明具有液晶元件的餅乾透鏡組件的一第一實施例包含一透鏡單元2、一設置在該透鏡單元2中的液晶裝置3，及一設置在該透鏡單元2一側並用以提供一光源L的光源提供裝置4 。
該透鏡單元2包括一分光鏡21、一四分之一波片(1/4 waveplate)22，及一反射式偏振片(reflective polarizer，RP)23；其中，該四分之一波片22是設置在該分光鏡21與該反射式偏振片23之間，並將該液晶裝置3設置在該四分之一波片22與該反射式偏振片23之間。換句話說，本發明具有液晶元件的餅乾透鏡組件是讓該四分之一波片22設置在該分光鏡21下游、該液晶裝置3設置在該四分之一波片22下游，而將該反射式偏振片23設置在該液晶裝置3下游。
本發明所使用的該分光鏡21主要是能讓該光源L部份穿透及部分反射的材料或鍍膜等元件，本實施例是以50/50反射鏡(50/50 mirror)為例做說明，但並沒有特別限制；而適用於本發明的該液晶裝置3為透射式液晶裝置，較佳地，可選自電控調焦液晶透鏡、液晶光柵、液晶稜鏡，及其任一組合，也沒有特別限制。
該光源提供裝置4設置在該分光鏡21一側，用以將該光源L引入該透鏡單元2中而先通過該分光鏡21，以允許該光源L從該透鏡單元2通過該反射式偏振片23輸出。該光源提供裝置4可以是使用顯示器作為該光源提供裝置4，但要說明的是，在本實施例中，該光源提供裝置4主要是用以提供一圓偏振光源。
換句話說，可使用能直接發出圓偏振光的OLED顯示器作為該光源提供裝置4；但若本實施例使用一般產生線性偏振光的LCD顯示器作為該光源提供裝置4時，則需要再於該光源提供裝置4與該透鏡單元2之間額外設置四分之一波片，以將LCD顯示器產生的線性偏振光轉換為圓偏振光，再引入該透鏡單元2中。
本實施例的該光源L沿一行進方向z被引入該透鏡單元2時，經該分光鏡21的行進的圓偏振光通過該四分之一波片22時，能轉變成偏振光，而偏振光通過該四分之一波片22時，則能轉變成圓偏振光。
以在該四分之一波片22與該反射式偏振片23之間的線偏振光而言，在該四分之一波片22與該反射式偏振片23之間形成一具有三個路徑段(也就是第一路徑段S1、第二路徑段S2，與第三路徑段S3)的連續光路S，使得沿一垂直該行進方向Z的第一方向x上偏振的一第一偏振光P1在第一路徑段S1與第二路徑段S2上傳播，且使得沿一同時垂直該行進方向z與該第一方向x的第二方向y上偏振的一第二偏振光P2在第三路徑段S3上傳播；而該液晶裝置3設置在該四分之一波片22與該反射式偏振片23之間，該第一偏振光P1能分別沿第一路徑段S1與第二路徑段S2來回通過該液晶裝置3兩次，而該第二偏振光P2則沿第三路徑段S3直接通過該液晶裝置3往該反射式偏振片23傳播。
整體而言，以圖1為例做說明，更詳細地說明光在各元件之間的行進與狀態。由於本實施例的該光源L為使用圓偏振光源且由該分光鏡21一側往該行進方向z被引入，且是以右旋的圓偏振光源進入該分光鏡21，因此，在第一路徑段S1上，穿透該分光鏡21的圓偏振光仍維持右旋偏振光，而右旋偏振光經該四分之一波片22後，則會讓原有的旋性偏振光轉變成線性偏振光，因而將原有的右旋偏振光轉變為沿該第一方向x上偏振的該第一偏振光P1。
液晶裝置3包括一在該第一方向x上的光軸c(也就是配向方向)，該第一偏振光P1通過液晶裝置3後，仍會維持與該光軸c相同方向的偏振，隨後透過該反射式偏振片3將該第一偏振光P1以原來的偏振方向反射，使其在相反該第一路徑段S1的第二路徑段S2上行進而再往返通過該液晶裝置3，且再次通過該液晶裝置3的該第一偏振光P1仍是維持該第一方向x的偏振。
同樣地，在第二路徑段S2上往返至該四分之一波片22的該第一偏振光P1會在轉變成旋性偏振光，而轉變成右旋偏振光並行進至該分光鏡21後被反射。此處要特別說明的是，由於本實施例的該分光鏡21是使用50/50反射鏡為例做說明，所以行進至該分光鏡21的右旋偏振光，被該分光鏡21反射時，其旋性會相反，從而以左旋偏振光往相反該第二路徑段S2的第三路徑段S3行進至該四分之一波片22。
接著，左旋偏振光行進至該四分之一波片22時則會再讓原有的旋性偏振光轉變成線性偏振光，因而將原有的左旋偏振光轉變為沿該第二方向y上偏振的該第二偏振光P2，而再通過該液晶裝置3，使得本實施例的該光源L總共通過該液晶裝置3三次。
一般而言，當光穿過液晶裝置3時，會累積光學相位(相關於材料折射率與厚度)，使其可調控的光學相位範圍有限，因此，若光能來回穿透液晶裝置或其他主動式光學元件時，便可累積光學相位(相當於光等效通過更厚的介質)。但要說明的是，若以將該液晶裝置3的厚度加厚的方式進行，則會讓整體反應變慢；或若改為加裝兩個液晶裝置3則需要控制兩個液晶裝置；或僅是在透鏡外側加裝液晶裝置3，仍是無法達到讓可調控的光學相位總量增加的效果。
因此，本發明透過讓該液晶裝置3設置在該透鏡單元2中而位在該四分之一波片22與該反射式偏振片23之間，並配合該分光鏡21與具有圓偏振的該光源L，達成摺疊光路的設計，不僅能縮小整體體積，還進一步地讓該液晶裝置3的該光軸c(也就是配向方向)與通過該液晶裝置3兩次的該第一偏振光P1的偏振態(在該第一方向x上偏振)平行，讓該液晶裝置3被利用兩次，而增加可調控的光學相位，從而解決現有液晶裝置的可調控的光學相位有限的問題。
要說明的是，該反射式偏振片23與該液晶裝置3彼此的間距會影響整體光學特性調變效果。舉例而言，當該液晶裝置3選用液晶透鏡時，該反射式偏振片23與該液晶裝置3可視為兩個液晶透鏡相距預定距離，該預定距離將影響等效透鏡屈光度。詳言之，當該預定距離越趨於小時，該液晶裝置3所提供的等效屈光度可達兩倍；而當該預定距離增大時，其等效屈光度將小於兩倍，其實際倍數能以複合透鏡的概念進行計算，於此不加以贅述。當液晶裝置3選用液晶稜鏡時，則能看到兩個液晶稜鏡的效果。
對於本發明整體光學組件具有該液晶裝置3來說，液晶層(折射率變化的光學層)厚度有限，本發明透過摺疊式光路打破限制獲得兩倍以上的可調控的光學相位，而對於沒有設置該液晶裝置3的光學組件來說，雖然沒有厚度限制，但對於整體系統的總重量和體積大小，利用本發明摺疊式光路也可以進一步讓非液晶的光學組件做的更輕薄。
換句話說，對於本發明整體光學組件具有液晶裝置3來說，若想要達成具有兩倍的可調控的光學相位來說，僅需要在該液晶裝置3用以讓光源進入與輸出的相對兩側上，分別如本實施例直接貼置該分光鏡21與該四分之一波片22，及另一側貼置該反射式偏振片23便可達成，其貼置在該液晶裝置3上的三個元件的厚度均為微米等級，甚或可直接以鍍膜方式形成在該液晶裝置3上，因此有效減少整體體積與厚度相。
此外，在本實施例的圖式中，該液晶裝置3是以平面結構為例做說明，但不限於此，該液晶裝置3可是應用需求而改為球面、非球面，或自由光學曲面等形狀，以符合所需的光學設計。舉例而言，當本發明具有液晶元件的餅乾透鏡組件，應用於具有曲率的玻璃或塑膠基板時，該液晶裝置3便可使用非平面結構，以符合整體應用需求。
此外，現有近眼顯示器若要改變成像位置時，一般是會透過改變其透鏡系統與其顯示模組之間的距離。本發明的該餅乾透鏡組件中的該液晶裝置3選用電控調焦液晶透鏡時，是可電控焦距，而不需要移動透鏡單元2與顯示模組(如該光源提供裝置4)之間的距離。因此，當本發明光學組件(該液晶裝置3為電控調焦液晶透鏡時)應用在例如近眼顯示器時，能解決視覺輻輳調節衝突(vergence-accommodation conflict)，或是用來矯正使用者穿戴近眼顯示器的視力問題。
參閱圖2，本發明具有液晶元件的餅乾透鏡組件的一第二實施例，其整體結構仍相同於該第一實施例，但不同處在於，該第二實施例是將該光源提供裝置4設置在該反射式偏振片23一側，且該第二實施例的該光源提供裝置4是提供一線偏振光源。
換句話說，該第二實施例是將該反射式偏振片23設置在該光源提供裝置4下游、將該液晶裝置3設置在該反射式偏振片23下游、將該四分之一波片22設置在該液晶裝置3下游，及一將該分光鏡21設置在該四分之一波片22下游，從而讓該光源L引入該透鏡單元2中而先通過該反射式偏振片23，再允許該光源L經液晶裝置3與該四分之一波片22而通過該分光鏡21輸出。
詳細地來說，以圖2為例做說明，該第二實施例的該光源L為使用線偏振光源，且在第二實施例中，第一偏振光P1是以在該第二方向y上偏振而先由該反射式偏振片23進入，讓第二偏振光P2為在該第一方向x上偏振的線偏振光，其行進路徑與該第一實施例相同，在該透鏡單元2與該液晶裝置3中以三個路徑段(第一路徑段S1、第二路徑段S2，與第三路徑段S3)方式行進，使得通過該四分之一波片22三次的該光源L分別在線性偏振光與圓偏振光之間轉換，且也多次通過該液晶裝置3，達到增加可調控的光學相位總量的效果。要說明的是，由於該第二實施例是以在該第二方向y上偏振的線偏振光進入該反射式偏振片23，因此，最後是以左旋偏振光通過該分光鏡21輸出。
綜上所述，本發明具有液晶元件的餅乾透鏡組件為穿透式且主動式的光學元件，透過讓該液晶裝置3設置在該透鏡單元2中而位在該四分之一波片22與該反射式偏振片23之間，並配合該分光鏡21與具有圓偏振的該光源L，達成摺疊光路的設計，不僅能縮小整體體積，還進一步地讓該液晶裝置3的該光軸c(也就是配向方向)與通過該液晶裝置3兩次的該第一偏振光P1的偏振態(在該第一方向x上偏振)平行，讓可調控的光學相位增加兩倍；此外，當本發明光學組件(該液晶裝置3為電控調焦液晶透鏡時)應用在例如近眼顯示器時，能解決視覺輻輳調節衝突，或是用來矯正使用者穿戴近眼顯示器的視力問題，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
2:透鏡單元 21:分光鏡 22:四分之一波片 23:反射式偏振片 3:液晶裝置 4:光源提供裝置 c:光軸 L:光源 S:連續光路 S1:第一路徑段 S2:第二路徑段 S3:第三路徑段 P1:第一偏振光 P2:第二偏振光 x:第一方向 y:第二方向 z:行進方向
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一示意圖，說明本發明具有液晶元件的餅乾透鏡組件的一第一實施例；及 圖2是一示意圖，說明本發明具有液晶元件的餅乾透鏡組件的一第二實施例。
2:透鏡單元
21:分光鏡
22:四分之一波片
23:反射式偏振片
3:液晶裝置
4:光源提供裝置
c:光軸
L:光源
S:連續光路
S1:第一路徑段
S2:第二路徑段
S3:第三路徑段
P1:第一偏振光
P2:第二偏振光
x:第一方向
y:第二方向
z:行進方向

Claims (7)

  1. 一種具有液晶元件的餅乾透鏡組件，包含： 一透鏡單元，包括一分光鏡、一反射式偏振片，及一設置在該分光鏡與該反射式偏振片之間的四分之一波片，當一光源被引入該透鏡單元時，在該四分之一波片與該反射式偏振片之間形成一具有三個路徑段的連續光路，使得沿一第一方向上偏振的一第一偏振光在該等路徑段的其中兩個路徑段上傳播，且使得沿一垂直於該第一方向的第二方向上偏振的一第二偏振光在該等路徑段剩餘的其中一個路徑段上傳播；及 一液晶裝置，設置在該四分之一波片及該反射式偏振片之間，並包括一在該第一方向上的光軸，以讓該第一偏振光在該等路路徑段的其中兩個路徑段上傳輸時，能來回地行經該液晶裝置，而該第二偏振光由剩餘的該路徑段行經該液晶裝置。
  2. 如請求項1所述的具有液晶元件的餅乾透鏡組件，其中，該液晶裝置是透射式液晶裝置。
  3. 如請求項1所述的具有液晶元件的餅乾透鏡組件，其中，該液晶裝置可選自電控調焦液晶透鏡、液晶光柵、液晶稜鏡，及其任一組合。
  4. 如請求項1所述的具有液晶元件的餅乾透鏡組件，還包含一光源提供裝置，用以將該光源引入該透鏡單元中而通過該分光鏡，以允許該光源從該透鏡單元通過該反射式偏振片輸出。
  5. 如請求項4所述的具有液晶元件的餅乾透鏡組件，其中，該光源提供裝置包括一圓偏振光源。
  6. 如請求項1所述的具有液晶元件的餅乾透鏡組件，其中，還包含一光提供裝置，用以將該光源引入該透鏡單元中而通過該反射式偏振片，以允許該光源從該透鏡單元通過該分光鏡輸出。
  7. 如請求項6所述的具有液晶元件的餅乾透鏡組件，其中，該光源提供裝置包括一線偏振光源。
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