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TWI661227B - 光學系統 - Google Patents

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TWI661227B
TWI661227B TW106133439A TW106133439A TWI661227B TW I661227 B TWI661227 B TW I661227B TW 106133439 A TW106133439 A TW 106133439A TW 106133439 A TW106133439 A TW 106133439A TW I661227 B TWI661227 B TW I661227B
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陳宏山
張瑞彬
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源奇科技股份有限公司
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Abstract

一種光學系統，包括至少一液晶透鏡及成像鏡頭模組。光學系統用以形成物體的影像。至少一液晶透鏡及成像鏡頭模組設置在來自物體的光的路徑上。至少一液晶透鏡包括第一基板、第二基板及液晶層。第二基板相對於第一基板。液晶層設置在第一基板及第二基板之間。在液晶層上的每個位置的有效折射率與被施加的電壓有關。至少一液晶透鏡用以藉由改變液晶層的液晶分子的轉向分布而改變至少一液晶透鏡的光軸。

Description

光學系統
本發明是有關於一種光學系統。
近年來，隨著擴增實境(Augmented Reality，AR)及虛擬實境(Virtual Reality，VR)的崛起，對於使用者的眼睛所看到的影像品質的要求更高。在光學成像系統中，物體離光軸中心愈遠，在像平面上形成的影像的像差愈明顯。人眼可視角度大約為60度。然而，為了改善在廣視角的像差問題，需加入更多光學鏡片以校正像差，這會增加成本及產品的重量。
此外，頭戴式顯示器(head mounted display，HMD)的最大問題是虛像與使用者的眼睛間的距離無法改變。為了改變虛像的距離，成像系統需要有變焦的功能，例如在系統中加入馬達以調整透鏡的間距。結果將大幅增加產品的重量、尺寸、耗電及噪音。
本發明提供一種能夠有效減少像差或達成變焦功能的光 學系統。
本發明的一實施例提出一種光學系統，包括至少一液晶透鏡及成像鏡頭模組。光學系統用以形成物體的影像。至少一液晶透鏡設置在來自物體的光的路徑上。成像鏡頭模組設置在來自物體的光的路徑上。至少一液晶透鏡包括第一基板、第二基板及液晶層。第二基板相對於第一基板。液晶層設置在第一基板及第二基板之間，其中在液晶層上的每個位置的有效折射率與被施加的電壓有關，至少一液晶透鏡用以藉由改變液晶層的液晶分子的轉向分布而改變至少一液晶透鏡的光軸。成像鏡頭模組包括多個透鏡，其中至少一液晶透鏡及成像鏡頭模組形成物體的影像。
基於上述，本發明的實施例所提供的光學系統包括至少一液晶透鏡。液晶透鏡是藉由電壓驅動改變液晶分子的轉向分布，以使得在液晶層上的每個位置的有效折射率改變且液晶透鏡的光軸偏離液晶透鏡的幾何軸。因此，可補償在廣視角的影像的光程差以減少像差，改善影像品質。此外，藉由控制液晶分子的轉向分布，可調整液晶透鏡的屈光度(refractive power)，以達成變焦的功能。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
50‧‧‧眼球
100、100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h‧‧‧光學系統
110、110a、110b、110c、110d、110e、110f、110g、110h‧‧‧液晶透鏡
110'‧‧‧液晶透鏡的上側
111‧‧‧第一電極
112‧‧‧第一基板
113‧‧‧第二電極
114‧‧‧第二基板
115‧‧‧共用電極
116‧‧‧液晶層
116a‧‧‧液晶分子
117‧‧‧像素電極
119‧‧‧薄膜電晶體
120‧‧‧成像鏡頭模組
121‧‧‧會聚透鏡
122‧‧‧透鏡
123‧‧‧發散透鏡
130‧‧‧像平面
130a‧‧‧影像
140‧‧‧物平面
140a‧‧‧物體
150‧‧‧光
150a、150b、252、254‧‧‧光束
160‧‧‧眼球追蹤器
170‧‧‧厚絕緣層
180‧‧‧高阻抗材料層
190‧‧‧配向層
210‧‧‧浮動電極
331、332‧‧‧像平面
740‧‧‧光閥
A1、A2、A3‧‧‧光軸
G‧‧‧幾何軸
D、D1、D2‧‧‧距離
d1‧‧‧第一方向
d2‧‧‧第二方向
W1、W2‧‧‧寬度
θ‧‧‧傾斜角度
圖1是根據本發明一實施例的光學系統100的示意側視圖。
圖2是描繪於圖1的實施例的液晶透鏡110的示意剖面圖。
圖3A及圖3B是根據本發明的實施例的液晶透鏡110的示意剖面圖。
圖3C是根據本發明另一實施例的液晶透鏡110的示意剖面圖。
圖4是根據本發明另一實施例的光學系統100a的示意側視圖。
圖5是根據本發明另一實施例的光學系統100b的示意側視圖。
圖6是根據本發明一實施例的光學系統100c的示意剖面圖。
圖7是根據描繪於圖6的實施例的調制轉換函數(modulation transfer function，MTF)圖。
圖8是根據本發明另一實施例的光學系統100d的示意剖面圖。
圖9是根據描繪於圖8的實施例的MTF圖。
圖10是根據本發明一實施例的光學系統100e的示意側視圖。
圖11及圖12分別是根據本發明其他實施例的光學系統100f及100g的示意側視圖。
圖13是根據本發明一實施例的光學系統100h的示意側視圖。
圖14A是根據本發明一實施例的液晶透鏡110a的示意俯視圖及仰視圖。
圖14B是根據本發明另一實施例的液晶透鏡110b的示意俯視圖及仰視圖。
圖15A是本發明一實施例的液晶透鏡110c的示意剖面圖。
圖15B及圖15C分別是本發明其他實施例的液晶透鏡110d及110e的示意剖面圖。
圖16是本發明一實施例的液晶透鏡110f的示意剖面圖。
圖17是本發明一實施例的液晶透鏡110g的示意剖面圖。
圖18是本發明一實施例的液晶透鏡110h的示意剖面圖。
現在將詳細參照本發明的較佳實施例，其實例繪示於隨附圖式中。盡可能地，在圖式及說明中使用相同的附圖標記指稱相同或相似的部件。
圖1是根據本發明一實施例的光學系統100的示意側視圖。圖2是描繪於圖1的實施例的液晶透鏡110的示意剖面圖。參照圖1及圖2，本實施例的光學系統100包括至少一液晶透鏡110及成像鏡頭模組120(例如，圖1繪示一液晶透鏡110)。光學系統100用以形成物體140a的影像130a。至少一液晶透鏡110及成像鏡頭模組120設置在來自物體140a的光150的路徑上。至少一液晶透鏡110包括第一基板112、第二基板114及液晶層116。第二基板114相對於第一基板112。液晶層116設置在第一基板112及第二基板114之間。在液晶層116上的每個位置的有效折射 率與在第一電極111及第二電極113上所施加的電壓有關。至少一液晶透鏡110用以藉由改變液晶層116的液晶分子116a的轉向分布而改變至少一液晶透鏡110的光軸A1。成像鏡頭模組120包括多個透鏡122，其中至少一液晶透鏡110及成像鏡頭模組120形成物體140a的影像130a。
在本實施例中，成像鏡頭模組120的光軸A2平行於至少一液晶透鏡110的光軸A1，且成像鏡頭模組120的多個透鏡122包括具有正屈光度的會聚透鏡121及具有負屈光度的發散透鏡123。
在本實施例中，物體140a為光閥，且光閥例如為液晶覆矽(liquid-crystal-on-silicon，LCOS)面板、數位微鏡元件(digital micro-mirror device，DMD)或透射式液晶顯示器(transmissive liquid crystal display，transmissive LCD)。光源可發射光到光閥以將光閥照亮。當光閥是LCOS面板時，偏振分束器(polarizing beam splitter，PBS)可設置在光閥及液晶透鏡110之間。當光閥是DMD時，分別具有兩種彼此垂直的旋轉方向的液晶分子116a的兩個液晶透鏡110可設置在光150的路徑上。在其他實施例中，物體140a可為有機發光二極體顯示器(organic light-emitting diode display)、發光二極體顯示器(light-emitting diode display)、或任何其他空間光調變器(light spatial modulator)或顯示器。
圖3A及圖3B是根據本發明的實施例的液晶透鏡110的示意剖面圖。在圖3A及圖3B中，為了清楚表現，只繪示第一基 板112、第二基板114及液晶層116的液晶分子116a，其中箭頭代表液晶分子116a的轉向。參照圖3A及圖3B，液晶透鏡110是藉由電壓驅動而改變液晶分子116a的轉向分布，其中在液晶層116上的每個位置的有效折射率與被施加的電壓有關。特別地，在液晶層116上的每個位置通過液晶層116的光150的光程(optical path length，OPL)(OPL等於液晶層116的有效折射率乘以液晶層116的厚度T)可藉由所施加的電壓控制。當平面波通過藉由電壓驅動的液晶透鏡110，可形成具有正屈光度的會聚球面波(如於圖3A所繪示的)或具有負屈光度的發散球面波(如於圖3B所繪示的)。因此，可調整液晶透鏡110的屈光度以達成變焦的功能。
圖3C是根據本發明另一實施例的液晶透鏡110的示意剖面圖。在圖3C中，為了清楚表現，只繪示第一基板112、第二基板114及液晶層116的液晶分子116a，其中箭頭代表液晶分子116a的轉向。參照圖3C，藉由控制電壓改變液晶分子116a的轉向分布，液晶透鏡110的光軸A1偏離液晶透鏡110的幾何軸G。因此，可補償影像130a在廣視角的OPL以減少像差，改善影像品質。當液晶層116具有透鏡的功能時，液晶透鏡110的光軸A1定義為液晶層116的光軸。當液晶分子116a的轉向分布向上偏移時，液晶透鏡110的光軸A1向上偏移，使得液晶透鏡110的光軸A1偏離液晶透鏡110的幾何軸G。液晶透鏡110的幾何軸G意謂通過液晶透鏡110中心的液晶透鏡110的中心軸。
圖4是根據本發明另一實施例的光學系統100a的示意側 視圖。參照圖1及圖4，物體140a是在物平面140上，影像130a是在像平面130上。在本實施例中，影像130a是實像。像平面130及物平面140互為共軛平面，自物平面140上的同一點發出的成像光線全都會聚到像平面130上的同一點。此外，液晶透鏡110可設置在像平面130及成像鏡頭模組120之間(如於圖1所繪示的)，或在物平面140及成像鏡頭模組120之間(如於圖4所繪示的)。
圖5是根據本發明另一實施例的光學系統100b的示意側視圖。參照圖5，藉由控制電壓改變液晶分子116a的轉向分布，液晶透鏡110的光軸A1偏移到液晶透鏡110的上側110’。因此，可補償物體140a的下半部的成像光束150b的OPL，以減少像差。在其他實施例中，液晶透鏡110的光軸A1可偏移到液晶透鏡110的下側以補償物體140a的上半部的成像光束150a的OPL，且本發明不限於此。因此，可藉由使液晶透鏡110的光軸A1偏移而減少像差，改善影像品質。
圖6是根據本發明一實施例的光學系統100c的示意剖面圖。參照圖6，光學系統100c還包括光閥740，其中光閥740是物體140a，光閥740是由微結構像素陣列(micro-structure pixel array)形成。此外，光閥740的光軸A3及成像鏡頭模組120的光軸A2相對於液晶透鏡110的幾何軸G具有傾斜角度θ，其中傾斜角度θ大於0度且小於或等於60度。在本實施例中，光閥740例如為液晶覆矽(LCOS)面板、數位微鏡元件(DMD)、或透射式 液晶顯示器(transmissive LCD)。光源可發射光到光閥740以將光閥740照亮。當光閥740是LCOS面板時，偏振分束器(PBS)可設置在光閥740及液晶透鏡110之間。當光閥是DMD時，可採用分別具有兩種彼此垂直的旋轉方向的液晶分子116a的兩個液晶透鏡110。
圖7是根據描繪於圖6的實施例的調制轉換函數(MTF)圖。圖8是根據本發明另一實施例的光學系統100d的示意剖面圖。圖9是根據描繪於圖8的實施例的MTF圖。參照圖6、圖7、圖8及圖9，如於圖6所繪示的，當光閥740的光軸A3及成像鏡頭模組120的光軸A2相對於液晶透鏡110的幾何軸G具有傾斜角度θ時，液晶透鏡110的光軸A1未偏離液晶透鏡110的幾何軸G，但如於圖8所繪示的，液晶透鏡110的光軸A1向上偏離液晶透鏡110的幾何軸G。因此，比起如於圖7所繪示的MTF圖，如於圖9所繪示的MTF圖在較大角頻率(單位為每度週期數)處顯示遠更佳的調制性能，其中調制(modulation)值愈大，影像品質愈好。也就是說，影像130a的品質因為液晶透鏡110的光軸A1的偏移而改善。
圖10是根據本發明一實施例的光學系統100e的示意側視圖。參照圖10，藉由改變液晶層116的液晶分子116a的轉向分布，原始光束252可偏移並形成與原始光束252間具有位移的光束254。亦即，藉由改變液晶層116的液晶分子116a的轉向分布，影像130a可在像平面130上向上、下、左或右偏移。
圖11及圖12分別是根據本發明其他實施例的光學系統100f及100g的示意側視圖。參照圖11及圖12，光學系統100f及100g可還包括眼球追蹤器(eye tracker)160以偵測眼球50的轉動。按照眼球50視線的方向，改變液晶層116的液晶分子116a的轉向分布以補償光150的OPL。例如，當使用者注視影像130a的上側時，眼球追蹤器160偵測到使用者的眼球50向上轉。然後改變液晶層116的液晶分子116a的轉向分布且液晶透鏡110的光軸A1向上偏移以補償光150的OPL。因此，改善了使用者所觀看的影像上側的品質。在本實施例中，液晶透鏡110可設置在物平面140及成像鏡頭模組120之間(如於圖11所繪示的)，或成像鏡頭模組120設置在物平面140及液晶透鏡110之間(如於圖12所繪示的)。此外，在物平面140及成像鏡頭模組120之間的距離D小於成像鏡頭模組120的有效焦距，且影像130a是虛像。
圖13是根據本發明一實施例的光學系統100h的示意側視圖。參照圖13，藉由改變液晶層116的液晶分子116a的轉向分布，液晶透鏡110的上半部及下半部可具有不同屈光度，且自物平面140至像平面331的上半部的距離D1及自物平面140至像平面332的下半部的距離D2可不相同。
圖14A是根據本發明一實施例的液晶透鏡110a的示意俯視圖及仰視圖。圖14B是根據本發明另一實施例的液晶透鏡110b的示意俯視圖及仰視圖。在圖14A及圖14B中，為了清楚表現，只繪示第一基板112、第二基板114、第一電極111及第二電極 113。參照圖14A，液晶透鏡110包括多個第一電極111及多個第二電極113。多個第一電極111設置在第一基板112上並沿著第二方向d2排列。每個第一電極111沿著第一方向d1延伸。多個第二電極113設置在第二基板114上並沿著第一方向d1排列。每個第二電極113沿著第二方向d2延伸。第一方向d1正交於第二方向d2。此外，多個第一電極111的寬度W1可不同於多個第二電極113的寬度W2，以減少疊紋(moire)現象。參照圖14B，液晶透鏡110包括設置在第一基板112上的共用電極115，及多個薄膜電晶體(thin-film transistor，TFT)119與分別與多個薄膜電晶體119電性連接的多個像素電極117設置在第二基板114上。在其他實施例中，共用電極115可設置在第二基板114上，多個薄膜電晶體(TFT)119及分別與多個薄膜電晶體119電性連接的多個像素電極117可設置在第一基板112上，且本發明不限於此。
圖15A是本發明一實施例的液晶透鏡110c的示意剖面圖。參照圖15A，液晶透鏡110c還包括至少一個設置在兩個相鄰的像素電極117之間的浮動電極(floating electrode)210以控制電壓分布。至少一個浮動電極210可設置在第一基板112及第二基板114中的至少一者上。亦即，至少一個浮動電極210可設置在第一基板112或第二基板114、或同時在第一基板112及第二基板114上。(圖15A繪示浮動電極210設置在第一基板112上)
圖15B及圖15C分別是本發明其他實施例的液晶透鏡110d及110e的示意剖面圖。參照圖15B及圖15C，浮動電極210 及第一電極111可設置在不同層。例如，浮動電極210可設置在多個第一電極111及配向層(alignment layer)190之間，如於圖15B所繪示的。浮動電極210可設置在多個第一電極111及第一基板112之間，如於圖15C所繪示的。在本實施例中，浮動電極210分別是離散的。浮動電極210的電壓與兩個相鄰像素電極117的電壓有關，且可自一個相鄰像素電極117逐漸變化到另一個相鄰像素電極117。
圖16是本發明一實施例的液晶透鏡110f的示意剖面圖。參照圖16，可將厚絕緣層170加在多個第一電極111與配向層190之間使得在厚絕緣層170的底表面上的電壓在多個電極之間連續地變化。特別地，電壓分布並非離散的，而是連續的，且液晶層116的液晶分子116a的轉向分布可連續地變化。因此，可改善影像品質。在此實施例中，厚絕緣層170的厚度範圍為從300nm至1000nm。在其他實施例中，厚絕緣層170可加在多個第二電極113與配向層190之間，或可分別加在多個第一電極111與配向層190之間及在多個第二電極113與配向層190之間。本發明不限於此。
圖17是本發明一實施例的液晶透鏡110g的示意剖面圖。參照圖17，多個第一電極111與多個高阻抗材料層180一同設置在第一基板112上，多個第一電極111是細長的且多個高阻抗材料層180設置在兩個相鄰的第一電極111之間使得電壓在多個第一電極111之間連續地變化。因此，可改善影像品質。高阻抗材料層180的片電阻範圍為從109至1014Ω/sq。高阻抗材料層 180例如由半導體材料(包括III-V半導體化合物或II-VI半導體化合物)或高分子材料(包括PEDOT，聚(3,4-乙烯二氧噻吩))製成。在其他實施例中，多個第二電極113是細長的且多個高阻抗材料層180設置在兩個相鄰的第二電極113之間，或多個第一電極111與多個第二電極113都是細長的且多個高阻抗材料層180分別設置在兩個相鄰的第一電極111及兩個相鄰的第二電極113之間。本發明不限於此。
圖18是本發明一實施例的液晶透鏡110h的示意剖面圖。參照圖18，多個第一電極111與至少一高阻抗材料層180一同設置在第一基板112上，且多個第一電極111位於至少一高阻抗材料層180與設置有多個電極111的第一基板112之間。高阻抗材料層180可加在多個第一電極111與配向層190之間使得電壓在多個第一電極111之間連續地變化。因此，可改善影像品質。在其他實施例中，高阻抗材料層180可加在多個第二電極113與配向層190之間，或可分別加在多個第一電極111與配向層190之間及在多個第二電極113與配向層190之間。本發明不限於此。
高阻抗材料層180的片電阻是落在109Ω/sq至1014Ω/sq的範圍內。
基於上述，在藉由本發明的實施例所提供的光學系統中，光學系統包括至少一液晶透鏡，液晶透鏡是藉由電壓驅動而改變液晶分子的轉向分布，以使得在液晶層上的每個位置的有效折射率改變及液晶透鏡的光軸偏離液晶透鏡的幾何軸。因此，可 補償影像在廣視角的光程差以減少像差，改善影像品質。此外，藉由控制液晶分子的轉向分布，可調整液晶透鏡的屈光度以達成變焦的功能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (15)

  1. 一種光學系統，用以形成一物體的一影像，所述光學系統包括：至少一液晶透鏡，設置在來自所述物體的光的路徑上，且包括一第一基板；一第二基板，相對於所述第一基板；一液晶層，設置在所述第一基板及所述第二基板之間，其中在所述液晶層上的每個位置的有效折射率與被施加的電壓有關，及所述至少一液晶透鏡用以藉由改變所述液晶層的液晶分子的轉向分布而改變所述至少一液晶透鏡的一光軸；以及多個電極與至少一高阻抗材料層，以控制電壓分布，所述多個電極與所述至少一高阻抗材料層一同設置在所述第一基板或所述第二基板上，且所述多個電極位於所述至少一高阻抗材料層與設置有所述多個電極的所述第一基板或所述第二基板之間，其中電壓分布在所述多個電極之間連續地變化；以及一成像鏡頭模組，設置在來自所述物體的光的路徑上且包括多個透鏡，其中所述至少一液晶透鏡及所述成像鏡頭模組形成所述物體的所述影像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述成像鏡頭模組的一光軸平行於所述至少一液晶透鏡的光軸。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述物體是在一物平面上，所述影像是在一像平面上，所述像平面及所述物平面互為共軛平面，及自所述物平面上的同一點所發出的成像光線全都會聚到所述像平面上的同一點。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的光學系統，其中所述液晶透鏡設置在所述物平面及所述成像鏡頭模組之間，或設置在所述像平面及所述成像鏡頭模組之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述成像鏡頭模組的所述多個透鏡包括具有正屈光度的一會聚透鏡及具有負屈光度的一發散透鏡。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述液晶透鏡還包括設置在所述多個電極與所述高阻抗材料層之間的一絕緣層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述液晶透鏡是藉由電壓驅動而改變所述液晶分子的轉向分布，以使得所述液晶透鏡的屈光度為可調整。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述液晶透鏡是藉由電壓驅動而改變所述液晶分子的轉向分布，以使得所述液晶透鏡的光軸偏離所述液晶透鏡的幾何軸。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的光學系統，還包括一光閥，其中所述光閥為所述物體，及所述光閥是由微結構像素陣列所形成。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的光學系統，其中所述光閥的上半部或下半部的成像光束的光程差是藉由將所述液晶透鏡的光軸偏移而補償。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的光學系統，其中所述光閥的光軸及所述成像鏡頭模組的光軸相對於所述液晶透鏡的幾何軸具有一傾斜角度，其中所述傾斜角度大於0度且小於或等於60度。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的光學系統，其中所述影像藉由改變所述液晶層的所述液晶分子的轉向分布在一像平面上向上、下、左或右偏移。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述物體是在一物平面上，所述液晶透鏡設置在所述物平面與所述成像鏡頭模組之間，及在所述物平面與所述成像鏡頭模組之間的距離小於所述成像鏡頭模組的有效焦距。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述物體是在一物平面上，所述成像鏡頭模組設置在所述物平面及所述液晶透鏡之間，及在所述物平面及所述成像鏡頭模組之間的距離小於所述成像鏡頭模組的有效焦距。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述物體是在一物平面上，所述影像是在一像平面上，所述液晶透鏡的上半部及下半部具有不同的屈光度，及自所述物平面至所述像平面的上半部的距離及自所述物平面至所述像平面的下半部的距離彼此不同。
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