專利名稱：準直透鏡結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及準直透鏡結構，更具體而言，本發(fā)明涉及進行擴束和準直并具有傾斜輸出光束的準直透鏡結構。
背景技術：
用玻璃或塑料形成的準直器透鏡是公知的。圖1舉例說明了第一現(xiàn)有技術準直器透鏡10。第一現(xiàn)有技術準直器透鏡10包括雙曲面12和平面14。光源16(例如激光器)產(chǎn)生光束18，光束18通常以一定光束角或?qū)挾劝l(fā)散。在經(jīng)過現(xiàn)有技術的透鏡10后，光束20通常是平行的。注意雙曲面12實現(xiàn)了準直功能。
圖2舉例說明了第二現(xiàn)有技術準直器透鏡30。第二現(xiàn)有技術準直器透鏡30包括平面32和凸面34。光源36(例如激光器)產(chǎn)生光束38，光束38通常以一定光束角發(fā)散。在經(jīng)過現(xiàn)有技術的透鏡30后，光束通常是平行的。注意凸面34實現(xiàn)了準直功能。
不幸的是，這兩種現(xiàn)有技術的方法都受到一些缺點或不利因素的影響。首先，在對空間有限制的緊湊應用(例如光電鼠標產(chǎn)品)中，現(xiàn)有技術的準直器沿著從光源到光束反射表面的軸線占據(jù)了太多空間。其次，有的系統(tǒng)和應用中需要傾斜的光束。但是，將激光器傾斜需要有嚴格的公差條件，在制造中實現(xiàn)這些條件是困難且昂貴的。
基于以上，仍有對克服前述缺點的光學元件的需求。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，本發(fā)明描述了用于對光束進行光學擴束、準直及彎曲或傾斜的光學元件和方法。光學元件接收具有第一光束角和軸線的輸入光束。所述光學元件包括第一表面，所述第一表面接收輸入光束并產(chǎn)生具有第二光束角的擴束光束，第二光束角大于或等于所述第一光束角。所述光學元件包括第二表面，所述第二表面接收所述擴束光束并產(chǎn)生輸出光束，所述輸出光束是基本準直或接近準直的。所述輸出光束相對于所述輸入光束的所述軸線傾斜預定角度。


本發(fā)明以示例性而不是限制性的方式在附圖中圖示，相似的標號指明相似的元件。
圖1示出了第一種現(xiàn)有技術的準直器。
圖2示出了第二種現(xiàn)有技術的準直器。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光學元件。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例作為第一表面的示例性球面以及由該球面產(chǎn)生的傾斜的擴束光束角。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例作為第二表面的示例性橢球面以及由該橢球面產(chǎn)生的傾斜的基本準直的光束。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的示例性第一表面以及該第一表面相對于光源的間距。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的示例性第二表面以及該第二表面相對于虛光源的間距。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的包括第一表面和第二表面的示例性光學元件、該第一表面引起的彎曲量、該第二表面引起的光彎曲量及由該光學元件導致的總彎曲量。
圖9是根據(jù)本發(fā)明一個實施例圖示由光學元件執(zhí)行的光學處理步驟的流程圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明另一實施例使用了所述光學元件的光學導航設備的框圖。
具體實施例方式
描述了具有傾斜的輸出光束的多個準直透鏡結構。在下面的描述中，為了說明闡述了大量具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是，本領域的技術人員將很清楚，沒有這些具體細節(jié)也可以實施本發(fā)明。在其他情況下，以框圖的形式示出公知的結構和設備，以避免不必要地混淆本發(fā)明。
準直器透鏡結構圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光學元件300。設置了光源302，其產(chǎn)生具有第一光束角305的光束304(此處也稱為“輸入光束304”)。例如，光源302可以是激光器或發(fā)光二極管(LED)。光源302將具有預定光束角305的光束304沿著預定軸線導向根據(jù)本發(fā)明的透鏡結構300。預定軸線此處也稱為“輸入光源軸線”或“光源中心軸”。在一個例子中，光源302產(chǎn)生光束304，光束304具有約+/-6.5度的窄光束角305。光源302位于第一介質(zhì)306(例如空氣)中。
光學元件(此處也稱為“透鏡結構”)300包括第一表面310和第二表面320。第一表面310可以是球面，第二表面320可以是橢球面。在一個實施例中，第一表面310處于與光源302的中心軸偏離的位置。換言之，第一表面310“偏離”光源302的中心軸?？紤]到這一點，表面310在下文中也被稱為“偏軸第一表面310”。在這個例子中，穿過球(第一表面310是所述球的一部分)中心的軸線通常平行于光源302的中心軸，但并不同于光源302的中心軸。
第一表面310接收具有第一光束角305的光束304，并產(chǎn)生具有第二光束角315的光束314。第一表面310也可選地將光束304彎曲一個預定的量(例如X度)。例如在一個實施例中，第一表面310實現(xiàn)以下光學功能中的一個或多個1)將光束304光學擴束到一個預定的光束角(例如第二光束角315)，此預定的光束角大于或等于來自光源302的光束304的初始光束角(例如第一光束角305)；及2)將光束304光學地彎曲或傾斜一個預定角度(例如傾斜X度)。在一個實施例中，由第一表面310產(chǎn)生的傾斜或彎曲約為15度。由第一表面310進行的對光束304的光學擴束及對光束304的彎曲在下文中有更詳細的描述。
第二表面320接收擴束且傾斜一次的光束314，并產(chǎn)生具有第三光束角329的輸出光束328。第二表面320也可選地將光束314彎曲一個預定的量，總共為Y度。例如，在一個實施例中，第二表面320接收擴束且傾斜一次的光束314，并產(chǎn)生輸出光束328，光束328是基本準直或接近準直的(例如，略有會聚性的多條光線或略有發(fā)散性的多條光線)且具有總共Y度的傾斜(例如，總共30度傾斜)。第二表面320實現(xiàn)以下光學功能中的一個或多個1)對經(jīng)過擴束且傾斜一次的光束314進行光學準直；及2)使經(jīng)過擴束且傾斜一次的光束314進一步光學地彎曲或傾斜。
在一個例子中，第二表面320使光束314進一步彎曲以產(chǎn)生具有由預定角度(Y)指定的總傾斜的輸出光束。由第二表面320進行的光束的光學準直和光束的彎曲在下文中有更詳細的描述。
在一個實施例中，光學元件產(chǎn)生接近準直的輸出光束(例如，可能略有發(fā)散性或略有會聚性的光線束)。在另一個實施例中，光學元件產(chǎn)生具有準直的或基本準直的多條光線的輸出光束。基本準直意味著輸出光束的光束角比由光學元件接收到的輸入光束的第一光束角明顯更小或小很多(例如，輸出光束的發(fā)散接近于零)。
光學元件300可以用這樣的材料制造，例如玻璃、塑料或光學元件制造領域技術人員已知的其他材料。
在一個實施例中，光學元件300用單個透鏡元件實現(xiàn)，該透鏡元件包括產(chǎn)生理想衍射極限折射的第一可成型表面和產(chǎn)生理想衍射極限折射的第二可成型表面。在此實施例中，單個透鏡元件300用具有內(nèi)置最小偏折棱鏡的擴束準直器實現(xiàn)，該棱鏡可使光束相對于輸入光源軸線(例如激光器軸線)產(chǎn)生預定的傾斜。在一個例子中，光學元件將輸入光束傾斜Y度(例如30度)。根據(jù)本發(fā)明的光學架構在比現(xiàn)有技術方法更短的空間內(nèi)產(chǎn)生傾斜的光束，還提供了更小的波前像差。
示例性第一表面420圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例作為第一表面的示例性球面420。光源410產(chǎn)生被引導至球面420的光束。表面420接收來自光源410的光束并產(chǎn)生如圖3所示的輸出光線(例如傾斜并經(jīng)過擴束的光束)。當輸出光線反轉后，反轉的輸出光線450穿過虛光源414。注意虛光源414位于第一介質(zhì)430(例如空氣)中。第一表面420產(chǎn)生的輸出光線在第二介質(zhì)(例如玻璃或塑料)中傳播。
示例性第二表面520圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例作為第二表面的示例性橢球面520和由橢球面520產(chǎn)生的傾斜的基本準直的光束。虛光源510產(chǎn)生被引導至第二表面520的經(jīng)過擴束的光束550。經(jīng)過擴束的光束550在第二介質(zhì)530(例如玻璃或塑料)中傳播。第二表面520接收來自虛光源510的經(jīng)過擴束的光束550并產(chǎn)生輸出光線(例如傾斜的基本準直的光束560)。第二表面520可以實現(xiàn)為橢球面。輸出光線在另一介質(zhì)(例如空氣)中傳播并射到傾斜表面570上。
橢球面的卡帕值橢球面可以用下式描述Sag=cr21+1-(1+κ)c2r2,]]>其中K是用于確定二次曲面類型的參數(shù)卡帕(用K或κ表示)，c＝1/R為極點處的曲率。例如，當K＝0時，該二次曲面是球面；而當K＝-1時，該二次曲面是拋物面。當-1≤K≤0時，該二次曲面是橢球面。在一個實施例中，卡帕值(用“K”表示)的范圍如下-1.4/n2≤K≤0.7/n2。例如，在另一實施例中，卡帕值(用“K”表示)的范圍如下-1.2/n2≤K≤0.85/n2。在一種具體實現(xiàn)方式中，選擇的K等于約-1/n2。
第一表面與光源的間距圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的示例性第一表面620和第一表面620相對于光源604的間距。參考圖6，對于具有半徑(RS)的球和透鏡材料折射率(n)，另一介質(zhì)(例如空氣)中的光源(P)(例如激光器)離開球面的曲率中心(O)一段預定距離(L)。該預定距離(g*RS)可以變化并從一個取值范圍中選擇，其中g為某個實數(shù)。例如，在一個實施例中，光源(P)與球面的曲率中心(O)之間的距離(用“L”表示)范圍為RS≤L≤2.5RS。例如，在另一實施例中，光源(P)與球面的曲率中心(O)之間的距離(用“L”表示)范圍為1.25RS≤L≤2.0RS。
第一表面傾斜光束(例如激光束)可以以偏軸角(記做“a”)瞄準。偏軸角是光線和球面半徑之間的夾角。例如，在一個實施例中，球面中心軸與光束軸線之間的夾角(記做“a”)范圍是5度≤a≤45度。例如，在另一實施例中，球面中心軸與光束軸線之間的夾角(記做“a”)范圍為10度≤a≤35度。在一種具體實現(xiàn)方式中，“a”被選為等于約20度。
第二表面與虛光源的間距圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的示例性第二表面720和第二表面720相對于虛光源704的間距。參考圖7，對于具有極半徑(RP)的橢球，虛光源(Q)落在軸上，與極點處的曲率中心(S)有一段距離(用“M”表示)。該預定距離(h*RP)可以變化并從一個取值范圍中選擇，其中h為某個實數(shù)。例如，在一個實施例中，虛光源(Q)與橢球的曲率中心(S)之間的距離(用“M”表示)范圍為0.7RP/(n-1)≤M≤1.4RP/(n-1)。例如，在另一實施例中，虛光源(Q)與橢球的曲率中心(S)之間的距離(用“M”表示)范圍為0.85RP/(n-1)≤M≤1.2RP/(n-1)。在一種具體實現(xiàn)方式中，M被選為等于約RP/(n-1)。
第二表面傾斜光束(例如激光束)可以以偏軸角(記做“b”)瞄準。偏軸角是光線和橢球長軸之間的夾角。例如，在一個實施例中，橢球中心軸與光束軸線之間的夾角(記做“b”)的范圍是2度≤b≤30度。
兩表面處的偏離分裂圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的包括第一表面和第二表面的示例性光學元件、第一表面引起的彎曲量、第二表面引起的光彎曲量及由該光學元件導致的總彎曲量。
參考圖8，光學元件所導致的總的傾斜或光學彎曲量表示為d度。第一表面導致的光學傾斜量可以用度來表示并用字母“c”標記。在第一表面或第二表面處的總傾斜或彎曲占總的光學傾斜度(用字母“d”標記)的比例(f)可被確定。對于本發(fā)明的特定實施例，這個比例(f)可用于描述光學元件的兩個表面之間光學彎曲或傾斜的分配。此比例可代表由第一表面引起的彎曲或傾斜的量除以由光學元件引起的總傾斜，或者由第二表面引起的彎曲或傾斜的量除以由光學元件引起的總傾斜。例如，由第一表面引起的彎曲比例可以表示為f＝c/d。類似地，第二表面引起的彎曲比例可以表示為f＝e/d，其中“e”是由第二表面引起的傾斜量，此傾斜量從第二表面接收的光束的光線投射路徑測量得到。
例如，在一個實施例中，在任一表面處中心光線的總偏離的比例(用“f”表示)范圍為1/3≤f≤2/3。例如，在另一實施例中，在任一表面處中心光線的總偏離的比例(用“f”表示)范圍為0.4≤f≤0.6。在一種具體實施方式
中可確定，由每個表面完成大約相等的光學傾斜或彎曲量(即第一表面的比例約等于第二表面的比例)是優(yōu)選的，比例(f)選取為等于大約0.5或1/2。
光學處理圖9是根據(jù)本發(fā)明一個實施例圖示由光學元件執(zhí)行的光學處理步驟的流程圖。對光束進行光學擴束、準直及彎曲的方法包括下列步驟。在步驟910中，例如來自光源的光束被接收。在步驟920中，接收光束角被擴束并可選地彎曲以產(chǎn)生經(jīng)過擴束且彎曲一次的光束。步驟920中提出的光學功能可以由第一表面(例如球面)實現(xiàn)。在一個實施例中，球面是維爾斯特拉斯球面或等光程球面。注意在某些實施例中，在步驟920中，光束角被擴束，但是沒有發(fā)生光束彎曲(例如，光束沒有被傾斜)。在這些實施例中，光束彎曲或傾斜發(fā)生在步驟930中。
在步驟930中，經(jīng)過擴束且彎曲一次的光束被準直并可選地彎曲以產(chǎn)生經(jīng)過擴束、基本準直或接近準直、且彎曲兩次的光束。步驟930中提出的光學功能可以由第二表面(例如橢球面)實現(xiàn)。注意在某些實施例中，在步驟930中，光束被準直，但沒有發(fā)生光束彎曲(例如，光束是在步驟920中被傾斜或彎曲的)。在另一實施例中，光束在步驟920中被傾斜第一預定量(例如，光學元件導致的總傾斜的50％)，并在步驟930中被傾斜第二預定量(例如，光學元件導致的總傾斜的50％)。
光學導航設備1000圖10是光學導航設備1000的框圖，該光學導航設備1000應用了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光學元件1010。光學導航設備1000包括光源1004和光傳感器1008。例如，光源1004可以是激光源，光傳感器1008可以是成像器集成電路。光學導航設備1000是光標控制設備(例如鼠標)，其常被稱為光電鼠標，并且與使用機械球的機械鼠標相比通常更精確且需要較少的維護。
光學導航設備1000在表面1050(例如桌子頂面、工作表面或鼠標墊)上運動或由使用者沿著表面1050移動。光學導航設備1000以如下方式工作1)產(chǎn)生光并將其導向表面1050；2)光從表面1050反射并由設備1000捕獲；3)設備1000根據(jù)捕獲的圖像確定光標的運動。
光學導航設備1000包括用于對接收到的圖像進行圖像處理的成像電子器件1060。根據(jù)本發(fā)明，光學導航設備1000還包括準直透鏡1010。準直透鏡1010包括第一表面1020和第二表面1024，該準直透鏡產(chǎn)生傾斜的擴束準直光束1034并將此光束導向表面。
注意，光學元件1010光學地將光彎曲以使光源1004可以“扁平的”安裝到一個大致平行于表面1050的平面內(nèi)，光學導航設備1000放置在表面1050上。例如，表面1050可以是鼠標墊表面或桌子頂面。來自準直透鏡1010的光束隨后被反射離開表面1050。接著，反射光束1035穿過傳感器光學裝置1070并隨后被光傳感器1008探測到。
由于其特殊的幾何構造，即用第一表面來對光束進行擴束和彎曲，使用第二表面來對光束進行準直和進一步彎曲，基于本發(fā)明的光學透鏡得到了某些光學優(yōu)點。注意，上述光學功能中的一個或多個可由第一表面完整地實現(xiàn)，或由第二表面完整地實現(xiàn)，也可以分給第一和第二表面。例如，第一表面或第二表面都可以對光束進行全部彎曲或傾斜。
盡管已通過附圖中所示各個實施例描述了本發(fā)明的準直透鏡結構，但根據(jù)本發(fā)明的教導，可以設計其他布置方案以實現(xiàn)進行下列功能中的一種或多種的其他透鏡結構光束角擴束、光學準直、以及光學彎曲或傾斜。
在前述說明中，本發(fā)明是參考具體實施例來進行描述的。但是顯然，在不脫離本發(fā)明的更廣闊范圍內(nèi)，可以進行各種修改和改變。因此，說明書和附圖應當以解釋性而不是限制性的含義去看待。
權利要求
1.一種光學元件，其接收具有第一光束角和軸線的輸入光束，所述光學元件包括第一表面，其接收所述輸入光束并產(chǎn)生具有第二光束角的擴束光束；其中所述第二光束角大于或等于所述第一光束角；第二表面，其接收所述擴束光束并產(chǎn)生輸出光束，所述輸出光束是基本準直或接近準直的；其中，所述輸出光束相對于所述輸入光束的所述軸線傾斜Y度。
2.如權利要求1所述的光學元件，其中所述第一表面進行所有的傾斜。
3.如權利要求1所述的光學元件，其中所述第二表面進行所有的傾斜。
4.如權利要求1所述的光學元件，其中所述第一表面進行約50％的傾斜，且所述第二表面進行約50％的傾斜。
5.如權利要求1所述的光學元件，其中所述第一表面包括球面和偏軸球面之一。
6.如權利要求1所述的光學元件，其中所述第二表面包括橢球面和偏軸橢球面之一。
7.如權利要求1所述的光學元件，其中所述第一表面包括球面和偏軸球面之一，且其中所述第二表面包括橢球面和偏軸橢球面之一。
8.如權利要求1所述的光學元件，其中所述輸出光束包括略有會聚性的多條光線和略有發(fā)散性的多條光線兩者之一。
9.如權利要求1所述的光學元件，其中所述輸出光束包括準直光線。
10.如權利要求1所述的光學元件，其中所述光學元件是用玻璃和塑料中的一種制造的。
11.一種光學導航設備，包括光源，其包括一條軸線并產(chǎn)生具有第一光束角的光束；光學元件，其包括第一表面，所述第一表面接收所述光束并產(chǎn)生具有第二光束角的擴束光束；其中所述第二光束角大于或等于所述第一光束角；第二表面，其接收所述擴束光束并產(chǎn)生輸出光束，所述輸出光束是基本準直或接近準直的；其中所述輸出光束相對于所述光源的所述軸線傾斜Y度。
12.如權利要求11所述的光學導航設備，還包括光傳感器，其探測從一個表面反射的光；及耦合到所述光傳感器的成像電子器件，其利用所述探測到的光來進行光學導航。
13.如權利要求11所述的光學導航設備，其中所述第一表面進行所有的傾斜，或者所述第二表面進行所有的傾斜。
14.如權利要求11所述的光學導航設備，其中所述第一表面進行約50％的傾斜；且其中所述第二表面進行約50％的傾斜。
15.如權利要求11所述的光學導航設備，其中所述第一表面包括球面和偏軸球面之一；且所述第二表面包括橢球面和偏軸橢球面之一。
16.如權利要求11所述的光學導航設備，其中所述光學元件的所述接近準直的輸出光束包括略有會聚性的多條光線和略有發(fā)散性的多條光線兩者之一。
17.如權利要求11所述的光學導航設備，其中所述光學元件是用玻璃和塑料中的一種制造的。
18.如權利要求11所述的光學導航設備，其中所述光源是激光器和發(fā)光二極管之一。
19.一種方法，用于對光束進行光學擴束、準直并彎曲，所述方法包括接收具有第一光束角的光束；將所述光束擴束至第二光束角；其中所述第二光束角大于或等于所述第一光束角，并在第一表面處使所述光束彎曲以產(chǎn)生擴束且彎曲一次的光束；并在第二表面處將所述擴束且彎曲一次的光束準直并彎曲以產(chǎn)生擴束、基本準直且彎曲兩次的光束。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述光學元件的輸出光束具有這樣的光束寬度，所述光束寬度大于或等于初始光束的光束寬度；且其中所述第一表面將所述光束相對于接收到的光束的軸線彎曲M度，所述第二表面將所述光束相對于所述擴束且彎曲一次的光束的軸線彎曲N度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種準直透鏡結構。光學元件接收具有第一光束角和軸線的輸入光束。所述光學元件包括第一表面，所述第一表面接收輸入光束并產(chǎn)生具有第二光束角的擴束光束，第二光束角大于或等于所述第一光束角。所述光學元件包括第二表面，所述第二表面接收所述擴束光束并產(chǎn)生輸出光束，所述輸出光束是基本準直或接近準直的。所述輸出光束相對于所述輸入光束的所述軸線傾斜預定角度。
文檔編號G02B3/02GK1815265SQ20051011705
公開日2006年8月9日 申請日期2005年10月31日 優(yōu)先權日2005年1月31日
發(fā)明者喬治·E·史密斯, 謝彤 申請人:安捷倫科技有限公司