CN100541250C - 用于集成光学的平面透镜 - Google Patents

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Abstract

一种平面透镜(30)包括条形波导(36)和光波导(33)，它们最好是制成单个整体，其中条形波导有用于聚焦光进入或离开光波导的弯曲端面(37)，和其中至少一个附加透镜(32)包含在条形波导内。附加透镜是会聚透镜或发散透镜。附加透镜可以使光波导的接收角与条形波导的弯曲端面匹配。或者，它可以提高平面透镜对于设计或组装误差和/或温度变化的容差。最好是，平面透镜是由光致图形的聚合物构成，和附加透镜是由空气构成。

Description

用于集成光学的平面透镜
技术领域
本发明涉及一种用于发射光束到集成光波导或从集成光波导发射光束的复合透镜。本发明在光触摸屏传感器上发射和接收光束方面有具体的应用。
背景技术
在说明书中对现有技术的讨论时，我们不应当认为已承认这种现有技术是众所周知的或构成该领域中部分的一般常识。
US Patent Nos.5,914,709、6,181,842和6,351,260描述一种光触摸屏传感器，其中集成光波导用于在屏幕上发射一个光束阵列，然后，在该屏幕的另一侧收集这些光束，并引导它们到位置灵敏的检测器。在“发射侧”的设计中，波导阵列馈入到沿水平面扩展导向光束的一行透镜元件，然后，当这些光束在屏幕面上传输时，在水平面上准直这些光束。在垂直面上的准直是利用外部透镜(例如，圆柱面透镜)实现的，然而，这种垂直的准直对于本发明的目的不是特别重要的。
理想的是，在水平面上的每个准直光束应当以均匀的功率分布“充满”该透镜，从而基本上产生这样的一束光，其中任意狭窄的低强度条纹对应于透镜内的间隙。波导被设计成多模，而透镜只是被设计成这样，最高级导模的发散角θ足以充满该透镜(请注意，发散角是随模的级次而增大)。图1说明这种“理想的”情况，它表示“发射侧”透镜元件10的阵列和相关的波导11。每个透镜元件10是平面的介质材料板条，它的一端是弯曲面12，而相关的波导是在另一端。最好是，透镜元件10和相关的波导11是由相同材料制成并按照整体的方式加工制造。为了简化，波导11最好是在相对于透镜元件10的对称位置，即，它是与透镜元件10的对称轴13重合。理想的是，来自波导11的光线14在点15进入透镜元件10，并在一个扇形角θ内发散以“充满”弯曲面12，其中它们被折射成准直的输出光束16。除了发生折射的弯曲面12以外，透镜元件10还有两个倾斜的侧壁17以及与对称轴13平行的侧壁18。专业人员应当理解，只要在透镜元件10内发散的导模没有遇到侧壁，它们的配置不是十分重要的。
从波导结构考虑，透镜元件10基本上是条形波导，其中光被局限在离面方向上，但可以自由地在共面内发散。在光程上，条形波导的一端光连接到波导11，而弯曲面12形成该波导的另一端。
相反的过程发生在“接收侧”，它的透镜元件是“发射侧”透镜元件10的镜象图像。
参照图2，现有技术设计中遇到的一个问题是，准直光束实际上不能“充满”透镜元件10的弯曲面12，而是形成被相当大的暗区21分隔的离散光束。这种情况的发生是因为光在每个透镜元件10内的实际发散角(φ)远远小于预期的发散角(θ)。例如，在一种配置中，虽然θ约为34°，而
Figure C20058003656100051
通常只是在10°至16°的范围内。不希望受理论的约束，我们相信波导发射的模数小于它们能够支持的模数。或者，最高级模没有被发射进入到波导，或者，最高级模在中途已损失。不管什么原因，不充分的发散在触摸屏的制造和性能方面都会产生问题。出现制造方面的问题是因为，当发射的光束是离散光束的形式时，接收侧透镜阵列需要与发射侧透镜阵列精确地对准(在水平面上)，可以使每个接收侧透镜收集离散光束。另一方面，若发射的光束基本上是一束连续的光束，则接收侧透镜阵列的水平定位是不重要的。性能方面问题是空间分辨率减小的问题。触摸屏传感器的检测算法能够分辨灰阶，所以，可以检测到单个光束的部分阻挡，并把它翻译成位置信息。然而，若发射的光是离散光束的形式，则可能出现很大的“暗”区，因此，不能检测到光束的阻挡，所以，利用灰阶算法进行内插是非常困难的。此外，触摸屏传感器不能检测到没有光传输的“暗”区中的触摸事件。在US Patent Application No.2004/0201579A1中还讨论连续光束而不是离散光束的优点。
一个明显的解决方案是增大每个透镜元件10的长度，因此，实际的发散角
Figure C20058003656100061
足以充满每个弯曲面12。然而，在光触摸屏的语境下，由于发射和接收阵列宽度的实际限制(因为波导转过90°角，透镜长度就直接转换成阵列宽度，并需要在屏幕框中安装波导阵列)，这个方案通常是不理想的。例如，发散角从34°减小到10°使透镜长度的增大约为3.5倍，因此，若透镜宽度为0.85mm，则它的长度是从1.4mm增大到4.9mm，在许多显示器的框区中给定的空间约束条件下，这对于光触摸屏的应用是不切实际的。
图1所示现有技术透镜设计的第二个问题是，它是一个高放大倍数系统，即，像距远远大于物距的一个系统。众所周知，这种系统对于布局的误差是极其灵敏的，特别是物距(在这种情况下，它是点15与弯曲面12之间的距离)和透镜的折射本领(在这种情况下，它是由弯曲面12的曲率半径和制成透镜元件10的材料折射率所确定)的误差。专业人员应当理解，透镜的放大倍数可以是正的或负的，它取决于形成的图像是正立或倒立的。在本发明中，术语“高放大倍数”，“低放大倍数”等应当解释成是放大倍数的幅度。
所以，本发明的目的是克服或改善现有技术中的至少一个缺点，或提供有用的其他方案。本发明的描述是从“发射侧”透镜的观点考虑，然而，应当理解，因为“接收侧”透镜通常是“发射侧”透镜的镜象图像，对于“发射侧”透镜设计的任何创造性改进同样适用于“接收侧”透镜。
发明内容
为此目的，本发明的第一特征提供一种包括平面透镜和光波导的光学元件，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一端并且一个弯曲面形成所述条形波导的第二端，其中所述条形波导包含一个由第二折射率的第二介质制成的发散透镜，所述第二折射率不同于所述第一折射率。
有利的是，本发明的这个方面能够使传输通过光学元件的导向光束以较大的角度扩展/发散，从而提供一个较均匀的功率分布。
最好是，所述平面透镜和所述光波导被制成单个整体。
最好是，所述平面透镜是会聚透镜。
最好是，所述第一介质是光学透明玻璃或聚合物材料。
在第一个实施例中，所述第二折射率低于所述第一折射率。更好的是，所述第二介质是空气。更好的是，所述发散透镜形状是双凸，平凸或新月形凸透镜。
在第二个实施例中，所述第二折射率高于所述第一折射率。更好的是，所述发散透镜形状是双凹，平凹或新月形凹透镜。
本发明的第二方面提供一种包括平面透镜和光波导的光学元件，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一端并且一个弯曲面形成所述条形波导的第二端，其中所述条形波导至少包含一个由第二折射率的第二介质制成的会聚透镜，所述第二折射率不同于所述第一折射率。
有利的是，本发明的这个方面是为了提高包含平面透镜的光学元件设计和/或组装误差和环境温度变化的容差。
最好是，所述平面透镜和所述光波导被制成单个整体。
最好是，所述平面透镜是会聚透镜。
最好是，所述第一介质是光学透明玻璃或聚合物材料。
在第一个实施例中，所述第二折射率低于所述第一折射率。更好的是，所述第二介质是空气。更好的是，所述会聚透镜形状是双凹，平凹或新月形凹透镜。
在第二个实施例中，所述第二折射率高于所述第一折射率。更好的是，所述会聚透镜形状是双凸，平凸或新月形凸透镜。
本发明的第三方面提供一种包含多个发射光学元件和多个接收光学元件的光触摸屏传感器，其中：
每个发射光学元件和每个接收光学元件包括平面透镜和光波导，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一端并且一个弯曲面形成所述条形波导的第二端，其中所述条形波导包含一个由第二折射率的第二介质制成的发散透镜，所述第二折射率不同于所述第一折射率。
最好是，所述平面透镜和所述光波导被制成单个整体。
最好是，所述平面透镜是会聚透镜。
最好是，所述第一介质是光学透明玻璃或聚合物材料。
在第一个实施例中，所述第二折射率低于所述第一折射率。更好的是，所述第二介质是空气。更好的是，所述发散透镜形状是双凸，平凸或新月形凸透镜。
在第二个实施例中，所述第二折射率高于所述第一折射率。更好的是，所述发散透镜形状是双凹，平凹或新月形凹透镜。
本发明的第四特征提供一种包含多个发射光学元件和多个接收光学元件的光触摸屏传感器，其中：
每个发射光学元件和每个接收光学元件包括平面透镜和光波导，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一端并且一个弯曲面形成所述条形波导的第二端，其中所述条形波导至少包含一个由第二折射率的第二介质制成的会聚透镜，所述第二折射率不同于所述第一折射率。
最好是，所述平面透镜和所述光波导被制成单个整体。
最好是，所述平面透镜是会聚透镜。
最好是，所述第一介质是光学透明玻璃或聚合物材料。
在第一个实施例中，所述第二折射率低于所述第一折射率。更好的是，所述第二介质是空气。更好的是，所述会聚透镜形状是双凹，平凹或新月形凹透镜。
在第二个实施例中，所述第二折射率高于所述第一折射率。更好的是，所述会聚透镜形状是双凸，平凸或新月形凸形透镜。
除非上下文清楚地要求，否则在说明书和权利要求书中，词语“包括”是包括在内的意义，而不是排他的意义或详尽的意义，即，它是“包含，但不限于”的意义。
附图说明
现在参照附图描述仅仅作为例子的本发明，其中：
图1是从透镜阵列发射光束(从集成光波导的对应阵列中接收光束)的“理想”情况的平面示意图，其中准直光束是从每个透镜的整个宽度发射的；
图2是从透镜阵列发射光束(从集成光波导的对应阵列中接收光束)没有足够大的发散角以充满每个透镜的情况的平面示意图；
图3是按照本发明第一方面的复合透镜的平面示意图；
图4a表示利用高斯光学模型的一对发射与接收透镜之间的光束；
图4b表示利用几何光学模型的一对发射与接收透镜之间的光束；
图5表示包含高放大倍数透镜的微光学元件组合；
图6是按照本发明第二方面的复合透镜的示意平面图；
图7a说明按照本发明第一方面的复合透镜的尺寸；
图7b说明发散的空气透镜尺寸及其在会聚透镜内的位置，用于形成按照本发明第一方面的复合透镜。
图8说明按照本发明第一方面的复合透镜的性能，并与现有技术透镜的性能进行比较；和
图9是说明按照本发明第二方面的各种复合透镜的温度灵敏度曲线，并与现有技术透镜的温度灵敏度进行比较。
具体实施方式
图1所示的现有技术透镜设计中的一个问题是，准直光束16实际上不能“充满”透镜元件10的弯曲面12，而是形成被相当大的“暗”区21分隔的离散光束20，如图2所示。现有技术透镜设计中的第二个问题是，它对于布局的误差是极其灵敏的，具体是物距(在点15与弯曲面12之间的距离)和透镜的折射本领(它是由弯曲面12的曲率半径和构成透镜元件10的材料折射率所确定)的误差。在透镜元件10的主体内插入一个或多个附加的透镜，可以分别解决这两个问题，从而制成一个复合透镜。为了便于加工制造，这些附加的透镜最好是由空气构成，虽然它们也可以利用其他的材料构成，这些材料的折射率不同于构成透镜元件10的材料折射率。
因为透镜元件10基本上是一个条形波导，本发明的复合透镜包括条形波导内的平面透镜。有平面透镜的光学装置在本领域中是众所周知的，该平面透镜是由空气或一些其他材料构成，并包含在条形波导内。在一个例子中，Japanese Patent Application No.JP5678814A公开包含在聚合物条形波导内的会聚的和发散的空气透镜，用于耦合光进入或离开连接到条形波导的光纤。在另一个例子中，US Patent No.US 5,253,319公开包含会聚透镜的条形波导，该会聚透镜包括空气或一些其他的材料，用于在多个输入光纤与输出光纤之间分配光功率。在另一个例子中，Chang et al.(IEEE Photonics Technology Letters vol.15，pp.1378-1380，2003)公开一种包括条形波导的平面扩束器，其中有串联的一个发散透镜和一个会聚透镜。然而，在所有这些现有技术的情况下，条形波导本身不包括透镜。例如，在JP5678814A中，远离光纤的条形波导的端面是平面，而不是弯曲面。这种情况与本发明的复合透镜形成明显的对比，其中远离光波导11的条形波导端面12总是弯曲面，因此，该条形波导本身包括透镜。
按照本发明用于解决第一个问题的第一方面，发散透镜(在本领域中也称之为“负”透镜)插入在现有技术透镜元件的主体中。参照图3，按照本发明的第一方面，它表示长度为L并包括发散透镜32以及在此之后的会聚透镜31的复合透镜30。集成光波导33是沿箭头34的方向发射光束，并连接到在点35的复合透镜30的主体36。复合透镜30的主体36是由折射率大于1的介质制成，并终止在形成会聚透镜31的弯曲面37。在复合透镜30的主体36内是形成发散透镜32的不同折射率区，发散透镜32的位置是为了包含从点35传播光的发散角φ，并可用于增大发散角到β，因此，该光束现在可以充满弯曲面37。弯曲面37可以沿水平面方向准直这个光束以产生光束38。在所示的实施例中，弯曲面37包括部分的圆，因此，会聚透镜31是平面型圆透镜。然而，弯曲面37可以有适合于产生所需准直光束的任何形状。例如，不是包括部分的圆形，它可以包括一个或多个部分的椭圆形，抛物线或双曲线，或由多项式或任何其他公式产生的任何曲线。它还可以包括多个直线段，这些直线段近似一个或多个弯曲的部分。实际上，在制作所需掩模中涉及的数字化操作时形成有图形的会聚透镜31，其中弯曲面37是由多个直线段构成。所示的发散透镜32是双凸形状，在这种情况下，它是由较低的折射率介质构成。专业人员应当理解，也可以使用平凸或新月形凸透镜。或者，发散透镜32可以包括较高的折射率介质，在这种情况下，它的形状可以是双凹，平凹或新月形凹状。不管选取什么形状的发散透镜32，它的弯曲面可以采用上述弯曲面37的任何形式。应当理解，弯曲面37和发散透镜32都可以有更复杂的形状。例如，弯曲面37可以包括两个或多个凸形部分，每个部分对应于发散透镜的凸形或凹形部分。
应当理解，在弯曲面37的给定“充满因子”条件下，添加发散透镜可以减小复合透镜的长度。在波导基光触摸屏的具体应用中，这种长度减小可以有利地减小触摸屏框的宽度，在这个触摸屏框内安装波导和透镜。
在本发明第一方面的优选实施方案中，复合透镜30的主体是由光学透明玻璃或聚合物制成，而发散透镜32是由空气(它的折射率基本上等于1)构成。空气透镜对于便于加工制造是特别优选的，因为它与复合透镜30的主体36比较，可以提供很大的折射率对比度。然而，应当注意，发散透镜32也可以由空气之外的一些其他材料构成，只要在该材料与主体36之间有足够的折射率对比度。专业人员应当理解，在给定的发散角下，发散透镜设计的具体细节取决于两种介质的折射率。
若发散透镜32是由空气构成，则传输通过它的光线不会沿垂直(离面)方向被引导，因此，存在一些来自离面发散的光损失。所以，重要的是限制通过发散透镜的光程长，从而使这种离面损失不是太大。离面发散损失对于传输最长空气间隙的那些光线是最严重的，在发散(凸形)空气透镜中，最长的空气间隙是在中心区。在这种情况下，离面损失实际上可能是有利的，因为它有助于降低中心区的强度，从而在透镜结构上提供更均匀的强度分布。如在US 2004/0201579A1中所公开的，均匀的强度分布对于光触摸屏传感器的具体应用是有利的。应当理解，若发散透镜32是由大于复合透镜30的主体36的折射率材料制成，则传输通过发散透镜的光就没有任何的离面损失。
现在利用几何光学方法(例如，参阅E Hecht的“Optics”第5章中的处理部分，第二版，Addison-Wesley，1987)描述本发明复合透镜可以解决的第二个问题。在图1中，光触摸屏传感器的“发射侧”透镜元件10发射准直光束16。事实上，这是理想化的情况，因为衍射的作用是扩展被发射的光束，从而不能形成完全的准直。在较实际的图像中，应当设计这样的发射侧透镜，可以使每个被发射的光束聚焦成在显示区中某个点的光束腰。如图4a所示，光束腰40最好是在发射透镜元件41与接收透镜元件42之间的中间位置，因此，这两个透镜元件有相同的宽度。图4b表示几何光学图像，其中从点44的发射波导43中发出的光束是作为尺寸ho的物体(它等于发射波导43的宽度400)，被弯曲面45折射后形成显示屏区47中间位置上尺寸为hi的图像46。在这个系统中，(横向)放大倍数是由公式M＝hi/ho给出。该放大倍数也可以由公式M＝-si/so给出，其中so是物距48和si是像距49。请注意，在用于产生实像的简单会聚透镜的常用符号规则中，so，si和ho都是正的，而hi(和M)是负的，即，该图像是倒立的。
在典型的波导基光触摸屏中，透镜元件的长度(即，so)是2mm的数量级，而显示区的宽度或高度(即，2·si)是60mm的数量级，因此，放大倍数M是-15的数量级。这是单个透镜系统的高放大倍数，专业人员众所周知，这种高放大倍数的系统对于布局的误差是极其灵敏的。这类问题在微光学领域中是经常遇到的，其中需要以高的空间精确度组合一个或多个透镜和其他的光学元件。作为类似于图4b所示发射元件的一个微光学例子，图5表示用于聚焦从光纤53的纤芯52中发出的光束51到检测器54上，其中透镜50被限制在比检测器54更接近的光纤53附近。因为物距55远远小于像距56，这代表一个高放大倍数的系统，微光学领域中的专业人员都知道，透镜50的位置或它的设计(例如，其表面的曲率半径)的很小误差可以造成图像尺寸和位置的很大误差。此外，若透镜50是由很大的热光系数(即，折射率随温度的变化速率)材料制成，则温度变化还可以严重影响它的成像本领。具体地说，我们知道聚合物有非常高的热光系数(通常是-1至-4×10-4/℃)，例如，硅酸盐玻璃的热光系数是1×10-5/℃的数量级。
在图4b所示发射元件的情况下，像距si(以及相当地，图像尺寸hi)对于发射透镜元件41的长度(即，物距so)和发射透镜元件41的折射本领(它是由弯曲面45的曲率半径和构成发射透镜元件41的材料折射率所确定)的误差是极其灵敏的。若图像形成在不正确的位置上(即，不在显示屏幕区47的中点)，则该光束不能被接收透镜元件42正确地收集，而甚至被相邻的透镜元件收集，从而产生杂散信号。
按照用于解决第二个问题的本发明第二方面，会聚透镜被引入到透镜元件10的主体中。参照图6，它说明按照本发明第二方面的复合透镜元件60，其中包括第一会聚透镜61和第二会聚透镜62。与图4b所示的简单透镜元件41比较，利用两个较低放大倍数的会聚透镜代替放大倍数为M的单个透镜(即，弯曲面45)。微光学领域的专业人员知道，这种配置可以减小透镜系统对于设计和/或组装误差的灵敏度。若第一会聚透镜61的放大倍数为M1和第二会聚透镜62的放大倍数为M2，且若M1·M2＝M，则复合透镜元件60与简单透镜元件41有相同的成像性能(根据像距si和图像高度hi进行测量)。然而，专业人员应当理解，如果它们有相同的放大倍数，则复合透镜元件60不必做得比简单透镜元件41长。
从复合透镜元件60的几何光学观点考虑，波导63与复合透镜元件60的主体64之间的连接点可以作为第一会聚透镜61的物65，其大小ho1等于波导63的宽度69。第一会聚透镜61设计成投影物65以形成在主体64之后的虚像66，而第二会聚透镜62设计成投影虚像66以形成实像67，最好是在位于显示区的中间位置。光通过复合透镜60的实际光程是用射线68表示。如同在本发明的第一方面中，复合透镜元件60必须设计成包含光从波导63传播进入主体64的发散角φ。在这种配置中，第一会聚透镜的放大倍数是正的(它产生正立的虚像)，而第二会聚透镜的放大倍数是负的(它产生倒立的实像)。
请注意，两个会聚透镜61和62还可以有类似的安排，其中第一会聚透镜61形成在显示区的中点之外的实像；这个图像的作用是第二会聚透镜62的虚物，第二会聚透镜62形成的实像67是在显示区的中间位置。然而，这种安排不是有利的，因为第一会聚透镜61必须有高于简单透镜元件41的放大倍数，从而使它对于设计和/或组装误差有更高的灵敏度。
在本发明第二方面的优选实施方案中，复合透镜60的主体64是由光学透明玻璃或聚合物构成，而第一会聚透镜61是由空气(它的折射率基本上等于1)构成。空气透镜是特别便于加工制造，因为它与复合透镜60的主体64比较可以提供很大的折射率对比度。然而，还应当注意，第一会聚透镜61可以由空气之外的一些其他材料制成，只要在该材料与主体36之间有足够的折射率对比度。如同在本发明的第一方面中，重要的是限制通过第一会聚透镜的光程长，从而使光传输通过它的离面发散损失不是太大。
利用光刻蚀术/湿式显影过程，可以有利地从光致图形的聚合物中制作光本发明的复合透镜结构。光致图形的聚合物是特别优选的，因为它制作图形有方便和宽松的条件(例如，在UV曝光之后的溶剂显影)。
一种特别适用的材料是UV固化的硅氧烷聚合物，例如，利用在US 6,818,721或US 6,800,724中所公开的缩合反应进行合成。硅氧烷聚合物对于包括硅，玻璃和塑料的各种基片材料有良好的附着力。可以添加光引发剂或热引发剂以增大固化速率。商品化的光引发剂例子包括：1-羟基-环己基-苯基-酮(Irgacure 184)，2-甲基-1[4-甲硫基苯基]-2-吗啉丙烷-酮(Irgacure 907)，2，2-二甲氧基-1，2-偏二苯基乙烷-1-酮(Irgacure 651)，2-苯甲基-2-二苯胺-1-(4-吗啉苯基)-丁酮(Irgacure 369)，4-(二苯胺)二苯甲酮，2-羟基-甲基-1-苯基-丙醛-1-酮(Darocur 1173)，二苯甲酮(Darocur BP)，1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基-]-2-羟基-2-甲基-1-丙醛-1-酮(Irgacure 2959)，4，4-双(二乙基)二苯甲酮(DEAB)，2-氯代硫杂蒽酮，2-甲基硫杂蒽酮，2-异丙硫杂蒽酮，二苯乙醇酮和4，4-二甲氧二苯乙醇酮。在利用可见光固化时，引发剂可以是樟脑醌。还可以利用两种或多种光引发剂的混合物。例如，Irgacure 1000是80％的Darocur 1173与20％的Irgacure 184的混合物。在利用热固化时，过氧化物形式的有机过氧化物(例如，联苯酰过氧化物)，过碳酸盐，过酸酯(t-丁基过苯甲酸盐)，过酮缩醇，氢过氧化物，以及AIBN(偶氮二异丁腈)可以用作引发剂。
可以加入其他的添加剂，例如，稳定剂，增塑剂，对比度增强剂，染料或填充剂，用于增强所需的聚合物性质。
参照图3，在以下的两个非限制性例子中，我们描述按照本发明第一方面的复合透镜结构的加工制作。
例子1
按照在US 6,818,721中公开的步骤，制备较低折射率的聚合物A，其粘度为2500cP(在20℃下)和折射率为1.483(在室温的Abbe折射仪上温度20℃下测量)。制备较高折射率的聚合物B，其粘度为2200cP(在20℃下)和折射率为1.509(在20℃下)。添加合适的光引发剂到聚合物A和聚合物B上。
旋转涂敷聚合物A到硅晶片上，并利用汞灯的UV光进行固化，用于形成20μm厚和折射率为1.492的下包层(在20℃和850nm下)。旋转涂敷聚合物B到下包层上，用于形成11μm厚的芯层，并利用UV光通过掩模制成图形；然后，未曝光的聚合物B材料在异丙醇中溶解，用于形成波导33和复合透镜30，复合透镜30包括由空气构成的发散透镜32以及在此之后的会聚透镜31。被曝光的聚合物B的折射率为1.519(在20℃和850nm下)。最后，任选地，可以利用旋转涂敷方法形成保护性的上包层和UV固化第二层聚合物A。请注意，需要在这个上包层上制作图形，其方式类似于聚合物B层，它不但可以避免覆盖和破坏会聚透镜31的弯曲聚焦面37(如在US PatentApplication No.2005/0089298A1中所公开的)，而且还可以避免固化的聚合物A材料填充发散空气透镜。虽然在发散空气透镜中被暂时填充未固化的聚合物A，但是这种材料在随后的异丙醇显影步骤中可以被去除。只要发散空气透镜仍保持未被覆盖，有图形的上包层所终止的点不是特别重要的。例如，图形可以在点35或其附近终止，因此，波导33实际上比复合透镜30长约两个数量级，它仍然保持机械上受保护。
应当理解，若发散透镜32是由空气构成，则可以添加它到现有的会聚透镜31上，而无需任何附加的处理步骤。它仅要求改变掩模的设计，因此，它是方便制作的。然而，也可以增加附加的处理步骤，利用一些其他的可固化聚合物C填充发散透镜区，其折射率与聚合物B的折射率有很大的不同，该步骤可以在(任选)沉积上包层和制成图形之前或之后。当然，也可以利用上包层的聚合物A填充发散透镜区，但由于它的折射率(用于波导)通常仅略微低于聚合物B的折射率，从而使发散透镜的折射本领受到严重的限制。
例子2
参照图7a和7b，现在描述按照本发明第一特征的典型复合透镜30的尺寸，它是利用例子1中所描述的步骤制作的，并包括发散透镜32及其在此之后的会聚透镜31。参照图7a，在点35进入复合透镜30的波导33的宽度70是8μm。会聚透镜31有长度为300μm的喇叭口部分71，长度为1160μm的平直部分72，宽度73是750μm，并终止在弯曲面74上，弯曲面74是一个圆弧形，其曲率半径为570μm。参照图7b，发散空气透镜32是宽度75为80μm和长度76为16μm的双凸形结构，它是由曲率半径为100μm的两个圆弧77构成，并放置在离点35有130μm的距离78上。在几何光学的图像中，发散透镜32在它本身与点35之间形成一个虚像，这个虚像的作用是包括弯曲面74的会聚透镜31的物。假设波长850nm的单模光束(即，高斯模TEM00)是在折射率1.519的介质中，图7b的发散空气透镜32可以使光在复合透镜30内的发散角大致增加一倍。这个计算结果是利用实验证实的，其中从光纤(Corning SMF 28)中发射光束进入上述尺寸的包含和没有包含发散空气透镜的透镜结构中。在这两种透镜结构内，利用CCD摄像机对光在两个波长633nm和819nm下的发散角成像，如图8所示。这些照片说明，包含发散透镜可以使发散角从15°增大到32°，大致增加一倍。
在以下的三个非限制性例子中，我们描述按照本发明第二方面的某些优选复合透镜以及现有技术简单透镜元件的缺点。
相反例子1
按照在例子1中的方法制备低折射率聚合物A和高折射率聚合物B。为了制作图4b所示现有技术的简单发射透镜元件41，旋转涂敷聚合物A到硅晶片上，并利用汞灯的UV光进行固化，用于形成20μm厚和折射率为1.492的下包层(在20℃和850nm下)。旋转涂敷聚合物B到下包层上，用于形成11μm厚的芯层，并利用UV光通过掩模制成图形；然后，未曝光的聚合物B材料在异丙醇中溶解，用于形成宽度400为8μm的波导43和宽度401为0.75mm和长度48为2.0mm的透镜元件41。被曝光的聚合物B材料的折射率为1.519(在20℃和850nm下)。透镜元件41终止在曲率半径为0.655mm的圆弧形的弯曲面45上。在弯曲面45(单个球形界面)上的折射是由以下的公式确定：
n 1 s o + n 2 s i = n 2 - n 1 R - - - ( 1 )
其中n1是第一介质(固化的聚合物B)的折射率(取值1.519)，n2是第二介质(空气)的折射率(取值1)，R是弯曲面45的曲率半径(-0.655mm，在常用的符号规则中取负值)，so是物距(等于2.0mm的长度48)，和si是像距49。简单地重新安排公式(1)可以得到si＝30mm，因此，放大倍数(由公式M＝-si/so给出)是-15。由于波导43的宽度400为8μm(取它为物的大小ho)，像的大小hi是-120μm(负值表示图像是倒立的)。
从公式(1)中可以看出，像距si是受so，R和n1(n2是空气的折射率，可以安全地假设它为常数)变化的影响。首先考虑几何参数so和R，表1和表2表示so和R的微小变化(±5，10和15μm)对si的影响，其中所有其他的参数保持恒定。可以看出，si对于在透镜元件41设计中的微小扰动是高度灵敏的，特别是R的误差。
  s<sub>o</sub>/mm   s<sub>o</sub>的％变化   s<sub>i</sub>/mm   s<sub>i</sub>的％变化
  1.985   -0.75   36.23   +20.8
  1.990   -0.50   33.87   +12.9
  1.995   -0.25   31.81   +6.1
  2.000   0   30.00   0
  2.005   +0.25   28.38   -5.4
  2.010   +0.50   26.94   -10.2
  2.015   +0.75   25.65   -14.5
表1：对于放大倍数为-15的标称2mm长的简单发射元件，像距si与物距so之间的变化关系
  R/mm   R的％变化   s<sub>i</sub>/mm   s<sub>i</sub>的％变化
  -0.670   +2.3   64.19   +114.0
  -0.665   +1.5   46.71   +55.7
  -0.660   +0.8   36.59   +22.0
  -0.655   0   30.00   0
  -0.650   -0.8   25.35   -15.5
  -0.645   -1.5   21.91   -27.0
  -0.640   -2.3   19.26   -35.8
表2：对于放大倍数为-15的2mm长的简单发射元件，像距si与透镜曲率半径R之间的变化关系
由于透镜元件41是利用很大的热光系数的材料制成(聚合物B的dn1/dT＝-2.8×10-4)，它对于在设计温度20℃附近的起伏也是灵敏的，如表3示。
  T/℃   n<sub>1</sub>   n<sub>1</sub>的％变化   s<sub>i</sub>/mm   s<sub>i</sub>的％变化
  5   1.5232   +0.28   26.56   -11.5
  10   1.5218   +0.18   27.61   -7.9
  15   1.5204   +0.09   28.75   -4.1
  20   1.519   0   30.00   0
  25   1.5176   -0.09   31.35   +4.5
  30   1.5162   -0.18   32.83   +9.4
  35   1.5148   -0.28   34.46   +14.9
表3：对于放大倍数为-15的2mm长的简单发射元件，像距si与环境温度之间的变化关系
在当前的情况下，其中透镜元件41是利用掩模基光刻蚀方法制成的，从而可以高精度地(通常是几个nm)限定透镜元件41的几何结构(实际上是s0和R)，因此，在给定温度下，像距si是基本固定的。然而，在包含光触摸屏的用户电子设备中，控制该设备的温度通常是不经济的，因此，表3中所展示的温度灵敏度可能是一个严重的问题。
例子3
按照例子1中的方法制备低折射率聚合物A和高折射率聚合物B。为了制作按照本发明第二特征的复合发射透镜元件60，如图6所示，旋转涂敷聚合物A到硅晶片上，并利用汞灯的UV光进行固化，用于形成20μm厚和折射率为1.492的下包层(在20℃和850nm下)。旋转涂敷聚合物B到下包层上，用于形成11μm厚的芯层，并利用UV光通过掩模制成图形；然后，未曝光的聚合物B在异丙醇中溶解，用于形成宽度69为8μm的波导63和宽度600为0.75mm和长度601为2.5mm的复合透镜元件60。被曝光的聚合物B材料的折射率为1.519(在20℃和850nm下)。复合透镜的主体64包含由空气构成的第一会聚透镜61，并终止在形成第二会聚透镜62的弯曲面602上。在这个例子中，第一会聚透镜61是对称的双凹透镜，它有相等曲率半径R1的两个表面。在第一会聚透镜61上的折射是由以下的薄透镜公式确定：
n 1 s o 1 + n 1 s i 1 = 2 ( n 2 - n 1 ) R 1 - - - ( 2 )
其中n1是第一介质(固化的聚合物B)的折射率(取值1.519)，n2是第二介质(空气)的折射率(取值1)，so1是物距，和si1是像距。
在第二会聚透镜62上的折射是由以下的公式确定：
n 1 s o 2 + n 2 s i 2 = n 2 - n 1 R 2 - - - ( 3 )
其中n1＝1.519和n2＝1，R2是弯曲面602的曲率半径，so2是物距，和si2是像距。
在这个例子中，复合透镜60设计成与相反例子1中简单透镜元件41有相同的总放大倍数(M＝-15)，其中第一会聚透镜61的放大倍数是M1＝+√15～3.873(正值，因为它的图像是正立的虚像)和第二会聚透镜62的放大倍数是M2＝-√15～-3.873。我们把这种具体的安排标记为“50/50复合透镜”。此外，复合透镜60设计成与相反例子1中简单透镜元件41有相同的像距，即，si2＝30mm，因此，图像67形成在相同的位置并有相同的大小(120μm)。这些限制与2.5mm的总透镜长度601的组合足以固定复合透镜60的配置：第一会聚透镜61的位置与点65的距离为1.826mm(因此，so1＝1.826mm)和曲率半径R1＝-1.682mm，而弯曲面602的曲率半径R2＝-2.262mm。
在考虑这种复合透镜的设计容差时，现在有四个可以变化的几何参数(so1，总长度601，R1和R2)，以及随环境温度变化的折射率n1。在表4至表8中给出的50/50复合透镜的si2对这些参数的灵敏度。
  s<sub>o1</sub>/mm   s<sub>o1</sub>的％变化   s<sub>i2</sub>/mm   s<sub>i2</sub>的％变化
  1.811   -0.82   35.72   +19.0
  1.816   -0.55   33.58   +11.9
  1.821   -0.27   31.69   +5.6
  1.826   0   30.00   0
  1.831   +0.27   28.49   -5.0
  1.836   +0.55   27.12   -9.6
  1.841   +0.82   25.88   -13.7
表4：对于放大倍数为-15的2.5mm长的50/50复合发射透镜元件，像距si2与第一透镜的物距之间的变化关系
  总长度/mm   长度的％变化   s<sub>i2</sub>/mm   s<sub>i2</sub>的％变化
  2.485   -0.60   30.35   +1.2
  2.490   -0.40   30.23   +0.8
  2.495   -0.20   30.12   +0.4
  2.500   0   30.00   0
  2.505   +0.20   29.89   -0.4
  2.510   +0.40   29.78   -0.8
  2.515   +0.60   29.66   -1.1
表5：对于放大倍数为-15的标称2.5mm长的50/50复合发射透镜元件，像距si2与复合透镜的总长度之间的变化关系
  R<sub>1</sub>/mm   R<sub>1</sub>的％变化   s<sub>i2</sub>/mm   s<sub>i2</sub>的％变化
  -1.697   +0.89   34.73   +15.8
  -1.692   +0.59   33.01   +10.0
  -1.687   +0.30   31.44   +4.8
  -1.682   0   30.00   0
  -1.677   -0.30   28.68   -4.4
  -1.672   -0.59   27.46   -8.5
  -1.667   -0.89   26.34   -12.2
表6：对于放大倍数为-15的2.5mm长的50/50复合发射透镜元件，像距si2与第一会聚透镜的曲率半径之间的变化关系
  R<sub>2</sub>/mm   R<sub>2</sub>的％变化   s<sub>i2</sub>/mm   s<sub>i2</sub>的％变化
  -2.277   +0.66   31.43   +4.7
  -2.272   +0.44   30.94   +3.1
  -2.267   +0.22   30.46   +1.5
  -2.262   0   30.00   0
  -2.257   -0.22   29.55   -1.5
  -2.252   -0.44   29.11   -3.0
  -2.247   -0.66   28.68   -4.4
表7：对于放大倍数为-15的2.5mm长的50/50复合发射透镜元件，像距si2与第二会聚透镜的曲率半径之间的变化关系
  T/℃   n<sub>1</sub>   n<sub>1</sub>的％变化   s<sub>i2</sub>/mm   s<sub>i2</sub>的％变化
  5   1.5232   +0.28   26.75   -10.9
  10   1.5218   +0.18   27.75   -7.5
  15   1.5204   +0.09   28.83   -3.9
  20   1.519   0   30.00   0
  25   1.5176   -0.09   31.27   +4.2
  30   1.5162   -0.18   32.65   +8.8
  35   1.5148   -0.28   34.15   +13.8
表8：对于放大倍数为-15的2.5mm长的50/50复合发射透镜元件，像距si2与环境温度之间的变化关系
比较表4和表5与相反例子1中的表1，它说明透镜位置的微小误差的效应，可以看出，引入额外的透镜对容差仅有很小的提高。另一方面，比较表6和表7与相反例子1中的表2，它说明透镜表面曲率的微小误差的效应，其中展示引入额外的透镜对容差有很大的提高，它指出50/50复合发射透镜元件远远优于现有技术的简单发射透镜元件。最后，比较表8与相反例子1中的表3，它说明温度变化的效应，可以看出，引入额外的透镜对容差仅有很小的提高。
应当理解，除了50/50之外，只要满足条件M1.M2＝-15，本发明的复合发射透镜元件还可以设计成在第一透镜与第二透镜之间有一些其他的“放大倍数分割比”，因此，可以保持整体的透镜性能。有不同放大倍数分割比的复合透镜对于几何误差和温度变化有不同的容差。例如，若对第二透镜的精确加工制造或定位比较困难，则可以有利地设计这样的复合透镜，其中第一透镜有高于第二透镜的放大倍数。
例子4
如以上所解释的，环境温度的变化是影响光触摸屏透镜元件性能的重要变量，该透镜元件是由聚合物构成并通过光刻蚀方法制作。这个例子说明如何设计本发明的复合发射透镜元件，它与现有技术复合发射透镜元件比较，可以有大大减小的温度灵敏度，与此同时，可以保持总的成像性能(即，放大倍数和像距)。
如在例子3中，低折射率聚合物A和高折射率聚合物B用于形成宽度69为8μm的波导63和宽度600为0.75mm和长度601为4mm的复合透镜元件60。图9表示有不同X/Y放大倍数分割比的几个复合发射透镜元件的si2对环境温度变化的灵敏度。表9给出这些射透镜元件的设计参数。请注意，在每种情况下，复合透镜设计成的像距si2为30mm和总的放大倍数为-15；第一和第二透镜的各自放大倍数是由公式M1＝+√(X·15/Y和M2＝-√(Y·15/X)给出。作为比较，图9还表示现有技术的相当2mm长简单发射透镜的温度灵敏度。可以看出，通过引入相对低放大倍数的额外会聚透镜，可以大大减小温度灵敏度，其代价是增加透镜元件的长度。请注意，虽然现有技术的4mm长简单发射透镜也可以有减小的温度灵敏度，但是，它的放大倍数仅为-7.5。利用复合透镜的优点是，在不损害成像本领的条件下，可以减小温度灵敏度。在复合透镜配置中，通过延长透镜的长度，仍然可以进一步减小发射透镜的温度灵敏度，但是，它显然受到触摸屏系统中其他设计约束的限制，特别是显示框的宽度。
  复合透镜的放大倍数分割比 s<sub>o1</sub>/mm 长度/mm R<sub>1</sub>/mm R<sub>2</sub>/mm
  25/75   0.382   4   -0.472   -1.391
  50/50   1.304   4   -1.201   -2.262
  75/25   1.650   4   -1.325   -3.542
  90/10   1.812   4   -1.355   -5.258
表9：用于放大倍数为-15的4mm长的复合发射透镜元件的设计参数
虽然本发明的描述是参照具体的例子，但是，专业人员应当理解，本发明可以有许多其他的形式。
有利的是，本发明的第一方面可应用于任何的情况，其中要求共面透镜有很大的发散角，而本发明的第二方面可应用于任何的情况，其中要求共面透镜对于设计或组装误差和/或环境温度的变化有提高的容差。本发明的一个具体应用是在US Patent No.5,914,709，6,181,842和6,351,260中描述的光触摸屏传感器类型。具体地说，本发明的描述涉及光触摸屏传感器的发射侧光学，其中光束被扩展并发射进入自由空间。然而，这些论点可以同样适用于在触摸屏另一侧的接收侧光学，它收集部分的光束，并把它们传输到波导阵列。更具体地说，在本发明的第一方面中，接收侧透镜的弯曲前表面接收部分的光束，并在透镜的主体内会聚，而包含的发散透镜调整会聚角，使它与波导的接收角匹配。若没有发散透镜，则大部分的光不能耦合进入波导。相反地，按照本发明第二方面的接收侧透镜元件对于设计误差或环境温度变化可以有提高的容差。
本发明第二方面的描述涉及复合发射透镜元件，其中附加的会聚透镜插入到包括单个会聚透镜的现有技术发射透镜元件的主体内。在这个实施例中，复合发射透镜元件中的两个会聚透镜的组合代替现有技术发射元件的单个会聚透镜，它可以提高对于设计或组装误差和/或环境温度变化的容差。应当理解，在有技术发射透镜元件的主体内增加两个或多个会聚透镜，可以进一步提高这种容差。

Claims (14)

1.一种包括平面透镜和光波导的光学元件，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一端，并且一个弯曲面形成所述条形波导的第二端，其中所述条形波导包含一个由第二折射率的第二介质制成的发散透镜，所述第二折射率不同于所述第一折射率，其中所述弯曲面形成会聚透镜。
2.按照权利要求1的光学元件，其中所述平面透镜和所述光波导被制成单一整体。
3.按照权利要求1的光学元件，其中所述平面透镜是会聚透镜。
4.按照权利要求1的光学元件，其中所述第一介质是光学透明玻璃或聚合物材料。
5.按照权利要求1的光学元件，其中所述第二折射率低于所述第一折射率。
6.按照权利要求1的光学元件，其中所述第二介质是空气。
7.按照权利要求1的光学元件，其中所述发散透镜形状是双凸，平凸或新月形凸透镜。
8.一种包含多个发射光学元件和多个接收光学元件的光触摸屏传感器，其中：
每个发射光学元件和每个接收光学元件包括平面透镜和光波导，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一端，并且一个弯曲面形成所述条形波导的第二端，所述条形波导包含一个由第二折射率的第二介质制成的发散透镜，所述第二折射率不同于所述第一折射率，其中所述弯曲面形成会聚透镜。
9.按照权利要求8的光触摸屏传感器，其中所述平面透镜和所述光波导被制成单一整体。
10.按照权利要求8的光触摸屏传感器，其中所述平面透镜是会聚透镜。
11.按照权利要求8的光触摸屏传感器，其中所述第一介质是光学透明玻璃或聚合物材料。
12.按照权利要求8的光触摸屏传感器，其中所述第二折射率低于所述第一折射率。
13.按照权利要求8的光触摸屏传感器，其中所述第二介质是空气。
14.按照权利要求8的光触摸屏传感器，其中所述发散透镜形状是双凸，平凸或新月形凸透镜。
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