CN100570408C - 准直透镜结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种准直透镜结构。光学元件接收具有第一光束角和轴线的输入光束。所述光学元件包括第一表面，所述第一表面接收输入光束并产生具有第二光束角的扩束光束，第二光束角大于或等于所述第一光束角。所述光学元件包括第二表面，所述第二表面接收所述扩束光束并产生输出光束，所述输出光束是基本准直或接近准直的。所述输出光束相对于所述输入光束的所述轴线倾斜预定角度。

Description

准直透镜结构
技术领域
本发明一般地涉及准直透镜结构，更具体而言，本发明涉及进行扩束和准直并具有倾斜输出光束的准直透镜结构。
背景技术
用玻璃或塑料形成的准直器透镜是公知的。图1举例说明了第一现有技术准直器透镜10。第一现有技术准直器透镜10包括双曲面12和平面14。光源16(例如激光器)产生光束18，光束18通常以一定光束角或宽度发散。在经过现有技术的透镜10后，光束20通常是平行的。注意双曲面12实现了准直功能。
图2举例说明了第二现有技术准直器透镜30。第二现有技术准直器透镜30包括平面32和凸面34。光源36(例如激光器)产生光束38，光束38通常以一定光束角发散。在经过现有技术的透镜30后，光束通常是平行的。注意凸面34实现了准直功能。
不幸的是，这两种现有技术的方法都受到一些缺点或不利因素的影响。首先，在对空间有限制的紧凑应用(例如光电鼠标产品)中，现有技术的准直器沿着从光源到光束反射表面的轴线占据了太多空间。其次，有的系统和应用中需要倾斜的光束。但是，将激光器倾斜需要有严格的公差条件，在制造中实现这些条件是困难且昂贵的。
基于以上，仍有对克服前述缺点的光学元件的需求。
发明内容
根据本发明的一个实施例，本发明描述了用于对光束进行光学扩束、准直及弯曲或倾斜的光学元件和方法。光学元件接收具有第一光束角和轴线的输入光束。所述光学元件包括第一表面，所述第一表面接收输入光束并产生具有第二光束角的扩束光束，第二光束角大于或等于所述第一光束角。所述光学元件包括第二表面，所述第二表面接收所述扩束光束并产生输出光束，所述输出光束是基本准直或接近准直的。所述输出光束相对于所述输入光束的所述轴线倾斜预定角度。
附图说明
本发明以示例性而不是限制性的方式在附图中图示，相似的标号指明相似的元件。
图1示出了第一种现有技术的准直器。
图2示出了第二种现有技术的准直器。
图3示出了根据本发明一个实施例的光学元件。
图4示出了根据本发明一个实施例作为第一表面的示例性球面以及由该球面产生的倾斜的扩束光束角。
图5示出了根据本发明一个实施例作为第二表面的示例性椭球面以及由该椭球面产生的倾斜的基本准直的光束。
图6示出了根据本发明一个实施例的示例性第一表面以及该第一表面相对于光源的间距。
图7示出了根据本发明一个实施例的示例性第二表面以及该第二表面相对于虚光源的间距。
图8示出了根据本发明一个实施例的包括第一表面和第二表面的示例性光学元件、该第一表面引起的弯曲量、该第二表面引起的光弯曲量及由该光学元件导致的总弯曲量。
图9是根据本发明一个实施例图示由光学元件执行的光学处理步骤的流程图。
图10是根据本发明另一实施例使用了所述光学元件的光学导航设备的框图。
具体实施方式
描述了具有倾斜的输出光束的多个准直透镜结构。在下面的描述中，为了说明阐述了大量具体细节以便于充分理解本发明。但是，本领域的技术人员将很清楚，没有这些具体细节也可以实施本发明。在其他情况下，以框图的形式示出公知的结构和设备，以避免不必要地混淆本发明。
准直器透镜结构
图3图示了根据本发明一个实施例的光学元件300。设置了光源302，其产生具有第一光束角305的光束304(此处也称为“输入光束304”)。例如，光源302可以是激光器或发光二极管(LED)。光源302将具有预定光束角305的光束304沿着预定轴线导向根据本发明的透镜结构300。预定轴线此处也称为“输入光源轴线”或“光源中心轴”。在一个例子中，光源302产生光束304，光束304具有约+/-6.5度的窄光束角305。光源302位于第一介质306(例如空气)中。
光学元件(此处也称为“透镜结构”)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可以是椭球面。在一个实施例中，第一表面310处于与光源302的中心轴偏离的位置。换言之，第一表面310“偏离”光源302的中心轴。考虑到这一点，表面310在下文中也被称为“偏轴第一表面310”。在这个例子中，穿过球(第一表面310是所述球的一部分)中心的轴线通常平行于光源302的中心轴，但并不同于光源302的中心轴。
第一表面310接收具有第一光束角305的光束304，并产生具有第二光束角315的光束314。第一表面310也可选地将光束304弯曲一个预定的量(例如X度)。例如在一个实施例中，第一表面310实现以下光学功能中的一个或多个：1)将光束304光学扩束到一个预定的光束角(例如第二光束角315)，此预定的光束角大于或等于来自光源302的光束304的初始光束角(例如第一光束角305)；及2)将光束304光学地弯曲或倾斜一个预定角度(例如倾斜X度)。在一个实施例中，由第一表面310产生的倾斜或弯曲约为15度。由第一表面310进行的对光束304的光学扩束及对光束304的弯曲在下文中有更详细的描述。
第二表面320接收扩束且倾斜一次的光束314，并产生具有第三光束角329的输出光束328。第二表面320也可选地将光束314弯曲一个预定的量，总共为Y度。例如，在一个实施例中，第二表面320接收扩束且倾斜一次的光束314，并产生输出光束328，光束328是基本准直或接近准直的(例如，略有会聚性的多条光线或略有发散性的多条光线)且具有总共Y度的倾斜(例如，总共30度倾斜)。第二表面320实现以下光学功能中的一个或多个：1)对经过扩束且倾斜一次的光束314进行光学准直；及2)使经过扩束且倾斜一次的光束314进一步光学地弯曲或倾斜。
在一个例子中，第二表面320使光束314进一步弯曲以产生具有由预定角度(Y)指定的总倾斜的输出光束。由第二表面320进行的光束的光学准直和光束的弯曲在下文中有更详细的描述。
在一个实施例中，光学元件产生接近准直的输出光束(例如，可能略有发散性或略有会聚性的光线束)。在另一个实施例中，光学元件产生具有准直的或基本准直的多条光线的输出光束。基本准直意味着输出光束的光束角比由光学元件接收到的输入光束的第一光束角明显更小或小很多(例如，输出光束的发散接近于零)。
光学元件300可以用这样的材料制造，例如玻璃、塑料或光学元件制造领域技术人员已知的其他材料。
在一个实施例中，光学元件300用单个透镜元件实现，该透镜元件包括产生理想衍射极限折射的第一可成型表面和产生理想衍射极限折射的第二可成型表面。在此实施例中，单个透镜元件300用具有内置最小偏折棱镜的扩束准直器实现，该棱镜可使光束相对于输入光源轴线(例如激光器轴线)产生预定的倾斜。在一个例子中，光学元件将输入光束倾斜Y度(例如30度)。根据本发明的光学架构在比现有技术方法更短的空间内产生倾斜的光束，还提供了更小的波前像差。
示例性第一表面420
图4图示了根据本发明一个实施例作为第一表面的示例性球面420。光源410产生被引导至球面420的光束。表面420接收来自光源410的光束并产生如图3所示的输出光线(例如倾斜并经过扩束的光束)。当输出光线反转后，反转的输出光线450穿过虚光源414。注意虚光源414位于第一介质430(例如空气)中。第一表面420产生的输出光线在第二介质(例如玻璃或塑料)中传播。
示例性第二表面520
图5图示了根据本发明一个实施例作为第二表面的示例性椭球面520和由椭球面520产生的倾斜的基本准直的光束。虚光源510产生被引导至第二表面520的经过扩束的光束550。经过扩束的光束550在第二介质530(例如玻璃或塑料)中传播。第二表面520接收来自虚光源510的经过扩束的光束550并产生输出光线(例如倾斜的基本准直的光束560)。第二表面520可以实现为椭球面。输出光线在另一介质(例如空气)中传播并射到倾斜表面570上。
椭球面的卡帕值
椭球面可以用下式描述：
Sag = cr 2 1 + 1 - ( 1 + κ ) c 2 r 2 , 其中K是用于确定二次曲面类型的参数卡帕(用K或κ表示)，c＝1/R为极点处的曲率。例如，当K＝0时，该二次曲面是球面；而当K＝-1时，该二次曲面是抛物面。当-1≤K≤0时，该二次曲面是椭球面。在一个实施例中，卡帕值(用“K”表示)的范围如下：-1.4/n2≤K≤0.7/n2。例如，在另一实施例中，卡帕值(用“K”表示)的范围如下：-1.2/n2≤K≤0.85/n2。在一种具体实现方式中，选择的K等于约-1/n2。
第一表面与光源的间距
图6图示了根据本发明一个实施例的示例性第一表面620和第一表面620相对于光源604的间距。参考图6，对于具有半径(RS)的球和透镜材料折射率(n)，另一介质(例如空气)中的光源(P)(例如激光器)离开球面的曲率中心(O)一段预定距离(L)。该预定距离(g*RS)可以变化并从一个取值范围中选择，其中g为某个实数。例如，在一个实施例中，光源(P)与球面的曲率中心(O)之间的距离(用“L”表示)范围为：RS≤L≤2.5RS。例如，在另一实施例中，光源(P)与球面的曲率中心(O)之间的距离(用“L”表示)范围为：1.25RS≤L≤2.0RS。
第一表面倾斜
光束(例如激光束)可以以偏轴角(记做“a”)瞄准。偏轴角是光线和球面半径之间的夹角。例如，在一个实施例中，球面中心轴与光束轴线之间的夹角(记做“a”)范围是：5度≤a≤45度。例如，在另一实施例中，球面中心轴与光束轴线之间的夹角(记做“a”)范围为：10度≤a≤35度。在一种具体实现方式中，“a”被选为等于约20度。
第二表面与虚光源的间距
图7图示了根据本发明一个实施例的示例性第二表面720和第二表面720相对于虚光源704的间距。参考图7，对于具有极半径(RP)的椭球，虚光源(Q)落在轴上，与极点处的曲率中心(S)有一段距离(用“M”表示)。该预定距离(h*RP)可以变化并从一个取值范围中选择，其中h为某个实数。例如，在一个实施例中，虚光源(Q)与椭球的曲率中心(S)之间的距离(用“M”表示)范围为：0.7RP/(n-1)≤M≤1.4RP/(n-1)。例如，在另一实施例中，虚光源(Q)与椭球的曲率中心(S)之间的距离(用“M”表示)范围为：0.85RP/(n-1)≤M≤1.2RP/(n-1)。在一种具体实现方式中，M被选为等于约RP/(n-1)。
第二表面倾斜
光束(例如激光束)可以以偏轴角(记做“b”)瞄准。偏轴角是光线和椭球长轴之间的夹角。例如，在一个实施例中，椭球中心轴与光束轴线之间的夹角(记做“b”)的范围是：2度≤b≤30度。
两表面处的偏离分裂
图8图示了根据本发明一个实施例的包括第一表面和第二表面的示例性光学元件、第一表面引起的弯曲量、第二表面引起的光弯曲量及由该光学元件导致的总弯曲量。
参考图8，光学元件所导致的总的倾斜或光学弯曲量表示为d度。第一表面导致的光学倾斜量可以用度来表示并用字母“c”标记。在第一表面或第二表面处的总倾斜或弯曲占总的光学倾斜度(用字母“d”标记)的比例(f)可被确定。对于本发明的特定实施例，这个比例(f)可用于描述光学元件的两个表面之间光学弯曲或倾斜的分配。此比例可代表由第一表面引起的弯曲或倾斜的量除以由光学元件引起的总倾斜，或者由第二表面引起的弯曲或倾斜的量除以由光学元件引起的总倾斜。例如，由第一表面引起的弯曲比例可以表示为f＝c/d。类似地，第二表面引起的弯曲比例可以表示为f＝e/d，其中“e”是由第二表面引起的倾斜量，此倾斜量从第二表面接收的光束的光线投射路径测量得到。
例如，在一个实施例中，在任一表面处中心光线的总偏离的比例(用“f”表示)范围为：1/3≤f≤2/3。例如，在另一实施例中，在任一表面处中心光线的总偏离的比例(用“f”表示)范围为：0.4≤f≤0.6。在一种具体实施方式中可确定，由每个表面完成大约相等的光学倾斜或弯曲量(即第一表面的比例约等于第二表面的比例)是优选的，比例(f)选取为等于大约0.5或1/2。
光学处理
图9是根据本发明一个实施例图示由光学元件执行的光学处理步骤的流程图。对光束进行光学扩束、准直及弯曲的方法包括下列步骤。在步骤910中，例如来自光源的光束被接收。在步骤920中，接收光束角被扩束并可选地弯曲以产生经过扩束且弯曲一次的光束。步骤920中提出的光学功能可以由第一表面(例如球面)实现。在一个实施例中，球面是维尔斯特拉斯球面或等光程球面。注意在某些实施例中，在步骤920中，光束角被扩束，但是没有发生光束弯曲(例如，光束没有被倾斜)。在这些实施例中，光束弯曲或倾斜发生在步骤930中。
在步骤930中，经过扩束且弯曲一次的光束被准直并可选地弯曲以产生经过扩束、基本准直或接近准直、且弯曲两次的光束。步骤930中提出的光学功能可以由第二表面(例如椭球面)实现。注意在某些实施例中，在步骤930中，光束被准直，但没有发生光束弯曲(例如，光束是在步骤920中被倾斜或弯曲的)。在另一实施例中，光束在步骤920中被倾斜第一预定量(例如，光学元件导致的总倾斜的50％)，并在步骤930中被倾斜第二预定量(例如，光学元件导致的总倾斜的50％)。
光学导航设备1000
图10是光学导航设备1000的框图，该光学导航设备1000应用了根据本发明一个实施例的光学元件1010。光学导航设备1000包括光源1004和光传感器1008。例如，光源1004可以是激光源，光传感器1008可以是成像器集成电路。光学导航设备1000是光标控制设备(例如鼠标)，其常被称为光电鼠标，并且与使用机械球的机械鼠标相比通常更精确且需要较少的维护。
光学导航设备1000在表面1050(例如桌子顶面、工作表面或鼠标垫)上运动或由使用者沿着表面1050移动。光学导航设备1000以如下方式工作：1)产生光并将其导向表面1050；2)光从表面1050反射并由设备1000捕获；3)设备1000根据捕获的图像确定光标的运动。
光学导航设备1000包括用于对接收到的图像进行图像处理的成像电子器件1060。根据本发明，光学导航设备1000还包括准直透镜1010。准直透镜1010包括第一表面1020和第二表面1024，该准直透镜产生倾斜的扩束准直光束1034并将此光束导向表面。
注意，光学元件1010光学地将光弯曲以使光源1004可以“扁平的”安装到一个大致平行于表面1050的平面内，光学导航设备1000放置在表面1050上。例如，表面1050可以是鼠标垫表面或桌子顶面。来自准直透镜1010的光束随后被反射离开表面1050。接着，反射光束1035穿过传感器光学装置1070并随后被光传感器1008探测到。
由于其特殊的几何构造，即用第一表面来对光束进行扩束和弯曲，使用第二表面来对光束进行准直和进一步弯曲，基于本发明的光学透镜得到了某些光学优点。注意，上述光学功能中的一个或多个可由第一表面完整地实现，或由第二表面完整地实现，也可以分给第一和第二表面。例如，第一表面或第二表面都可以对光束进行全部弯曲或倾斜。
尽管已通过附图中所示各个实施例描述了本发明的准直透镜结构，但根据本发明的教导，可以设计其他布置方案以实现进行下列功能中的一种或多种的其他透镜结构：光束角扩束、光学准直、以及光学弯曲或倾斜。
在前述说明中，本发明是参考具体实施例来进行描述的。但是显然，在不脱离本发明的更广阔范围内，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应当以解释性而不是限制性的含义去看待。

Claims (19)

1.一种光学元件，其接收具有第一光束角和轴线的输入光束，所述光学元件包括：
第一表面，其接收所述输入光束并产生具有第二光束角的扩束光束；其中所述第二光束角大于或等于所述第一光束角，所述第一表面包括非偏轴球面和偏轴球面之一；
第二表面，其接收所述扩束光束并产生经过准直的输出光束；
其中，相对于所述输入光束的所述轴线，所述输出光束倾斜。
2.如权利要求1所述的光学元件，其中，所述输出光束相对于所述输入光束的所述轴线倾斜全部由所述第一表面进行。
3.如权利要求1所述的光学元件，其中，所述输出光束相对于所述输入光束的所述轴线倾斜全部由所述第二表面进行。
4.如权利要求1所述的光学元件，其中，所述输出光束相对于所述输入光束的所述轴线倾斜由所述第一表面进行约50％，且由所述第二表面进行约50％。
5.如权利要求1所述的光学元件，其中所述第二表面包括非偏轴椭球面和偏轴椭球面之一。
6.如权利要求1所述的光学元件，其中所述第一表面包括球面，且其中所述第二表面包括偏轴椭球面；或者所述第一表面包括偏轴球面，且其中所述第二表面包括椭球面。
7.如权利要求1所述的光学元件，其中所述输出光束包括略有会聚性的多条光线和略有发散性的多条光线两者之一。
8.如权利要求1所述的光学元件，其中所述输出光束包括准直光线。
9.如权利要求1所述的光学元件，其中所述光学元件是用玻璃和塑料中的一种制造的。
10.一种光学导航设备，包括：
光源，其包括一条轴线并产生具有第一光束角的光束；
光学元件，其包括第一表面，所述第一表面接收所述光束并产生具有第二光束角的扩束光束；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，其接收所述扩束光束并产生经过准直的输出光束；
其中，相对于所述光源的所述轴线，所述输出光束是倾斜的。
11.如权利要求10所述的光学导航设备，还包括：
光传感器，其探测从所述光学导航设备运动所沿着的表面反射的光；及
耦合到所述光传感器的成像电子器件，其利用所述探测到的光来进行光学导航。
12.如权利要求10所述的光学导航设备，其中，所述输出光束相对于所述光源的所述轴线倾斜全部由所述第一表面进行，或者全部由所述第二表面进行。
13.如权利要求10所述的光学导航设备，其中，所述输出光束相对于所述光源的所述轴线倾斜由所述第一表面进行约50％；且由所述第二表面进行约50％。
14.如权利要求10所述的光学导航设备，其中所述第一表面包括偏轴球面，且所述第二表面包括椭球面；或者所述第一表面包括球面，且所述第二表面包括偏轴椭球面。
15.如权利要求10所述的光学导航设备，其中所述光学元件的所述经过准直的输出光束包括略有会聚性的多条光线和略有发散性的多条光线两者之一。
16.如权利要求10所述的光学导航设备，其中所述光学元件是用玻璃和塑料中的一种制造的。
17.如权利要求10所述的光学导航设备，其中所述光源是激光器和发光二极管之一。
18.一种方法，用于用光学元件对光束进行光学扩束、准直和倾斜，所述方法包括：
接收具有第一光束角的光束；
在所述光学元件的第一表面处，将所述光束扩束至第二光束角并使所述光束倾斜以产生扩束且弯曲一次的光束，其中所述第二光束角大于或等于所述第一光束角；并
在所述光学元件的第二表面处将所述扩束且弯曲一次的光束准直并倾斜以产生扩束、准直且弯曲两次的光束。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述光学元件的输出光束具有这样的光束宽度，所述光束宽度大于或等于初始光束的光束宽度；且其中所述第一表面将所述光束相对于接收到的光束的轴线倾斜，所述第二表面将所述光束相对于所述扩束且弯曲一次的光束的轴线倾斜。
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