CN109283780A - 光学透镜、光学系统及制作光学透镜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学透镜、光学系统及制作光学透镜的方法，其中该光学透镜适于设置于一光束的传递路径上，光学透镜包括多个柱状透镜单元沿着同一方向延伸，且这些柱状透镜单元沿着垂直于延伸方向的方向并排地设置，其中各柱状透镜单元相对于光学透镜的一底面具有一高度，相邻两柱状透镜单元具有一高度差D，且光学透镜符合其中，n为光学透镜的折射率，λ为光束的中心波长，且Δλ为光束的谱线宽度。

Description

光学透镜、光学系统及制作光学透镜的方法

技术领域

本发明涉及一种光学透镜、光学系统及制作光学透镜的方法。

背景技术

由激光通过柱状透镜(lenticular lens)后所投影出的一字形光(linearlight)，可用来作为光学追踪用的发射源。举例来说，此发射源可应用于虚拟实境(VirtualReality，VR)的定位追踪系统。更详细而言，基站(Base station)或是灯塔(lighthouse)内部的激光源所发出的激光通过柱状透镜而形成一字形光，而基站或是灯塔内部的马达乘载此柱状透镜并持续旋转，因此此一字形光能够持续扫描特定空间。头戴式显示器(Headmounted display,HMD)或控制器上(Controller)上设置多个光感测器，以侦测基站或是灯塔所发出的一字形光。通过马达的旋转角度以及频率，以及各个光感测器侦测到一字形光的时间差，系统能够判定头戴式显示器或控制器在空间中的六轴坐标。

然而，此种一字形光的光形分布常有亮度不均匀的问题，例如是在一字形光中的亮区与暗区。更详细而言，当一字形光的暗区扫过光感测器时，光感测器可能不会侦测到此一字形光的暗区，进而影响定位的精准度。

发明内容

本发明提供一种光学透镜，使通过其所投影出的光具有均匀的亮度。

本发明提供一种光学系统，其投影出的光具有均匀的亮度。

本发明提供一种可制作出上述光学透镜的方法。

本发明的一实施例提供一种光学透镜，适于设置于一光束的传递路径上，光学透镜包括多个柱状透镜单元沿着同一方向延伸，且这些柱状透镜单元沿着垂直于延伸方向的方向并排地设置，其中各柱状透镜单元相对于光学透镜的一底面具有一高度，相邻两柱状透镜单元具有一高度差D，且光学透镜符合其中，n为光学透镜的折射率，λ为光束的中心波长，且Δλ为光束的谱线宽度。

本发明的一实施例提供一种光学系统，包括一光源以及一光学透镜。光源适于发出一光束。光学透镜设置于光束的传递路径上。光学透镜包括多个柱状透镜单元沿着同一方向延伸，且这些柱状透镜单元沿着垂直于延伸方向的方向并排地设置，其中各柱状透镜单元相对于光学透镜的一底面具有一高度，相邻两柱状透镜单元具有一高度差D，且光学透镜符合其中，n为光学透镜的折射率，λ为光束的中心波长，且Δλ为光束的谱线宽度。

本发明的一实施例提供一种制作上述的光学透镜的方法，包括：提供一模具，具有形状对应于透镜单元的一模穴；填入一透镜材料于模穴内；固化透镜材料；以及分离固化后的透镜材料与模具。

基于上述，本发明的一实施例提出一种光学透镜，其包括多个柱状透镜单元，且相邻两柱状透镜单元具有一高度差D。此光学透镜符合其中，n为光学透镜的折射率，λ为光束的中心波长，且Δλ为光束的谱线宽度。通过上述设计，可避免光束通过相邻两个不具有高度差的柱状透镜单元后发生干涉(interference)而影响光的均匀度。此外，相邻的两柱状透镜单元之间具有高度差，可避免光束通过光学透镜所投影出的光产生亮度偏低的暗区，进而使光束通过光学透镜所投影出的光具有较均匀的亮度。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1A为本发明的一实施例的一种光学系统的侧视图；

图1B为图1A的光学系统的立体图；

图2为具有相同高度的多个柱状透镜单元的一种光学透镜的侧视图；

图3为包括图2的光学透镜的光学系统的光强度分布图；

图4为图1A的光学系统的光强度分布图；

图5A为本发明的一实施例的一种光学透镜的侧视图；

图5B为本发明的一实施例的一种光学透镜的侧视图；

图5C为本发明的一实施例的一种光学透镜的侧视图；

图6A至图6C为本发明的一实施例的一种光学透镜的制作方法示意图；图7A至图7B为图6A的模具的一种制作方法的示意图；

图8A至图8D为图6A的模具的另一种制作方法的示意图；

图9A至图9B为本发明的一实施例的一种光学透镜的制作方法示意图。

符号说明

10：光学系统

12：光源

100、100a、100b、100c、100d、400：光学透镜

110：柱状透镜单元

110a、410a：第一柱状透镜单元

112a：第一曲面

110b、410b：第二柱状透镜单元

112b：第二曲面

200：模具

200b：透镜材料

210、220、230、240、250：模具单元

212、222、232、242、252：模穴表面

310、320、330、340、350：公模单元

300：模具材料

L：光束

d1、d2：方向

BS：底面

H1：第一高度

H2：第二高度

H3：第三高度

D：高度差

D1：第一高度差

D2：第二高度差

W1：第一宽度

W2：第二宽度

W3：第三宽度

C：模穴

具体实施方式

图1A为本发明的一实施例的一种光学系统的侧视图。图1B为图1A的光学系统的立体图。如图1A与图1B所示，本实施例的光学系统10，包括一光源12以及一光学透镜100。光源12适于发出一光束L。光学透镜100设置于光束L的传递路径上。光学透镜100包括多个柱状透镜单元110沿着同一方向(例如是垂直于图1A图面的方向d1)延伸，且这些柱状透镜单元110沿着垂直于延伸方向的方向(例如是图1A图面的左右方向d2)并排地设置。在本实施例中，光学透镜100的材料例如是聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)或是其他适当的透明材料。

具体来说，本实施例的多个柱状透镜单元110为两个第一柱状透镜单元110a与一个第二柱状透镜单元110b，且第二柱状透镜单元110b设置于两个第一柱状透镜单元110a之间。

在本实施例中，第一柱状透镜单元110a具有相对于底面BS的一第一曲面112a，第二柱状透镜单元110b具有相对于底面BS的一第二曲面112b，且第一曲面112a和第二曲面112b的曲率相同，因此第一柱状透镜单元110a和第二柱状透镜单元110b具有相似的外形。在其他实施例中，第一曲面112a和第二曲面112b的曲率也可以不相同，本发明不以此为限。其中，通过控制第一曲面112a和第二曲面112b的曲率，可用以调整其光形分布的范围。

在本实施例中，各第一柱状透镜单元110a相对于光学透镜100的底面BS具有相同的一第一高度H1，而第二柱状透镜单元110b相对于光学透镜100的底面BS具有一第二高度H2，其中的第一高度H1不同于第二高度H2。在此，相邻的第一柱状透镜单元110a与第二柱状透镜单元110b之间具有一高度差D，且光学透镜100符合其中，n为光学透镜100的折射率，λ为光束L的中心波长，且Δλ为光束L的谱线宽度(spectral bandwidth)。

通过上述设计，可避免光束L通过相邻两个不具有高度差的柱状透镜单元110后发生干涉(interference)而影响光的均匀度。此外，相同的两第一柱状透镜单元110a之间的距离增加，且相邻的第一柱状透镜单元110a与第二柱状透镜单元110b之间具有高度差D，可避免光束L通过光学透镜100所投影出的光产生亮度偏低的暗区。

举例来说，当n＝1.5，λ＝800nm，且Δλ＝10nm时，也是光学透镜100的折射率为1.5，光源12发出的光束L的中心波长为800纳米，且谱线宽度为10纳米，相邻的第一柱状透镜单元110a与第二柱状透镜单元110b之间的高度差D只要大于等于34.75微米，即可避免光束L通过光学透镜100所发射出的光产生亮度偏低的暗区。

另外，在本实施例中，光源12是设置于靠近底面BS的一侧，光源12发出的光束L经由底面BS而进入光学透镜100，且经由第一曲面112a或第二曲面112b而离开光学透镜100。在其他实施例中，光源12也可以是设置于远离底面BS的一侧，光源12发出的光束L经由第一曲面112a或第二曲面112b而进入光学透镜100，且经由底面BS而离开光学透镜100。

图2为具有相同高度的多个柱状透镜单元的一种光学透镜的侧视图。图3为包括图2的光学透镜的光学系统的光强度分布图。图4为图1A的光学系统的光强度分布图。如图2所示，图2的光学透镜100a的多个柱状透镜单元110都相同，因此相邻的柱状透镜单元110之间不具有高度差。此种光学透镜100a常见的问题在于，当光束通过光学透镜100a所投影出的光容易有亮度不均匀的问题。如图3所示，包括图2的光学透镜100a的光学系统所投影出的光在不同空间坐标中的光强度具有明显的落差，也就是在光强度分布上具有明显的亮区与暗区，因此其所提供的光形分布不佳。然而，由图3与图4可知，相较于图2的光学透镜100a来说，光束L通过图1A的光学透镜100所投影出的光在不同空间坐标中的光强度差异较小，也就是在光强度分布上不具有亮度偏低的暗区，因此具有较均匀的亮度。

图5A为本发明的一实施例的一种光学透镜的侧视图。如图5A所示，本实施例的光学透镜100b的构件以及相关叙述可以参考图1A实施例的光学透镜100，在此不再赘述。光学透镜100b与光学透镜100的差异在于，本实施例的光学透镜100b包括多个第一柱状透镜单元110a以及多个第二柱状透镜单元110b，且这些第一柱状透镜单元110a与这些第二柱状透镜单元110b交替排列。在本实施例中，第一柱状透镜单元110a的数量为三个，第二柱状透镜单元110b的数量为两个。然而，在其他实施例中，第一柱状透镜单元110a与第二柱状透镜单元110b的数量并不以此为限。

图5B为本发明的一实施例的一种光学透镜的侧视图。如图5B所示，本实施例的光学透镜100c的构件以及相关叙述可以参考图1A实施例的光学透镜100，在此不再赘述。光学透镜100c与光学透镜100的差异在于，本实施例的光学透镜100c包括多个第一柱状透镜单元110a以及多个第二柱状透镜单元110b，且这些第一柱状透镜单元110a与这些第二柱状透镜单元110b交替排列。各第一柱状透镜单元110a具有相同的第一高度H1。这些第二柱状透镜单元110b具有各自不同的高度，例如图5B中靠近左方的第二柱状透镜单元110b具有第二高度H2，图5B中靠近右方的第二柱状透镜单元110b具有第三高度H3，其中第二高度H2不同于第三高度H3。因此，靠近左方的第二柱状透镜单元110b与相邻的第一柱状透镜单元110a具有一第一高度差D1，靠近右方的第二柱状透镜单元110b与相邻的第一柱状透镜单元110a具有一第二高度差D2，其中第一高度差D1不同于第二高度差D2。在本实施例中，第二柱状透镜单元110b具有两种不同的高度。然而，在其他实施例中，第二柱状透镜单元110b可具有三种、四种或更多种不同的高度，本发明不以此为限。

图5C为本发明的一实施例的一种光学透镜的侧视图。如图5C所示，本实施例的光学透镜100d的构件以及相关叙述可以参考图1A实施例的光学透镜100，在此不再赘述。光学透镜100d与光学透镜100的差异在于，本实施例的光学透镜100d包括多个第一柱状透镜单元110a以及多个第二柱状透镜单元110b，且这些第一柱状透镜单元110a与这些第二柱状透镜单元110b交替排列。各第一柱状透镜单元110a具有相同的第一宽度W1。这些第二柱状透镜单元110b具有各自不同的宽度，例如图5C中靠近左方的第二柱状透镜单元110b具有第二宽度W2，图5C中靠近右方的第二柱状透镜单元110b具有第三宽度W3，其中第二宽度W2不同于第三宽度W3。在本实施例中，第二柱状透镜单元110b具有两种不同的宽度。然而，在其他实施例中，第二柱状透镜单元110b可具有三种、四种或更多种不同的宽度。此外，各第一柱状透镜单元110a也可以具有不同的宽度，且第一柱状透镜单元110a的宽度与第二柱状透镜单元110b的宽度可以为相同，也可以为不相同，本发明不以此为限。

图6A至图6C为本发明的一实施例的一种光学透镜的制作方法示意图。本实施例所示的制作方法示意图是以制作如图5A所示的光学透镜100b为例，然而本实施例所示的制作方法也可以用来制作不同形式的光学透镜，例如前述实施例的光学透镜100、光学透镜100c、具有其它数量个柱状透镜单元的光学透镜或是具有其它种不同高度的柱状透镜单元的光学透镜，本发明不以此为限。

首先，如图6A所示，提供一模具200，其具有形状对应于如图5A所示的柱状透镜单元110的一模穴C。接着，如图6B所示，填入一透镜材料200b于模穴C内，并且固化透镜材料200b。最后，如图6C所示，分离固化后的透镜材料200b与模具200。如此，完成光学透镜100b的制作。

在本实施例中，光学透镜100b的形成方式例如是射出成型(Injection molding)制作工艺。在其他实施例中，光学透镜的形成方式也可以是热压成型(Thermoforming)或是其他适当的光学透镜制作工艺。在本实施例中，模具200的制作方法例如是直接对模具材料进行切削或是通过公模来进行模制，然而本发明不以此为限。

图7A至图7B为图6A的模具的一种制作方法的示意图。首先，如图7A所示，提供相互独立的多个模具单元210、220、230、240、250，这些模具单元210、220、230、240、250分别具有对应于多个柱状透镜单元110的部分模穴表面212、222、232、242、252。接着，如图7B所示，并排设置这些模具单元210、220、230、240、250，以构成模具200。

图8A至图8D为图6A的模具的另一种制作方法的示意图。首先，如图8A所示，提供相互独立的多个公模单元310、320、330、340、350，这些公模单元310、320、330、340、350分别具有与多个柱状透镜单元110相同的形状与尺寸。接着，如图8B所示，并排设置这些公模单元310、320、330、340、350，以进行模制。首先，如图8C所示，将一模具材料300压合于这些公模单元310、320、330、340、350，并且固化模具材料300。最后，如图8D所示，分离固化后的模具材料300与公模单元310、320、330、340、350，以完成模具200的制作。

在本实施例中，公模单元310、320、330、340、350的材料例如是金属或其他适当的材料。模具材料300的材料例如是石膏或其他适当的材料，本发明不以此为限。

在前述图7A至图7B以及图8A至图8D所示的实施例中，模具单元210、220、230、240、250以及公模单元310、320、330、340、350可以被各自独立制作，再拼凑为所需的完整模具或公模。相较于一体成形模具或公模的表面轮廓可能因为加工精度限制，而无法在相邻两单元之间形成理想的棱线或谷线，影响光学透镜的成像品质，所述独立制作的模具单元或公模单元可以拼凑出具有锐利棱线或谷线的表面轮廓。例如：在相邻的模具单元210、220、230、240、250或相邻的公模单元310、320、330、340、350的连接处形成锐利棱线或谷线。

另一方面，在各个独立的模具单元或公模单元加工完成后，可分别对各个模具单元或公模单元进行外观与尺寸检测，有助于便捷且精确地控制模具单元或公模单元的制作精度。此外，在多个模具单元或公模单元拼凑为完整模具或公模后也可再次进行外观与尺寸检测，以确保整体光学透镜的外观与尺寸符合需求。

图9A至图9B为本发明的一实施例的一种光学透镜的制作方法示意图。首先，如图9A所示，提供相互独立的多个第一柱状透镜单元410a与多个第二柱状透镜单元410b。在本实施例中，这些第一柱状透镜单元410a的数量例如是三个，且例如是具有与如图1A所示的第一柱状透镜单元110a相同的形状与尺寸。这些第二柱状透镜单元410b的数量例如是两个，且例如是具有与如图1A所示的第二柱状透镜单元110b相同的形状与尺寸。在其他实施例中，这些第一柱状透镜单元410a与这些第二柱状透镜单元410b也可以是其他数量个，或是具有其他形状或尺寸，本发明不以此为限。

接着，如图9B所示，并排设置这些第一柱状透镜单元410a与这些第二柱状透镜单元410b，使第一柱状透镜单元410a与第二柱状透镜单元410b交错排列，并使用光学胶(Optically clear adhesive，OCA)将这些第一柱状透镜单元410a与这些第二柱状透镜单元410b黏合，以形成光学透镜400。

需说明的是，本发明的实施例的光学透镜或是模具的制作方法，是以可以制作出前述实施例中任一光学透镜或是与其对应的模具为例，然而本发明并不以此为限，本发明的实施例的光学透镜或是模具的制作方法可适用于因为加工精度限制，而无法在相邻两单元之间形成理想的棱线或谷线的任何形式的光学透镜或是模具。

通过提供相互独立的多个柱状透镜单元、多个模具单元或多个公模单元，本发明的实施例的光学透镜或是模具的制作方法可便捷且精确地控制光学透镜或是模具的制作精度，以形成理想的棱线或谷线，可确保整体光学透镜的外观与尺寸符合需求，使光学透镜具有理想的成像品质。

综上所述，本发明的一实施例提出一种光学透镜，其包括多个柱状透镜单元，且相邻两柱状透镜单元具有一高度差D。此光学透镜符合其中，n为光学透镜的折射率，λ为光束的中心波长，且Δλ为光束的谱线宽度。通过上述设计，可避免光束通过相邻两个不具有高度差的柱状透镜单元后发生干涉(interference)而影响光的均匀度。此外，相同高度的两柱状透镜单元之间的距离增加，且相邻的两柱状透镜单元之间具有高度差，都可避免光束通过光学透镜所投影出的光产生亮度偏低的暗区，进而使光束通过光学透镜所投影出的光具有较均匀的亮度。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (14)

1.一种光学透镜，适于设置于一光束的传递路径上，其特征在于，该光学透镜包括：

多个柱状透镜单元沿着同一方向延伸，且该些柱状透镜单元沿着垂直于延伸方向的方向并排地设置，其中各该柱状透镜单元相对于该光学透镜的一底面具有一高度，相邻两柱状透镜单元具有一高度差D，且该光学透镜符合，其中，n为该光学透镜的折射率，λ为该光束的中心波长，且Δλ为该光束的谱线宽度。

2.如权利要求1所述的光学透镜，其中该些柱状透镜单元包括多个第一柱状透镜单元以及多个第二柱状透镜单元，该些第一柱状透镜单元与该些第二柱状透镜单元交替排列，各该第一柱状透镜单元具有相同的一第一高度，且各该第二柱状透镜单元具有相同的一第二高度。

3.如权利要求1所述的光学透镜，其中该些柱状透镜单元包括多个第一柱状透镜单元以及多个第二柱状透镜单元，该些第一柱状透镜单元与该些第二柱状透镜单元交替排列，各该第一柱状透镜单元具有相同的一第一高度，且该些第二柱状透镜单元具有各自不同的高度。

4.如权利要求1所述的光学透镜，其中各该柱状透镜单元具有相对于该底面的一曲面，且该些曲面的曲率相同。

5.如权利要求1所述的光学透镜，其中各该柱状透镜单元具有相对于该底面的一曲面，且该些曲面的曲率不相同。

6.一种光学系统，其特征在于，包括：

光源，适于发出一光束；以及

光学透镜，设置于该光束的传递路径上，该光学透镜包括：

多个柱状透镜单元沿着同一方向延伸，且该些柱状透镜单元沿着垂直于延伸方向的方向并排地设置，其中各该柱状透镜单元相对于该光学透镜的一底面具有一高度，相邻两柱状透镜单元具有一高度差D，且该光学透镜符合，其中，n为该光学透镜的折射率，λ为该光束的中心波长，且Δλ为该光束的谱线宽度。

7.如权利要求6所述的光学系统，其中该光学透镜的该些柱状透镜单元包括多个第一柱状透镜单元以及多个第二柱状透镜单元，该些第一柱状透镜单元与该些第二柱状透镜单元交替排列，各该第一柱状透镜单元具有相同的一第一高度，且各该第二柱状透镜单元具有相同的一第二高度。

8.如权利要求6所述的光学系统，其中该光学透镜的该些柱状透镜单元包括多个第一柱状透镜单元以及多个第二柱状透镜单元，该些第一柱状透镜单元与该些第二柱状透镜单元交替排列，各该第一柱状透镜单元具有相同的一第一高度，且该些第二柱状透镜单元具有各自不同的高度。

9.如权利要求6所述的光学系统，其中各该柱状透镜单元具有相对于该底面的一曲面，且该些曲面的曲率相同。

10.如权利要求6所述的光学系统，其中各该柱状透镜单元具有相对于该底面的一曲面，且该些曲面的曲率不相同。

11.一种制作如权利要求1所述的该光学透镜的方法，其特征在于，包括：

提供一模具，具有形状对应于该些柱状透镜单元的一模穴；

填入一透镜材料于该模穴内；

固化该透镜材料；以及

分离固化后的该透镜材料与该模具。

12.如权利要求11所述的方法，其中提供该模具的方法包括：

提供相互独立的多个模具单元，该些模具单元分别具有对应于该些柱状透镜单元的一部分模穴表面；以及

并排设置该些模具单元，以构成该模具。

13.如权利要求11所述的方法，其中提供该模具的方法包括：

提供相互独立的多个公模单元，该些公模单元分别具有与该些柱状透镜单元相同的形状与尺寸；以及

并排设置该些公模单元，并且进行模制，以形成该模具。

14.一种制作如权利要求1所述的该光学透镜的方法，其特征在于，包括：

提供相互独立的多个柱状透镜单元；以及

使用光学胶将相互独立的该些柱状透镜单元粘合，以形成该光学透镜。