CN115343789A - 多焦透镜及制作该多焦透镜的模具和光机结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多焦透镜及制作该多焦透镜的模具和光机结构。一种包含第一曲面及第二曲面的透镜。所述第一曲面与所述第二曲面具有不同焦距且交错排列于所述透镜的径向方向。

Description

多焦透镜及制作该多焦透镜的模具和光机结构
技术领域
本发明涉及一种透镜，更特别涉及一种可扩展可操作景深的多焦透镜及制作该多焦透镜的模具和使用该多焦透镜的光机结构。
背景技术
已知透镜的景深(DOF)是由物距与光圈(F number)所决定。当物距越短，则景深也越短。在短工作物距的应用中，很短的景深意味着组装公差必须很小，否则很容易因为组装偏差而导致光汇聚于透镜的景深之外。例如，目前光学鼠标装置的标准景深约为2.4±0.2毫米，当组装公差太大时将使得其光传感器获取的图像模糊，而降低操作精确度。
虽然已知可通过扩展景深(EDOF)来增加透镜的景深，但目前的扩展景深主要是通过软件后处理来达成景深扩展，并非是透镜本身即具有扩展景深的能力。
有鉴于此，本发明提供一种可有效扩展透镜的景深的多焦透镜、制作该多焦透镜的模具以及使用该多焦透镜的光机结构。
发明内容
本发明提供一种具有多个焦距的透镜，其中不同焦距的曲面交错的排列于所述透镜的径向方向，并使不同焦距的焦点汇聚于透镜的同一光轴上。
本发明还提供一种用于制作多焦透镜的模具，该模具雕刻有不同曲度的模面交错排列于模具内表面，以用于产生所述多焦透镜的不同焦距的曲面。
本发明还提供一种包含多焦透镜的光机，其具有延展的景深并适用于长工作距离的光学追踪装置。
本发明提供一种包含入射面、第一曲面以及第二曲面的透镜。所述第一曲面具有第一焦距。所述第二曲面具有第二焦距。所述第一曲面与所述第二曲面在所述透镜的径向方向上交错的排列于所述入射面上。
本发明还提供一种用于制作多焦透镜的模具，该模具包含内表面以及环墙。所述内表面包含第一模面及第二模面分别用于塑形所述透镜的所述模具的所述第一曲面及所述第二曲面。所述环墙从所述内表面的周围延伸而出。
本发明还提供一种包含光源、多焦透镜以及光传感器的光机结构。所述光源用于朝向工作表面投射光线以产生反射光。所述多焦透镜包含具有第一焦距的第一曲面及具有第二焦距的第二曲面，其中，所述第一曲面与所述第二曲面在所述透镜的径向方向上交错的排列于所述透镜的入射面上。所述光传感器用于通过所述多焦透镜接收所述反射光。
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，于本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，于此合先述明。
附图说明
图1是本发明实施例的多焦透镜的立体图；
图2是本发明实施例的多焦透镜的剖视图；
图3是本发明实施例的用于制作图1及图2的多焦透镜的模具的剖视图；
图4是本发明实施例的多焦透镜搭配单色光源的运行示意图；
图5是本发明实施例的多焦透镜搭配双色光源的运行示意图；
图6A是本发明实施例的使用图1及图2的多焦透镜的光机的爆炸图；
图6B是本发明实施例的使用图1及图2的多焦透镜的光机的剖视图；
图7A-7B是使用本发明实施例的多焦透镜的光学鼠标的运行示意图；及
图8是本发明实施例的使用图1及图2的多焦透镜的光机的另一剖视图。
附图标记说明
100 透镜
100S 入射面
100E 出射面
101 第一曲面
103 第二曲面
300 模具
f1、f2 焦点
DOF1、DOF2 景深
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种具有多个焦距的透镜，其具有延展的可运行景深以能够适用于短物距的应用，例如光学鼠标及光学除毛器等，但不限于此。因此，使用本发明的多焦透镜的光学装置可具有较长的工作距离。本发明还提供一种制造多焦透镜的模具。
请参照图1及图2所示，图1为本发明实施例的透镜100的立体图；图2为本发明实施例的透镜100的剖视图。透镜100具有入射面100S、第一曲面101及第二曲面103。一种实施方式中，第一曲面101与第二曲面103在透镜100的径向方向上交错的排列于入射面100S上。透镜100还包含出射面100E相对入射面100S。一种实施方式中，出射面100E为平面。
一种实施方式中，第一曲面101位于第一球面且第二曲面103位于第二球面，如图2所示，所述第一球面与所述第二球面具有不同半径。
第一曲面101具有第一焦距(例如图4显示为到f1的距离)且第二曲面103具有第二焦距(例如图4显示为到f2的距离)。第一焦点f1及第二焦点f2位于透镜100的同一条光轴100AX上，该光轴100AX例如通过透镜100的中心。本发明中，所述第一焦距及所述第二焦距为相对同色光(例如红外光、蓝光或紫外光等，但不限于此)的焦距。
为了使近场光(near-field light)及远场光(far-field light)汇聚于焦点f1、f2，第一曲面101包含至少两个第一曲面环，例如图1及图2显示两个第一曲面环及一个中央曲面；且第二曲面103包含至少两个第二曲面环，例如图1及图2显示三个第二曲面环。
必须说明的是，虽然图1及图2显示入射面100S的中央配置第一曲面101，且第二曲面103(即第二曲面环)环绕入射面100S的中央的第一曲面101(或称中央曲面)，但本发明并不限于此。其他实施方式中，入射面100S的中央配置第二曲面103，且第一曲面101(即第一曲面环)环绕入射面100S的中央的第二曲面103。
一种实施方式中，本发明实施例的透镜100例如为塑料或玻璃材质，并利用射出成型的方式所形成。
请参照图3所示，其为用于制作图1及图2所示的透镜100的模具300的剖视图。模具300包含内表面(或称底面)300S以及侧墙300W，该侧墙300W从内表面300S的周围延伸而出，可为垂直或具倾角延伸而出。当用于制作透镜100的材质注入模具300并经过脱模后，则能够形成本发明实施例的透镜100。
由于内表面300S是用于形成透镜100的入射面100S，故内表面300S包含第一模面301及第二模面303分别用于塑形透镜100的第一曲面101及第二曲面103。
相对透镜100的入射面100S，第一模面301包含至少两个具有第一曲度的第一环状结构，例如图3显示两个第一环状结构及一个中央曲面结构；且第二模面303包含至少两个具有第二曲度的第二环状结构，例如图3显示三个第二环状结构，其中，所述第二曲度不同于所述第一曲度。
必须说明的是，虽然图3显示，内表面300S的中央配置第一模面301且第二模面303环绕内表面300S的中央的第一模面301(或称中央曲面结构)，但本发明并不限于此。其他实施方式中，内表面300S的中央配置第二模面303且第一模面301环绕内表面300S的中央的第二模面303。
相对透镜100的入射面100S，所述至少两个第一环状结构位于第一球面且所述至少两个第二环状结构位于第二球面，其中所述第一球面与所述第二球面具有不同半径。
请参照图4所示，其显示单色光经过透镜100的运行示意图。图4中，第一曲面101的第一景深显示为DOF1且第二曲面103的第二景深显示为DOF2。一种实施方式中，第一曲面101的第一景深DOF1介于2毫米至5毫米间且第二曲面103的第二景深DOF2介于5毫米至10毫米间。藉此，光传感器(例如参照图6B的元件63及图8的元件83)在距离透镜100中心(例如图4显示的位置0)的2毫米至10毫米间皆可获取包含可识别的特征的图像，透镜100可适用于光学追踪装置，例如光学鼠标及光学除毛器。
如图4所示，第一曲面101的第一景深DOF1与第二曲面103的第二景深DOF2可在透镜100的光轴方向(例如100AX的方向)部分重叠；例如，第一曲面101的第一曲度与第二曲面103的第二曲度配置成，使第一曲面101产生的三倍第一最小模糊圈CC1(例如图4显示最小第一模糊圈在焦点f1处且三倍第一最小模糊圈在位置X1、X2处)对位于第二曲面103产生的三倍第二最小模糊圈CC2(例如图4显示最小第二模糊圈在焦点f2处且三倍第二最小模糊圈在位置X2、X3处)。必须说明的是，虽然图4显示三倍第一最小模糊圈CC1与三倍第二最小模糊圈CC2在位置X2重叠，但本发明并不限于此。
其他实施方式中，三倍第一最小模糊圈CC1可介于第二景深DOF2的范围而三倍第二最小模糊圈CC2可介于第一景深DOF1的范围。虽然此种配置下，光传感器撷取的图像中会包含叠影，但在光学追踪装置的应用中不会导致无法运行，只要光学追踪装置的处理器(例如图7A及图7B所示的75)能够获得光学追踪装置的光传感器撷取的图像中的特征点即可。处理器根据图像中的特征点进行追踪的方式为已知，故于此不再赘述。
必须说明的是，虽然图4中显示第一曲面101的焦距较短而第二曲面103的焦距较长，但本发明并不限于此。其他实施方式中，可配置成第一曲面101的焦距较长而第二曲面103的焦距较短，只要改变第一曲面101及第二曲面103的曲度即可。
请参照图6A及图6B所示，其为使用本发明实施例的透镜100的光机结构600的示意图。图6A显示光机结构600的爆炸图而图6B显示光机结构600的剖视图。光机结构600包含光源61、光传感器(显示为芯片)63、透光件65以及挡光件67。光源61及光传感器63配置并电连接至基板。
光源61例如是发光二极管(LED)或激光二极管(LD)，并无特定限制。光源61用于朝向工作表面(例如图7A及图7B所示的WS)投射光线EL以产生反射光RL。
当光源61是单色光源时，其会形成图4所示的第一景深DOF1及第二景深DOF2。当光源61是双色光源时，例如可通过改变其驱动参数来改变发射光波长或配置两个不同色光的晶粒，其会形成图5所示的第一景深DOF1及第二景深DOF2(相对第一色光，例如紫外光，但不限于)以及第三景深DOF1’及第四景深DOF2’(相对第二色光，例如红外光，但不限于)。藉此，可通过改变光源61发出的光线的波长，以改变各景深相对多焦透镜100的距离，而进一步扩展可运行景深。
必须说明的是，虽然图5显示第三景深DOF1’及第四景深DOF2’不位于光轴100AX处，其仅用以说明，并非用以限定本发明。当透镜100的入射光是平行光时，第三景深DOF1’及第四景深DOF2’是沿着第一景深DOF1及第二景深DOF2所在的光轴方向偏移，例如图5的横向方向。
本实施方式中，DOF1及DOF1’是第一曲面相对不同光波长的景深，且DOF2及DOF2’是第二曲面相对不同光波长的景深。
本发明通过配置多焦透镜100，可应用于不同工作距离的光学追踪装置。例如，图7A及图7B显示光机结构600(例如包含光源71及光传感器73)应用于两种运行模式的光学鼠标700。图7A显示光学鼠标700以第一表面DS1操作时，工作表面WS例如位于透镜100的第一焦点f1；图7B显示光学鼠标700以第二表面DS2操作时，工作表面WS例如位于透镜100的第二焦点f2。工作表面WS的反射光RL经过不同的光程才经过透镜100被光传感器73(例如相同于光传感器63)接收。
光传感器63例如是CMOS图像传感器或CCD图像传感器，并无特定限制。光传感器63用于通过多焦透镜(即透镜100)接收反射光RL。
请再参照图6B所示，挡光件67是由不透光材质所制成(例如通过射出成型制作，但不限于)，并包含第一容纳空间671、第二容纳空间673以及挡光墙675。第一容纳空间671用于收容光源61并具有开口(如图6A所示O1)供光线EL射出挡光件67。第二容纳空间673用于收容光传感器63并具有开口如图6A所示O2)供反射光线RL进入挡光件67。挡光墙675自挡光件67延伸而出(例如垂直或具倾角延伸出)并位于第一容纳空间671与第二容纳空间673之间，以阻挡直接从光源61朝向光传感器63传递的光。
透光件65是由透光材质所制成(例如通过射出成型制作，但不限于)，并包含第一透镜结构651以及第二透镜结构653。第一透镜结构651配置于光源61的上方并具有第一光轴OAX1。第二透镜结构653配置于光传感器63的上方并具有第二光轴OAX2。一种实施方式中，光源61与光传感器63沿第一方向(例如图6B的左右方向)配置，第一光轴OAX1在所述第一方向朝向光传感器63偏离光源61的第一中线CL1，且第二光轴OAX2在所述第一方向朝向光源61偏离光传感器63的第二中线CL2。藉此，可缩短光源61与光传感器63的横向距离以利于小型化光机结构600。
一种实施方式中，多焦透镜100对位第二透镜结构653，且多焦透镜100与第二透镜结构653一体成型在透光件65上。
请参照图8所示，其显示本发明另一实施例的光机结构800，其例如应用于光学除毛器。光机结构800包含光源81、光传感器83、多焦透镜100、乘载件87以及基板89。
基板89例如是印刷电路板(PCB)或软性基板。乘载件87例如为不透光材质所形成(例如通过射出成型制作，但不限于)并配置(例如通过黏胶或锁固件固定)于基板89上。乘载件87例如具有容纳空间用于分别容纳光源81及光传感器83，其分别相同于图6B的光源61及光传感器63，故于此不再赘述。
虽然图8显示光源81为倾斜配置，其仅用以说明而非用于限定本发明。其他实施方式中，光源81可相对基板89垂直地配置。
乘载件87例如还具有乘载空间用于放置及固定透镜100。由于光学除毛器在运行时也会被用户操作于不同工作距离，搭配本发明实施例的透镜100可有效提升追踪效果。
必须说明的是，本发明实施例的透镜100并不限定应用于光学鼠标及光学除毛器，只要是在运行时需要操作在不同工作距离的光学装置，都能搭配本发明实施例的透镜100，以提升其工作效能。
必须说明的是，虽然上述实施例的透镜100是以两个不同曲面为例进行说明，但本发明并不以此为限。本发明实施例的多焦透镜可由两个以上的曲面所形成，而具有两个以上的焦点。
必须说明的是，本发明说明中的数值，例如景深、曲面环数目等，以及组件空间关系仅为示例，并非用以限定本发明。
综上所述，已知的透镜用在短工作物距时会有景深太短的问题，而可能导致操作精确度降低，而目前的扩展景深透镜并不是透镜本身对相同色光具有景深扩展能力。因此，本发明另提供一种相对相同色光即具有景深扩展能力的多焦透镜(参照图1及图2)、制造该多焦透镜的模具(参照图3)及使用该多焦透镜的光机(参照图6A至图8)。本发明中，当搭配不同色的光源运行时，可进一步延长多焦透镜的景深。
虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (20)

1.一种透镜，该透镜包含：
入射面；
第一曲面，该第一曲面具有第一焦距；以及
第二曲面，该第二曲面具有第二焦距，
其中，所述第一曲面与所述第二曲面在所述透镜的径向方向上交错的排列于所述入射面上。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中，
所述第一曲面包含至少两个第一曲面环，及
所述第二曲面包含至少两个第二曲面环。
3.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述第一焦距的第一焦点及所述第二焦距的第二焦点位于所述透镜的同一条光轴上。
4.根据权利要求1所述的透镜，其中，
所述第一曲面的第一景深介于2毫米至5毫米，及
所述第二曲面的第二景深介于5毫米至10毫米。
5.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述第一曲面的第一曲度与所述第二曲面的第二曲度配置成，使所述第一曲面产生的三倍第一最小模糊圈对位于所述第二曲面产生的三倍第二最小模糊圈。
6.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述第一曲面的第一景深与所述第二曲面的第二景深在所述透镜的光轴方向部分重叠。
7.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述第一焦距及所述第二焦距为相对同色光的焦距。
8.根据权利要求1所述的透镜，其中，
所述透镜还包含出射面相对所述入射面，及
所述出射面为平面。
9.根据权利要求1所述的透镜，其中，
所述入射面的中央配置所述第一曲面，且所述第二曲面环绕所述入射面的中央的所述第一曲面，或
所述入射面的中央配置所述第二曲面，且所述第一曲面环绕所述入射面的中央的所述第二曲面。
10.一种用于制作权利要求1的所述透镜的模具，该模具包含：
内表面，该内表面包含第一模面及第二模面分别用于塑形所述透镜的所述第一曲面及所述第二曲面；以及
环墙，该环墙从所述内表面的周围延伸而出。
11.根据权利要求10所述的模具，其中，
所述第一模面包含至少两个具有第一曲度的第一环状结构，及
所述第二模面包含至少两个具有第二曲度的第二环状结构，其中所述第二曲度不同于所述第一曲度。
12.根据权利要求11所述的模具，其中，
所述至少两个第一环状结构位于第一球面且所述至少两个第二环状结构位于第二球面，且
所述第一球面与所述第二球面具有不同半径。
13.根据权利要求10所述的模具，其中，
所述内表面的中央配置所述第一模面，且所述第二模面环绕所述内表面的中央的所述第一模面，或
所述内表面的中央配置所述第二模面，且所述第一模面环绕所述内表面的中央的所述第二模面。
14.一种光机结构，该光机结构包含：
光源，该光源用于朝向工作表面投射光线以产生反射光；
多焦透镜，该多焦透镜包含：
第一曲面，该第一曲面具有第一焦距；及
第二曲面，该第二曲面具有第二焦距，其中，所述第一曲面与所述第二曲面在所述透镜的径向方向上交错的排列于入射面上；以及
光传感器，该光传感器用于通过所述多焦透镜接收所述反射光。
15.根据权利要求14所述的光机结构，还包含透光件，该透光件包含：
第一透镜结构，该第一透镜结构配置于所述光源的上方并具有第一光轴；及
第二透镜结构，该第二透镜结构配置于所述光传感器的上方并具有第二光轴，
其中，所述光源与所述光传感器沿第一方向配置，所述第一光轴在所述第一方向朝向所述光传感器偏离所述光源的第一中线，且所述第二光轴在所述第一方向朝向所述光源偏离所述光传感器的第二中线。
16.根据权利要求15所述的光机结构，其中，
所述多焦透镜对位所述第二透镜结构，且
所述多焦透镜与所述第二透镜结构一体成型在所述透光件上。
17.根据权利要求14所述的光机结构，还包含挡光件，该挡光件包含：
第一容纳空间，该第一容纳空间用于收容所述光源；
第二容纳空间，该第二容纳空间用于收容所述光传感器；以及
挡光墙，该挡光墙自所述挡光件延伸而出并位于所述第一容纳空间与所述第二容纳空间之间。
18.根据权利要求14所述的光机结构，其中，
所述第一曲面包含至少两个第一曲面环，及
所述第二曲面包含至少两个第二曲面环。
19.根据权利要求14所述的光机结构，其中，所述第一焦距的第一焦点及所述第二焦距的第二焦点位于所述多焦透镜的同一条光轴上。
20.根据权利要求14所述的光机结构，其中，
所述第一曲面的第一景深与所述第二曲面的第二景深在所述多焦透镜的光轴方向部分重叠，及
所述光源还用于改变所述光线的波长，以改变所述第一景深与所述第二景深相对所述多焦透镜的距离。
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