CN202093232U - 光学输入设备及其穿透式光学镜头模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学输入设备及其穿透式光学镜头模组，能够获取工作表面的影像，包括穿透式照明系统及成像系统，所述穿透式照明系统包括光源、位于所述光源前方的准直透镜、带有反射面的棱镜及反射镜，所述成像系统包括成像物镜及光学影像传感器，所述光源发出的光束经过所述准直透镜准直后投射到所述反射面，经所述反射面反射后投射到所述反射镜，经所述反射镜折射后最终投射到工作表面，所述工作表面的反射光经由所述成像物镜进入所述光学影像传感器成像。该照明系统与成像物镜的光轴有较小的照射角度，并可照射到靠近光轴中心的视场区域，使部分镜面反射的光很容易进入到光学影像传感器中进行成像。

Description

光学输入设备及其穿透式光学镜头模组

技术领域

本实用新型是关于一种光学输入设备及其光学镜头模组。

背景技术

如图2至图5所示，其中标号1为准直透镜及棱镜，标号2为成像物镜，标号3为发光二极管，标号4为光学影像传感器，标号5为工作表面。由于现有的光学鼠标输入设备之光学镜头采用倾斜照明的方式，其发光二极管3发出的光经过其前面的准直透镜及棱镜1的转折之后，以一个很大角度倾斜照射在工作表面5上，如错误！未找到引用源。所示，其入射光线与成像物镜2的光轴的夹角大约为75°左右，光线传导到光学影像传感器4中进行成像。对于部分的木质、有色粗糙表面或者白纸等非高光亮的一般表面，由于其工作表面的反射光的特性近似于郎伯散射，如错误！未找到引用源。所示，对于大角度的入射光，也可产生反射光，将非高光亮表面上的微结构所反射或者衍射所产生的漫反射光传导到成像物镜2上面的光学影像传感器4中进行成像，根据光学影像传感器所读取的影像进行快速的运算，从而控制输入设备之光标的移动方向。关于所谓的郎伯散射，其反射光强度I(θ)只是与垂直于工作表面5(如桌面)的法线方向的夹角θ有关，可以表示为：I(θ)＝I₀ cos(θ)，式中I₀为垂直于桌面方向的法线方向的光强度，郎伯散射的较强光强的散射光在于反射面的法线方向，所以散射光很可以经过成像物镜2进入到光学影像传感器中。

但对于某些特殊的工作表面，例如深颜色表面、高亮度的大理石表面、磁砖表面、比较光滑的油漆面、镜面、金属光亮表面、相纸、透明塑料表面、微尘透明玻璃表面等，由于其表面不是漫反射的光学特性，传统的光学鼠标器镜头在这些表面上就无法工作。错误！未找到引用源。为传统的光学鼠标器镜头在部分镜面反射的表面上(譬如高亮度的大理石表面、磁砖表面、比较光滑的油漆面、镜面、金属光亮表面、相纸、透明塑料表面、微尘透明玻璃表面等)的时候，由于其表面特性是部分镜面反射，即反射光线中大部分是镜面反射，只有少部分是散射光，而且这部分漫反射光线的反射角同入射光线的入射角大小还有关系，其最强反射光线的方向为镜面反射的方向，与入射光线相对于光轴成镜像关系，由于反射光线的角度太大，桌面的反射光几乎不能经过成像物镜2进入到光学影像传感器中进行成像，因而光学鼠标器如置于盲区而不能正常工作。

对于完全透明的及绝对光滑、其上面无任何灰尘的光学玻璃等表面，则因为大部分的光线直接进入到材质中，少部分的光线则被镜面反射出去，其表面的反射光线也不能经过成像物镜2进入到光学影像传感器中进行成像，因此传统式鼠标镜头也不能正常工作。

另外，因传统型及目前主流的光学鼠标器，其照明的方式一般均采用以一定角度倾斜照射到工作表面上，所以要求较大的空间才能够满足照明光路投射及反射，使得这光学鼠标器下盖之光学窗孔要足够大时方能使其正常工作，如图5所示，这光学窗孔W的长度约需12.5mm。在工作过程中，常因为输入设备之光学窗孔太大，工作表面上的灰尘很轻易就进入到光学器件的表面，而致使鼠标器出现使用不灵、光标顿滞、颤抖、飘移等现象，使得光学鼠标器的功能下降或无法正常使用。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种能够工作在高光表面且能够提高使用寿命的光学输入设备及其穿透式光学镜头模组。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种光学输入设备的穿透式光学镜头模组，能够获取工作表面的影像，包括穿透式照明系统及成像系统，所述穿透式照明系统包括光源、位于所述光源前方的准直透镜、带有反射面的棱镜及反射镜，所述成像系统包括成像物镜及光学影像传感器，所述光源发出的光束经过所述准直透镜准直后投射到所述反射面，经所述反射面反射后投射到所述反射镜，经所述反射镜折射后最终投射到工作表面，所述工作表面的反射光经由所述成像物镜进入所述光学影像传感器成像。该最终包括两种情况：1)发射镜折射后的光束直接投射到工作表面；2)反射镜折射后的光束投射到成像物镜，经成像物镜折射后再投射到工作表面。经反射镜折射后光束会经过一个下投射面，工作表面的反射光束会经过一个上头射面，该上、下投射面可以为曲面或平面。该上、下投射面可以为成像物镜的表面，也可以为穿透式照明系统的表面。

所述光束投射到所述工作表面的位置与所述成像物镜的光轴的距离为-0.3mm(即投射位置位于该光轴的左侧)～+1.0mm(即投射位置位于该光轴的右侧，反射镜位于该光轴的右侧)。

投射到所述工作表面的光束与所述光轴的夹角为1度～35度。

所述反射面为全反射面。

投射到所述反射镜的光束与所述工作表面平行。

所述成像物镜与所述反射镜复合一体。

所述成像物镜与所述发射镜分离设置，且所述成像物镜位于所述反射镜的上方或下方。位于上方时，反射镜折射后的光束直接投射到工作表面；位于下方时，反射镜折射后的光束经成像物镜折射后再投射到工作表面。

所述成像物镜为双焦点或多焦点的二元光学元件。

所述成像物镜在物方各个视场的主光线都与成像物镜的光轴平行，其孔径光阑邻近所述成像物镜的像方焦点。

一种光学输入设备，包括所述的穿透式光学镜头模组。该光学输入设备如光学鼠标。

所述的光学输入设备的镜头模组，其除了可以在大部分木质、有色粗糙面或者白纸等漫反射的普通桌面上正常工作之外，其还可以在深颜色表面、高亮度的大理石表面、磁砖表面、高光亮的油漆面、镜面、金属光亮表面、相纸、透明塑料表面、微尘透明玻璃表面上正常工作。

所述的光学输入设备的镜头模组，其近轴照明系统有一反射镜。经由此反射镜折射后照射到工作表面的光束，其入射位置为与成像物镜中心光轴-0.30～+1.00之间的距离范围。

所述的光学输入设备的镜头模组，其照明系统中的反射镜可以设计成具有齿状曲面、不规则曲面及平面。

所述的光学输入设备的镜头模组，其用于导光的棱镜中的反射面可为一个或多个，以使能将光源传递到成像物镜一侧的反射镜为原则。经棱镜折射后入射到反射镜的光轴角度可为水平及带有一定角度，也可垂直。

所述的光学输入设备的镜头模组，其照明系统的棱镜或反射镜与成像系统可以分开，成像物镜可以位于棱镜的上方或者下方，成像物镜也可以位于反射镜的上方或者下方，其照明系统与成像系统可为分体或是一体。

所述的光学输入设备的镜头模组，其用来转折光路的棱镜的全反射面的数量可以根据需要增减，光源可以是水平放置也可以是竖直放置，或是带有一定角度放置，棱镜导光方式可以根据光源的设置方式可以有多种。

所述的光学输入设备的镜头模组，其成像系统为远心光路系统，其中成像物镜在物方各个视场的主光线都与成像物镜的光轴平行，其孔径光阑位置位于成像物镜的像方焦点附近，其成像物镜也可倾斜一定的角度设置。

所述的光学输入设备的镜头模组，其成像物镜为双焦点或多焦点的二元光学(Binary Optics/DOE)元件，其中成像物镜至少有一个工作面为为环纹衍射面(英文名称为Diffractive surface)。成像物镜可以采用二元光学元件(Binary Optics/DOE)设计，可以对不同高度之工作表面上的微结构进行成像，用以解决如在凹凸不平的工作表面上及不同厚度的玻璃表面上进行工作的问题。

所述的光学输入设备的镜头模组，其还可以有两个或两个以上的光源，光源分别从不同的方向，分别经准直透镜及棱镜把光导入到靠近成像物镜光轴侧边的反射镜上再折射到工作表面上。

所述的光学输入设备的镜头模组，其光源可以为不同波长的发光二极管或者为激光二极管。

所述的光学输入设备的镜头模组，其可以防止及减少工作表面上的灰尘进入到光学器件的表面，带有防尘的功能。

所述的光学输入设备的镜头模组，其照明系统的设计可以使光源的光束以较小度的角度(与光轴OZ之间的夹角)近轴照射到工作表面上，投射夹角可以为1～35度之间。

本实用新型的有益效果是：1)该照明系统与成像物镜的光轴有较小的照射角度，并可照射到靠近光轴中心的视场区域，使部分镜面反射的光很容易进入到光学影像传感器中进行成像；2)因照明系统与光轴有较小的照射角度，只需要很小的空间就能够满足照明光路的投射及反射，可以大幅缩小输入设备的光学窗孔尺寸，使工作表面上的灰尘很难进入到光学器件的表面而实现了防尘的功能，提高了使用性能及寿命。

附图说明

图1是本实用新型光学输入设备的光路原理图；

图2是现有光学鼠标输入设备的光路原理图；

图3是现有光学鼠标输入设备之光学镜头用在非高光亮漫反射表面上的状况图；

图4是现有光学鼠标输入设备之光学镜头用在高光亮表面上反射的状况图；

图5是现有光学鼠标输入设备之光学镜头及光学窗孔的结构示意图；

图6是本实用新型光学输入设备之光学镜头模组及光学窗孔的结构示意图；

图7是本实用新型光学输入设备之光学镜头模组用在非高光亮漫反射表面上的状况图；

图8是本实用新型光学输入设备之光学镜头模组用在高光亮表面上反射的状况图；

图9是涉及本实用新型之成像物镜在照明系统的上方的结构示意图；

图10是涉及本实用新型之成像物镜在照明系统的下方的结构示意图；

图11是涉及本实用新型之光源垂直设置时的结构示意图；

图12是图6中P所指处的局部放大图；

图13是本实用新型的穿透式光学镜头模组的立体图；

图14是本实用新型的穿透式光学镜头模组另一视角的立体图；

图15是本实用新型的穿透式光学镜头模组的主视图；

图16是图15沿A-A方向的剖视图；

图17是本实用新型的穿透式光学镜头模组的俯视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型所涉及的其中一个具体实施方式如错误！未找到引用源。、图12至图17所示，该穿透式光学镜头模组包含了一穿透式照明系统及一成像系统。穿透式照明系统包括一个光源3、光源前面的准直透镜15、用于导光的棱镜1、以及将光束折射到工作表面的反射镜11。从光源3(如发光二极管)发出的光，经过前面的准直透镜15进行准直后进入射到转折棱镜1中。准直光经过棱镜之反射面14全反射到另两个反射面13、12，再经由棱镜之反射面13、12的全反射，将此两光束合成产生光束L1并投射到与成像物镜合体的反射镜11上，合成光束L1经反射镜11折射后产生光束L2，经由成像物镜之下投射面21(非球曲面)折射后产生光束L3并投射到工作表面5上，再经过工作表面5反射产生光束L4，此反射光束L4透过成像物镜折射后产生光束L5，并进入光学影像传感器4中成像，由光学影像传感器所读取的影像进行快速的运算，从而实现输入设备之光标移动的控制。光束L3投射的位置为离成像物镜的光轴OZ中心距离+0.40mm的视场区域，此投射的位置可以为-0.3～+1.00mm，这里优选为+0.40mm。该穿透式照明系统的技术特征在于：该光学系统中的光源经过这穿透式照明系统折射后可穿透过成像物镜，并可直接投射到离光轴OZ中心区域非常接近的影像视场。该光学输入设备涉及的机械和电路结构为现有技术，在此不再赘述。

本实用新型的光学系统中之成像系统则包括被识别的工作表面5、成像物镜2及位于成像物镜2上方的光学影像传感器4。成像物镜2包括上投射面22及下投射面21，该两个工作面可以都为非球曲面；传感器则包括暗室41及CMOS感光元件42。该穿透式光学镜头模组之成像系统技术特征在于：该成像系统具有较长的景深，成像物镜采用二元光学元件(BinaryOptics/DOE)设计，可以对不同高度工作表面上的微结构进行成像。该成像物镜并与穿透式照明系统之反射镜11复合并集成于一体。

本实用新型还涉及一种防尘技术，因本穿透式光学照明系统可将光源以较小的照射角度(与成像光轴OZ之间的夹角)入射到工作表面，所以只需要很小的空间就能够满足照明光路投射及反射，如图6所示，输入设备之光学窗孔W1的长度只需2.50mm，相比传统的光学输入设备可以大幅缩小输入设备之光学窗孔尺寸，使工作表面上的灰尘很难进入到光学器件的表面而实现了防尘的功能，提高了使用性能及寿命。

另外，本实用新型所涉及的光学输入设备还包括外围用来装配和固定的非光学部分16，该部分和照明系统及成像系统集成为一个光学模组元件体，可为一体方式成型，也可为分体式。

本实用新型所涉及的光学输入设备，当其工作在普通表面(如木质、有色粗糙表面或者白纸等非高光亮的一般表面)上的时候，其工作原理如图7所示。由于其工作表面5的反射光的特性近似于郎伯散射，对于任何角度的入射光，在各个方向均可产生反射光，将非高光亮的工作表面上的微结构所反射或者衍射所产生的漫反射光传导到成像物镜2上面的光学影像传感器4中进行成像，根据光学影像传感器所读取的影像进行快速的运算，从而控制光学输入设备之光标的移动方向。

本实用新型所涉及的光学系统其特征为可以工作在某些特殊表面上，例如深颜色表面、高亮度的大理石表面、磁砖表面、高光亮的油漆面、镜面、金属光亮表面、相纸、透明塑料表面、微尘透明玻璃表面上正常工作。其穿透式照明系统的设计可以使光源的光束以较小度的角度(与光轴OZ之间的夹角)近轴照射到工作表面上，目前的方案之角度为14度，当工作表面5的光学特性为镜面反射时，根据反射定律，这反射光会以-14度的角度反方向投射到成像物镜2，并经过成像物镜进入到光学影像传感器4中成像，如图8所示，光学输入设备会根据光学影像传感器所读取的影像进行快速的运算，从而实现光学输入设备之光标控制。这里成像物镜的光轴OZ的投射夹角可以为1～35度，这里优选为14度。根据上述的工作原理，本实用新型所涉及的光学系统可以正常工作在多种高光亮表面上，具有较强的影像信息摄取能力。

本实用新型所涉及的光学系统，其穿透式照明系统和成像系统也可以被单独分离，成像物镜可以在照明系统的上方或下方，非一定需要集成在同一个元件上。图9为成像系统在照明系统上方的一个实施方案，原先成像物镜的上投射面和下投射面被替换为上投射平面55和下投射平面54，照明系统的反射镜53也可为平面，在照明系统的上方另行设置一个成像物镜52，入射到工作表面5上的反射光透过下投射平面54和上投射平面55及成像物镜52后成像在光学影像传感器4中。图10为成像系统在照明系统下方的一个实施方案，原先用来做成像物镜的上投射面和下投射面被替换为上投射平面64和下投射平面65，照明系统上的反射镜63也可为曲面，在照明系统的下方另行设置一个成像物镜62，入射到工作表面上的反射光透过这成像物镜62及下投射平面65、上投射平面64后在光学影像传感器4中成像。

本实用新型所涉及的光学系统其照明系统中用来转折光路的棱镜的全反射面的数量可以根据需要增减，棱镜导光方式可以有多种，只要能将光源的光准直并导入反射镜11上进行折射。图11是光源竖直放置于棱镜上方的另一个方案，转折棱镜之反射面也减少了一个，并将原全反射面12及13改成一个反射面72。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学输入设备的穿透式光学镜头模组，能够获取工作表面的影像，其特征在于：包括穿透式照明系统及成像系统，所述穿透式照明系统包括光源、位于所述光源前方的准直透镜、带有反射面的棱镜及反射镜，所述成像系统包括成像物镜及光学影像传感器，所述光源发出的光束经过所述准直透镜准直后投射到所述反射面，经所述反射面反射后投射到所述反射镜，经所述反射镜折射后最终投射到工作表面，所述工作表面的反射光经由所述成像物镜进入所述光学影像传感器成像。

2.如权利要求1所述的光学输入设备的穿透式光学镜头模组，其特征在于：所述光束投射到所述工作表面的位置与所述成像物镜的光轴的距离为-0.3mm～+1.0mm。

3.如权利要求2所述的光学输入设备的穿透式光学镜头模组，其特征在于：投射到所述工作表面的光束与所述光轴的夹角为1度～35度。

4.如权利要求1所述的光学输入设备的穿透式光学镜头模组，其特征在于：所述反射面为全反射面。

5.如权利要求1所述的光学输入设备的穿透式光学镜头模组，其特征在于：投射到所述反射镜的光束与所述工作表面平行。

6.如权利要求1所述的光学输入设备的穿透式光学镜头模组，其特征在于：所述成像物镜与所述反射镜复合一体。

7.如权利要求1所述的光学输入设备的穿透式光学镜头模组，其特征在于：所述成像物镜与所述发射镜分离设置，且所述成像物镜位于所述反射镜的上方或下方。

8.如权利要求1所述的光学输入设备的穿透式光学镜头模组，其特征在于：所述成像物镜为双焦点或多焦点的二元光学元件。

9.如权利要求1所述的光学输入设备的穿透式光学镜头模组，其特征在于：所述成像物镜在物方各个视场的主光线都与成像物镜的光轴平行，其孔径光阑邻近所述成像物镜的像方焦点。

10.一种光学输入设备，其特征在于：包括权利要求1-9中任意一项所述的穿透式光学镜头模组。

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