TWI648570B

TWI648570B - 光學透鏡、光學系統及製作光學透鏡的方法

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Publication number: TWI648570B
Application number: TW107105447A
Authority: TW
Inventors: 鄭彥方; 陳彥安
Original assignee: 宏達國際電子股份有限公司
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2018-02-14
Publication date: 2019-01-21
Also published as: CN109283780A; TW201908795A; CN109283780B

Abstract

一種光學透鏡，適於設置於一光束的傳遞路徑上，光學透鏡包括多個柱狀透鏡單元沿著同一方向延伸，且這些柱狀透鏡單元沿著垂直於延伸方向的方向並排地設置，其中各柱狀透鏡單元相對於光學透鏡的一底面具有一高度，相鄰兩柱狀透鏡單元具有一高度差D，且光學透鏡符合

Description

光學透鏡、光學系統及製作光學透鏡的方法

本發明是有關於一種光學透鏡、光學系統及製作光學透鏡的方法。

藉由雷射光通過柱狀透鏡(lenticular lens)後所投影出的一字形光(linear light)，可用來作為光學追蹤用的發射源。舉例來說，此發射源可應用於虛擬實境(Virtual Reality，VR)的定位追蹤系統。更詳細而言，基站(Base station)或是燈塔(lighthouse)內部的雷射光源所發出的雷射光通過柱狀透鏡而形成一字形光，而基站或是燈塔內部的馬達乘載此柱狀透鏡並持續旋轉，因此此一字形光能夠持續掃描特定空間。頭戴式顯示器(Head mounted display, HMD)或控制器上(Controller)上設置多個光感測器，以偵測基站或是燈塔所發出的一字形光。藉由馬達的旋轉角度以及頻率，以及各個光感測器偵測到一字形光的時間差，系統能夠判定頭戴式顯示器或控制器在空間中的六軸座標。

然而，此種一字形光的光形分布常有亮度不均勻的問題，例如是在一字形光中的亮區與暗區。更詳細而言，當一字形光的暗區掃過光感測器時，光感測器可能不會偵測到此一字形光的暗區，進而影響定位的精準度。

本發明提供一種光學透鏡，使通過其所投影出的光具有均勻的亮度。

本發明提供一種光學系統，其投影出的光具有均勻的亮度。

本發明提供一種可製作出上述光學透鏡的方法。

本發明的一實施例提供一種光學透鏡，適於設置於一光束的傳遞路徑上，光學透鏡包括多個柱狀透鏡單元沿著同一方向延伸，且這些柱狀透鏡單元沿著垂直於延伸方向的方向並排地設置，其中各柱狀透鏡單元相對於光學透鏡的一底面具有一高度，相鄰兩柱狀透鏡單元具有一高度差D，且光學透鏡符合，其中，n為光學透鏡的折射率，λ為光束的中心波長，且Δλ為光束的譜線寬度。

本發明的一實施例提供一種光學系統，包括一光源以及一光學透鏡。光源適於發出一光束。光學透鏡設置於光束的傳遞路徑上。光學透鏡包括多個柱狀透鏡單元沿著同一方向延伸，且這些柱狀透鏡單元沿著垂直於延伸方向的方向並排地設置，其中各柱狀透鏡單元相對於光學透鏡的一底面具有一高度，相鄰兩柱狀透鏡單元具有一高度差D，且光學透鏡符合，其中，n為光學透鏡的折射率，λ為光束的中心波長，且Δλ為光束的譜線寬度。

本發明的一實施例提供一種製作上述的光學透鏡的方法，包括：提供一模具，具有形狀對應於透鏡單元的一模穴；填入一透鏡材料於模穴內；固化透鏡材料；以及分離固化後的透鏡材料與模具。

基於上述，本發明的一實施例提出一種光學透鏡，其包括多個柱狀透鏡單元，且相鄰兩柱狀透鏡單元具有一高度差D。此光學透鏡符合，其中，n為光學透鏡的折射率，λ為光束的中心波長，且Δλ為光束的譜線寬度。藉由上述設計，可避免光束通過相鄰兩個不具有高度差的柱狀透鏡單元後發生干涉(interference)而影響光的均勻度。此外，相鄰的兩柱狀透鏡單元之間具有高度差，可避免光束通過光學透鏡所投影出的光產生亮度偏低的暗區，進而使光束通過光學透鏡所投影出的光具有較均勻的亮度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A為本發明之一實施例的一種光學系統的側視圖。圖1B為圖1A的光學系統的立體圖。如圖1A與圖1B所示，本實施例的光學系統10，包括一光源12以及一光學透鏡100。光源12適於發出一光束L。光學透鏡100設置於光束L的傳遞路徑上。光學透鏡100包括多個柱狀透鏡單元110沿著同一方向(例如是垂直於圖1A圖面的方向d1)延伸，且這些柱狀透鏡單元110沿著垂直於延伸方向的方向(例如是圖1A圖面的左右方向d2)並排地設置。在本實施例中，光學透鏡100的材料例如是聚碳酸酯(Polycarbonate ，PC)或是其他適當的透明材料。

具體來說，本實施例的多個柱狀透鏡單元110為兩個第一柱狀透鏡單元110a與一個第二柱狀透鏡單元110b，且第二柱狀透鏡單元110b設置於兩個第一柱狀透鏡單元110a之間。

在本實施例中，第一柱狀透鏡單元110a具有相對於底面BS的一第一曲面112a，第二柱狀透鏡單元110b具有相對於底面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，因此第一柱狀透鏡單元110a和第二柱狀透鏡單元110b具有相似的外形。在其他實施例中，第一曲面112a和第二曲面112b的曲率也可以不相同，本發明不以此為限。其中，藉由控制第一曲面112a和第二曲面112b的曲率，可用以調整其光形分布的範圍。

在本實施例中，各第一柱狀透鏡單元110a相對於光學透鏡100的底面BS具有相同的一第一高度H1，而第二柱狀透鏡單元110b相對於光學透鏡100的底面BS具有一第二高度H2，其中的第一高度H1不同於第二高度H2。在此，相鄰的第一柱狀透鏡單元110a與第二柱狀透鏡單元110b之間具有一高度差D，且光學透鏡100符合，其中，n為光學透鏡100的折射率，λ為光束L的中心波長，且Δλ為光束L的譜線寬度(spectral bandwidth)。

藉由上述設計，可避免光束L通過相鄰兩個不具有高度差的柱狀透鏡單元110後發生干涉(interference)而影響光的均勻度。此外，相同的兩第一柱狀透鏡單元110a之間的距離增加，且相鄰的第一柱狀透鏡單元110a與第二柱狀透鏡單元110b之間具有高度差D，可避免光束L通過光學透鏡100所投影出的光產生亮度偏低的暗區。

舉例來說，當n=1.5，λ=800 nm，且Δλ=10 nm時，也是光學透鏡100的折射率為1.5，光源12發出的光束L的中心波長為800奈米，且譜線寬度為10奈米，相鄰的第一柱狀透鏡單元110a與第二柱狀透鏡單元110b之間的高度差D只要大於等於34.75微米，即可避免光束L通過光學透鏡100所發射出的光產生亮度偏低的暗區。

另外，在本實施例中，光源12是設置於靠近底面BS的一側，光源12發出的光束L經由底面BS而進入光學透鏡100，且經由第一曲面112a或第二曲面112b而離開光學透鏡100。在其他實施例中，光源12也可以是設置於遠離底面BS的一側，光源12發出的光束L經由第一曲面112a或第二曲面112b而進入光學透鏡100，且經由底面BS而離開光學透鏡100。

圖2為具有相同高度的多個柱狀透鏡單元的一種光學透鏡的側視圖。圖3為包括圖2的光學透鏡的光學系統的光強度分布圖。圖4為圖1A的光學系統的光強度分布圖。如圖2所示，圖2的光學透鏡100a的多個柱狀透鏡單元110皆相同，因此相鄰的柱狀透鏡單元110之間不具有高度差。此種光學透鏡100a常見的問題在於，當光束通過光學透鏡100a所投影出的光容易有亮度不均勻的問題。如圖3所示，包括圖2的光學透鏡100a的光學系統所投影出的光在不同空間座標中的光強度具有明顯的落差，也就是在光強度分布上具有明顯的亮區與暗區，因此其所提供的光形分布不佳。然而，由圖3與圖4可知，相較於圖2的光學透鏡100a來說，光束L通過圖1A的光學透鏡100所投影出的光在不同空間座標中的光強度差異較小，也就是在光強度分布上不具有亮度偏低的暗區，因此具有較均勻的亮度。

圖5A為本發明之一實施例的一種光學透鏡的側視圖。如圖5A所示，本實施例的光學透鏡100b的構件以及相關敘述可以參考圖1A實施例的光學透鏡100，在此不再贅述。光學透鏡100b與光學透鏡100的差異在於，本實施例的光學透鏡100b包括多個第一柱狀透鏡單元110a以及多個第二柱狀透鏡單元110b，且這些第一柱狀透鏡單元110a與這些第二柱狀透鏡單元110b交替排列。在本實施例中，第一柱狀透鏡單元110a的數量為三個，第二柱狀透鏡單元110b的數量為兩個。然而，在其他實施例中，第一柱狀透鏡單元110a與第二柱狀透鏡單元110b的數量並不以此為限。

圖5B為本發明之一實施例的一種光學透鏡的側視圖。如圖5B所示，本實施例的光學透鏡100c的構件以及相關敘述可以參考圖1A實施例的光學透鏡100，在此不再贅述。光學透鏡100c與光學透鏡100的差異在於，本實施例的光學透鏡100c包括多個第一柱狀透鏡單元110a以及多個第二柱狀透鏡單元110b，且這些第一柱狀透鏡單元110a與這些第二柱狀透鏡單元110b交替排列。各第一柱狀透鏡單元110a具有相同的第一高度H1。這些第二柱狀透鏡單元110b具有各自不同的高度，例如圖5B中靠近左方的第二柱狀透鏡單元110b具有第二高度H2，圖5B中靠近右方的第二柱狀透鏡單元110b具有第三高度H3，其中第二高度H2不同於第三高度H3。因此，靠近左方的第二柱狀透鏡單元110b與相鄰的第一柱狀透鏡單元110a具有一第一高度差D1，靠近右方的第二柱狀透鏡單元110b與相鄰的第一柱狀透鏡單元110a具有一第二高度差D2，其中第一高度差D1不同於第二高度差D2。在本實施例中，第二柱狀透鏡單元110b具有兩種不同的高度。然而，在其他實施例中，第二柱狀透鏡單元110b可具有三種、四種或更多種不同的高度，本發明不以此為限。

圖5C為本發明之一實施例的一種光學透鏡的側視圖。如圖5C所示，本實施例的光學透鏡100d的構件以及相關敘述可以參考圖1A實施例的光學透鏡100，在此不再贅述。光學透鏡100d與光學透鏡100的差異在於，本實施例的光學透鏡100d包括多個第一柱狀透鏡單元110a以及多個第二柱狀透鏡單元110b，且這些第一柱狀透鏡單元110a與這些第二柱狀透鏡單元110b交替排列。各第一柱狀透鏡單元110a具有相同的第一寬度W1。這些第二柱狀透鏡單元110b具有各自不同的寬度，例如圖5C中靠近左方的第二柱狀透鏡單元110b具有第二寬度W2，圖5C中靠近右方的第二柱狀透鏡單元110b具有第三寬度W3，其中第二寬度W2不同於第三寬度W3。在本實施例中，第二柱狀透鏡單元110b具有兩種不同的寬度。然而，在其他實施例中，第二柱狀透鏡單元110b可具有三種、四種或更多種不同的寬度。此外，各第一柱狀透鏡單元110a也可以具有不同的寬度，且第一柱狀透鏡單元110a的寬度與第二柱狀透鏡單元110b的寬度可以為相同，也可以為不相同，本發明不以此為限。

圖6A至圖6C為本發明之一實施例的一種光學透鏡的製作方法示意圖。本實施例所示的製作方法示意圖是以製作如圖5A所示的光學透鏡100b為例，然而本實施例所示的製作方法也可以用來製作不同形式的光學透鏡，例如前述實施例的光學透鏡100、光學透鏡100c、具有其它數量個柱狀透鏡單元的光學透鏡或是具有其它種不同高度的柱狀透鏡單元的光學透鏡，本發明不以此為限。

首先，如圖6A所示，提供一模具200，其具有形狀對應於如圖5A所示的柱狀透鏡單元110的一模穴C。接著，如圖6B所示，填入一透鏡材料200b於模穴C內，並且固化透鏡材料200b。最後，如圖6C所示，分離固化後的透鏡材料200b與模具200。如此，完成光學透鏡100b的製作。

在本實施例中，光學透鏡100b的形成方式例如是射出成型(Injection molding)製程。在其他實施例中，光學透鏡的形成方式也可以是熱壓成型(Thermoforming)或是其他適當的光學透鏡製程。在本實施例中，模具200的製作方法例如是直接對模具材料進行切削或是藉由公模來進行模製，然本發明不以此為限。

圖7A至圖7B為圖6A的模具的一種製作方法的示意圖。首先，如圖7A所示，提供相互獨立的多個模具單元210、220、230、240、250，這些模具單元210、220、230、240、250分別具有對應於多個柱狀透鏡單元110的部分模穴表面212、222、232、242、252。接著，如圖7B所示，並排設置這些模具單元210、220、230、240、250，以構成模具200。

圖8A至圖8D為圖6A的模具的另一種製作方法的示意圖。首先，如圖8A所示，提供相互獨立的多個公模單元310、320、330、340、350，這些公模單元310、320、330、340、350分別具有與多個柱狀透鏡單元110相同的形狀與尺寸。接著，如圖8B所示，並排設置這些公模單元310、320、330、340、350，以進行模製。首先，如圖8C所示，將一模具材料300壓合於這些公模單元310、320、330、340、350，並且固化模具材料300。最後，如圖8D所示，分離固化後的模具材料300與公模單元310、320、330、340、350，以完成模具200的製作。

在本實施例中，公模單元310、320、330、340、350的材料例如是金屬或其他適當的材料。模具材料300的材料例如是石膏或其他適當的材料，本發明不以此為限。

在前述圖7A至圖7B以及圖8A至圖8D所示的實施例中，模具單元210、220、230、240、250以及公模單元310、320、330、340、350可以被各自獨立製作，再拼湊為所需的完整模具或公模。相較於一體成形模具或公模的表面輪廓可能因為加工精度限制，而無法在相鄰兩單元之間形成理想的稜線或谷線，影響光學透鏡的成像品質，所述獨立製作的模具單元或公模單元可以拼湊出具有銳利稜線或谷線的表面輪廓。例如：在相鄰的模具單元210、220、230、240、250或相鄰的公模單元310、320、330、340、350的連接處形成銳利稜線或谷線。

另一方面，在各個獨立的模具單元或公模單元加工完成後，可分別對各個模具單元或公模單元進行外觀與尺寸檢測，有助於便捷且精確地控制模具單元或公模單元的製作精度。此外，在多個模具單元或公模單元拼湊為完整模具或公模後亦可再次進行外觀與尺寸檢測，以確保整體光學透鏡的外觀與尺寸符合需求。

圖9A至圖9B為本發明之一實施例的一種光學透鏡的製作方法示意圖。首先，如圖9A所示，提供相互獨立的多個第一柱狀透鏡單元410a與多個第二柱狀透鏡單元410b。在本實施例中，這些第一柱狀透鏡單元410a的數量例如是三個，且例如是具有與如圖1A所示的第一柱狀透鏡單元110a相同的形狀與尺寸。這些第二柱狀透鏡單元410b的數量例如是兩個，且例如是具有與如圖1A所示的第二柱狀透鏡單元110b相同的形狀與尺寸。在其他實施例中，這些第一柱狀透鏡單元410a與這些第二柱狀透鏡單元410b也可以是其他數量個，或是具有其他形狀或尺寸，本發明不以此為限。

接著，如圖9B所示，並排設置這些第一柱狀透鏡單元410a與這些第二柱狀透鏡單元410b，使第一柱狀透鏡單元410a與第二柱狀透鏡單元410b交錯排列，並使用光學膠(Optically clear adhesive，OCA)將這些第一柱狀透鏡單元410a與這些第二柱狀透鏡單元410b黏合，以形成光學透鏡400。

需說明的是，本發明的實施例的光學透鏡或是模具的製作方法，是以可以製作出前述實施例中任一光學透鏡或是與其對應的模具為例，然而本發明並不以此為限，本發明的實施例的光學透鏡或是模具的製作方法可適用於因為加工精度限制，而無法在相鄰兩單元之間形成理想的稜線或谷線的任何形式的光學透鏡或是模具。

藉由提供相互獨立的多個柱狀透鏡單元、多個模具單元或多個公模單元，本發明的實施例的光學透鏡或是模具的製作方法可便捷且精確地控制光學透鏡或是模具的製作精度，以形成理想的稜線或谷線，可確保整體光學透鏡的外觀與尺寸符合需求，使光學透鏡具有理想的成像品質。

綜上所述，本發明的一實施例提出一種光學透鏡，其包括多個柱狀透鏡單元，且相鄰兩柱狀透鏡單元具有一高度差D。此光學透鏡符合，其中，n為光學透鏡的折射率，λ為光束的中心波長，且Δλ為光束的譜線寬度。藉由上述設計，可避免光束通過相鄰兩個不具有高度差的柱狀透鏡單元後發生干涉(interference)而影響光的均勻度。此外，相同高度的兩柱狀透鏡單元之間的距離增加，且相鄰的兩柱狀透鏡單元之間具有高度差，皆可避免光束通過光學透鏡所投影出的光產生亮度偏低的暗區，進而使光束通過光學透鏡所投影出的光具有較均勻的亮度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧光學系統

12‧‧‧光源

100、100a、100b、100c、100d、400‧‧‧光學透鏡

110‧‧‧柱狀透鏡單元

110a、410a‧‧‧第一柱狀透鏡單元

112a‧‧‧第一曲面

110b、410b‧‧‧第二柱狀透鏡單元

112b‧‧‧第二曲面

200‧‧‧模具

200b‧‧‧透鏡材料

210、220、230、240、250‧‧‧模具單元

212、222、232、242、252‧‧‧模穴表面

310、320、330、340、350‧‧‧公模單元

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‧‧‧第一寬度

W2‧‧‧第二寬度

W3‧‧‧第三寬度

C‧‧‧模穴

圖1A為本發明之一實施例的一種光學系統的側視圖。圖1B為圖1A的光學系統的立體圖。圖2為具有相同高度的多個柱狀透鏡單元的一種光學透鏡的側視圖。圖3為包括圖2的光學透鏡的光學系統的光強度分布圖。圖4為圖1A的光學系統的光強度分布圖。圖5A為本發明之一實施例的一種光學透鏡的側視圖。圖5B為本發明之一實施例的一種光學透鏡的側視圖。圖5C為本發明之一實施例的一種光學透鏡的側視圖。圖6A至圖6C為本發明之一實施例的一種光學透鏡的製作方法示意圖。圖7A至圖7B為圖6A的模具的一種製作方法的示意圖。圖8A至圖8D為圖6A的模具的另一種製作方法的示意圖。圖9A至圖9B為本發明之一實施例的一種光學透鏡的製作方法示意圖。

Claims

一種光學透鏡，適於設置於一光束的傳遞路徑上，該光學透鏡包括：多個柱狀透鏡單元沿著同一方向延伸，且該些柱狀透鏡單元沿著垂直於延伸方向的方向並排地設置，其中各該柱狀透鏡單元相對於該光學透鏡的一底面具有一高度，相鄰兩柱狀透鏡單元具有一高度差D，且該光學透鏡符合，其中，n為該光學透鏡的折射率，λ為該光束的中心波長，且Δλ為該光束的譜線寬度。
如申請專利範圍第1項所述的光學透鏡，其中該些柱狀透鏡單元包括多個第一柱狀透鏡單元以及多個第二柱狀透鏡單元，該些第一柱狀透鏡單元與該些第二柱狀透鏡單元交替排列，各該第一柱狀透鏡單元具有相同的一第一高度，且各該第二柱狀透鏡單元具有相同的一第二高度。
如申請專利範圍第1項所述的光學透鏡，其中該些柱狀透鏡單元包括多個第一柱狀透鏡單元以及多個第二柱狀透鏡單元，該些第一柱狀透鏡單元與該些第二柱狀透鏡單元交替排列，各該第一柱狀透鏡單元具有相同的一第一高度，且該些第二柱狀透鏡單元具有各自不同的高度。
如申請專利範圍第1項所述的光學透鏡，其中各該柱狀透鏡單元具有相對於該底面的一曲面，且該些曲面的曲率相同。
如申請專利範圍第1項所述的光學透鏡，其中各該柱狀透鏡單元具有相對於該底面的一曲面，且該些曲面的曲率不相同。
一種光學系統，包括：一光源，適於發出一光束；以及一光學透鏡，設置於該光束的傳遞路徑上，該光學透鏡包括：多個柱狀透鏡單元沿著同一方向延伸，且該些柱狀透鏡單元沿著垂直於延伸方向的方向並排地設置，其中各該柱狀透鏡單元相對於該光學透鏡的一底面具有一高度，相鄰兩柱狀透鏡單元具有一高度差D，且該光學透鏡符合，其中，n為該光學透鏡的折射率， λ為該光束的中心波長，且Δ λ為該光束的譜線寬度。
如申請專利範圍第6項所述的光學系統，其中該光學透鏡的該些柱狀透鏡單元包括多個第一柱狀透鏡單元以及多個第二柱狀透鏡單元，該些第一柱狀透鏡單元與該些第二柱狀透鏡單元交替排列，各該第一柱狀透鏡單元具有相同的一第一高度，且各該第二柱狀透鏡單元具有相同的一第二高度。
如申請專利範圍第6項所述的光學系統，其中該光學透鏡的該些柱狀透鏡單元包括多個第一柱狀透鏡單元以及多個第二柱狀透鏡單元，該些第一柱狀透鏡單元與該些第二柱狀透鏡單元交替排列，各該第一柱狀透鏡單元具有相同的一第一高度，且該些第二柱狀透鏡單元具有各自不同的高度。
如申請專利範圍第6項所述的光學系統，其中各該柱狀透鏡單元具有相對於該底面的一曲面，且該些曲面的曲率相同。
如申請專利範圍第6項所述的光學系統，其中各該柱狀透鏡單元具有相對於該底面的一曲面，且該些曲面的曲率不相同。
一種製作如申請專利範圍第1項所述的該光學透鏡的方法，包括：提供一模具，具有形狀對應於該些柱狀透鏡單元的一模穴；填入一透鏡材料於該模穴內；固化該透鏡材料；以及分離固化後的該透鏡材料與該模具。
如申請專利範圍第11項所述的方法，其中提供該模具的方法包括：提供相互獨立的多個模具單元，該些模具單元分別具有對應於該些柱狀透鏡單元的一部分模穴表面；以及並排設置該些模具單元，以構成該模具。
如申請專利範圍第11項所述的方法，其中提供該模具的方法包括：提供相互獨立的多個公模單元，該些公模單元分別具有與該些柱狀透鏡單元相同的形狀與尺寸；以及並排設置該些公模單元，並且進行模製，以形成該模具。
一種製作如申請專利範圍第1項所述的該光學透鏡的方法，包括：提供相互獨立的多個柱狀透鏡單元；以及使用光學膠將相互獨立的該些柱狀透鏡單元黏合，以形成該光學透鏡。