TWI825889B

TWI825889B - 光學裝置及其稜鏡模組（四）

Info

Publication number: TWI825889B
Application number: TW111128944A
Authority: TW
Inventors: 劉華唐; 羅勝; 陳月葉; 趙蓮; 韓飛
Original assignee: 信泰光學（深圳）有限公司; 亞洲光學股份有限公司
Priority date: 2022-08-02
Filing date: 2022-08-02
Publication date: 2023-12-11
Also published as: TW202407426A

Abstract

本發明提供一種光學裝置及其稜鏡模組。其中稜鏡模組包括一第一稜鏡、一第二稜鏡、一第三稜鏡以及一第四稜鏡。第二稜鏡設置在第一稜鏡旁。第三稜鏡與第二稜鏡貼合。第四稜鏡與第二稜鏡貼合。一第一可見光進入第一稜鏡，在第一稜鏡內多次反射後進入第二稜鏡，接著進入第四稜鏡，在第四稜鏡內經至少一次反射後回到第二稜鏡，在第二稜鏡內經至少一次反射後進入第三稜鏡，然後離開第三稜鏡。一第二可見光進入第三稜鏡，在第三稜鏡內多次反射後離開第三稜鏡。

Description

光學裝置及其稜鏡模組(四)

本發明係有關於一種光學裝置及其稜鏡模組。

目前測距儀使用的是施密特-別漢稜鏡組，但為了兼顧發射/接收系統和顯示系統的配置，需要增加額外的稜鏡組用於分光，將會增加測距儀整體的寬度和高度。同時施密特-別漢稜鏡組若採用離軸結構，稜鏡組的體積要求會比較大，導致成本增加。所以需要提出一種新的架構解決這些問題。

有鑑於此，本發明目的在於提供一種光學裝置及其稜鏡模組，其具有更為緊湊的構造，同時由於體積縮小，使得顯示系統光路縮短，能夠有效降低光能量的衰減，進而提高其亮度。

依據本發明其中一實施例的稜鏡模組包括一第一稜鏡、一第二稜鏡、一第三稜鏡以及一第四稜鏡。第一稜鏡包括一第一面、一第二面以及一第三面，該第一面鄰接該第二面，該第三面相對於該第一面以及該第二面的夾角。第二稜鏡包括一第四面、一第五面以及一第六面，第四面同時鄰接該第五面以及該第六面，且該第四面朝向該第一稜鏡的第二面。第三稜鏡包括一第七面以及一第八面，該第七面朝向該第二稜鏡的第六面，該第八面相對於該第七面設置。第四稜鏡包括一第十面以及一第十一面，該第十一面鄰接該第十面且朝向該第二稜鏡的第五面。其中，一第一可見光由該第一面進入該第一稜鏡，在該第一稜鏡內依序在該第二面、第三面、第一面上反射，然後由該第二面離開該第一稜鏡，再由該第四面進入該第二稜鏡，接著通過該第五面而由該第十一面進入該第四稜鏡，在該第四稜鏡內經該第十面反射後，通過該第十一面，再由該第五面進入該第二稜鏡，在該第二稜鏡內於該第四面上反射，然後依序通過該第六面、該第七面而進入該第三稜鏡，然後由該第八面離開該第三稜鏡。

在另一實施例中，稜鏡模組更包括一第一薄膜以及一第二薄膜，其中該第一薄膜設置在該第十一面以及該第五面之間且讓該第一可見光通過，該第二薄膜設置在該第六面以及該第七面之間且讓該第一可見光通過。

在另一實施例中，該第三稜鏡更包括一第九面，該第九面同時鄰接該第七面以及該第八面。一第二可見光經由該第九面進入該第三稜鏡，在該第三稜鏡內依序在該第八面以及該第七面上反射，然後由該第八面離開該第三稜鏡，且與該第一可見光重疊。

在另一實施例中，稜鏡模組更包括一第二薄膜，該第二薄膜設置在該第六面以及該第七面之間且反射該第二可見光。

依據本發明其中一實施例的光學裝置包括一前述的稜鏡模組、一分光器以及一顯示器。分光器鄰接該第三稜鏡的第九面。顯示器產生該第二可見光，經過該分光器後由該第九面進入該第三稜鏡。

在另一實施例中，稜鏡模組包括一第一稜鏡、一第二稜鏡、一第三稜鏡以及一第一薄膜。其中第一稜鏡包括一第一面、一第二面以及一第三面，該第一面鄰接該第二面，該第三面相對於該第一面以及該第二面的夾角。第二稜鏡包括一第四面、一第五面以及一第六面，該第四面同時鄰接該第五面以及該第六面，且該第四面朝向該第一稜鏡的第二面。第三稜鏡包括一第七面、一第八面以及一第九面，該第七面朝向該第二稜鏡的第六面，該第九面同時鄰接該第七面以及該第八面。第一薄膜鄰接該第五面。其中，一不可見光經由該第九面進入該第三稜鏡，於該第八面上反射，然後通過該第七面，再經由該第六面進入該第二稜鏡，在該第五面上反射，然後由該第四面離開該第二稜鏡，再經由該第二面進入該第一稜鏡，在該第一稜鏡內於該第一面、該第三面、該第二面上依序反射，然後由該第一面離開該第一稜鏡。其中，該第一薄膜反射該不可見光。

在另一實施例中，光學裝置包括一前述的稜鏡模組、一分光器、一光發射器以及一光接收器。分光器鄰接該第三稜鏡的第九面。光發射器產生該不可見光，該不可見光經由該分光器而進入該第三稜鏡。光接收器接收經由該第一面離開該第一稜鏡然後被一目標物反射回到該光學裝置的的該不可見光。其中一第二可見光通過該分光器，然後由該第九面進入該第三稜鏡，在該第三稜鏡內依序在該第八面以及該第七面上反射，然後由該第八面離開該第三稜鏡。其中，該稜鏡模組更包括一第二薄膜，設置在該第六面以及該第七面之間，讓該不可見光通過但反射該第二可見光。其中，該不可見光在進入該第一稜鏡時的行進方向和離開該第一稜鏡時的行進方向互相平行。其中，該不可見光以及該第二可見光都是由該第九面進入該第三稜鏡。

在另一實施例中，稜鏡模組包括一第一稜鏡、一第二稜鏡、一第三稜鏡以及一第一薄膜。第一稜鏡包括一第一面、一第二面以及一第三面，該第一面鄰接該第二面，該第三面相對於該第一面以及該第二面的夾角。第二稜鏡包括一第四面、一第五面以及一第六面，該第四面同時鄰接該第五面以及該第六面，且該第四面朝向該第一稜鏡的第二面。第三稜鏡包括一第七面、一第八面以及一第九面，該第七面朝向該第二稜鏡的第六面，該第九面同時鄰接該第七面以及該第八面。第一薄膜鄰接該第五面。其中，一目標物反射一不可見光至該稜鏡模組，經由該第一面進入該第一稜鏡，在該第一稜鏡內依序於該第二面、該第三面、該第一面上反射，然後由該第二面離開該第一稜鏡，再經由該第四面進入該第二稜鏡，在該第五面上反射，然後依序通過該第六面以及該第二薄膜，然後由該第七面進入該第三稜鏡，於該第八面上反射，再經由該第九面離開該第三稜鏡。其中，該第一薄膜反射該不可見光。

在另一實施例中，光學裝置包括一前述的稜鏡模組、一光發射器以及一光接收器。光發射器產生該不可見光至該目標物。光接收器接收經由該第九面離開該第三稜鏡的該不可見光。其中，該稜鏡模組更包括一第二薄膜，設置在該第六面以及該第七面之間，讓該不可見光通過。其中，該不可見光至該目標物的行進方向和離開該第三稜鏡時的行進方向互相平行。

在另一實施例中，該第一稜鏡為一屋脊型稜鏡，該第二面以及該第四面之間存在間隙。

1:雙筒望遠測距儀

10、10’:稜鏡模組

11、11’:第一稜鏡

12、12’:第二稜鏡

13、13’:第三稜鏡

14、14’:第四稜鏡

15:分光器

21、21’:物鏡單元

22、22’:目鏡單元

24:光發射器

25:光接收器

26:顯示器

27:透鏡組

28:反射鏡

111、111’:第一面

112、112’:第二面

113、113’:第三面

114、114’:第十二面

115、115’:第十三面

121、121’:第四面

122、122’:第五面

123、123’:第六面

124、124’:第十四面

131、131’:第七面

132、132’:第九面

133、133’:第八面

134、134’:第十五面

141、141’:第十一面

142、142’:第十面

143、143’:第十六面

144、144’:第十七面

L1:第一可見光

L2:不可見光

L3:第二可見光

第1圖顯示本發明的其中一實施例的稜鏡模組及其第一可見光路。

第2圖係第1圖之稜鏡模組的分光器、光發射模組以及透鏡組的側視圖。

第3圖顯示第1圖的稜鏡模組以及其不可見光路。

第4圖顯示第1圖的稜鏡模組以及其第二可見光路。

第5圖係本發明稜鏡模組應用於一雙筒望遠測距儀的架構示意圖。

本發明的稜鏡模組利用至少一第一稜鏡、至少一第二稜鏡、至少一第三稜鏡以及至少一第四稜鏡，再搭配一分光器，來實現望遠、測距及/或顯示器分光的功能。請參閱第1圖，本發明的其中一實施例的稜鏡模組10包括二第一稜鏡11、11’、二第二稜鏡12、12’、二第三稜鏡13、13’、二第四稜鏡14、14’、二第一薄膜16、16’、二第二薄膜17、17’以及一分光器15，各元件構造詳述如下：

第一稜鏡11為一屋脊型稜鏡而包括一第一面111、一第二面112、一第三面113、一第十二面114以及一第十三面115，其中第一面111鄰接第二面112，第十二面114同時鄰接第二面112以及第三面113，第十三面115同時鄰接第三面113以及第一面111，使得第三面113相對於第一面111以及第二面112的夾角。第三面113為屋脊面，由二個成90°夾角的面所組成。

第二稜鏡12設置在第一稜鏡11旁且兩者間存在一間隙，第二稜鏡12包括一第四面121、一第五面122、一第六面123以及一第十四面124，第四面121同時鄰接第五面122以及第六面123，且第四面121朝向第一稜鏡11的第二面112，第十四面124相對於第四面121設置且同時鄰接第五面122以及第六面123。

第三稜鏡13包括一第七面131、一第八面133、一第九面132以及一第十五面134，其中第七面131朝向第二稜鏡12的第六面123，第九面132黏合於分光器15且同時鄰接第七面131以及第八面133，第十五面134相對於第九面132設置且同時鄰接第七面131以及第八面133。

第四稜鏡14包括一第十面142、一第十一面141、一第十六面143以及一第十七面144，其中第十一面141同時鄰接第十面142以及第十七面144且朝向第二稜鏡12的第五面122，第十六面143相對於第十一面141設置且同時鄰接第十面142以及第十七面144。

第一薄膜16設置在第二稜鏡12與第四稜鏡14之間，具體而言，第一薄膜16設置在第十一面141以及第五面122之間。其中第一薄膜16可先形成在第十一面141或者第五面122上，然後再將第二稜鏡12與第四稜鏡14貼合。又，第一薄膜16允許特定波長的可見光(例如下述第一可見光L1)通過但反射特定波長的不可見光(例如下述不可見光L2)。

第二薄膜17設置在第二稜鏡12與第三稜鏡13之間，具體而言，第二薄膜17設置在第六面123以及第七面131之間。其中第二薄膜17可先形成在第六面123或者第七面131上，然後再將第二稜鏡12與第三稜鏡13貼合。又，第二薄膜17允許特定波長的不可見光(例如下述不可見光L2)以及一些特定波長的可見光(例如下述第一可見光L1)通過，但會反射另一些特定波長的可見光(例如下述第二可見光L3)。

請同時參閱第2圖，第2圖係第1圖中分光器15以及下述的光發射器24和透鏡組27之側視圖。其中分光器15如圖所示，為一立方體分光鏡，由二個直角稜鏡黏合而成。

第一稜鏡11’與第一稜鏡11形狀對稱，因此第一稜鏡11’也為一屋脊型稜鏡而包括一第一面111’、一第二面112’、一第三面113’、一第十二面114’以及一第十三面115’，其中第一面111’鄰接第二面112’，第十二面114’同時鄰接第二面112’以及第三面113’，第十三面115’同時鄰接第三面113’以及第一面111’，使得第三面113’相對於第一面111’以及第二面112’的夾角。第三面113’為屋脊面，由二個成90°夾角的面所組成。

第二稜鏡12’設置在第一稜鏡11’旁且兩者間存在一間隙，第二稜鏡12’與第二稜鏡12形狀對稱，因此第二稜鏡12’也包括一第四面121’、一第五面122’、一第六面123’以及一第十四面124’，第四面121’同時鄰接第五面122’以及第六面123’，且第四面121’朝向第一稜鏡11’的第二面112’，第十四面124’相對於第四面121’設置且同時鄰接第五面122’以及第六面123’。

第三稜鏡13’與第三稜鏡13形狀對稱，因此第三稜鏡13’包括一第七面131’、一第八面133’、一第九面132’以及一第十五面134’，其中第七面131’朝向第二稜鏡12’的第六面123’，第九面132’同時鄰接第七面131’以及第八面133’，第十五面134’相對於第九面132’設置且同時鄰接第七面131’以及第八面133’。

第四稜鏡14’與第四稜鏡14形狀對稱，因此第四稜鏡14’包括一第十面142’、一第十一面141’、一第十六面143’以及一第十七面144’，其中第十一面141’同時鄰接第十面142’以及第十七面144’且朝向第二稜鏡12’的第五面122’，第十六面143’相對於第十一面141’設置且同時鄰接第十面142’以及第十七面144’。

第一薄膜16’設置在第二稜鏡12’與第四稜鏡14’之間，具體而言，第一薄膜16’設置在第十一面141’以及第五面122’之間。其中第一薄膜16’可先形成在第十一面141’或者第五面122’上，然後再將第二稜鏡12’與第四稜鏡14’貼合。又，第一薄膜16’允許特定波長的可見光(例如下述第一可見光L1)通過但反射特定波長的不可見光(例如下述不可見光L2)。

第二薄膜17’設置在第二稜鏡12’與第三稜鏡13’之間，具體而言，第二薄膜17’設置在第六面123’以及第七面131’之間。其中第二薄膜17’可先形成在第六面123’或者第七面131’上，然後再將第二稜鏡12’與第三稜鏡13’貼合。又，第二薄膜17’允許特定波長的不可見光(例如下述不可見光L2)以及一些特定波長的可見光(例如下述第一可見光L1)通過。

本發明稜鏡模組10可應用在各式光學裝置中(例如望遠鏡等)讓使用者來觀察四周環境，請參閱第1圖，第一可見光(例如環境光)L1將經由該第一面111、111’進入第一稜鏡11、11’，在第一稜鏡11、11’內依序在第二面112、112’、第三面113、113’、第一面111、111’上反射，然後由第二面112、112’離開第一稜鏡11、11’，再由第四面121、121’進入第二稜鏡12、12’，接著通過第五面122、122’以及第一薄膜16、16’而由該第十一面141、141’進入第四稜鏡14、14’，在第四稜鏡14、14’內經第十面142、142’反射後，依序通過第十一面141、141’以及第一薄膜16、16’，再由第五面122、122’進入第二稜鏡12、12’，在第二稜鏡12、12’內於第四面121、121’上反射，然後依序通過第六面123、123’、第二薄膜17、17’、第七面131、131’而進入第三稜鏡13、13’，然後由第八面133、133’離開第三稜鏡13、13’而到達使用者眼睛。值得注意的是，在一些實施例中，稜鏡模組10可以只包括一第一稜鏡11(或11’)、一第二稜鏡12(或12’)、一第三稜鏡13(或13’)以及一第四稜鏡14(或14’)，同樣能接收第一可見光L1以進行觀測。

本發明稜鏡模組10可搭配光發射器以及光接收器來使用，在觀察目標物的時候還能更進一步量測目標物的距離。請參閱第3圖所示不可見光路，光發射器24發射一不可見光(測距光)L2，不可見光L2通過分光器15後，經由第九面132進入第三稜鏡13，於第八面133上反射，然後依序通過第七面131以及第二薄膜17，再經由第六面123進入第二稜鏡12，在第五面122上反射，然後由第四面121離開該第二稜鏡12，再經由第二面112進入第一稜鏡11，在第一稜鏡11內於第一面111、第三面113、第二面112上依序反射，然後由第一面111離開該第一稜鏡11，到達一目標物(未圖示)，經該目標物反射而回到稜鏡模組10，經由第一面111’進入第一稜鏡11’，在第一稜鏡11’內依序於第二面112’、第三面113’、第一面111’上反射，然後由第二面112’離開第一稜鏡11’，再經由第四面121’進入第二稜鏡12’，在第五面122’上反射，然後依序通過第六面123’以及第二薄膜17’，然後由第七面131’進入第三稜鏡13’，於第八面133’上反射，再經由第九面132’離開第三稜鏡13’，然後由光接收器25接收。利用不可見光L2發射及接收的時間差，即可計算得到該目標物的距離(距離=光速×時間差÷2)。

值得注意的是，不可見光L2在離開第一稜鏡11時的行進方向與經目標物反射後進入另一第一稜鏡11’時的行進方向互相平行。

其中光發射器24可為一雷射二極體(Laser Diode,LD)或其他光源)。光接收器25可為一光電二極體(photoelectric diode,PD)、一光電倍增管(photomultiplier tube,PMT)、電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)、累崩式光電二極體(avalanche photodiode,APD)、或單光子崩潰二極體(single-photon avalanche diode,SPAD)等光偵測器。

本發明稜鏡模組10可搭配顯示器來使用，提供一些重要訊息給使用者參考，如第4圖所示，一顯示器26發出第二可見光L3(內含目標物的距離等訊息)，第二可見光L3經反射鏡28反射，依序通過透鏡組27、分光器15而經由第九面132進入第三稜鏡13，在第三稜鏡13內依序在第八面133以及第七面131上反射，然後由該第八面133離開第三稜鏡13而到達使用者眼睛，將訊息提供給使用者參考。值得注意的是，第二可見光L3由該第八面133離開第三稜鏡13時會與前述第一可見光L1重疊。另外，不可見光L2以及第二可見光L3都是由第九面132進入第三稜鏡13。

其中顯示器26可為有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode,OLED)、或液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)等顯示裝置。

請參閱第5圖，第5圖係本發明稜鏡模組應用於一雙筒望遠測距儀的架構示意圖。如圖所示，雙筒望遠測距儀1包括一光發射部以及一光接收部，其中光發射部包括一物鏡單元21、一光發射器24、一稜鏡模組10、一顯示器26、一透鏡組27、一反射鏡28、以及一目鏡單元22。光接收部包括一物鏡單元21’、一光接收器25、一稜鏡模組10’、以及一目鏡單元22’。

當使用者利用此雙筒望遠測距儀1觀察周圍環境時，第一可見光可經由物鏡單元21、21’、稜鏡模組10、10’、目鏡單元22、22’到達使用者眼睛進行觀察，同時光發射器24發射一不可見光，經稜鏡模組10、物鏡單元21而到達目標物(未圖示)，經目標物反射回到雙筒望遠測距儀1，再經物鏡單元21’、稜鏡模組10’而到達光接收器25，再利用不可見光發射及接收的時間差計算得到該目標物的距離。在另一方面，顯示器26可產生一第二可見光，經反射鏡28、透鏡組27、稜鏡模組10的分光器15以及第三稜鏡13、目鏡單元22而到達使用者眼睛，將重要訊息(例如目標物距離等)提供給使用者參考。

綜上所述，本發明的稜鏡模組利用至少四稜鏡搭配一分光器，當應用於一光學裝置時，可實現望遠光學系統、光發射系統/光接收系統、以及顯示系統的分光，使光學裝置整體結構更為緊湊因而沒有局部凸起，同時由於體積縮小，還能使顯示系統光路縮短，能夠有效降低光能量的衰減，進而提高其亮度。

以上所述本發明的實施例並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。