WO2022252520A1 - 光学透镜、光学镜组和投影光学系统 - Google Patents

光学透镜、光学镜组和投影光学系统 Download PDF

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WO2022252520A1
WO2022252520A1 PCT/CN2021/133835 CN2021133835W WO2022252520A1 WO 2022252520 A1 WO2022252520 A1 WO 2022252520A1 CN 2021133835 W CN2021133835 W CN 2021133835W WO 2022252520 A1 WO2022252520 A1 WO 2022252520A1
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lens
optical
optical lens
arc surface
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刘晓东
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歌尔光学科技有限公司
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B2003/0093—Simple or compound lenses characterised by the shape

Definitions

  • the present application relates to the field of optical technology, in particular to an optical lens, an optical lens group and a projection optical system. .
  • the light emitting surface includes a first arc surface, the first arc surface is located in the middle of the optical lens, and the first arc surface is a concave surface.
  • the light exit surface further includes a second arc surface and a third arc surface, the second arc surface and the third arc surface are respectively located on both sides of the first arc surface and connected to the The first arc surface, the second arc surface and the third arc surface are convex surfaces.
  • the slope of the first arc surface gradually decreases from the optical axis position to the edge position, and the slopes of the second arc surface and the third arc surface gradually increase from the optical axis position to the edge position.
  • the first wall surface and the second wall surface gradually extend toward the optical axis of the optical lens in the light propagation direction.
  • the present application also provides an optical lens group, the optical lens group includes a diffusion lens and the optical lens as described above, the light exit surface of the diffusion lens is an arc surface, and the optical lens The concave groove faces the diffuser lens, the light passing through the arc-shaped surface converges, and the focal point of convergence is located between the diffuser lens and the optical lens.
  • the light 310 passing through the arc-shaped surface 211 converges, and the focal point of the convergence is located between the diffusion lens 210 and the optical lens 220 .
  • the arc surface 211 has the function of converging the light 310 .
  • the light 310 will diffuse again after passing through the focal point, and the converging focal point is located between the diffusing lens 210 and the optical lens 220 .
  • the converging focal point is closer to the diffusion lens 210 , so that after the light 310 passes through the short-distance focusing effect of the diffusion lens 210 , the angle is diffused to obtain a larger outgoing angle.

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Abstract

本申请一些实施例公开了一种光学透镜、光学镜组和投影光学系统，光学透镜包括：入光面和出光面；入光面和出光面分设于光学透镜的相对两侧，入光面设有凹陷槽，光线经凹陷槽射入光学透镜；出光面包括第一弧面、第二弧面和第三弧面，第一弧面位于光学透镜的中间位置，第二弧面和第三弧面分别位于第一弧面的两侧，且连接于第一弧面，第一弧面为凹陷面，第二弧面和第三弧面为凸起面。本申请的技术方案能够使投影设备在近距离内形成有效的光触控区域，满足用户使用要求。

Description

光学透镜、光学镜组和投影光学系统
本申请要求于2021年5月31日提交中国专利局、申请号为202110606628.6、申请名称为“光学透镜、光学镜组和投影光学系统”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学透镜、光学镜组和投影光学系统。。
背景技术
随着智能交互产品的快速发展，光触控技术只需要较少的空间就可以安装下投影设备，且摆放位置也更加灵活。因此，光触控技术作为一种重要的输入技术，逐渐受到更多关注。但是目前的投影设备难以在近距离内形成有效的光触控区域，无法满足用户使用要求。
申请内容
基于此，针对现有投影设备难以在近距离内形成有效的光触控区域，无法满足用户使用要求的问题，有必要提供一种光学透镜、光学镜组和投影光学系统，旨在使投影设备在近距离内形成有效的光触控区域，满足用户使用要求。为实现上述目的，本申请提出的一种光学透镜，所述光学透镜包括：入光面和出光面；
所述入光面和所述出光面分设于所述光学透镜的相对两侧，所述入光面的中间设有凹陷槽，光线经所述凹陷槽射入所述光学透镜；
所述出光面包括第一弧面，所述第一弧面位于所述光学透镜的中间位置，所述第一弧面为凹陷面。
可选地，所述出光面还包括第二弧面和第三弧面，所述第二弧面和所述第三弧面分别位于所述第一弧面的两侧，且连接于所述第一弧面，所述第二弧面和所述第三弧面为凸起面。
可选地，所述第二弧面与所述第三弧面于所述光学透镜的光轴对称设置。
可选地，所述第一弧面的斜率由光轴位置向边缘位置逐渐减小，所述第二弧面和所述第三弧面的斜率由光轴位置向边缘位置逐渐增加。
可选地，所述凹陷槽包括第一壁面和第二壁面，所述第一壁面靠近所述第二弧面设置，所述第二壁面靠近所述第三弧面设置。
可选地，所述第一壁面和所述第二壁面在光线的传播方向上逐渐向所述光学透镜的光轴延伸。
此外，为了实现上述目的，本申请还提供一种光学镜组，所述光学镜组包括扩散透镜和如上文所述的光学透镜，所述扩散透镜的出光面为弧形面，所述光学透镜的凹陷槽面向所述扩散透镜，经所述弧形面的光线会聚，会聚的焦点位于所述扩散透镜和所述光学透镜之间。
可选地，所述扩散透镜和所述光学透镜为柱体结构，所述扩散透镜的光轴与所述光学透镜的光轴重合。
可选地，所述扩散透镜为圆柱体结构，圆柱体结构的所述扩散透镜的侧面朝向所述扩散透镜，所述扩散透镜的光轴与所述扩散透镜的轴线正交。
可选地，所述扩散透镜与所述光学透镜一体成型设置。
可选地，所述光学镜组包括第一准直镜片和第二准直镜片，所述第一准直镜片和所述第二准直镜片设于所述扩散透镜的入光方向的一侧，所述第一准直镜片的出光面和所述第二准直镜片的出光面朝向光线的传播方向凸起。
此外，为了实现上述目的，本申请还提供一种投影光学系统，所述投影光学系统包括红外激光源和如上文所述的光学透镜，所述红外激光源设于所述准直镜组的入光面的一侧。
本申请提出的技术方案中，光学透镜的作用在于扩大出射光线的出射角度。光线在经过光学透镜的入光面的凹陷槽后，光线进行了第一次扩散。光线在经过光学透镜的出光面时，光线进行了第二扩散。由于光轴位置的光线数量较多，进一步扩散光线，第一弧面设置为凹陷面。光线经过第一弧面时，光线向两侧偏折。如此光线在经过光学透镜后经过两次扩散，从而快速形成较大范围的触控光幕。在距离光学透镜较近的位置就能够形成有效的光触控区 域，满足用户的使用要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一部分附图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请中光学透镜一实施例的结构示意图；
图2为图1中光学透镜的立体结构示意图；
图3为本申请中光学镜组的俯视结构示意图；
图4为图3中光学镜组的立体结构示意图；
图5为图3中光学镜组的侧面结构示意图；
图6为本申请光学镜组一体设置的结构示意图；
图7为图6中光学镜组的立体结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
110 第一准直镜片 221b 第二壁面
120 第二准直镜片 222 出光面
210 扩散透镜 222a 第一弧面
201 扩散透镜的轴线 222b 第二弧面
211 弧形面 222c 第三弧面
220 光学透镜 30 红外激光源
202 光学透镜的轴线 310 光线
221 凹陷槽 40 光轴
221a 第一壁面    
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
在相关技术中，通过投影设备在一定的平面区域投影出光幕，在光幕的上方设置相机。人手在光幕上点击时，相应位置的光线被遮挡，通过相机拍摄遮挡光线的位置来判断人手触控的位置，从而确定相应的信息指令。但是目前的投影设备难以在近距离内形成有效的光触控区域，无法满足用户使用要求。
为了解决上述问题，参阅图1和图2所示，本申请提供一种光学透镜220，光学透镜220包括：入光面和出光面。光线经入光面射入，并经出光面射出。
入光面和出光面分设于光学透镜的相对两侧，入光面的中间设有凹陷槽221，光线经凹陷槽221射入光学透镜220；凹陷槽221形成一个光线扩散传播的空间。光线经过凹陷槽221射入到光学透镜220内。光线在经过凹陷槽221时经过第一次扩散。
出光面222包括第一弧面222a，第一弧面222a位于光学透镜220的中间位置，第一弧面222a为凹陷面。凹陷槽221和第一弧面222a均为凹陷设置，光线在经过凹陷槽221的表面以及第一弧面222a时，光线向两侧偏转。通过两侧光线的偏转，扩大光线的出射角度。
本实施例提出的技术方案中，光学透镜220的作用在于扩大出射光线的出射角度。光线在经过光学透镜220的入光面的凹陷槽221后，光线310进行了第一次扩散。光线310在经过光学透镜220的出光面222时，光线310进行了第二扩散。由于光轴40位置的光线数量较多，为了进一步扩散光线，第一弧面222a设置为凹陷面。光线经过第一弧面222a时，光线向两侧偏折。如此光线310在经过光学透镜220后经过两次扩散，从而快速形成较大范围的触控光幕。在距离光学透镜220较近的位置就能够形成有效的光触控区域，满足用户的使用要求。
在其中一实施例中，为了保证光线310能够有效的在指定区域投影出光幕。出光面222还包括第二弧面222b和第三弧面222c，第二弧面222b和第三弧面222c分别位于第一弧面222a的两侧，且连接于第一弧面222a，第二弧面222b和第三弧面222c为凸起面。具体地，第二弧面222b和第三弧面222c分别位于第一弧面222a的两侧，第一弧面222a的一端连接第二弧面222b，第一弧面222a的另一端连接第三弧面222c，第一弧面222a凹陷，第二弧面222b和第三弧面222c凸起。第二弧面222b和第三弧面222c自第一弧面222a平滑延伸。在光线310的中间位置光线310相对集中，通过第一弧面222a的凹面设计，可以分散位于中间位置的光线310。通过第二弧面222b和第三弧面222c的凸面设计，分散位于光学透镜220两端的光线310。其中，为了进一步提高扩散面，光学透镜220的出光面222的面积大于光学透镜220的入光面的面积。
在上述实施例中，为了保证水平方向上光线310在光学透镜220的两端覆盖的范围相等，第二弧面与第三弧面于光学透镜的光轴对称设置。如此保证，光线310在光学透镜220相对的两个出射方向上，出射角度相同，使光线310在光学透镜220的两端覆盖面积相同。同时，对称设置也便于第二透镜的加工。
在其中一实施例中，第一弧面222a的斜率由光轴位置向边缘位置逐渐减小，第二弧面222b和第三弧面222c的斜率由光轴位置向边缘位置逐渐增加。可以理解为，光学透镜220的出光面222为自由曲面。通过第一弧面222a在凹面基础上，使第一弧面222a的斜率由光轴40位置向边缘位置逐渐减小，分散光线310的出射角度。通过第二弧面222b和第三弧面222c在凸面的基础上，使其斜率逐渐增加来分散光线310的出射角度。另外，通过斜率的逐渐变化，保证出光面222平滑的过渡延伸。
在其中一实施例中，凹陷槽包括第一壁面和第二壁面，第一壁面靠近第二弧面设置，第二壁面靠近第三弧面设置。通过第一壁面221a和第二壁面221b的延伸，形成的凹陷槽221具有锥形的截面。光线310在向光学透镜220入射时，在第一壁面221a和第二壁面221b的表面光线310进行了偏折。通过锥形截面的凹陷槽221设计，使光线310在水平方向上扩展。也可以理解为通过凹陷槽221的设计，光学透镜220的入光面形成负透镜的效果，从而完成光线310的扩散。
进一步地，第一壁面和第二壁面在光线的传播方向上逐渐向光学透镜的光轴延伸。第一壁面和第二壁面于光轴对称设置。进一步保证光线均匀的在触控区域形成触控光幕。
参阅图3-图5所示，本申请还提供一种光学镜组，光学镜组包括扩散透镜210和如上文光学透镜220，扩散透镜210的出光面为弧形面211，光学透镜220的凹陷槽221面向扩散透镜210，经弧形面的光线会聚，会聚的焦点位于扩散透镜210和光学透镜220之间。扩散透镜210和光学透镜220沿光线310的传播方向依次设置。凹陷槽221的作用在于扩散经过扩散透镜210会聚的光线310。经过扩散透镜210的会聚，光线310聚集在较小的范围内，光线310射向扩散透镜210的凹陷槽221后，提高光线310的发散角度。另外，光线310聚集在小范围内，导致光线310在小范围内光强较高，凹陷槽 221还能够分散光线310的光强，将能量分布密集的区域，扩散到大角度区域，起到匀光的作用。通过会聚的焦点位于扩散透镜210和光学透镜220之间。弧形面211有会聚光线310的作用。光线310经过焦点后会再次进行扩散，会聚的焦点位于扩散透镜210和光学透镜220之间。可以知道是，会聚的焦点距离扩散透镜210较近，从而在使光线310经过扩散透镜210的短距的聚焦作用后，很快的进行角度的扩散，以便获得更大的出射角度。
经扩散透镜210后光线310的出射角度扩散，投影形成用于触控的触控光幕。例如，触控的有效区域是长度为500mm，宽度为296mm的区域，有效区域距离光学透镜220的出光面的位置最近的为20mm，最远的位置为316mm。如此可知，有效区域距离光学透镜220较近。为了保证触控光幕能够有效覆盖到有效区域，可以通过扩散透镜210扩大光线310的出射角度来完成。通过扩散透镜210和光学透镜220，可以使光线310的出射角度接近180度。比如，出射角度为160度，在160度的情况下，光线310能够有效覆盖到触控的有效区域。
进一步地，经弧形面211的光线310会聚，会聚的焦点位于扩散透镜210和光学透镜220之间。弧形面211有会聚光线310的作用。光线310经过焦点后会再次进行扩散，会聚的焦点位于扩散透镜210和光学透镜220之间。可以知道是，会聚的焦点距离扩散透镜210较近，从而在使光线310经过扩散透镜210的短距的聚焦作用后，进行角度的扩散，获得更大的出射角度。
参阅图图3和图4所示，扩散透镜210和光学透镜220为柱体结构，扩散透镜210的轴线201与光学透镜220的轴线202平行。扩散透镜210的轴线201与光学透镜220的轴线202平行，可以保证扩散透镜210和光学透镜220对光线310的扩散方向相同，通过两次的扩散，还能够进一步扩大光线310的出射角度。扩散透镜和光学透镜为柱体结构，扩散透镜的光轴与光学透镜的光轴重合。
进一步地，为了避免光幕的厚度变厚，需要避免在光幕的厚度上导致光线310发散。因此，扩散透镜210为圆柱体结构，圆柱体结构的扩散透镜210的侧面朝向光学透镜220，光学透镜220的光轴40与扩散透镜的轴线201正交。如此在竖直方向上改变了光线310的出射角度，光幕保持一定厚度传播。扩散透镜210在水平方向是改变光线310的出射角度。参阅图6和图7所示， 为了便于光学镜组的组装，扩散透镜210与光学透镜220一体成型设置。例如，扩散透镜210和光学透镜220为光学塑料，采用热塑成型的方式，通过一次注塑加工获得扩散镜组20。如此，在组装光学镜组时，只需要一次定位安装就可以完成组装。例如，扩散透镜210和光学透镜220的材料为聚碳酸酯(PC，Polycarbonate)，当然扩散透镜210和光学透镜220的材料不限于此。
在上述实施例中，光学镜组包括第一准直镜片110和第二准直镜片120，第一准直镜片110和第二准直镜片120设于扩散透镜210的入光方向的一侧，第一准直镜片110的出光面和第二准直镜片120的出光面凸起，凸起方向朝向光线310的传播方向。第一准直镜片110和第二准直镜片120也可以采用光学塑胶，通过热塑加工的方式得到。另外，为了保证准直效果，第一准直镜片110的出光面和第一准直镜片110的入光面为球面，其中，第一准直镜片110的入光面朝向光线310的传播方向凸起，也就是说第一准直镜片110的入光面为凹陷面。同样地，第二准直镜片120的出光面和第二准直镜片120的入光面也为球面，第二准直镜片120的入光面朝向光线310的传播方向凸起，也就是说第二准直镜片120的入光面为凹陷面。例如，第一准直镜片110和第二准直镜片120的材料为H-F1，当然第一准直镜片110和第二准直镜片120的材料不限于此。需要指出的是，一般发射光线310的光源是一个点光源。而要顺利实现在触控光幕上的触控操纵，光幕需要一定的厚度，点光源难以形成一定厚度的光幕。为此，通过第一准直镜片110和第二准直镜片120的设置，光线310在经过第一准直镜片110和第二准直镜片120时，光线310的传播方向被改变，光线310之间相互平行，且形成上下两个表面平行的光幕，上下表面之间的距离为光幕的厚度。另外，扩散透镜和光学透镜为柱体结构时，触控光幕的厚度小于或等于柱体结构的高度。
本申请还提供一种投影光学系统，投影光学系统包括红外激光源30和光学镜组，红外激光源发射红外激光，红外激光射向光学镜组。红外激光源30发射的红外光覆盖触控的有效区域，在有效区域设置有图案，红外光肉眼不可见，从而避免光线310影响图案的显示效果。另外，投影光学系统还可以设置红外摄像机，通过拍摄确定光线310被遮挡的位置，确定手指点击的位 置。
本申请投影光学系统具体实施方式可以参照上述光学镜组各实施例，在此不再赘述。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的申请构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (12)

  1. 一种光学透镜，其特征在于，所述光学透镜包括：入光面和出光面；
    所述入光面和所述出光面分设于所述光学透镜的相对两侧，所述入光面的中间设有凹陷槽，光线经所述凹陷槽射入所述光学透镜；
    所述出光面包括第一弧面，所述第一弧面位于所述光学透镜的中间位置，所述第一弧面为凹陷面。
  2. 如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述出光面还包括第二弧面和第三弧面，所述第二弧面和所述第三弧面分别位于所述第一弧面的两侧，且连接于所述第一弧面，所述第二弧面和所述第三弧面为凸起面。
  3. 如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述第二弧面与所述第三弧面于所述光学透镜的光轴对称设置。
  4. 如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述第一弧面的斜率由光轴位置向边缘位置逐渐减小，所述第二弧面和所述第三弧面的斜率由光轴位置向边缘位置逐渐增加。
  5. 如权利要求1至4中任一项所述的光学透镜，其特征在于，所述凹陷槽包括第一壁面和第二壁面，所述第一壁面靠近所述第二弧面设置，所述第二壁面靠近所述第三弧面设置。
  6. 如权利要求5所述的光学透镜，其特征在于，所述第一壁面和所述第二壁面在光线的传播方向上逐渐向所述光学透镜的光轴延伸。
  7. 一种光学镜组，其特征在于，所述光学镜组包括扩散透镜和如权利要求1至6中任一项所述的光学透镜，所述扩散透镜的出光面为弧形面，所述光学透镜的凹陷槽面向所述扩散透镜，经所述弧形面的光线会聚，会聚的焦点位于所述扩散透镜和所述光学透镜之间。
  8. 如权利要求7所述的光学镜组，其特征在于，所述扩散透镜和所述光学透镜为柱体结构，所述扩散透镜的光轴与所述光学透镜的光轴重合。
  9. 如权利要求8所述的光学镜组，其特征在于，所述扩散透镜为圆柱体结构，圆柱体结构的所述扩散透镜的侧面朝向所述扩散透镜，所述扩散透镜的光轴与所述扩散透镜的轴线正交。
  10. 如权利要求7至9中任一项所述的光学镜组，其特征在于，所述扩散透镜与所述光学透镜一体成型设置。
  11. 如权利要求10所述的光学镜组，其特征在于，所述光学镜组包括第一准直镜片和第二准直镜片，所述第一准直镜片和所述第二准直镜片设于所述扩散透镜的入光方向的一侧，所述第一准直镜片的出光面和所述第二准直镜片的出光面朝向光线的传播方向凸起。
  12. 一种投影光学系统，其特征在于，所述投影光学系统包括红外激光源和如权利要求7至11中任一项所述的光学镜组，所述红外激光源发射红外激光，所述红外激光射向所述光学镜组。
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