用于集成光学的平面透镜制造技术

一种平面透镜（３０）包括条形波导（３６）和光波导（３３），它们最好是制成单个整体，其中条形波导有用于聚焦光进入或离开光波导的弯曲端面（３７），和其中至少一个附加透镜（３２）包含在条形波导内。附加透镜是会聚透镜或发散透镜。附加透镜可以使光波导的接收角与条形波导的弯曲端面匹配。或者，它可以提高平面透镜对于设计或组装误差和／或温度变化的容差。最好是，平面透镜是由光致图形的聚合物构成，和附加透镜是由空气构成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于发射光束到集成光波导或从集成光波导发射光束的复合透镜。本专利技术在光触摸屏传感器上发射和接收光束方面有具体的应用。
技术介绍
在说明书中对现有技术的讨论时，我们不应当认为已承认这种现有技术是众所周知的或构成该领域中部分的一般常识。US Patent Nos.5,914,709、6,181,842和6,351,260描述一种光触摸屏传感器，其中集成光波导用于在屏幕上发射一个光束阵列，然后，在该屏幕的另一侧收集这些光束，并引导它们到位置灵敏的检测器。在“发射侧”的设计中，波导阵列馈入到沿水平面扩展导向光束的一行透镜元件，然后，当这些光束在屏幕面上传输时，在水平面上准直这些光束。在垂直面上的准直是利用外部透镜(例如，圆柱面透镜)实现的，然而，这种垂直的准直对于本专利技术的目的不是特别重要的。理想的是，在水平面上的每个准直光束应当以均匀的功率分布“充满”该透镜，从而基本上产生这样的一束光，其中任意狭窄的低强度条纹对应于透镜内的间隙。波导被设计成多模，而透镜只是被设计成这样，最高级导模的发散角θ足以充满该透镜(请注意，发散角是随模的级次而增大)。图1说明这种“理想的”情况，它表示“发射侧”透镜元件10的阵列和相关的波导11。每个透镜元件10是平面的介质材料板条，它的一端是弯曲面12，而相关的波导是在另一端。最好是，透镜元件10和相关的波导11是由相同材料制成并按照整体的方式加工制造。为了简化，波导11最好是在相对于透镜元件10的对称位置，即，它是与透镜元件10的对称轴13重合。理想的是，来自波导11的光线14在点15进入透镜元件10，并在一个扇形角θ内发散以“充满”弯曲面12，其中它们被折射成准直的输出光束16。除了发生折射的弯曲面12以外，透镜元件10还有两个倾斜的侧壁17以及与对称轴13平行的侧壁18。专业人员应当理解，只要在透镜元件10内发散的导模没有遇到侧壁，它们的配置不是十分重要的。从波导结构考虑，透镜元件10基本上是条形波导，其中光被局限在离面方向上，但可以自由地在共面内发散。在光程上，条形波导的一端光连接到波导11，而弯曲面12形成该波导的另一端。相反的过程发生在“接收侧”，它的透镜元件是“发射侧”透镜元件10的镜象图像。参照图2，现有技术设计中遇到的一个问题是，准直光束实际上不能“充满”透镜元件10的弯曲面12，而是形成被相当大的暗区21分隔的离散光束。这种情况的发生是因为光在每个透镜元件10内的实际发散角(φ)远远小于预期的发散角(θ)。例如，在一种配置中，虽然θ约为34°，而通常只是在10°至16°的范围内。不希望受理论的约束，我们相信波导发射的模数小于它们能够支持的模数。或者，最高级模没有被发射进入到波导，或者，最高级模在中途已损失。不管什么原因，不充分的发散在触摸屏的制造和性能方面都会产生问题。出现制造方面的问题是因为，当发射的光束是离散光束的形式时，接收侧透镜阵列需要与发射侧透镜阵列精确地对准(在水平面上)，可以使每个接收侧透镜收集离散光束。另一方面，若发射的光束基本上是一束连续的光束，则接收侧透镜阵列的水平定位是不重要的。性能方面问题是空间分辨率减小的问题。触摸屏传感器的检测算法能够分辨灰阶，所以，可以检测到单个光束的部分阻挡，并把它翻译成位置信息。然而，若发射的光是离散光束的形式，则可能出现很大的“暗”区，因此，不能检测到光束的阻挡，所以，利用灰阶算法进行内插是非常困难的。此外，触摸屏传感器不能检测到没有光传输的“暗”区中的触摸事件。在US Patent Application No.2004/0201579A1中还讨论连续光束而不是离散光束的优点。一个明显的解决方案是增大每个透镜元件10的长度，因此，实际的发散角足以充满每个弯曲面12。然而，在光触摸屏的语境下，由于发射和接收阵列宽度的实际限制(因为波导转过90°角，透镜长度就直接转换成阵列宽度，并需要在屏幕框中安装波导阵列)，这个方案通常是不理想的。例如，发散角从34°减小到10°使透镜长度的增大约为3.5倍，因此，若透镜宽度为0.85mm，则它的长度是从1.4mm增大到4.9mm，在许多显示器的框区中给定的空间约束条件下，这对于光触摸屏的应用是不切实际的。图1所示现有技术透镜设计的第二个问题是，它是一个高放大倍数系统，即，像距远远大于物距的一个系统。众所周知，这种系统对于布局的误差是极其灵敏的，特别是物距(在这种情况下，它是点15与弯曲面12之间的距离)和透镜的折射本领(在这种情况下，它是由弯曲面12的曲率半径和制成透镜元件10的材料折射率所确定)的误差。专业人员应当理解，透镜的放大倍数可以是正的或负的，它取决于形成的图像是正立或倒立的。在本专利技术中，术语“高放大倍数”，“低放大倍数”等应当解释成是放大倍数的幅度。所以，本专利技术的目的是克服或改善现有技术中的至少一个缺点，或提供有用的其他方案。本专利技术的描述是从“发射侧”透镜的观点考虑，然而，应当理解，因为“接收侧”透镜通常是“发射侧”透镜的镜象图像，对于“发射侧”透镜设计的任何创造性改进同样适用于“接收侧”透镜。
技术实现思路
为此目的，本专利技术的第一特征提供一种包括平面透镜和光波导的光学元件，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一端并且一个弯曲面形成所述条形波导的第二端，其中所述条形波导包含一个由第二折射率的第二介质制成的发散透镜，所述第二折射率不同于所述第一折射率。有利的是，本专利技术的这个方面能够使传输通过光学元件的导向光束以较大的角度扩展/发散，从而提供一个较均匀的功率分布。最好是，所述平面透镜和所述光波导被制成单个整体。最好是，所述平面透镜是会聚透镜。最好是，所述第一介质是光学透明玻璃或聚合物材料。在第一个实施例中，所述第二折射率低于所述第一折射率。更好的是，所述第二介质是空气。更好的是，所述发散透镜形状是双凸，平凸或新月形凸透镜。在第二个实施例中，所述第二折射率高于所述第一折射率。更好的是，所述发散透镜形状是双凹，平凹或新月形凹透镜。本专利技术的第二方面提供一种包括平面透镜和光波导的光学元件，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一端并且一个弯曲面形成所述条形波导的第二端，其中所述条形波导至少包含一个由第二折射率的第二介质制成的会聚透镜，所述第二折射率不同于所述第一折射率。有利的是，本专利技术的这个方面是为了提高包含平面透镜的光学元件设计和/或组装误差和环境温度变化的容差。最好是，所述平面透镜和所述光波导被制成单个整体。最好是，所述平面透镜是会聚透镜。最好是，所述第一介质是光学透明玻璃或聚合物材料。在第一个实施例中，所述第二折射率低于所述第一折射率。更好的是，所述第二介质是空气。更好的是，所述会聚透镜形状是双凹，平凹或新月形凹透镜。在第二个实施例中，所述第二折射率高于所述第一折射率。更好的是，所述会聚透镜形状是双凸，平凸或新月形凸透镜。本专利技术的第三方面提供一种包含多个发射光学元件和多个接收光学元件的光触摸屏传感器，其中每个发射光学元件和每个接收光学元件包括平面透镜和光波导，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括平面透镜和光波导的光学元件，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一端并且一个弯曲面形成所述条形波导的第二端，其中所述条形波导包含一个由第二折射率的第二介质制成的发散透镜，所述第二折射率不同于所述第一折射率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-10-25 60/622,1861.一种包括平面透镜和光波导的光学元件，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一端并且一个弯曲面形成所述条形波导的第二端，其中所述条形波导包含一个由第二折射率的第二介质制成的发散透镜，所述第二折射率不同于所述第一折射率。2.按照权利要求1的光学元件，其中所述平面透镜和所述光波导被制成单个整体。3.按照权利要求1或2的光学元件，其中所述平面透镜是会聚透镜。4.按照权利要求1至3中任何一个的光学元件，其中所述第一介质是光学透明玻璃或聚合物材料。5.按照权利要求1至4中任何一个的光学元件，其中所述第二折射率低于所述第一折射率。6.按照权利要求1至5中任何一个的光学元件，其中所述第二介质是空气。7.按照权利要求1至6中任何一个的光学元件，其中所述发散透镜形状是双凸，平凸或新月形凸透镜。8.按照权利要求1至4中任何一个的光学元件，其中所述第二折射率高于所述第一折射率。9.按照权利要求8的光学元件，其中所述发散透镜形状是双凹，平凹或新月形凹透镜。10.一种包含多个发射光学元件和多个接收光学元件的光触摸屏传感器，其中每个发射光学元件和每个接收光学元件包括平面透镜和光波导，所述平面透镜包括由第一折射率的第一介质制成的条形波导，所述光波导连接到所述条形波导的第一端并且一个弯曲面形成所述条形波导的第二端，其中所述条形波导包含一个由第二折射率的第二介质制成的发散透镜，所述第二折射率不同于所述第一折射率。11.按照权利要求10的光触摸屏传感器，其中所述平面透镜和所述光波导被制成单个整体。12.按照权利要求10或11的光触摸屏传感器，其中所述平面透镜是会聚透镜。13.按照权利要求10至12中任何一个的光触摸屏传感器，其中所述第一介质是光学透明玻璃或聚合物材料。14.按照权利要求10至13中任何一个的光触摸屏传感器，其中所述第二折射率低于所述第一折射率。15.按照权利要求10至14中任何一个的光触摸屏传感器，其中所述第二介质是空气。16.按照权利要求10至15中任何一个的光触摸屏传感器，其中所述发散透镜形状是双凸，平凸或新月形凸透镜。17.按照权利要求10至13中任何一个的光触摸屏传感器，其中所述第二折射率高于所述第一折射率。18.按照权利要求17的光触摸屏传感器，其中所述发散透镜形状是双凹，平凹或新月形凹透镜。19.一种包括平面透镜和光波导的光学元件，所述平面透镜包括由第...

【专利技术属性】
技术研发人员：代科斯库库利基，本杰明科尼什，罗伯特布鲁斯查特斯，格雷汉姆罗伊阿提金，巴里卢瑟戴维斯，
申请(专利权)人：RPO私人有限公司，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]