專利名稱：平板透鏡以及棱鏡的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及一種透鏡并且其主要目的是消除透鏡和其焦 點之間通常所需的間隔。
背景技術：
透鏡通常用來聚焦準直光線到一個點，比如在照相機中，或準 直從一個點發出的光線，比如在汽車前燈中。焦點位于透鏡后某個 距離處，并需要間隔以使得光線從焦點散開到透鏡直徑，或者反之 亦然。這使得傳統光學系統體積龐大。
這類問題的一個例子是在背投電視的設計中，背投電視比等離
子電視和液晶電視便宜，但體積大。WO01/72037描述了怎樣通過 將視頻投影儀對準朝向楔型光導的厚端部來制作一種薄型投影顯 示裝置。當光向尖端部傳輸時，其在楔形部分的兩個面之間發生全 內反射，以逐漸增大的角度跳動。在某一點全內反射不再發生并且 光線出射。光線的入射角和臨界角之間的差別越大，光線在光導面 上要反射的次數越多，因此，其出射之前傳輸到更接近于薄端部。 因而入射角決定當光線從光導面出射時離入射點多遠，這樣投影圖 像的放大型出現在光導面上。
光路是可逆的，因此，上述的顯示裝置可以反向作為平板相機 工作，如WO02/45413中的描述。以適當角度入射到光導面的光線 通過全內反射可被引導到厚端部，光線從厚端部出射的角度由它們 進入到光導的位置決定。由于當光線進入光導時它們是大致平行
的，所以朝向光導厚端部的傳統相機可以捕獲在光導面前面的任何 東西的平行投影。
當圖像通過一個錐形光導時它們變成帶狀的，因為由跳躍n次 的光線形成的圖像部分和由跳躍n+l次形成的圖像部分之間存在 間隔。WO03/013151描述了怎樣通過成形光導形狀，而不是具有簡 單的直錐形，來避免帶狀。從具有該形狀的光導出射的光線幾乎是 準直的因此其可以作為天然平板透鏡使用；例如，如果聚光燈放置 在光導的厚端部，則其就可以作為在汽車中的平板前燈使用。這種 形狀的問題是它在斜光線時工作不理想，即在光線具有垂直于錐形 的光導軸線和反射面的法線的方向的分量，并且如果偏斜度比較大 時，則圖像變成帶狀。偏斜度可通過保持使入射光線的散開角度較 窄來保持在可接受的程度，但是這會增加顯示器的重量和厚度。第 二個問題是沿平行于其中光導橫截面是均勻的軸，出射光線具有發 散的分量，因此光線并不是真正準直的。
發明內容
因此在這里描述一種平板透鏡，其具有一種關于光入射點或出 射點極性對稱的錐形光導。優選地，所述光導包括錐形輸出部分， 在透鏡的寬度上用于擴散點光源產生的光的平坦的、平行面厚板形 輸入部分，以及過渡部分。這些部分可以是全部集成的。輸入部分 (輸出給相機型裝置)可以是扇形的形式，見平面圖，即從可布置 有投影儀、光源或相機的小端部擴展到與錐形波導的寬度(在平面 圖中)相配合的寬的部分。在上述兩部分之間應該具有一過渡區域 以避免不連續。優選地，輸入部分在輸出部分上折疊以使得透鏡更 加緊湊。這可以通過具有厚度沿其長度變化來考慮極性對稱的特殊 棱鏡來實現。該透鏡可以用于投影儀、燈、相機，或其它的光學裝
置。
為了更好地理解本發明，現在將參考附圖通過例子來描述實施 例，其中
圖1示出了錐形光導在它未折疊狀態時的平面圖和輪廓圖，等 厚線用虛線表示；
圖2示出了具有極性對稱棱形板的錐形光導在它未折疊狀態 時的平面圖和輪廓圖3示出了怎樣折疊一張具有楔形部分的截面的紙；
圖4示出了怎樣設計一對棱鏡的角度來折疊錐形光導；
圖5示出了圍繞折疊的錐形光導的光路；以及
圖6示出了可以用來拋光折疊極性對稱錐形光導所需的具有 不同厚度的折疊棱鏡的夾盤。
具體實施例方式
圖1示出了通常用1表示的平透鏡，包括圓扇形輸入區域4和 錐形輸出區域3。對于反向使用，比如在相機中，這兩部分的角色 顛倒但為了方便仍用傳統的"輸入"和"輸出"來標記。光線在通 常用2表示的點處輸入(或輸出，取決于方向)，該處是一個在輸 入區域4的梢端上的小斜面。該輸入區域在平面圖中是平行面厚板 并具有等腰三角形或圓扇形形狀。具有輸出面3a的輸出區域3鄰 接此輸入區域，最初與上述輸入區域4具有相同的厚度，但是根據 距輸入點2的徑向距離r而錐形下降，如剖視圖中所示。該錐形可 以是均勻的，如WO01/72037中描述的，或者，優選地，具有保持
跳躍(bounce)總數為常數的形狀，如WO03/13151中描述的。輸 入區域和輸出區域4和3可由諸如玻璃或丙烯酸樹脂的相同材料的 一片制作，或可以是通過適當結合的不同片。
實際上輸出波導3并不必須是幾何錐形的，只要其具有使其中 傳播的光線的跳躍角度逐漸增加的效果。例如，這可通過圖形輸入 (GRIN)技術來實現，其中折射率變化可實現"光學錐形"。
為避免圖像中斷，從平的或均勻的輸入區域4到錐形輸出區域 3應該有一個漸變的過渡部分。該過渡部分通常用8來表示。
光線自然地從點光源徑向發散，因此通過使錐形光導關于光入 射點極性對稱，如圖1中的弧5所示，光線不會以相對于錐形部分 的軸偏斜的角度傳播。虛線可以代表等厚度線或輪廓線。至少如果 想得到矩形圖像的話，極性對稱會引入一些扭曲，但可通過光學地 或數字地預扭曲投影圖像來消除它。
以相對于透鏡1的平面呈各種入射角度在入射點2入射的光線 通過全內反射(TIR)沿散開或輸入區域4傳播直到它們到達過渡 區域8，那里透鏡或波導的上表面和下表面開始變成錐形。過渡區 域8或許占波導總長度的5—10%的區域。當它們進入到錐形部分 3后，每次在面上的跳躍都以比前次稍微陡峭的角度進行。最后角 度變得太陡峭以致TIR無法產生并且光線在平面中傳播一距離后 輸出，該距離完全取決于最初的入射角最初入射光線越陡峭則越 靠近輸入部分4輸出，并且光線以越小的角度入射則越靠近遠端即 錐形的薄端部輸出。對于反向操作，可以說在錐形的薄端部輸入的 光線以最小的角度在起點2輸出。
當光線從極性對稱的楔形部分出射時，它們不是垂直出射而是 從楔形部分的平面稍微向上發散，并從它們入射到楔形部分的點處
以其他方式繼續向前傳播。如圖2所示，棱形膜10用來彎曲光線 使得它們垂直于屏幕，由于具有極性對稱楔形部分，如果要光線被 適當地準直，棱鏡的軸線必須遵循著對中在光入射點上的曲線，如
圖2所示。棱形膜的一種變形是配置成使光線彎曲相同角度的全息
膜。這種系統也可以反向使用在相機中。
圖2也十分示意地示出用15標記的與起點或第一表面2相關 聯的光學裝置。該光學裝置可以是作為點光源的簡單光源(比如 LED或激光裝置)、視頻或其他圖像投影儀、或者對于相機應用而 言是從第一表面2接收光線的小型相機裝置。
如WO01/72037中描述的，在實際中出于空間考慮希望能折疊 該裝置以使該輸入區域4位于輸出區域3后面。這可以通過使兩個 厚板分離并使用三角形截面的棒狀棱鏡圍繞兩個90。拐角"彎曲" 光線來實現。盡管如此，因為楔形部分是極性對稱的，在楔形波導 和把光線發散到楔形寬度的厚平板之間具有彎曲的邊界。 WO01/72037中描述的棱鏡僅可以折疊具有平行側面的厚平板，因 此彎曲邊界的底部必須鄰接楔形部分的底部，并且一直到彎曲邊界 的頂部的空間在顯示圖像的下方將形成空白邊緣，這是不希望得到 的。
圖3，4和5示出了怎樣設計用于折疊楔形光導的棱鏡20a，20b。
在一張正面是空白的而背面是雜亂的紙上畫一個楔形，將該形狀切 割出來并且其能以圖3示出的方式折疊。雜亂區域限定了用于在由 空白區域表示的兩個半楔形之間折疊光線的兩個棱鏡的橫截面。兩 個折疊棱鏡之間的邊界是兩個半楔形之間的邊界的延伸。
圖4更精確地示出了圖3的設計技術。兩個折疊棱鏡20a， 20b
都是直角棱鏡，并且如果楔形錐度是角a，則棱鏡的其它角度應該 是(90°十a ) /2和(90° — a ) /2并且棱鏡的側邊長度應該被設
計成可使得沒有間隙或重疊。
圖5示出了與未折疊楔形部分相同的方式，光線圍繞已折疊棱 鏡的曲線怎樣傳輸的，其中棱鏡的斜邊做成可反射，棱鏡的折射率 足夠大并且在棱鏡之間和(可選地)棱鏡/楔形部分的分界面處有
低折射率層。具體的折射率要求與WO01/72037中描述的折疊棱鏡 相同。
折疊應該在錐形部分的底部沿垂直于圖1示出的截面的軸線 的線6插入。圖1的輪廓5表示錐形部分3的厚度會沿折疊線6變 化。因而斷定棱鏡的厚度也應該變化。
未折疊線性楔形部分的厚度t變化如下t = tQ— ar，這里to是 起始厚度，a是以弧度表示的楔形部分的錐角，而r是距光入射 點的距離。這一公式甚至也可以對形似楔形作合理的近似使用。如 果楔形面板是沿垂直于距光線入射點的距離ro的直線而切割，并 且z是沿該直線距最厚點的距離，貝lj:
<formula>formula see original document page 10</formula>
所以
這里t是沿切割的楔形部分的暴露端的厚度。放置圖4中的上 折疊棱鏡以配合暴露的楔形部分的端部，所以，雖然折疊棱鏡的橫 截面應該一直是與圖4一致的三角形，但棱鏡橫截面的尺寸或厚度 隨著距中心的距離z而改變。下折疊棱鏡20b用相同的方式設計， 只是具有較大值的與其相適應的r。來取代離光線入射點稍微較遠 的棱鏡平面的部分。
這樣的棱鏡可以通過拋光具有均勻直角三角橫截面的棱鏡然 后通過吸力或熱塑成形來彎曲該棱鏡以使直角邊緣配合進圖6示
出的夾盤30的凹槽來制作。然后在暴露側上拋光平面，并且如果
凹槽在高度上有合適的變化則獲得的透鏡在厚度上有需要的變化。
因具有極性對稱輪廓，所以在楔形面板的厚端部處從點光源入 射的光線以單一的準直方向從棱形膜發散出來。進一步，從該單一 方向入射到楔形面板的光線會聚到一點。具有極性對稱輪廓的楔形 因此可以執行透鏡的多個功能，具有在平的面板中實現準直或聚焦 的優點。
這里已經解釋了具有入射面和出射面2， 3a的光導關于第一面 2極性對稱并具有其中光線入射到第一面的角度決定它離開第二面 3a的位置，或者，如果在反向操作，光線進入到第二面的位置決定 光線離開第一面的角度的光學特性。光導包括錐形透明板3，來自 第一面的光線在該錐形板的厚端部進入，第二面形成該錐形板的一 個面。輸入/輸出厚板4結合錐形板3，以將來自第一面2的光線發 散到該錐形板，過渡區域8位于該平板和錐形板之間。極性對稱意 味著光線一直以錐斜方向對齊傳播，這消除了條帶。優選地，光導 還包括一棱鏡裝置20，用于折疊光線以使平板和錐形板可以相互 折疊起來。
權利要求
1.一種平面光導(1)，該光導具有用作光導的輸入部分和輸出部分(2，3a)的第一和第二面，所述第一面(2)相對于所述光導的寬度較小并且所述光導具有其中光線入射到所述第一面的角度決定它離開所述第二面(3a)的位置，或者光線進入到所述第二面的位置決定光線離開所述第二面的角度的光學特性；其中所述光導的光學輪廓關于第一面(2)極性對稱。
2. 根據權利要求1所述的光導，其特征在于，所述第二面由 光學錐形透明板(3)形成，所述第一面(2)與該板的厚端部光 學相連。
3. 根據權利要求2所述的光導，其特征在于，還包括結合所 述錐形板(3)的輸入/輸出厚板(4)，用于將來自所述第一面(2) 的光線發散到所述錐形板。
4. 根據權利要求3所述的光導，其特征在于，包括位于平板 和錐形板之間的過渡區域(8)。
5. 根據權利要求3或4所述的光導，其特征在于，還包括棱 鏡裝置(20)，用于折疊光線以使所述平板和錐形板可互相折疊。
6. 根據前述權利要求中任一項所述的光導，其特征在于，還 包括光重新定向板(10)，用于相對于法線方向從所述錐形板抽出 光線或入射光線到所述錐形板。
7. —種區域光源，包括根據前述權利要求中任一項所述的光 導和被布置成用于使光入射到所述光導的第一面(2)的點光源 (15)。
8. —種顯示裝置，包括根據前述權利要求中任一項所述的光 導以及一種投影儀(15)，該投影儀被布置成將圖像入射到所述光 導的第一面(2)，以便可以從第二面(3a)看到該圖像。
9. 一種相機裝置，包括根據前述權利要求中任一項所述的光 導以及一種小型相機(15)，該小型相機被布置成從所述光導的第 一面(2)接收光線以形成與所述第二面(3a)收到的平行圖像相 應的圖像。
10. —種使錐形光導折疊P角的棱鏡，其中該棱鏡的橫截面等 同于具有角度180° -P 、 ( 13 -a ) /2、和(3 + a ) /2的三角形， 這里a是所述光導的錐角，且該棱鏡具有足夠高的折射率以阻止 光線返回所述光導，其中光線從該光導進入所述棱鏡。
11. 根據權利要求IO所述的棱鏡，其特征在于，P=90° 。
12. 根據權利要求10或11所述的棱鏡，其特征在于，所述棱 鏡的橫截面尺寸設計成在其中心的任一側減小。
13. 根據權利要求12所述的棱鏡，其特征在于，尺寸變化如 下/。 - 《Vro2 + ，這里Z是橫截面距中心(2)的距離，而其它符號是常數。
14. 一種制作棱鏡的模具(30)，所述棱鏡的橫截面在各點是 全等的但橫截面的尺寸隨著所述棱鏡的長度而變化。
15. —種使用根據權利要求14所述的模具制作棱鏡的方法，其中所述棱鏡被壓入所述模具中然后在所述模具基座上拋光平 面。
全文摘要
本發明涉及一種具有入射面和出射面(2，3a)的光導，其關于第一面(2)極性對稱并具有光線入射到第一面的角度決定它離開第二面(3a)的位置的光學特性。光導包括錐形透明板(3)，來自第一面的光線在該平板的厚端部進入，第二面形成該錐形板的一個面。輸入/輸出厚板(4)結合錐形板(3)將來自第一面(2)的光線發散到錐形板，過渡區域(8)位于該平板和錐形板之間。優選地，光導還包括一棱鏡裝置(20)來折疊光線以使該平板和錐形板可以相互折疊起來。也公開了一種制作這種棱鏡的方法。
文檔編號G02B5/04GK101116020SQ200680003953
公開日2008年1月30日 申請日期2006年2月6日 優先權日2005年2月5日
發明者A·R·L·特拉維斯 申請人:劍橋平投影顯示有限公司