TWI651546B - 薄型化變焦光學系統 - Google Patents

Abstract

一種薄型化變焦光學系統，其包括一殼體、一光學透鏡模組、一電路基板、至少一發光模組以及一調整裝置，其中，發光模組係設置於電路基板上，且與電路基板呈電性連接，又，調整裝置係組設於殼體一側，當光學透鏡模組設置於調整裝置上後，藉由調整光學透鏡模組與發光模組之間的相對位置後，進而使光源經由光學透鏡模組折射後產生不同出光角度的成像面。

Description

薄型化變焦光學系統

本發明是有關於一種變焦光學系統，尤指一種將光學透鏡模組薄型化，並搭配調整光學透鏡模組與發光模組之間的相對位置，進而使光源經光學透鏡模組折射後產生不同成像面的薄型化變焦光學系統。

一般而言，影像監控裝置會採用內建多光源(如紅外線發光二極體)之配置，以使影像監控裝置即使是在光源不充足的使用環境下(如室內或夜間場所等)仍然可提供輔助光線以擷取到清楚的影像，其常見發光設計係在光源前分別配置凸透鏡以及雙凹透鏡，以使光源所發射之光線可先通過凸透鏡會聚後再經由呈間隔排列且分別對準其所對應之光源之雙凹透鏡發散，從而使光源之發光範圍可符合鏡頭模組之影像擷取範圍。然而，上述使用雙凹透鏡發散光線之設計係會導致影像監控裝置在相鄰光源之光線交會區域出現亮度不足的情況而造成暗帶問題，而凸透鏡則為球面設計其係會導致影像監控裝置亮度不均勻的情況，從而影響到影像監控裝置之影像擷取品質，是以，習知為了調整照明亮度、 照明範圍或對焦距離，進而拉長光源與透鏡之間的距離而佔用過多影像監控裝置內部空間，導致增加影像監控裝置之整體體積，且產生製造成本過高的缺點，從而不利於影像監控裝置之薄型化設計。

有鑑於上述的問題，本發明人係依據多年來從事相關行業及產品設計的經驗，針對習知的發光模組與光學透鏡模組的結構進行研究及分析，期能設計出符合上述需求的實體產品與系統；緣此，本發明之主要目的在於提供一種將光學透鏡模組薄型化且藉由調整光學透鏡模組與發光模組之間的相對位置，進而產生不同角度成像的薄型化變焦光學系統。

為達上述目的，本發明之薄型化變焦光學系統包含一殼體、一光學透鏡模組、一電路基板、至少一發光模組以及一調整裝置，其中，發光模組係設置於電路基板上，且發光模組與電路基板呈電性連接，又，殼體可供以容納光學透鏡模組、電路基板、發光模組以及一調整裝置，調整裝置可調整光學透鏡模組與發光模組之間的相對位置，其中，光學透鏡模組成型有一第一表面，另一面成型有一第二表面，且第一表面為一平面，又，第二表面為一非球面，本發明藉由改變光學透鏡模組與發光模組之間的相對位置進而產生不同角度的成像。

進一步地，該第一表面與第二表面亦可為弧形面、拋物面、雙曲面或自由曲面。

進一步地，該非球面之方程式為： 其中，c表示曲率、r表示頂點曲率半徑、k表示圓錐係數(Conic Constant)，且c=1/r、k<0。

進一步地，該光學透鏡模組的有效焦距為f=r/(n-1)。

該發光模組係由一基板以及一發光元件組成，且發光元件具有一光軸及一出光面。

進一步地，定義發光模組之寬幅延伸方向為一X軸向，定義該發光模組之窄幅延伸方向為一Y軸向，且該X軸向與該Y軸向相互垂直，再定義一垂直於該出光面之方向為一Z軸向。

進一步地，該發光元件為一發光二極體。

進一步地，該發光元件用於產生波長介於約650至1000奈米之紅外光。

進一步地，該發光元件用於產生波長介於650至830奈米之紅外光、介於830至870奈米之紅外光或介於900至1000奈米之紅外光。

進一步地，該發光元件為一紅外線發光二極體。

進一步地，該發光元件的形狀為正方形。

進一步地，該出光面與該第一表面之間具有一間距，且該間距小於等於10mm。

進一步地，該發光元件數量為十八個時，各發光元件之間具有一等距的水平距離與一等距的垂直距離。

進一步地，該等距的水平距離為10mm、該等距的垂直距離為8mm。

進一步地，該基板為一金屬基板、一陶瓷基板、或一玻纖基板。

進一步地，該金屬基板的材料選自銅、銅合金、鋁、鋁合金、鎂合金、鋁矽碳化物、或碳化合物。

進一步地，該陶瓷基板的材料選自氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、碳化矽、六方氮化硼、或氟化鈣。

為使 貴審查委員得以清楚了解本發明之目的、技術特徵及其實施後之功效，茲以下列說明搭配圖示進行說明，敬請參閱。

10‧‧‧薄型化變焦光學系統

101‧‧‧殼體

102‧‧‧光學透鏡模組

1011‧‧‧容置空間

1021‧‧‧第一表面

1022‧‧‧第二表面

103‧‧‧電路基板

104‧‧‧發光模組

1041‧‧‧基板

1042、1042’‧‧‧發光元件

1043‧‧‧光軸

1044‧‧‧出光面

θ 1‧‧‧第一出光角度

D、D1、D2‧‧‧間距

θ 2‧‧‧第二出光角度

A1~A4‧‧‧半功率角度

f‧‧‧焦距

P‧‧‧成像面

H‧‧‧水平距離

V‧‧‧垂直距離

第1圖，為本發明之組成示意圖。

第2圖，為本發明之立體示意圖。

第3圖，為本發明之配置示意圖。

第4圖，為本發明之第一實施例(一)。

第5圖，為本發明之第一實施例(二)。

第6圖，為本發明之第二實施例(一)。

第7圖，為本發明之第二實施例(二)。

第8圖，為本發明之第一、第二實施例之發光模組的配光曲線圖(一)。

第9圖，為本發明之第一、第二實施例之發光模組的配光曲線圖(二)。

第10圖，為依據本發明之第一實施例的影像監控裝置之影像畫面(一)。

第11圖，為依據本發明之第一實施例的影像監控裝置之影像畫面(二)。

請參閱「第1圖」，圖中所示為本發明之組成示意圖，薄型化變焦光學系統10包含一殼體101、一光學透鏡模組102、一電路基板103、一發光模組104以及一調整裝置(圖未示)，其中，殼體101具有一容置空間1011可供以容納光學透鏡模組102、電路基板103、發光模組104以及一調整裝置，更進一步而言，電路基板103係設置於殼體101之底部，發光模組104係設置於電路基板103上，且發光模組104與電路基板103呈電性連接，光學透鏡模組102組設於調整裝置上，且調整裝置係組設於殼體的一側，該調整裝置係用以調整光學透鏡模組102與發光模組104之間的相對距離，此外，定義該發光模組104之寬幅延伸方向為一X軸向，定義該發光模組104之窄幅延伸方向為一Y軸向，且該X軸向與該Y軸向相互垂直；請接續參閱「第2圖」，圖中所示為本發明之立體示意圖，當電路基板103係設置於殼體101之底部，且發光模組104係設置於電路基板103上時，當發光模組104產生光源後，利用調整位移組設於殼體101一側的調整裝置，使光學透鏡模組102與發光模組104之間產生一距離，進而使兩者之間因相對位置的改變使該光源經光學透鏡模組102的折射，而產生不同角度的成像面。

請接續參閱「第3圖」，圖中所示係為本發明之配置示意圖，其中，光學透鏡模組102的其中一面成型有一第一表面1021，另一面成型有一第二表面1022，且該第一表面1021為一平面，又，第二表面1022為一非球面，進一步地，該非球面之方程式(Aspherical Surface Formula)為式(1)：

其中，c表示曲率且c=1/r、r表示頂點曲率半徑、k表示圓錐係數(Conic Constant)且k<0，且該光學透鏡模組的有效焦距f=2/r，此外，該第二表面亦可為弧形面、拋物面、雙曲面或自由曲面，但不限於此，該光學透鏡模組102為二次光學透鏡，且該透鏡之材質可為塑膠或玻璃，當透鏡材質為塑膠，可以有效降低生產成本。另當透鏡的材質為玻璃，則可以增加光學透鏡模組屈折力配置的自由度，又，發光模組104係設置於電路基板103上，發光模組104用以產生一光源，其係由一基板1041以及至少一發光元件1042組成，該發光元件1042具有一光軸1043及一出光面1044，且發光元件1042可為一紅外線發光二極體，用於產生波長介於約750至1000奈米之紅外光，進一步地，該發光元件用於產生波長介於790至830奈米之紅外光、介於830至870奈米之紅外光或介於900至1000奈米之紅外光，且該發光元件1042的第一出光角度θ 1係小於90度，又，基板1041可為金屬基板、陶瓷基板、或玻纖基板(如FR-4、FR-5、G-10、G-11等)，但並不局限於此，其中金屬基板的材料可選自銅、銅合金、鋁、鋁合金、鎂合金、鋁矽碳化物、及碳化合物的其中之一，陶瓷基板的材質可選自氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、碳化矽、六方氮化硼、及氟化鈣的其中之一，再請參閱圖中所示，光學透鏡模組102的第二表面1022係與發光元件1042相互對應設置成型，且該出光面1044與第一表面1021之間具有一間距D，該間距D較佳值為小於等於10mm，故，當發光元件1042產生一光源時，該第一出光角度θ 1經由第一表面1021與第二表面1022折射後，進而產生一第二出光角度θ 2，且該第二出光角度θ 2係小於等於5度。

請參閱「第4圖」，圖中所示為本發明之第一實施例(一)，並請搭配參閱「第1圖~第3圖」，本實施例中係於一實際空間長度約10m的暗房進行量測實施，其中，發光元件1042的數量為18個，電路基板103設置於殼體101的底部，光學透鏡模組102組設於調整裝置上，且光學透鏡模組102位於發光模組104之上方，各發光元件1042(1042’)之間具有一等距的水平距離H，當H為10mm，且光學透鏡模組102經由調整裝置的調整位移，進而與各發光元件1042(1042’)之間產生一間距D1，且間距D1為10mm，下列表(一) 為第二表面1022在滿足條件式(1)下，列有頂點曲率半徑r、圓錐係數k(Conic Constant)以及非球面係數(Nth Order Aspherical Coefficient)A 4、A 6、A 8、A 10、A 12、A 14、A16。

在表(一)中，f為有效焦距，其中，當第二表面1022滿足條件式(1)且為表(一)之數值時，各發光元件1042(1042’)所產生的第一出光角度θ 1經由光學透鏡模組102的第一表面1021與第二表面1022折射後的各第二出光角度θ 2，進而合成產生一成像面P，且該成像面P通過該X軸向之半功率角度A1小於等於5度，且較佳地該半功率角度A1為3度；請接續參閱「第5圖」，圖中所示為本發明之第一實施例(二)，並請搭配參閱「第1圖~第3圖」，呈上所述，各發光元件1042(1042’)之間具有一等距的垂直距離V，當V為8mm，且光學透鏡模組102經由調整裝置的調整位移，進而與發光元件1042之間產生一間距D1，且間距D1等於10mm時，且當第二表面1022滿足條件式(1)且為表(一)之數值時，各發光元件 1042(1042’)所產生的第一出光角度θ 1經由光學透鏡模組102的第一表面1021與第二表面1022折射後的各第二出光角度θ 2，進而合成產生一成像面P，且該成像面P通過該Y軸向之半功率角度A2小於等於5度，且較佳地該半功率角度A2為3度。

請參閱「第6圖」，圖中所示為本發明之第二實施例(一)，並請搭配參閱「第1圖~第3圖」，在本實施例中係於一實際空間長度約10m的暗房進行量測實施，發光元件1042的數量為18個，如圖所示，電路基板103係設置於殼體101的底部，而光學透鏡模組102係位於發光模組104之上方並與一調整裝置相互組設，且發光元件1042(1042’)之間具有一等距的水平距離H，其中，當H為10mm，且光學透鏡模組102經由調整裝置的調整位移，進而與發光元件1042之間產生一間距D2，且間距D2等於1mm，以及當第二表面1022滿足條件式(1)且為表(一)之數值時，各發光元件1042(1042’)所產生第一出光角度θ 1經由光學透鏡模組102的第一表面1021與第二表面1022折射後的各第二出光角度θ 2，進而合成產生一成像面P，且該成像面P通過X軸向之半功率角度小於等於90度；請接續參閱「第7圖」，圖中所示為本發明之第二實施例(二)，並請搭配參閱「第1圖~第3圖」，呈上所述，各發光元件1042(1042’)之間具有一等距的垂直距離V，當V為8mm，且光學透鏡模組102經由調整裝置的調整位移，進而與發光元件1042之間產生一間距D2，且當間距D2等於1mm時，以及當第二表面1022滿足條件式(1) 且為表(一)之數值時，各發光元件1042(1042’)所產生所產生第一出光角度θ 1經由光學透鏡模組102的第一表面1021與第二表面1022折射後的各第二出光角度θ 2，進而合成產生一成像面P，且通過Y軸向之半功率角度A4小於等於50度。

請參閱「第8圖~第9圖」，圖中所示為本發明之第一、第二實施例之發光模組的配光曲線圖(一)~(二)，並請搭配參閱「第1圖~第3圖」，如圖所示，第7圖係發光元件1042通過光軸1043且在X軸向的配光曲線圖，該發光元件1042之半功率角(發光強度值為軸向強度值一半時的光線角度)小於90度，較佳地該半功率角等於47.7度；第8圖係發光元件1042通過光軸1043且在Y軸向的的配光曲線圖，該發光元件1042之半功率角小於50度，其較佳地半功率角等於30.9度，但不局限於此。

請參閱「第10圖~第11圖」，圖中所示為依據本發明之第一實施例的影像監控裝置之影像畫面(一)~(二)，並請搭配參閱「第1圖~第7圖」，第10圖係於一實際空間長度約10m的暗房進行量測，當發光模組104產生光源時，該影像監控裝置之影像畫面如第10圖所示，換言之，即光學透鏡模組102與發光模組104之間尚未調整距離；請接續參閱第11圖，其係光學透鏡模組102經由調整裝置的調整位移，第一表面1021進而與各發光元件1042(1042’)之間產生間距D1，且D1為10mm時的影像監控裝置之影像畫面，是以，由第10圖至第11圖可知，本發明藉由將光學透鏡模組薄型化， 並同時搭配調整光學透鏡模組102與發光模組104之間的相對位置，進而使光源經折射後產生不同成像。

綜上所述，本發明之薄型化變焦光學系統係使發光模組產生的光源經由光學透鏡模組的第一表面與第二表面的折射，同時配合光學透鏡模組與發光模組之間的相對位置，進而將原先發光模組產生大範圍的出光角度加以改變調整，以達到減少影像監控裝置內部空間整體體積以及薄型化設計。

雖然本發明是以實施例作說明，但精於此技藝者可以在不離本發明精神與範疇下製作各種不同形式的改變，以上所舉實施例僅用以說明本發明，並非用來限制本發明範圍，本發明不限於上述各實施形態者，可在申請專利範圍所示之範圍內進行各種變更，且在不同實施形態中分別揭示之適當組合技術手段而得之實施形態，亦包含在本發明之技術範圍內，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內，本發明實已符合創作專利之要件，依法提出申請。

Claims (7)

1. 一種薄型化變焦光學系統，其包括：一殼體，成型有一容置空間；一電路基板，設置於該容置空間的底部；一發光模組，電性連接於該電路基板，由一基板及至少一發光元件組成，且該發光元件具有一光軸及一出光面，該發光元件用以產生一第一出光角度；一調整裝置，設置於該殼體的一側；以及一光學透鏡模組，成型有一呈平面的第一表面及一呈非球面的第二表面，而該第二表面需滿足(1)~(3)各條件式，其中： c=1/r...(2) k<0...(3)；r係為頂點曲率半徑、c係為曲率、k係為圓錐係數；且該第二表面與該發光元件相互對應成型，該光學透鏡模組係設置於該調整裝置上且該第一表面與該出光面之間具有一間距；其中，定義該發光模組之寬幅延伸方向為一X軸向，定義該發光模組之窄幅延伸方向為一Y軸向，其中，該發光元件通過該光軸的該X軸向之半功率角小於90度，以及通過該光軸的該Y軸向之半功率小於50度，且該X軸向與該Y軸向相互垂直；其中，當該第一出光角度經由該第一表面及該第二表面的折射後，進而產生一第二出光角度。
2. 如請求項1所述之薄型化變焦光學系統，其中，該發光元件通過該光軸的該X軸向之半功率角等於40.7度，以及通過該光軸的該Y軸向之半功率等於30.9度。
3. 如請求項1或2所述之薄型化變焦光學系統，其中，其中該發光元件用於產生波長介於650至1000奈米之紅外光。
4. 如請求項3所述之薄型化變焦光學系統，其中，當該間距為10mm，該發光元件數量為18個，且該等發光元件之間的一水平距離為10mm及一垂直距離為8mm時，各該第二出光角度進而合成產生一成像面，且該成像面通過該X軸向之半功率角度小於等於5度以及通過該Y軸向之半功率角度小於等於5度。
5. 如請求項4所述之薄型化變焦光學系統，其中，該成像面通過該X軸向之半功率角度等於3度以及通過該Y軸向之半功率角度等於3度。
6. 如請求項3所述之薄型化變焦光學系統，其中，當該間距為1mm，該發光元件數量為18個，且該等發光元件之間的一水平距離為10mm及一垂直距離為8mm時，各該第二出光角度進而合成產生一成像面，且該成像面通過該X軸向之半功率角度小於等於90度以及通過該Y軸向之半功率角度小於等於50度。
7. 如請求項1所述之薄型化變焦光學系統，其中，該第二表面還滿足以下條件式：r=9.03以及k=-0.522。