CN101752440A - 光源集光模块 - Google Patents

Abstract

本发明的光源集光模块包括一光学膜片、一光学楔形板以及至少一光电转换芯片。来自一光源的光线穿透该光学膜片，通过该光学膜片使该光线以一适当角度入射于该光学楔形板，并在该光学楔形板中产生全反射，借此该光线在光学楔形板中传递并从该光学楔形板的侧面射出，而由该光电转换芯片接收。

Description

光源集光模块

技术领域

本发明是有关于一种光源集光模块，特别是有关于一种利用光学膜片改变光线入射至光学楔形板的角度，使光线在光学楔形板中产生全反射而传递的光源集光模块。

背景技术

在能源短缺的情况下，油价屡创新高，而京都议定书在碳减量上的规定，使得新能源和节能的绿色建筑成为大家注目焦点。在新能源中，目前商业化的首推太阳能发电。由于太阳能模块厂如雨后春笋般地成立，硅晶片供不应求，价格频频高涨，结果不利于太阳能的普及，对太阳能模块厂商也造成经营压力。

美国专利US 7190531揭露一种太阳能集光系统，使用菲涅尔透镜(FresnelLens)将阳光集中于太阳能芯片上，此系统通常需搭配一太阳追踪系统执行，使太阳能芯片永远面对阳光，增加集光效果。但此系统的厚度太大也笨重，应用范围有限。

美国专利US 6971756揭露一种辐射能收集与转换装置，利用反射镜集光，阳光照射到各反射镜后，会反射到太阳能芯片上，随着反射镜和太阳能芯片的位置不同，反射镜的倾斜角度也不同。但是，此系统仍需要光线追踪系统的配合执行，依然有系统笨重应用局限的缺点。

美国专利US 6619282揭露一种太阳能集光装置，利用水作为导光物，并利用结构模块来局限光线角度，将光线导引至侧面，此装置虽然能大幅地减少整体的厚度，但在执行上，需要持续加水以维持功效。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光源集光模块，利用一光学膜片改变入射的光线的角度，以便使光线再度入射一光学楔形板后能在其中产生全反射而进行传递，使入射光源集光模块的光线全反射至光电转换芯片的比例增加，以提局光电转换芯片的使用效率。

本发明的光源集光模块包括：一光学膜片、一光学楔形板以及至少一光电转换芯片。光学膜片具有一光入射面以及一光出射面，该光入射面与该光出射面相向设置。光学楔形板具有一第一表面、一第二表面以及一第三表面，该第一表面与该第二表面相向设置且该第二表面与该第一表面形成一夹角，该第三表面相邻于该第一表面以及该第二表面。光电转换芯片设于该第三表面旁的位置上，其中来自一光源的光线穿透该光学膜片，通过该光学膜片使该光线以一适当角度入射于该第一表面，并在该第一与第二表面产生全反射，借此该光线在光学楔形板中传递并从该第三表面射出，由该光电转换芯片接收。

在上述的较佳实施例中，该第二表面与该第一表面的夹角是大于0度且小于80度。

在上述的较佳实施例中，该光学楔形板为高透光性材料制成。

在上述的较佳实施例中，该光电转换芯片的材料是以硅或周期表上III或V族的材料制成。

在上述的较佳实施例中，在该第三表面上形成微结构，该光线通过该微结构，可增加进入该光电转换芯片的光量。

在上述的较佳实施例中，该光入射面具有一微纳米结构，其包括一纳米结构层，形成于该导光膜片上。

在上述的较佳实施例中，该微纳米结构层为多个截面积呈上小下大的三维结构连续分布而形成，其中，该多个三维结构的周期为100～600nm，高度为100～570nm。

在上述的较佳实施例中，该微纳米结构还包括一金属层，形成于该纳米结构层上，该金属层的材质可为金、银、铝、镍、铜、铬、氧化锡或氧化铟锡，该金属层的厚度可小于150nm。

在上述的较佳实施例中，该纳米结构还包括一硬膜(hard coating)保护层，镀于该金属层的表面。

在上述的较佳实施例中，该光线出射该光学膜片的出射角是大于50度且小于90度。

在上述的较佳实施例中，在该光出射面具有柱状微米结构，该柱状微米结构可为剖面呈V形的沟槽结构，或者是菲涅尔(Fresnel)透镜结构。

为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：

附图说明

图1为本发明的光源集光模块的示意图；

图2为本发明的光源集光模块的侧视图；

图3为本发明的光源集光模块中，形成光学膜片的光入射面的微纳米结构；

图4、5为本发明的光源集光模块中，形成光学膜片的光出射面的微结构，其中图4表示剖面呈V字形的沟槽，图5表示菲涅尔透镜结构；

图6表示光学楔形板的第一表面与第二表面的夹角与集光效率的关系。

【主要元件符号说明】

15～纳米结构层

17～金属层

100～光学膜片

102～光入射面

104～光出射面

152～三维结构

200～光学楔形板

202～第一表面

204～第二表面

206～第三表面

300～光电转换芯片

1000～光源集光模块

L～光线

具体实施方式

图1为本发明的光源集光模块的示意图。

本发明的光源集光模块1000包括一光学膜片100、一光学楔形板200以及一光电转换芯片300。

来自太阳或其它光源的光线入射于光学膜片100后，光学膜片100使入射的光线偏折，而以一适当的角度入射光学楔形板200，使入射光学楔形板200的光线在光学楔形板200中全反射而传递，最后光线从光学楔形板200的侧面穿透出，入射于位在光学楔形板200侧面的光电转换芯片300。

图2为本发明的光源集光模块1000的侧视图。光线L入射光学膜片100的光入射面102，然后从光出射面104离开光学膜片100，光入射面102与光出射面104相向设置，在本实施例中，光入射面102与光出射面104是平行设置。在光入射面102上形成微纳米结构，用于减少光线被光入射面102反射的光量，借此增加入光量，在光出射面104上形成柱状微米结构，使光线在离开光出射面104时，产生较大的折射角，如此可以较大角度入射光学楔形板200，而柱状微米结构在以后的段落中会详细地说明。

光学楔形板200具有一第一表面202、一第二表面204以及一第三表面206。第一表面202与第二表面204相向设置，而且第一表面202与第二表面204不平行，而是具有一夹角，第三表面206分别与第一表面202及第二表面204相邻，如此第一表面202、第二表面204以及第三表面206形成一光学楔形板。从光学膜片100射出的光线入射于光学楔形板200的第一表面202，经过折射后，入射第二表面204，由于第二表面204与第一表面202之间具有一夹角，因此入射第二表面204的光线是以大于全反射临界角的入射角入射，随即光线在光学楔形板200中以全反射的方式做横向传递，然后从第三表面206射出，而由设置于第三表面206旁的光电转换芯片300所接收。第一表面202与第二表面204的夹角大于0度且小于80度。

为了增加阳光入射光学膜片100的光量，在本实施例中，可以在光入射面102上形成具有抗反射功能的微纳米结构。此外，由于本发明的光源集光模块1000可以应用于窗户或百叶窗上，为了避免雨水附着在光入射面102上，因此也可以在光入射面102上形成斥水性的微纳米结构；或是在光入射面102上涂布斥水性材料，例如是聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride)、聚砜(polysulfone)、含聚合无水物的反应改质剂(reactivity modifying agent)、聚硅氧橡胶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene，ABS)，铁氟龙(PTFE)，以达到斥水性的功能。

关于可以在光入射面102上所形成的抗反射或斥水性的微纳米结构是以单层膜形成，其结构如图3所示，在光学膜片100上形成纳米结构层15，在纳米结构层15的上方形成一金属层17。纳米结构层15可为截面积呈上小下大的三维结构152连续分布而形成，例如是锥状(图未示出)，三维结构152的周期为100～600nm(周期的定义为此一三维结构152最高点至下一个三维结构152最高点的距离)，高度为100～750nm。金属层17的材质为金、银、铝、镍、铜、铬、氧化锡或氧化铟锡，其厚度小于150nm。

微纳米结构层15的制作方法可如下：利用半导体微影蚀刻技术将三维结构152形成于一滚筒外缘以作为模仁，另外再提供一具有透光性的高分子塑料基材，并在其表面涂布UV胶，使该透光性的高分子塑料基材与前述模仁紧密贴合，并于紧密贴合部位照射UV光，使UV胶硬化成形，最后脱模，就形成了具有三维结构152的一微纳米结构层15。由于微纳米结构层15的三维结构152之间具有许多空隙，仅有小面积接触到水滴，附着力较小，加上水滴会因自己的内聚力而聚集，而使得微纳米结构层15具有斥水性的功能。如欲要有抗反射功能，则可以在微纳米结构层15上再行镀上一金属层17以提升光穿透率并降低内面反射率。此外，金属层17表面可再加镀硬膜(hard coating)保护层(图5未示出)。

为了使从光学膜片100出射的光线在入射第一表面202时得到较大的入射角，在光出射面104上形成微结构，微结构的形态，如图4及图5所示，其中图4表示微结构为剖面呈V字形的沟槽结构，(其较佳顶角介于40°～90°)而图5表示微结构为菲涅尔(Fresnel)透镜结构。所谓菲涅尔透镜结构是将传统透镜分成数个区域，去除每个区域中心厚度部分，保留表面的曲率，已达到同时削减光学组件厚度并保持透镜聚焦性质。

上述的菲涅尔透镜结构是利用roll-to-roll UV工艺技术制作于光学膜片的光出射面104，图5中的θ角介于40度～90度。

关于光学楔形板300，以下以一实施例说明第一表面202与第二表面204的夹角与集光效率的关系，要注意的是，此处所指的集光效率，乃是将光线入射至光学膜片100的光量视为100％，经过光学膜片100将入射角度偏折而进入光学楔形板200全反射后，集光至第三表面206的光量百分比。在此实施例中，光学膜片100的光出射面104的微结构为如图4的V字形沟槽，其顶角为51度。图6表示光学楔形板200的第一表面202与第二表面204的夹角与集光效率的关系，图中横轴表示光线入射第一表面202的角度，纵轴表示集光效率，亦即由第三表面206出射的光量。在图中有三条曲线，

表示夹角为0.5度的光学楔形板，●表示夹角为1度的光学楔形板，▲表示夹角为1.5度的光学楔形板。从图中可以看出，夹角愈大，光电转换芯片的集光效率愈好，但角度愈大，光学楔形板的制作愈不容易，以八时面板为例，光学楔形板的角度多介于0～10度。在本实施例中，光学膜片100与光学楔形板200之间的距离为1μm～1mm，V字形沟槽的深度为1μm～5μm，而且V字形沟槽的顶角介于40～90度之间。

另外，为了增加集光效率，可在光学楔形板200的第三表面206也形成微结构。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (17)

1.一种光源集光模块，其特征在于，包括：

一光学膜片，具有一光入射面以及一光出射面，该光入射面与该光出射面相向设置；

一光学楔形板，具有一第一表面、一第二表面以及一第三表面，该第一表面与该第二表面相向设置且该第二表面与该第一表面形成一夹角，该第三表面相邻于该第一表面以及该第二表面；以及

至少一光电转换芯片，设于接近该第三表面旁的位置上，其中来自一光源的光线穿透该光学膜片，通过该光学膜片使该光线以一适当角度入射于该第一表面，并在该第一与第二表面产生全反射，借此该光线在光学楔形板中传递并从该第三表面射出，由该光电转换芯片接收。

2.根据权利要求1所述的光源集光模块，其特征在于，该第二表面与该第一表面的夹角大于0度且小于80度。

3.根据权利要求1所述的光源集光模块，其特征在于，该光学楔形板为高透光性材料制成。

4.根据权利要求1所述的光源集光模块，其特征在于，该光电转换芯片的材料是以硅或周期表上III或V族的材料制成。

5.根据权利要求1所述的光源集光模块，其特征在于，在该第三表面上形成微结构，该光线通过该微结构，可增加进入该光电转换芯片的光量。

6.根据权利要求1所述的光源集光模块，其特征在于，该光学膜片为高透光性材料制成。

7.根据权利要求1所述的光源集光模块，其特征在于，该光入射面具有一微纳米结构，其包括一纳米结构层，形成于该导光膜片上。

8.根据权利要求7所述的光源集光模块，其特征在于，该微纳米结构层为多个截面积呈上小下大的三维结构连续分布而形成，其中，该多个三维结构的周期为100～600nm，高度为100～570nm。

9.根据权利要求1所述的光源集光模块，其特征在于，该微纳米结构还包括一金属层，形成于该纳米结构层上。

10.根据权利要求9所述的光源集光模块，其特征在于，该金属层的材质为金、银、铝、镍、铜、铬、氧化锡或氧化铟锡。

11.根据权利要求9所述的光源集光模块，其特征在于，该金属层的厚度小于150nm。

12.根据权利要求9所述的光源集光模块，其特征在于，该纳米结构还包括一硬膜保护层，镀于该金属层的表面。

13.根据权利要求1所述的光源集光模块，其特征在于，该光入射面涂布斥水性材料，该斥水性材料可为聚偏氟乙烯、聚砜、含聚合无水物的反应改质剂、聚硅氧橡胶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物、或铁氟龙。

14.根据权利要求1所述的光源集光模块，其特征在于，该光线出射该光学膜片的出射角是大于50度且小于90度。

15.根据权利要求1所述的光源集光模块，其特征在于，在该光出射面形成微结构。

16.根据权利要求15所述的光源集光模块，其特征在于，该微结构为剖面呈V形的沟槽结构。

17.根据权利要求15所述的光源集光模块，其特征在于，该微结构为菲涅尔透镜结构。

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