TWI414827B - 複合式聚光裝置 - Google Patents

Description

複合式聚光裝置

本發明關於一種複合式聚光裝置，特別是在一透鏡本體上分別形成折射式與反射式區域，以設計反射式區域的透鏡體厚度改變光偏折角度，得到縮短焦距與增加的聚光性的效果。

菲涅爾透鏡(Fresnel lens)通常為一個同心圓結構的透鏡，通常由一玻璃或是塑膠製品等透光材料形成，相對於其他傳統透鏡，菲涅爾透鏡能夠以較薄的鏡片通過更多的光，並投射到更遠的距離。

可參考第一圖所示習知技術之菲涅爾透鏡結構示意圖，根據圖中顯示的透鏡結構，在透鏡本體10的一側形成有複數個整齊排列的鋸齒狀菲涅爾透鏡結構101，此類菲涅爾透鏡結構101可由一整塊透光材料形成，亦可為多個獨立的透鏡體組合形成，各透鏡體的下緣形成一個折射光線的斜面，從透鏡本體10表面至斜面端有固定的結構厚度T。

由於菲涅爾透鏡具有縮短焦距與聚光性好的特性，故除了用於投射光線外，更可作為聚光的用途，比如收集太陽光的太陽能收集器(solar collector)。可參考第二圖所示習知技術之菲涅爾透鏡結構聚光示意圖，圖中顯示光線經過透鏡本體10，由其一側的菲涅爾透鏡結構101折射後，聚焦於焦點20，焦距為F，由於經過設計過的透鏡體斜面能夠有效地在一短距離內將光線聚集於一焦點上，故具有良好的聚光效果。

應用習知技術之菲涅爾透鏡結構，本發明提出具有縮短焦距與增加聚光性的複合式聚光裝置，在此複合式聚光裝置之透鏡本體上，區分有折射式與反射式區域，以設計反射式區域的透鏡體厚度改變光偏折角度，得到計算參數定義縮短焦距與增加的聚光性的效果。

複合式聚光裝置包括有透鏡本體具有折射率n的透光材料，包含有一入光面以及一出光面，其中出光面至少有一菲涅爾透鏡(Fresnel lens)結構，光線入射此菲涅爾透鏡結構時，聚光於中心線上形成的焦點以及焦距為F。其中，此菲涅爾透鏡結構具有一第一菲涅爾透鏡結構為折射式區域與一第二菲涅爾透鏡結構為反射式區域。

第一菲涅爾透鏡結構係沿第一基礎面上具有依序排列之若干個第一透鏡體，由中心線向外計數為i，第一基礎面與透鏡本體之出光面相距為T，相鄰的第一透鏡體則相距為p，第一透鏡體與第一基礎面之延伸形成第一角度α_i ，此角度滿足下列方程式： 第二菲涅爾透鏡結構則與第一菲涅爾透鏡結構相連接，第二菲涅爾透鏡結構具有依序排列之若干個第二透鏡體，由中心線向外緣計數為j，相鄰第二透鏡體相距有間距p，每一第二透鏡體沿與透鏡結構之中心線延伸之垂直 方向定義為第二基礎面，第二基礎面與透鏡本體之出光面相距為T_j ，此為可變數，透過設計，使得入射光通過第二透鏡體形成一出射光，與出光面形成第二角度α_j ，第二角度滿足下列方程式：

根據各參數的設計，複合式聚光裝置形成有折射區域與反射區域的設計，可以縮短經此複合式聚光裝置到達焦點的距離，有效增加聚光性。

另有實施例於上述本體之入光面上形成一鋸齒狀透鏡結構，藉此鋸齒狀透鏡結構改變入射光進入本體之角度，以縮短焦距。

本發明提出一種複合式聚光裝置，特別應用菲涅爾透鏡(Fresnel lens)的結構特徵，透過光學設計，形成縮短焦距與增加聚光性。。

參考第三圖所示本發明複合式聚光裝置之俯視示意圖以及第四圖之複合式聚光裝置之側視圖。第三圖說明複合式聚光裝置為一菲涅爾透鏡通常為一個同心圓結構的透鏡，此圖顯示為一個同心圓的透鏡結構透鏡體(透鏡本體30)，且具有特定一折射率(n)。其中，此同心圓結構之每圈顯示為此複合式聚光裝置之透鏡本體30上的複數個圈鋸齒狀透鏡體，可對應第四圖所示的複合式聚光裝置實施例之側視圖，此實施例以說明區分有兩個區域，內圈部分的 菲涅爾透鏡顯示為具有相同透鏡體厚度的折射區域301(第一菲涅爾透鏡結構)，接近此同心圓外緣的部份具有不相同透鏡體厚度則是反射區域303(第二菲涅爾透鏡結構)。

由第四圖所示的複合式聚光裝置與其光線行進的示意圖可知，此複合式聚光裝置包含一入光面31以及一出光面32，此出光面32包含上述兩種形式的菲涅爾透鏡結構為形成設置於相同平面的一側。此複合式聚光裝置之結構具有一厚度T，透過厚度T的設計，其中，反射區域303形成不同厚度T的透鏡體，由結構中心向外依次標號計數第i個，每個透鏡體寬度顯示為p，故每個透鏡體距離中心的距離為ip。反射區域之各個透鏡體向外逐漸增厚的厚度T，亦為逐漸改變透鏡體斜角度正切值α(tan α)，產生改變反射光線角度的效果，集中光線41於集光器40上，且能有效縮短焦距F。

根據實施例，第四圖所示折射區域301的第一菲涅爾透鏡結構有相同的厚度T，如習知技術中的菲涅爾透鏡結構一般，各光線入射角進入透鏡體的鋸齒狀斜角面，一光線41經過一次折射方式聚焦於集光器40。其中，反射區域303上的第二菲涅爾透鏡結構則設計有不同的結構厚度T，形成透鏡體斜角度α，此光線41穿過透鏡後，經過一次反射與一次折射而射出聚焦，其中，於每個透鏡體的鋸齒狀斜角面(斜角度α)上形成一次全反射，之後經過透鏡體表面進行另一次折射，光線41即被折射聚焦於集光器40上。

第五圖所示本發明與習知技術之深寬比曲線圖，此曲線圖之橫軸顯示為一數值F#，定義為F#=(F-T)/2ip，其中F為焦距、T為透鏡結構厚度、計數第i個、p為透鏡體 寬度，F#代表為不同的設計焦距(F)，F#值以定義出折射區域與反射區域。第五圖可知，F#為0.5時為此實施例中折射與反射區域的分界點，而此數值可依據設計而變動。縱軸為斜角度α的正切值(tan α)，代表為透鏡深寬比，以橫軸F#與縱軸深寬比為參考依據改變厚度(T)，以設計出最佳的參數，而產生結構較低的菲涅爾透鏡深寬比或較小F#值，以收集較多光線於焦距上。

第五圖所示複合式聚光裝置之反射區域，相對於習知的反射深寬比，本發明有更低的透鏡深寬比，本發明提出的透鏡結構使得斜角度α的正切值較小，也就是α角度的設計較小並得到較小F#值，使得第四圖顯示的複合式聚光裝置結構能收集較多的光線聚焦。

第六圖所示為複合式聚光裝置之折射區域角度關係圖，圖示說明折射區域之部份透鏡體結構，其中整個透鏡的焦距為F，折射區域中的第一菲涅爾透鏡結構水平定義一第一基礎面60，沿著第一基礎面60上形成有複數個第一透鏡體，第一透鏡體由整體透鏡的中心線向外緣(兩側)依序計數為i，各透鏡體的出光面上緣與第一基礎面60有一固定距離T(也就是底部斜面結構上緣至入光面厚度)，此區域中每個透鏡體結構厚度為固定結構厚度t₀ 。並且，相鄰兩個第一透鏡體相距有一間距p，故每個透鏡體距離整個透鏡中心距離為ip。

此例中，第一透鏡體與第一基礎面60延伸形成第一角度(α_i )，也就是，光線由入光面31進入，經透鏡體一端具有第一角度(α_i )的斜面結構折射而出。經此具有第一角度(α_i )的斜面結構折射的光線，定義一出光角β是入 射光線與折射光線的行進方向的夾角，α與β之間有下列關係與推導：n sin α=sin(α+β)--------(1)

其中

此處第一角度(α_i )滿足下列方程式(7)：

根據第六圖所示，參數F#決定菲涅爾透鏡的折射區域301與反射區域303，比如F#>=0.5的情況下，定義出折射區域301。折射區域301中出光面32與第一基礎面60間的厚度T不變，在反射區域303中，設計改變厚度。

參考第七圖顯示的本發明聚光透鏡之反射區域結構角度關係圖。透鏡結構的焦距為F，反射區域303中的第二菲涅爾透鏡結構與第一菲涅爾透鏡結構相連接，第二菲涅爾透鏡結構同樣由複數個依次排列的複數個第二透鏡體組成，每一第二透鏡體沿與中心線延伸之垂直方向定義出一個水平方向的第二基礎面70，以整體中心線向二側計數，反射區域中的第二透鏡體計數為j(區隔折射區域菲涅爾透鏡體的計數i)，相鄰兩個第二透鏡體相距為p(透鏡體寬度)，第二基礎面70與第二透鏡體的出光面32上緣相距一距離T=Tj(也就是出光面斜面上緣與入光面的厚度)，第二透鏡體出光面32上的斜角與第二基礎面70形成第二角度(α_j )，也就是透鏡體斜角度。

當光線入射此透鏡結構，將經過各第二透鏡體出光面的斜度(第二角度α_j )反射一次(全反射)，反射光再經第二透鏡體的一側折射而出，折射行進路線與垂直入射光(中心線)的方向定義一出光角β，α與β之間有下列關係與推導：β=90-sin^-1 [n sin(2α-90)]--------(8)

第二角度α_j 滿足下列方程式(11)：

根據上述實施例，利用參數F#定義出反射區域，比如F#<0.5的情況下，定義出此反射區域。

第七圖所示，第二基礎面70與第二透鏡體的出光面32上緣相距的距離T為一變數，在反射區域的第二菲涅爾透鏡結構為具有不同厚度的複數個透鏡體，藉此結構達到較佳的聚光效果。

請參考第八圖顯示的本發明與習知技術之反射區域結構角度關係，此圖為習知技術的透鏡體(具有透鏡體斜角度α1與出光角β1)與本發明在反射區域的菲涅爾透鏡體(具有透鏡體斜角度α2與出光角β2)之間的角度關係，圖中顯示入射光11進入透鏡30，上方的三角形顯示為習知技術具有透鏡體斜角度α1的透鏡體30結構，光線11進入菲涅爾透鏡體後經反射，再於一側折射而出，以形成出光角β1；下方則顯示為本發明的菲涅爾透鏡體具有一菲涅爾透鏡體斜角度α2與厚度T(j)，經光線11進入後形成全反射，於菲涅爾透鏡體一側折射而形成出光角β2，習知技術的透鏡體與本發明技術的透鏡厚度差值為d，以得到透鏡體深寬比差異為下列式(12)：

其中，若以相同的每個透鏡體編號j與每個透鏡體寬度p為例，本發明應用具有較小透鏡體斜角度α、較小的深寬比(tanα)、較大的出光角β的透鏡體，以產生較佳的聚光效果，與較短的焦距。

為了要達到本發明複合式聚光裝置短焦距與較佳聚光性的目的，更提出另一於透鏡本體之入光面31上形成鋸齒狀透鏡結構的實施例，透過修正入射光的偏折角度，達到更小的菲涅爾透鏡體斜角度、更小深寬比與更短焦距的好處。

請參考第九圖所示之本發明第二實施例之側視圖，本發明提出的複合式聚光裝置的透鏡本體30可區分為接收光線11的入光面31以及出光面32，各個菲涅爾透鏡結構是位於出光面32，以形成一聚焦的效果，此實施例中的鋸齒狀透鏡結構則是置於本體30之入光面31上，以改變菲涅爾透鏡體厚度(T)以及入射光進入透鏡本體30的角度。

第九圖可知，透鏡本體30入光面31有一具有一厚度T的透光鋸齒狀結構90，若由自俯視圖來看所示，此鋸齒狀結構90為一同心圓或是類似的透鏡結構，因為改變了光線進入的角度，必然影響了出光面32的菲涅爾透鏡結構的設計，折射區域301位於出光面32上方之上方入光面31並無任何鋸齒狀結構，而是形成於出光面32反射區域上方之入光面31，因此，為了要達到反射區域303中菲涅爾透鏡結構的各個透鏡體仍然會產生全反射的效果，故應修正各個透鏡體斜角度α，同時改變了聚焦的位置(集光器92)，也就是焦距F更短。

而第十圖則所示此第三實施例，即於透鏡本體30之入光面31上形成由複數個鋸齒狀透鏡結構14組合的入光面31結構，能夠產生不同的聚焦效果，包括縮短焦距與更好的聚焦位置(集光器12)。同樣應對應修正出光面32各個菲涅爾透鏡體30的結構，例如：修正菲涅爾透鏡體30斜角度α。

第十一圖所示鋸齒狀透鏡結構形成於透鏡本體30上方，菲涅爾透鏡本體30折射率n，各個菲涅爾透鏡結構30距離透鏡中心線距離為jp以及焦距F，固定透鏡本體30厚度t₀ 為例。光線11垂直入射進入透鏡本體30進入鋸齒狀透鏡結構，其具有入光面31斜角度γ，經由此菲涅爾透鏡結構30偏折了光線11之入射角，而出光面32之菲涅爾透鏡結構30之斜面上形成全反射，再由菲涅爾透鏡結構折射而出，光線11聚焦於一焦點位置。

上述鋸齒狀結構之斜角度γ與出光角β、透鏡本體斜角度α有下式(13)的關係：

已知tanβ=jp/(F-t0)。

透鏡斜角α_j 滿足下列方程式：

其中F#=(F-T₀ )/2jp。

鋸齒狀透鏡結構產生下方菲涅爾透鏡結構修正透鏡體斜角度α_j ，並改變出光角β縮短的焦距。

第十二圖所示為本發明第二實施例與習知技術之深寬比曲線圖。此曲線圖之橫軸顯示為數值F#，定義為F#=(F-T)/2jp，縱軸為斜角度α的正切值(tanα)，定義為深寬比，其中F為焦距、T為透鏡厚度、計數第j個、p為透鏡體寬度。

如同第五圖的曲線關係，第十二圖中的入光面31鋸齒狀結構的斜角度γ，本發明係於反射區域上設置了入光面31鋸齒狀結構，圖中分別顯示鋸齒斜角度(γ=2°)與(γ=5°)兩種曲線，不論是γ角度為何(γ=2°或是γ=5°)，此入光面31鋸齒狀結構，其在反射區域303的深寬比都會比習知技術中的菲涅爾透鏡結構來得小，亦是，以橫軸F#與縱軸深寬比為參考依據，可以設計出最小的焦距，由於光程縮短，所以能收集較多光線於焦點上。

綜上所述，本發明乃應用習知技術之菲涅爾透鏡結構，提出一種具有更短焦距、更薄與更好聚光性的複合式聚光裝置，菲涅爾透鏡體厚度改變光偏折角度，得到更短焦距與更佳的聚光性的效果。

惟以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效結構變化，均同理包含於本發明之範圍內，合予陳明。

10．．．透鏡本體

101．．．菲涅爾透鏡結構

T．．．結構厚度

20．．．焦點

F．．．焦距

30．．．透鏡本體

301．．．折射區域

303．．．反射區域

計數第i個

p．．．透鏡體寬度

t0．．．固定結構厚度

α．．．透鏡體斜角度

α1．．．第一透鏡體斜角度

α2．．．第二透鏡體斜角度

40,92,12．．．集光器

β．．．出光角

γ．．．入光面斜角度

β1．．．第一出光角

β2．．．第二出光角

90,14．．．入光面鋸齒結構

60．．．第一基礎面

70．．．第二基礎面

41,11．．．光線

31．．．入光面

32．．．出光面

計數第j個

第一圖所示為習知技術之菲涅爾透鏡結構示意圖；

第二圖所示為習知技術之菲涅爾透鏡結構聚光示意圖；

第三圖所示為本發明複合式聚光裝置實施例之俯視示意圖；

第四圖所示為本發明複合式聚光裝置實施例之側視與其聚光示意圖；

第五圖所示為本發明與習知技術之深寬比曲線圖；

第六圖顯示為複合式聚光裝置之折射區域角度關係圖；

第七圖顯示為本發明複合式聚光裝置之反射區域結構角度關係圖；

第八圖顯示為本發明複合式聚光裝置與習知技術之反射區域結構角度關係；

第九圖所示為本發明複合式聚光裝置第二實施例之側視與其聚光示意圖之一；

第十圖所示為本發明複合式聚光裝置第二實施例之側視與其聚光示意圖之二；

第十一圖所示為本發明複合式聚光裝置實施例之光線路徑示意圖；

第十二圖所示為本發明複合式聚光裝置第二實施例與習知技術之深寬比曲線圖。

F．．．焦距

30．．．透鏡本體

301．．．折射區域

303．．．反射區域

計數第i個

p．．．透鏡體寬度

α．．．透鏡體斜角度

T．．．結構厚度

40．．．焦點

41．．．光線

40．．．集光器

31．．．入光面

32．．．出光面

Claims (12)

1. 一種複合式聚光裝置，包括有：一本體，具有一折射率(n)，該本體更包含一入光面以及一出光面，該出光面至少為一組菲涅爾透鏡(Fresnel lens)結構，當投射一入射光通過該組菲涅爾透鏡結構時，於該組菲涅爾透鏡結構之一中心線上形成有一焦點，該焦點與該出光面相距一焦距(F)，該組菲涅爾透鏡結構具有：一第一菲涅爾透鏡結構，為一相同厚度的折射區域，其係沿一第一基礎面上具有依序排列之若干個第一透鏡體，且以該中心線向二側計數第i個該第一透鏡體，該第一基礎面與該出光面上緣相距一固定距離(T)，相鄰二該第一透鏡體相距有一間距(p)，該第一透鏡體與該第一基礎面延伸形成一第一角度(α_i )，該第一角度滿足下列方程式： 一第二菲涅爾透鏡結構，為一不相同厚度的反射區域，其係與該第一菲涅爾透鏡結構相連接，該第二菲涅爾透鏡結構具有依序排列之若干個第二透鏡體，且以該中心線向二側計數第j個該第二透鏡體，相鄰二該第二透鏡體相距有該間距(p)，每一第二透鏡體沿與該中心線延伸之垂直方向定義有一第二基礎面，該第二基礎面與該出光面上緣相距一距離 (T_j )，該第二透鏡體出光面與該第二基礎面延伸形成一第二角度(α_j )，該第二角度滿足下列方程式：
2. 如申請專利範圍第1項所述之複合式聚光裝置，其中於滿足該第一角度之方程式中，係透過參數(F-T)/(2ip)定義該折射區域的範圍。
3. 如申請專利範圍第2項所述之複合式聚光裝置，其中若該參數(F-T)/(2ip)大於等於0.5，則定義為該折射區域。
4. 如申請專利範圍第1項所述之複合式聚光裝置，其中於滿足該第二角度之方程式中，係透過參數(F-T_j )/(2jp)定義該反射區域的範圍。
5. 如申請專利範圍第4項所述之複合式聚光裝置，其中若該參數(F-T_j )/(2jp)小於0.5，則定義為該反射區域。
6. 一種複合式聚光裝置，包括有：一本體，具有一折射率(n)，該本體更包含一入光面以及一出光面，該出光面至少為一組菲涅爾透鏡(Fresnel lens)結構，當投射一入射光通過該組菲涅爾透鏡結構時，於該組菲涅爾透鏡結構之一中心線上形成有一焦點，該焦點與該出光面相距一焦距(F)，該組菲涅爾透鏡結構具有：一第一菲涅爾透鏡結構，為一相同厚度的折射區域，其係沿一第一基礎面上具有依序排列之若干個第一透鏡體，且以該中心線向二側計數第i個該第一透鏡體，該第一基礎面與該出光面上緣相距一固定距 離(T)，相鄰二該第一透鏡體相距有一間距(p)，該第一透鏡體與該第一基礎面延伸形成一第一角度(α_i )，該第一角度滿足下列方程式： 一第二菲涅爾透鏡結構，為一不相同厚度的反射區域，其係與該第一菲涅爾透鏡結構相連接，該第二菲涅爾透鏡結構具有依序排列之若干個第二透鏡體，且以該中心線向二側計數第j個該第二透鏡體，相鄰二該第二透鏡體相距有該間距(p)，每一第二透鏡體沿與該中心線延伸之垂直方向定義有一第二基礎面，該第二基礎面與該出光面上緣相距一距離(T_j )，該第二透鏡體出光面與該第二基礎面延伸形成一第二角度(α_j )，該第二角度滿足下列方程式：；以及 一鋸齒狀透鏡結構，係設置於該本體之入光面上，用以改變該入射光進入該本體之角度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之複合式聚光裝置，其中於滿足該第一角度之方程式中，係透過參數(F-T)/(2ip)定義該折射區域的範圍。
8. 如申請專利範圍第7項所述之複合式聚光裝置，其中若該參數(F-T)/(2ip)大於等於0.5，則定義為該折射區域。
9. 如申請專利範圍第6項所述之複合式聚光裝置，其中於滿足該第二角度之方程式中，係透過參數(F-T_j )/(2jp)定義該反射區域的範圍。
10. 如申請專利範圍第9項所述之複合式聚光裝置，其中若該參數(F-T_j )/(2jp)小於0.5，則定義為該反射區域。
11. 如申請專利範圍第6項所述之複合式聚光裝置，其中該鋸齒狀結構之斜角度γ，滿足下列方程式： ，其中F#=(F-T_j )/2jp。
12. 如申請專利範圍第11項所述之複合式聚光裝置，其中該鋸齒狀結構為一同心圓之透鏡結構。