TWI483005B - 可調變聚焦元件及其系統 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種光學聚焦元件，尤指可藉由通入液體的方式而改變焦距的一種可調變聚焦元件及其系統。
光學透鏡係廣泛地應用各種光電設備之中，例如照明設備與太陽能電力設備。以太陽能電力設備為例，傳統上，係以凸透鏡、凹透鏡、稜鏡等基礎透鏡應用於太陽能電力設備之中，以達到聚焦光線之需求，進而使得該太陽能電力設備能夠達到最大的光電轉換效率。光學透鏡皆具有焦點及其對應之焦距，其中聚光透鏡對於焦點與焦距的考量更為重要；尤其，針對小型化透鏡之設計，一般的製作方式係直接地將光學透鏡縮小尺寸，以利將該小型化透鏡設置於一小型的光電裝置之中；然而，藉由直接縮小尺寸所製成之小型化透鏡，通常會具有焦距過長的問題，這是最大的缺陷。
有鑑於此，光學元件之製造商係研發並推出一種
菲涅爾透鏡。請參閱第一圖，係習用的一種菲涅爾透鏡之製造示意圖；並且，請同時參閱第二圖，係習用的菲涅爾透鏡之上視圖。如第一圖之圖(a)、第一圖之圖(b)以及與第二圖所示，製程上，只要於一凸透鏡2’之凸面上挖設複數個同心圓溝槽21’即可完成一菲涅爾透鏡1’之製造。完成複數個同心圓溝槽21’之製造後，由菲涅爾透鏡1’的側面圖觀之，該些同心圓溝槽21’係以菲涅爾透鏡1’的圓心為對稱中心而相互對稱。
請繼續參閱第三圖，係菲涅爾透鏡之側視圖。如
第三圖所示，當光線通過該菲涅爾透鏡1’時，光線將受到該些同心圓溝槽21’之折射而聚焦，並且，相較於傳統的凸透鏡，菲涅爾透鏡1’具有較小的聚光焦距。因此，由於菲涅爾透鏡1’具有較小的聚光焦距，是以其係取代傳統的凸透鏡而被廣泛地應用於小型化光電裝置之中。
然而，於太陽能電力設備的設計中，必須於一特
定時段內藉由光學元件(如菲涅爾透鏡)之聚焦以大量地收集太陽光，進而其轉換為電能；此外，太陽能電力設備也需要於另一特定時段內暫時不收集太陽光，而令其聚光空間內呈現自然光的狀態。由此可知，即便菲涅爾透鏡1’具有較小聚光焦距之優點，但是此優點可能在其應用於太陽能電力設備之時變成其最主要的缺點，原因在於菲涅爾透鏡1’之聚光焦距為不可調變。
因此，綜合上述對於習用的光學透鏡與菲涅爾透
鏡之說明，可以得知目前所習用的光學聚焦元件係仍具有許多缺點與不足；有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成本發明之一種可調變聚焦元件及其系統。
本發明之第一目的，在於提供一種可調變聚焦元件，其係藉由於一透光基板的內部形成一封閉式流道而製成一光學元件，且使用者可透過該封閉式流道之流道口將具有特定折射率的流體注入於該封閉式流道之中，進以藉此不同流體之不同折射率而達到不聚焦或調整焦距之目的；並且，當該流體透過自該封閉式流道之中而被抽出後，此時，當光線照射該基板時，該光線會於通過基板內部的該封閉式流道後而被聚焦至一特定焦距之上，達到聚焦光線之效果；如此，被聚焦的光線便可被導引至一太陽能電力設備之太陽光收集板之上，進而被轉換成電能；或者，被聚焦的光線便可被導引至一加熱管之太陽光收集板之上，進而被轉換成熱能；同時，亦可聚焦至導光裝置引至其他空間做照明之用途。
承上述之說明，此外，當具有與基板相同折射率之流體透過該封閉式流道的流道口而被注入該封閉式流道
之後，此時，當一光線照射基板時，該光線會平行地通過基板與其內部的該封閉式流道；如此，平行通過基板的光線便可於基板下方的聚光空間內呈現自然光的狀態。若注入該封閉式流道之流體的折射率與基板的折射率不同時，則依其差異大小可獲致調整焦距或發散入射光之功能。
因此，為了達成本發明上述之第一目的，本案之發明人提出一種可調變聚焦元件，係包括：一基板，係由一透光材料所製成；一封閉式流道，係形成於該基板內部，並具有一第一流道口與一第二流道口；並且，當一光線照射該基板時，該光線會於通過該封閉式流道之時，受到封閉式流道之結構的影響而被偏折，進而被聚焦至一特定焦距之上；其中，當折射率與基板相同的一流體透過該第一流道口或該第二流道口而被注入該封閉式流道之後，此時，當一光線照射該基板時，該光線會因為流體與基板之折射率匹配效應而平行地通過基板與其內部的該封閉式流道；本發明之第二目的，在於提供一種可調變聚焦裝置，其係由前述之可調變聚焦元件以及一流體注入與抽出單元所構成，其中，該流體注入與抽出單元係連接於該封閉式流道之流道口；如此，使用者可藉由操作該流體注入與抽出單元之方式，透過封閉式流道之流道口而輕易地將
具有特定折射率之流體注入該封閉式流道之中；反之，使用者亦可藉由操作該流體注入與抽出單元之方式，透過封閉式流道之流道口將該流體自該封閉式流道之中抽出。如此，藉由該流體注入與抽出單元之流體注入/流體抽出作業，便可輕易地控制流體於封閉式流道之中的位置，使得可調變聚焦元件能夠達到「部分聚焦、部分不聚焦」之功效。
因此，為了達成本發明上述之第二目的，本案之發明人提出一種可調變聚焦裝置，係包括：一可調變聚焦元件，係包括：一基板，係由一透光材料所製成；及一封閉式流道，係形成於該基板內部，並具有一第一流道口與一第二流道口，並且，當一光線照射該基板時，該光線會於通過該封閉式流道之時，受到封閉式流道之結構的影響而被偏折，進而被聚焦至一特定焦距之上；以及一流體注入與抽出單元，係連接於該第一流道口與該第二流道口，以將折射率與基板相同的一流體藉由該第一流道口或該第二流道口注入該封閉式流道之中；並且，透過藉由該第一流道口或該第二流道口，該流體注入與抽出單元亦可將該流體自該封閉式流道中抽出；其中，當該流體被注入該封閉式流道之後，此時，當
一光線照射該基板時，該光線會因為流體與基板之折射率匹配效應而平行地通過基板與其內部的該封閉式流道。
<本發明>
1‧‧‧可調變聚焦元件
2‧‧‧流體
11‧‧‧基板
12‧‧‧封閉式流道
121‧‧‧第一流道口
122‧‧‧第二流道口
f‧‧‧焦距
f’‧‧‧焦距
124‧‧‧第一封閉流道陣列
125‧‧‧第二封閉流道陣列
126‧‧‧第三連接流道
124a‧‧‧第一連接流道
125a‧‧‧第二連接流道
15‧‧‧流體注入與抽出單元
151‧‧‧第一管路
152‧‧‧第二管路
<習知>
1’‧‧‧菲涅爾透鏡
2’‧‧‧凸透鏡
21’‧‧‧同心圓溝槽
第一圖係習用的一種菲涅爾透鏡之製造示意圖；第二圖係習用的菲涅爾透鏡之上視圖；第三圖係習用的菲涅爾透鏡之側視圖；第四圖係本發明之一種可調變聚焦元件的立體圖；第五A圖與第五B圖係可調變聚焦元件的側面剖視圖；第六圖係可調變聚焦元件之一封閉式流道的第二實施態樣的立體圖；第七圖係封閉式流道之第三實施態樣的立體圖；第八A圖、第八B圖、第八C圖、第八D圖、與第八E圖係使用可調變聚焦元件聚焦光線的示意圖；以及第九圖係本發明之一種可調變聚焦裝置的架構圖。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種可調變聚焦元件及其系統，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
請同時參閱第四圖、第五A圖與第五B圖，係
本發明之一種可調變聚焦元件的立體圖與側面剖視圖。如第四圖與第五A圖所示，本發明之可調變聚焦元件1係包括有：一基板11與一封閉式流道12。該基板11係由例如透明樹脂或者玻璃之一透光材料所製成，其中該封閉式流道12係形成於該基板11內部，並具有一第一流道口121與一第二流道口122；如此，由第五A圖觀之，該封閉式流道12係與該基板11即共同構成類似菲涅爾透鏡(Fresnel lens)之結構。於此，必須特別說明的是，雖然第四圖所繪示之封閉式流道12的第一流道口121與第二流道口122係分別形成於基板11之邊緣處與中心處，但並非以此限制本發明之實施態樣；於不同的應用之中，該封閉式流道12之第一流道口121與第二流道口122亦可能分別設計於基板11之二邊緣處；或者，第一流道口121與第二流道口122亦可能設計於基板11之同一邊。
於本發明之可調變聚焦元件1之中，如第五A
圖所示，由於該封閉式流道12係與該基板11共同構成類似菲涅爾透鏡(Fresnel lens)之結構，因此，當一光線照射該基板11時，該光線會於通過該封閉式流道12之時，受到封閉式流道12之結構的影響而被偏折，進而被聚焦至一特定焦距之上。相反地，如第五B圖所示，當折射率與基板相同的流體2透過該第一流道口121或該第二流道口122而被注入該封閉式流道12之後，此時，當光線照射該基板
11時，該光線會因為流體2與基板11之折射率匹配效應而平行地通過基板11與其內部的該封閉式流道12。
於此，必須補充說明的是，雖然第四圖所示的封
閉式流道12之形狀為螺旋狀(Spiral)，但並非以此限制封閉式流道12之實施態樣。請參閱第六圖與第七圖，係封閉式流道之第二實施態樣與第三實施態樣的立體圖。如第六圖所示，於不同的設計模式中，封閉式流道12之形狀也可以是雙螺旋狀(Double Spiral)，且第一流道口121或該第二流道口122係設計於流道之外圍。再者，如第七圖所示，封閉式流道12之結構也可以是由一第一封閉流道陣列124與一第二封閉流道陣列125所構成，其中，該第一封閉流道陣列之中的任兩條流道係彼此緊密相鄰，並由一第一連接流道124a予以相互連通；同樣的，該第二封閉流道陣列125之中的任兩條流道係彼此緊密相鄰，並由一第二連接流道125a予以相互連通；並且，相鄰的該第一封閉流道陣列124與該第二封閉流道陣列125之間係相距一特定距離，並由一第三連接流道126予以相互連通。如此，該第一封閉流道陣列124與該第二封閉流道陣列125係與該基板11係一同構成一類菲涅爾透鏡(Fresnel lens)結構，使得該光線照射該基板11時，該光線會於通過該第一封閉流道陣列124與該第二封閉流道陣列125之時，受到該類菲涅爾透鏡(Fresnel lens)結構之結構的影響而被偏折，進而於
自由空間的一平面上匯聚成一條聚焦光線(focused light)。
於此，必須補充說明的是，以第七圖所示的封閉
式流道12的結構而言，會被用來偏折(或者不偏折)光線的部分並不包含第一連接流道124a、第二連接流道125a與第三連接流道126，原因在於該些連接流道可能無法與基板11共同構成類似菲涅爾透鏡之結構；是以，這些連接流道只是用以使得該複數條第一流道124與該複數條第二流道125能夠於基板11內部構成一封閉式的流道。
如此，上述係已完整、清楚地說明本發明之可調
變聚焦元件的構成及可能的實施態樣。以下，將藉由示意圖的輔助以進一步地說明此可調變聚焦元件1的技術特徵與功效。請參閱第八A圖、第八B圖、第八C圖、第八D圖、與第八E圖，係使用可調變聚焦元件進行光線聚焦的示意圖。如第八A圖所示，當具有特定折射率的流體2被注入基板11內部的封閉式流道12並充滿整個封閉式流道12；此時，當一光線照射該基板11時，光線會平行地通過基板11與其內部的封閉式流道12；反之，如第八B圖所示，當該流體2自該封閉式流道12之中被抽出後，此時，當光線照射該基板11時，光線會於通過基板11內部的該封閉式流道12後，被聚焦至一特定焦距f之上。
此外，更特別的是，於注入流體2至該封閉式流
道12之中時，係可使得被注入該封閉式流道12之中的流
體2僅佈滿該基板11之中央處；此時，如第八C圖所示，照射基板11中心處之光線會平行地通過基板11與其內部的該封閉式流道12，並且，照射基板11四周的光線會於通過基板11內部的該封閉式流道12後，被聚焦至該特定焦距f之上。相反地，如第八D圖所示，亦可使得被注入該封閉式流道12之中的流體2僅佈滿該基板11之四周；此時，如第八D圖所示，照射基板11四周之光線會平行地通過基板11與其內部的該封閉式流道12，並且，照射基板11中心處之光線則會於通過基板11內部的該封閉式流道12後，被聚焦至該特定焦距f之上。
另外，如第八E圖所示，當注入該封閉式流道
12內的流體2之折射率大於基板11之折射率時，此時，當光線照射該基板11之一側時，光線會受到封閉式流道12之偏折而自基板11之相對的另一側發散。另外，如第八F圖所示，當注入該封閉式流道12內的流體2之折射率小於基板11之折射率時，此時，當光線照射該基板11之一側時，光線會受到封閉式流道12之偏折而匯聚於基板11之相對的另一側，並且，該焦距為f’(f’之值係大於前述f之值)。
於此，必須再行補充說明的是，本發明之技術特
徵主要係將不同的流體2注入基板11內部的封閉式流道12之中，以藉由不同的流體2折射率調整通過封閉式流道
12之光線的聚焦點，也可以視為調整該可調變聚焦元件1之焦距f。當然，在不同的應用中，也可以於流體2之中摻入色粉(或不摻入色粉)，如此則使得流體2的實施態樣則可能是透明流體、單色流體或者彩色流體。可想而知的是，若光線入射基板11並通過紅色流體2，射出的光線也會變成紅色光線，這樣的方式更增加了本發明之可調變聚焦元件1的應用層面。
如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之可調
變聚焦元件，並且，經由上述，吾人可以得知本發明係具有下列之技術特徵與優點：
1.於本發明中，係藉由於一透光基板11的內部形成一封閉式流道12而製成一光學元件，且使用者可透過該封閉式流道12之流道口將具有特定折射率的流體2注入於該封閉式流道12之中，進以藉此不同流體之不同折射率而達到調整焦距之目的；並且，當該流體透過該第一流道口121或該第二流道口122而自該封閉式流道12之中而被抽出後，此時，當光線照射該基板11時，該光線會於通過基板11內部的該封閉式流道12後而被聚焦至一特定焦距f之上，達到聚焦光線之效果；如此，被聚焦的光線便可被導引至一太陽能電力設備之太陽光收集板之上，進而被轉換成電能；或者，被聚焦的光線便可被導
引至一加熱管之太陽光收集板之上，進而被轉換成熱能；同時，亦可聚焦至導光裝置引至其他空間做照明之用途。
2.承上述第1點，此外，當具有與基板相同折射率之流體透過該封閉式流道12的流道口而被注入該封閉式流道12之後，此時，當一光線照射基板11時，該光線會平行地通過基板11與其內部的該封閉式流道12；如此，平行通過基板11的光線便可於基板11下方的聚光空間內呈現自然光的狀態；再者，更特別的是，由於不同的流體2具有不同的折射率，因此藉由替換不同的流體2可改變該可調變聚焦元件1之焦距f。
3.再者，本發明之另一技術特徵在於，於注入流體2至該封閉式流道12之中時，係可使得被注入該封閉式流道12之中的流體2僅佈滿該基板11之四周；或者，亦可使得被注入該封閉式流道12之中的流體2僅佈滿該基板11之中央處。如此，當光線通過注有流體2之封閉式流道12後，即會平行地通過基板11與封閉式流道12；相反地，當光線通過基板11及其內部之未注有流體2之封閉式流道12後，光線即被聚焦至特定的焦距f之上；上述之結果係說明本發明之可調變聚焦元件亦具有「部分
聚焦、部分不聚焦」之功能。
再者，本發明之可調變聚焦元件可進一步地與一
流體注入與抽出單元組合成為一可調變聚焦裝置。請參閱第九圖，係一可調變聚焦裝置的架構圖。如第九圖所示，該可調變聚焦裝置係由前述之可調變聚焦元件1以及一流體注入與抽出單元15所構成。其中，該流體注入與抽出單元15係以其一第一管路151與一第二管路152而連接於該封閉式流道12之第一流道口121與第二流道口122；如此，使用者可藉由操作該流體注入與抽出單元15之方式，透過第一管路151或者第二管路152將具有特定折射率之流體注入該封閉式流道12之中；反之，使用者亦可藉由操作該流體注入與抽出單元15之方式，透過第一管路151或者第二管路152將該流體自該封閉式流道12之中抽出。
此外，關於前述說明之中所稱的「部分聚焦、部
分不聚焦」之功效，更可利用此流體注入與抽出單元15而輕易地完成。由此可知，第九圖所示的可調變聚焦裝置，其因具備可調變聚焦之功能，是以能夠被應用到各種光電設備之中，例如照明設備與太陽能電力設備；或者，亦可被應用至例如加熱管之加熱設備之中。
必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發
明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施
或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1‧‧‧可調變聚焦元件
11‧‧‧基板
12‧‧‧封閉式流道
121‧‧‧第一流道口
122‧‧‧第二流道口
Claims (8)
- 一種可調變聚焦元件，係包括：一基板，係由一透光材料所製成；一封閉式流道，係形成於該基板內部，並具有一第一流道口與一第二流道口；並且，當一光線照射該基板時，該光線會於通過該封閉式流道之時，受到封閉式流道之結構的影響而被偏折，進而被聚焦至一特定焦距之上；其中，當折射率與該基板相同的一流體透過該第一流道口與/或該第二流道口而被注入該封閉式流道，並且該流體僅佈滿該基板之中心部分；此時，照射於該基板之周圍部分的該光線會於通過該封閉式流道之後被聚焦至該特定焦距之上；相對地，照射於該基板之中心部分的該光線則會因為該流體與該基板之間的折射率匹配效應而平行地通過該基板與其內部的該封閉式流道；其中，當所注入的該流體僅佈滿該基板之周圍部分；此時，照射於該基板之中心部分的該光線會於通過該封閉式流道之後被聚焦至該特定焦距之上；相對地，照射於該基板之周圍部分的該光線則會因為該流體與該基板之間的折射率匹配效應而平行地通過該基板與其內部的該封閉式流道。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調變聚焦元件，其中該封閉式流道之形狀係選自於下列群組之任一者：螺旋狀與雙螺旋狀。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調變聚焦元件，其中，該封閉式流道係包括：一第一封閉流道陣列，其中，該第一封閉流道陣列之中的任兩條流道係彼此緊密相鄰，並由一第一連接流道予以相互連通；以及一第二封閉流道陣列，其中，該第二封閉流道陣列之中的任兩條流道係彼此緊密相鄰，並由一第二連接流道予以相互連通；並且，相鄰的該第一封閉流道陣列與該第二封閉流道陣列之間係相距一特定距離，並由一第三連接流道予以相互連通；其中，該第一封閉流道陣列與該第二封閉流道陣列係與該基板係一同構成一類菲涅爾透鏡(Fresnel lens)結構，使得該光線照射該基板時，該光線會於通過該第一封閉流道陣列與該第二封閉流道陣列之時，受到該類菲涅爾透鏡結構之結構的影響而被偏折，進而於自由空間的一平面上匯聚成一條聚焦光線。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調變聚焦元件，其中該透光材料係選自於下列群組之中的任一者：塑膠、透明樹脂與玻璃。
- 如申請專利範圍第1項所述之可調變聚焦元件，其中，該流體係選自於下列群組之中的任一者：透明流體、單色流體與彩色流體。
- 一種具有如申請專利範圍第1項所述之可調變聚焦元件之可調變聚焦裝置，係包括：一可調變聚焦元件，係包括：一基板，係由一透光材料所製成；及一封閉式流道，係形成於該基板內部，並具有一第一流道口與一第二流道口；並且，當一光線照射該基板時，該光線會於通過該封閉式流道之時，受到封閉式流道之結構的影響而被偏折，進而被聚焦至一特定焦距之上；以及一流體注入與抽出單元，係連接於該第一流道口與該第二流道口，以將折射率與基板相同的一流體藉由該第一流道口或該第二流道口注入該封閉式流道之中；並且，透過藉由該第一流道口或該第二流道口，該流體 注入與抽出單元亦可將該流體自該封閉式流道中抽出；其中，當該流體被注入該封閉式流道，並且該流體僅佈滿該基板之中心部分；此時，當一光線照射該基板時，照射於該基板之周圍部分的該光線會於通過該封閉式流道之後被聚焦至該特定焦距之上；相對地，照射於該基板之中心部分的該光線會因為該流體與該基板之間的折射率匹配效應而平行地通過該基板與其內部的該封閉式流道；其中，當所注入的該流體僅佈滿該基板之周圍部分；此時，照射於該基板之中心部分的該光線會於通過該封閉式流道之後被聚焦至該特定焦距之上；相對地，照射於該基板之周圍部分的該光線則會因為該流體與該基板之間的折射率匹配效應而平行地通過該基板與其內部的該封閉式流道。
- 如申請專利範圍第6項所述之可調變聚焦裝置，其中該封閉式流道之形狀係選自於下列群組之任一者：螺旋狀(Spiral)與雙螺旋狀(Double Spiral)。
- 如申請專利範圍第6項所述之可調變聚焦裝置，其中，該封閉式流道係包括： 一第一封閉流道陣列，其中，該第一封閉流道陣列之中的任兩條流道係彼此緊密相鄰，並由一第一連接流道予以相互連通；以及一第二封閉流道陣列，其中，該第二封閉流道陣列之中的任兩條流道係彼此緊密相鄰，並由一第二連接流道予以相互連通；並且，相鄰的該第一封閉流道陣列與該第二封閉流道陣列之間係相距一特定距離，並由一第三連接流道予以相互連通；其中，該第一封閉流道陣列與該第二封閉流道陣列係與該基板係一同構成一類菲涅爾透鏡(Fresnel lens)結構，使得該光線照射該基板時，該光線會於通過該第一封閉流道陣列與該第二封閉流道陣列之時，受到該類菲涅爾透鏡結構之結構的影響而被偏折，進而於自由空間的一平面上匯聚成一條聚焦光線。
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