TWI491928B - A lens for generating a square focused halo and a method of manufacturing the same - Google Patents

A lens for generating a square focused halo and a method of manufacturing the same Download PDF

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Shih Hsin Ma
Chi Hung Lee
Chun Ming Tseng
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Univ Feng Chia
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產生方形聚焦光暈的透鏡及其製造方法
本發明涉及一種透鏡，尤其涉及一種產生方形聚焦光暈的透鏡。
透鏡可以分為凸透鏡及凹透鏡。一般的透鏡均具有前後兩個曲面，曲面相對於透鏡中軸凸出者為凸透鏡，曲面相對於透鏡中軸內凹者為凹透鏡。凸透鏡可以用來聚光，而凹透鏡則用來散光。當入射光入射至凸透鏡時，經過凸透鏡的折射，入射光會被匯聚於焦點。一般的凸透鏡之焦點均為圓形。此外，匯聚於焦點之光強度為最大，光強度隨著距焦點之距離而遞減，形成圓形之光暈。
凸透鏡的聚光特性可運用於太陽能集光系統，用以匯聚太陽光於太陽能晶片以轉變光能為電能。然而，由於一般的太陽能晶片為方形，而凸透鏡的聚焦光暈為圓形，兩者的形狀不相匹配，且聚焦光暈的照度不均勻，導致光能至電能轉換率的偏低。若能將光線聚焦以產生照度均勻的方形光暈，則勢必能提高太陽能集光系統之光能至電能轉換率。
凸透鏡的聚光特性亦可運用於半導體製程之光阻曝光顯影蝕刻系統，用以照射於光阻以使光阻固化而轉變為蝕刻過程中之犧牲層。由於光源的功率愈大，光阻之固化速率愈快，因此可利用凸透鏡之聚光特性以提高照射至光阻之光照度，而縮短光阻曝光所需之時間。然而，由於光阻的圖案均為方形，而凸透鏡之聚焦光暈為圓形，為使兩者的形狀相匹配，因此需要外加光線檔板以製造方形光暈，而運用檔板會對聚焦之光線能量造成損耗。若能將光線聚焦以產生照度均勻的方形光暈，則不會產生運用檔板損耗光能的問題，勢必能提高光阻曝光顯影蝕刻系統之效率。
本發明提供一種透鏡。於一實施例中，該透鏡包括一前端面、一透鏡體、及一後端面。該前端面為一非球面，接受一入射光經由該前端面入射至該透鏡。該透鏡體折射該入射光。該後端面包括以二維陣列排列之多個凹球面，其中該入射光經由該後端面穿出該透鏡，並聚焦形成照度均勻分布之一方形光暈。
本發明提供一種透鏡的製造方法。於一實施例中，該製造方法包括下列步驟。首先，形成一透鏡之一前端面，其中該前端面非球面。接著，形成該透鏡之一後端面，其中該後端面包括以二維陣列排列之多個凹球面。其中，當該透鏡之該前端面接受一入射光入射該透鏡時，該入射光經由該後端面穿出該透鏡，並聚焦形成照度均勻分布之一方形光暈。
 (第1、2圖)
110‧‧‧透鏡
112‧‧‧前端面
114‧‧‧後端面
150‧‧‧方形光暈
160‧‧‧太陽能晶片
D‧‧‧透鏡之孔徑
R‧‧‧前端面之曲率半徑
T‧‧‧透鏡之厚度
BFL‧‧‧透鏡之焦距
n‧‧‧透鏡之折射率
r‧‧‧凹球面之曲率半徑
d‧‧‧凹球面之寬度
(第4、5圖)
210‧‧‧透鏡
212‧‧‧前端面
214‧‧‧後端面
250‧‧‧方形光暈
第1圖為依據本發明之透鏡之第一實施例之示意圖；第2圖為為依據本發明之透鏡之第一實施例之立體圖；第3A圖為本發明第一實施例之透鏡所形成之方形光暈之實驗模擬圖；第3B圖為本發明第一實施例之透鏡所形成之方形光暈之照度對位置分布圖；第4圖為依據本發明之透鏡之第二實施例之示意圖；第5圖為為依據本發明之透鏡之第二實施例之立體圖；第6A圖為本發明第二實施例之透鏡所形成之方形光暈之實驗模擬圖；第6B圖為本發明第二實施例之透鏡所形成之方形光暈之照度對位置分布圖。
第1圖為依據本發明之透鏡之第一實施例之示意圖。透鏡110包括一前端面112及一後端面114。入射光經由前端面112入射透鏡，經過透鏡本體110之折射，再由後端面114穿出透鏡，並聚焦於焦點。當入射光聚焦於焦點時，可聚焦形成照度均勻分布之一方形光暈150。
於一實施例中，該前端面112為一非球面(aspheric surface)， 而該後端面114包括以二維陣列排列之多個凹球面。於一實施例中，該等凹球面之形狀及大小彼此相同。於一實施例中，該後端面114包括橫向、縱向個數各為10個之10x10二維陣列方式排列的凹球面。
於一實施例中，透鏡110之前端面112之形狀符合下述公式：
其中Z為該前端面之下垂度(sag)，ra 為距該透鏡之中軸之高度，c為曲率，k為圓錐常數，ad 、ae 、af 、ag 為表示球面變形之高階係數。
於一實施例中，透鏡110之孔徑(entrance edge)D為6cm，前端面112之曲率半徑(curvature radius)R為3.11cm，透鏡110之厚度t為2cm，焦距(back focal length)BFL為4cm，透鏡110之折射率(refractive index)n為1.58。於一實施例中，後端面114之每一凹球面具有之曲率半徑r為7cm，且每一凹球面之大小為寬度d=6mm之方形。
第2圖為依據本發明之透鏡之第一實施例之立體圖。由第2圖中可見，平行的入射光射入透鏡110的前端面，再經由後端面穿出透鏡體，再聚焦於焦點以形成方形光暈150。若於焦點置放一方形的太陽能晶片160，則由於太陽能晶片160與光暈150的形狀相符且光暈150的照度均勻，可將太陽能晶片160的光能至電能轉換率極大化。第3A圖為本發明第一實施例之透鏡110所形成之方形光暈之實驗模擬圖，而第3B圖為本發明第一實施例之透鏡110所形成之方形光暈之照度對位置分布圖。由第3A圖及第3B圖中可見，方形光暈150之照度大致係均勻分布而不隨位置而變化。
第4圖為依據本發明之透鏡之第二實施例之示意圖。透鏡210包括一前端面212及一後端面214。入射光經由前端面212入射透鏡，經過透鏡本體210之折射，再由後端面214穿出透鏡，並聚焦於焦點。當入射光聚焦於焦點時，可聚焦形成照度均勻分布之一方形光暈250。該前端面212為一菲涅爾面(Fresnel surface)，而該後端面214包括以二維陣列排列之多個凹球面。於一實施例中，該等凹球面之形狀及大小彼此相同。於一實 施例中，該等凹球面凹陷係朝向該前端面212之焦點，透鏡210之孔徑(entrance edge)為6cm，透鏡210之厚度為0.5cm，焦距(back focal length)為5.5cm。
第5圖為依據本發明之透鏡之第二實施例之立體圖。由第5圖中可見，平行的入射光射入透鏡210的前端面，再經由後端面穿出透鏡體210，再聚焦於焦點以形成方形光暈250。若於焦點置放一方形的太陽能晶片，則由於太陽能晶片與光暈250的形狀相符且光暈250的照度均勻，可將太陽能晶片的光能至電能轉換率極大化。第6A圖為本發明第二實施例之透鏡210所形成之方形光暈之實驗模擬圖，而第6B圖為本發明第二實施例之透鏡210所形成之方形光暈之照度對位置分布圖。由第6A圖及第6B圖中可見，方形光暈250之照度大致係均勻分布而不隨位置而變化。
因此，本發明之透鏡110、210可運用於一太陽能集光器系統。由於太陽能集光器之太陽能晶片形狀為方形，可與本發明之透鏡所形成的方形光暈相匹配。當本發明之透鏡將入射平行光聚焦為方形光暈於置於焦點的太陽能晶片上時，由於光暈的形狀與太陽能晶片相同且照度均勻，可提高太陽能集光器系統的光能至電能轉換率。
此外，本發明之透鏡110、210可運用於半導體製程之光阻曝光顯影蝕刻系統。於光阻曝光系統中，由於遮罩的電路圖案多為方形而需要照度均勻的方形光。本發明之透鏡110、210可聚焦入射光而提高光能量，以降低光阻曝光顯影所需的時間，而由於光暈的形狀與太陽能晶片相同且照度均勻，因此不須如習知技術中運用方形檔板遮蔽而不會有習知技術損耗光線能量之問題，因此可以縮短光阻曝光的時間而增進蝕刻製程之整體效率。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由于本發明能够以多種形式具體實施而不脫離本發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限于任何前述的細節，而應在所附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和改型都應為所附申請專利範圍所涵蓋。
110‧‧‧透鏡
150‧‧‧方形光暈
160‧‧‧太陽能晶片

Claims (6)

  1. 一種透鏡，其特徵在於，包括：一前端面，為一非球面，接受一入射光經由該前端面入射該透鏡；一透鏡體，折射該入射光；以及一後端面，包括以二維陣列排列之多個凹球面，其中該入射光經由該後端面穿出該透鏡，並聚焦形成照度均勻分布之一方形光暈；其中該等凹球面凹陷係朝向該前端面之焦點，該入射光係為平行光，該前端面為一菲涅爾面(Fresnel facet)，該前端面之形狀符合下述公式： 其中Z為該前端面之下垂度(sag)，ra 為距該透鏡之中軸之高度，c為曲率，k為圓錐常數，ad 、ae 、af 、ag 為表示球面變形之高階係數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，其中該後端面之該等凹球面之二維陣列排列方式為10x10。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，其中該後端面之該等凹球面之形狀及大小彼此相同。
  4. 一種透鏡的製造方法，其特徵在于，包括下列步驟：形成一透鏡之一前端面，其中該前端面非球面；以及形成該透鏡之一後端面，其中該後端面包括以二維陣列排列之多個凹球面；其中當該透鏡之該前端面接受一入射光入射該透鏡時，該入射光經由該後端面穿出該透鏡，並聚焦形成照度均勻分布之一方形光暈，該等凹球面凹陷係朝向該前端面之焦點，該入射光係為平行光，該前端面為一菲涅爾面(Fresnel facet)，該前端面之形狀符合下述公式： 其中Z為該前端面之下垂度(sag)，ra 為距該透鏡之中軸之高度，c為曲率，k為圓錐常數，ad 、ae 、af 、ag 為表示球面變形之高階係數。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的透鏡的製造方法，其中該後端面之該等凹球面之二維陣列排列方式為10x10。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的透鏡的製造方法，其中該後端面之該等凹球面之形狀及大小彼此相同。
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