TWI639857B - 菲涅爾透鏡及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種菲涅爾透鏡及其製造方法。此菲涅爾透鏡包括一透鏡本體、位於該透鏡本體之一側的平面以及位於該透鏡本體相對該平面一側的菲涅爾面，其中，菲涅爾面包含交錯形成之有效部及無效部，且其中，該無效部具有非平滑之微結構。

Description

菲涅爾透鏡及其製造方法

本發明係關於一種光學透鏡技術，特別是關於一種可降低雜散光之菲涅爾透鏡及其製造方法。

隨著科技進步，影像處理越來越多元化，像是擴增實境，讓使用者在現實環境與其他功能結合下執行操作，又如虛擬實境(VR)，透過虛擬影像的呈現，讓使用者如身歷其境，可應用於電玩、娛樂等，都是目前重要的研發方向。

以虛擬實境技術來說，目前常透過頭戴式顯示器來提供使用者虛擬影像，使用者配戴頭戴式顯示器時，影像光源是來自於頭戴式顯示器內的影像區，而使用者眼睛與影像區之間有若干光學元件，來自影像區之光線經若干光學元件進入人眼的成像區域，因而產生影像。為了讓視場角變大，戴頭戴式顯示器的接目鏡可採用菲涅爾透鏡，其具有重量較輕、製造時程短以及低成本等優點。如第1A-1C圖所示，第1A圖顯示一般透鏡，其至少包括一曲面，光線可在曲面處產生折射，進而達到聚焦或擴散效果，菲涅爾透鏡的型態，是將透鏡中部分區域省略，如第1B圖中虛線區域11所 示，具體來說，曲面部分12因有折射效果而被保留，在透鏡1中間虛線區域11省略後，其餘曲面部分12可形成一菲涅爾透鏡1，如第1C圖所示，菲涅爾透鏡1’包含平面(或非球面)13，而另一面可稱之為菲涅爾面14，如此，整個菲涅爾透鏡1’體積將可縮小化。

如第2A圖所示，菲涅爾面24包含有效部241和無效部242，當光線通過有效部241折射後，因有效部241的曲面是仿造一般透鏡的曲面，故其折射效果如同第1A圖所示之一般透鏡，如折射光線25所示，這也是期待中的光線方向(朝人眼的成像區域)，然而若光線通過無效部242時，其折射後則會形成雜散光26，也就是此光線折射後落入非期待位置，此將導致成像效果變差，觀看時有如影像上覆有一層薄霧感，其原因在於無效部242為一平滑面，如第2B圖所示，因無效部242是平滑的，此導致射向無效部242之光線折射後都朝同一方向前去，但又非屬期待位置(人眼的成像區域)，因此，無效部242之存在會致使雜散光的產生，若無法控制此現象，恐難以提升此類透鏡之成像品質。

由上可知，如何找出一種減少菲涅爾透鏡中雜散光的技術，特別是，無需增加過多成本以及繁瑣工序下，仍可簡易完成此類菲涅爾透鏡，此將成為本技術領域人員努力追求之目標。

本發明之目的係提出一種可應用於頭戴式裝置的菲涅爾透鏡，透過對無效部(即無效面)的結構改變，藉此降低菲涅爾透鏡中的雜散光。

本發明係提出一種菲涅爾透鏡，其包括：透鏡本體、平面及菲涅爾面，其中，平面位於該透鏡本體之一側，該菲涅爾面位於該透鏡本體相對該平面之一側且包含交錯形成之有效部及無效部，其中，該無效部具有非平滑之微結構。

於一實施例中，本發明之菲涅爾透鏡的微結構為階梯狀或波浪狀。

於另一實施例中，前述之微結構為不規則狀之結構。

於再一實施例中，該菲涅爾透鏡之拔模角為0~10度。

於又一實施例中，上述之菲涅爾透鏡係應用於頭戴式顯示器。

本發明復提出一種菲涅爾透鏡之製造方法，其包括:將用於製造菲涅爾透鏡之模具中用於形成該菲涅爾透鏡之菲涅爾面所對應之表面進行加工處理，以於該表面上形成平滑與非平滑交錯之結構:以及令塑料基於該表面上平滑與非平滑交錯之結構而形成該菲涅爾透鏡之有效部及無效部，其中，該無效部具有非平滑之微結構。

相較於習知技術，本發明所提出之菲涅爾透鏡，透過於其無效部之表面形成規則或不規則之微結構，例如波浪狀或階梯狀之微結構，使通過無效部之光線因微結構而有多種不同折射角度，亦即讓這些折射後之光線不會集中於某個方向，此將有助於改善雜散光的情況。另外，此菲涅爾透鏡之製作程序簡易，不僅精確度高且一次加工即可完成，無須多次對無效部施加工序，故可降低製造成本，同時提供可降低雜散光影響之菲涅爾透鏡，並可將其應用於頭戴式顯示器以提供較佳成像效果。

以下藉由特定的具體實施型態說明本發明之技術內容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點與功效。然本發明亦可藉由其他不同的具體實施型態加以施行或應用。

請參造第3A和3B圖，係為本發明之菲涅爾透鏡以及其光線折射狀態的示意圖。具體來說，本發明為了達到降低雜散光的目的，故改變菲涅爾透鏡之菲涅爾面中的無效部表面，使光線通過無效部不會朝同一方向折射，因而能降低雜散光之影響情況。

如第3A圖所示，本發明之菲涅爾透鏡3包括透鏡本體30，菲涅爾面31以及平面32。平面32位於該透鏡本體30之一側，菲涅爾面31位於該透鏡本體30相對該平面32之一側。

如第3B圖所示，為第3A圖之菲涅爾透鏡3的局部放大圖，其中，菲涅爾面31包含交錯形成之有效部311及無效部312，且該無效部312具有非平滑之微結構。如前所述，當光線通過有效部311折射後，因有效部311的曲面式仿造一般透鏡的曲面，故其折射效果會與一般透鏡相似，也就是預期的光線方向(朝人眼的成像區域)。另外，若光線是通過無效部312時，其折射後會形成雜散光36，但因為無效部312為非平滑之微結構狀態，此導致光線折射後不會朝同一方向前進而全部落入相同位置，也就是說，雜散光36的落點方向被分散，可避免雜散光36集中於某些區域，如此將有助於優化成像效果，進而提升使用者觀看時成像品質。

為了讓雜散光36往不同方向前進，無效部312表面可設計為具有微結構，例如階梯狀或波浪狀，且不限制微結構為規則排列或不規則排列。舉例來說，當前述微結構以階梯狀或波浪狀形成時，無效部312表面可為規則排列之階梯狀或波浪狀，也可以是不規則排列之階梯狀或波浪狀。

另外，透過模具來製造菲涅爾透鏡3時，其拔模角可為0~10度。拔模角即為了讓塑膠成品可輕易自模具中取出，而給予之脫模角度，藉由拔模角之設置可減少塑膠成品從模具中取出時的摩擦力。

於另一實施例中，本發明之菲涅爾透鏡可被應用於頭戴式顯示器，但不以此為限，亦可應用於需要菲涅爾透鏡的光學儀器中，特別是，本發明之菲涅爾透鏡有助於減少雜散光。

請參造第4A-4D圖，係為本發明各實施例中菲涅爾透鏡其無效部光線折射狀態的示意圖。

如第4A圖所示，菲涅爾透鏡之菲涅爾面之無效部41相較於透鏡參考線100而言，係以規則波浪狀形成，如圖所示，當光線經具微結構之無效部41時，光線因為該些微結構而有不同折射方向，儘管因為該些微結構為規則形成，因而折射後光線是有規則的往某些方向前進，此可避免習知通過無效區域折射後之光線(雜散光)朝同一方向前進的情況。

如第4B圖所示，菲涅爾透鏡之菲涅爾面之無效部42相較於透鏡參考線100而言，係以不規則波浪狀形成，如圖所示，當光線經具微結構之無效部42時，光線因為該些微結構而有不同折射方向，基於該些微結構為不規則形成，因而折射後光線是不規則的往不同方向前進，此可有助於折射後之光線散開，避免朝同一方向前進的缺陷。

如第4C圖所示，菲涅爾透鏡之菲涅爾面之無效部43相較於透鏡參考線100而言，係以不規則階梯狀形成，如圖所示，當光線經具微結構之無效部43時，光線因為該些微結構而有不同折射方向，基於該些微結構為不規則形成，因而折射後光線是不規則的往不同方向前進，可避免如習知之菲涅爾透鏡雜散光集中的情況。

如第4D圖所示，菲涅爾透鏡之菲涅爾面之無效部44相較於透鏡參考線100而言，係以規則階梯狀形成，如圖所示，當光線經具微結構之無效部44時，光線因為該些微結構而有不同折射方向，儘管因為該些微結構為規則形成，故折射後光線是有規則的往某些方向前進，但成像效果仍優於習知通過無效區域折射後之光線(雜散光)朝同一方向前進的情況，可提供較佳成像品質。

請參照第5圖，係為本發明之菲涅爾透鏡之製造方法的步驟圖。於步驟S501中，係將用於製造菲涅爾透鏡之模具中用於形成該菲涅爾透鏡之菲涅爾面所對應之表面進行加工處理，以於該表面上形成平滑與非平滑交錯之結構。

簡單來說，菲涅爾透鏡可透過於模具上射出成型方式來製造，因而本步驟提供一個模具，其中，該模具中用於形成該菲涅爾透鏡之菲涅爾面的表面先被加工處理，進而使該模具之該表面上形成有平滑與非平滑交錯之結構。

前述之平滑結構即是菲涅爾面中等同於一般透鏡曲面的部分，該些平滑結構在光線通過時，因具有一般透鏡曲面之曲率，故可將光線如同一般透鏡折射。

另外，前述之不平滑結構即是微結構狀態，例如規則或不規則的階梯狀或波浪狀。

於步驟S502中，係令塑料基於該表面上平滑與非平滑交錯之結構而形成該菲涅爾透鏡之有效部及無效部，其中，該無效部具有非平滑之微結構。

於本步驟中，將塑料形成於該模具上，使得對應該模具之該表面上平滑與非平滑交錯之微結構的塑料，可形成菲涅爾透鏡之有效部及無效部，也就是說，菲涅爾面之無效部會產生雜散光，而本發明即是將無效部設計成具有微結構狀態，藉此分散雜散光的落點。

於一實施例中，前述菲涅爾透鏡之拔模角可設計為0~10度，以利於菲涅爾透鏡由模具取下。

綜上所述，本發明之菲涅爾透鏡藉由將其無效部表面形成規則或不規則之微結構，以使通過該無效部之光線因微結構而有多種不同折射角度，此讓這些折射後之光線，即雜散光，不會集中於某個方向或區域，故有助於改善雜散光造成成像品質變差的缺陷。另外，菲涅爾透鏡製作時，僅需將模具構成無效部的區段以微結構設計，之後提供塑料後即可使無效部具有微結構，此加工程序不僅精確度高且一次加工即可完成，無須多次對無效部施加工序，可降低製造成本，同時提供良好品質之菲涅爾透鏡。

上述實施形態僅例示性說明本發明之原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1、1’‧‧‧菲涅爾透鏡

100‧‧‧參考線

11‧‧‧虛線區域

12‧‧‧曲面部分

13‧‧‧平面

14、24‧‧‧菲涅爾面

241‧‧‧有效部

242‧‧‧無效部

25‧‧‧折射光線

26‧‧‧雜散光

3 ‧‧‧菲涅爾透鏡

30‧‧‧透鏡本體

31‧‧‧菲涅爾面

311‧‧‧有效部

312‧‧‧無效部

32‧‧‧平面

36‧‧‧雜散光

41、42、43、44‧‧‧無效部

S501~S502‧‧‧步驟

第1A-1C圖為習知菲涅爾透鏡的構成示意圖； 第2A和2B圖為習知菲涅爾透鏡之光線於無效區域之折射狀態的示意圖； 第3A和3B圖為本發明之菲涅爾透鏡以及其光線折射狀態示意圖； 第4A-4D圖為本發明各實施例中菲涅爾透鏡其無效部光線折射狀態示意圖；以及 第5圖為本發明之菲涅爾透鏡之製造方法的步驟圖。

Claims (7)

1. 一種菲涅爾透鏡，其包括：一透鏡本體；一平面，位於該透鏡本體之一側；以及一菲涅爾面，位於該透鏡本體相對該平面之一側且包含交錯形成之有效部及無效部，其中，該無效部具有非平滑之微結構，該菲涅爾透鏡之拔模角為0~10度，以供光線通過該無效部，形成被分散之雜散光。
2. 如申請專利範圍第1項所述之菲涅爾透鏡，其中，該微結構為階梯狀或波浪狀。
3. 如申請專利範圍第1項所述之菲涅爾透鏡，其中，該微結構為不規則狀。
4. 一種如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之菲涅爾透鏡，其係應用於頭戴式顯示器。
5. 一種菲涅爾透鏡之製造方法，其包括：將用於製造菲涅爾透鏡之模具中用於形成該菲涅爾透鏡之菲涅爾面所對應之表面進行加工處理，以於該表面上形成平滑與非平滑交錯之結構；以及令塑料基於該表面上平滑與非平滑交錯之結構而形成該菲涅爾透鏡之有效部及無效部，其中，該無效部具有非平滑之微結構，該菲涅爾透鏡之拔模角為0~10度，以供光線通過該無效部，形成被分散之雜散光。
6. 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中，該微結構為階梯狀或波浪狀。
7. 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中，該微結構為不規則狀之微結構。