TWI737720B - 透鏡 - Google Patents

Abstract

一種透鏡，包括一曲面。曲面上形成有複數個錐型結構，每一錐型結構設有至少三個實質平面。P小於等於500奈米，H小於等於500奈米；P為其中兩個錐型結構之間的節距，H為每一錐型結構與曲面之最大垂直距離。

Description

透鏡

本發明關於一種透鏡，尤其是有關於具有抗反射功能的一種透鏡。

現行投影機的架構主要包括照明系統、光閥以及投影鏡頭，其中照明系統用以提供照明光束，而光閥用以將照明光束轉換成影像光束，投影鏡頭則用以將影像光束投影於螢幕上，以於螢幕上形成影像畫面。在投影機的照明系統中，通常會在入射光的傳遞路徑上配置多個透鏡，用以提升入射光的利用效率。由於入射光會因為不同介質間的折射率的差異及入射角等因素，導致會有一部分的光因為全反射的現象而損失。

為了解決上述問題，業界已發表各種在透鏡上製作微結構以增加透鏡抗反射效果的技術，舉例而言，以光刻電鑄模造製程(LIGA)或是電子束製程(E-Beam)來進行為微結構模仁的加工。然而，上述加工微結構模仁的製程除了加工成本昂貴外，且僅能在平面或平緩的曲面上進行微結構的製作，因此，透過上述製程所製作出來的透鏡在抗反射效果的效益不佳。如何針對上述問題進行改善，實為本領域相關人員所關注的焦點。

本發明的一實施例提供一種透鏡，包括一曲面。曲面上形成有複數個錐型結構，每一錐型結構設有至少三個實質平面。P小於或等於500奈米，H小於或等於500奈米；P為其中兩個錐型結構之間的節距，H為每一錐型結構與曲面之最大垂直距離。由於本發明實施例之透鏡具有P小於或等於500奈米與H小於或等於500奈米的複數個錐型結構，因此能夠於透鏡的曲面形成漸變折射率(Graded Index)，進一步增加透鏡的曲面的抗反射效果，有效降低透鏡在可見光波長範圍內的反射率，進而增加光線的利用率。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

1:透鏡

11、11a:錐型結構

100:光源

101:入光面

102:出光面

103:側緣

1000、2000、3000:曲線

D1:第一延伸方向

D2:第二延伸方向

B:底部

H:垂直距離

L:光線

P:節距

R、R1、R2、R3、R4:實質平面

T:頭部

L1:第一斜邊

L2:第二斜邊

Z:區域

θ:夾角

圖1A為本發明一實施例之錐型結構矩陣的示意圖。

圖1B為本發明一實施例之透鏡的示意圖。

圖2為圖1B所示之每一錐型結構的立體結構示意圖。

圖3為圖1B所示之區域Z的放大示意圖。

圖4為圖3所示之每一錐型結構的剖面示意圖。

圖5為本發明另一實施例之錐型結構的立體結構示意圖。

圖6為圖1B至圖4所示之錐型結構與其它抗反射結構的反射率比較示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

請參照圖1A、圖1B至圖3，圖1A係分別為本發明的一實施例中，錐型結構層的示意圖。圖1B為本發明的一實施例中，透鏡的示意圖。圖2為圖1B所示之每一錐型結構11的立體結構示意圖。圖3為圖1B所示之區域Z的放大示意圖。如圖1B所示，本實施例為一投影機，設置有一照明光源100以及設置在其光線行進路徑的透鏡1。本發明所謂的透鏡是一種光學元件，由至少部份透明或至少部份透射的材料所製成，例如是塑膠或玻璃。於本例中，透鏡係由塑膠以射出成型製程製造而成。

透鏡包括至少一個能讓至少部份光線通過的曲面。而本發明的光源100係指雷射光源或是發光二極體光源或其他例如是電熱光源之任一者。而於本例中，光源為複數枚經封裝且可分別發出不同顏色的發光二極體模組。

在本實施例中，透鏡1具有靠近光源100的入光面101、遠離光源100的出光面102以及連接入光面及出光面的側緣103。於本例中，入光面101、出光面102及側緣103均分別為一曲面。而於本例中，抗反射結構層係至少由複數個以矩陣排列的錐型結構11所組成。入光面101上的曲面上係形成有一抗反射結構層。但就抗反射結構層的位置，本發明並不以此為限，在其它的實施例中，除了設置在入光面101外，抗反射結構層亦可設於出光面102上，亦即出光面102亦可形成有複數個錐型結構11。又或者，只有出光面102設有抗反射結構層亦可。 另外，抗反射結構層亦可以形成在前述各種設計中的側緣上，或是只形成在側緣上亦可。

此外，請參照圖1A，舉例來說，於本例中，透鏡上例如是入光面101的曲面上包括有一組以矩陣排列的複數個錐型結構11，各錐型結構11底部為矩型，如圖2所繪述者，即為一例。而當以A-A為剖面線時，其形狀的示意圖可參酌圖3及圖4所繪述者。

如圖2所示，本實施例之透鏡1的每一錐型結構11設有至少三個實質的平面(簡稱實質平面)R以及鄰接於這些實質平面R之間的底部B，底部B連接於例如是入光面101的曲面處。在本實施例中，每一錐型結構11例如是設有四個實質平面R1~R4且底部B的形狀呈多邊型的角錐結構。具體而言，本實施例的這些實質平面R1~R4是朝彼此傾斜的斜面，且錐型結構11的底部B例如是四邊型，但本發明並不以此為限，在其它的實施例中，每一錐型結構11也可以僅設三個實質平面R，且錐型結構11的底部B例如是三角型。

更明確的說，如圖2所示，本實施例的每一錐型結構11的每一實質平面R1~R4包括彼此相連的第一斜邊L1與第二斜邊L2，且每一實質平面R的第一斜邊L1與相鄰之實質平面R的第二斜邊L2彼此連接。而於本例中，各實質平面依序順時針方向為第一實質平面R1、第二實質平面R2、第三實質平面R3及第四實質平面R4。而第一實質平面R1的第一斜邊L1與第四實質平面R4的第二斜邊L2連接。

由圖4可見，第一實質平面R1與第三實質平面R3之間具有最小夾角θ，且最小夾角θ大於或等於5度且小於或等於120度。而當最小夾角θ小於100度時，例如是90度，其抗反射效果較佳。而當 最小夾角θ小於50度時，例如是45度，其效果更較。而當最小夾角θ小於25度時，其效果最佳。而於本例中，最小夾角約為45度。

此外，上述每一錐型結構11的最大高度與每一錐型結構11的最大寬度的比值(亦即每一錐型結構11的高寬比或者ASPECT RATIO)介於0.5至100之間。於高寬比大於或等於0.5時，例如是0.5，其高度為寬度的0.5倍，已有基本的抗反射效果；在高寬比大於或等於2時，其效果較佳。而當高寬比介於2至100時，其效果最佳。舉例而言，在本例中，每一錐型結構11的高度與每一錐型結構11的寬度的比值約為2.41。

需特別說明的是，本例中，每一錐型結構11為具有四個實質平面R1~R4且底部B的形狀呈多邊型的角錐結構僅為本發明的其中之一實施例，本發明並不以此為限，在其它的實施例中，如圖5所示，每一錐型結構11a包括連接於曲面的底部B以及與底部相對的頭部T，這些實質平面R位於底部B與頭部T之間，且每一錐型結構11a的頭部T為平坦表面，也就是說，在本實施例中，每一錐型結構11a例如是底部B的形狀呈多邊型的錐台結構(也可以稱之為平截頭體結構)。

圖3所示，本實施例之透鏡1的各個錐型結構11中二相鄰的錐型結構11之間設有節距P，節距P為二相鄰的錐型結構11的頭部的尖端處之間的最小直線距離。且每一錐型結構11與例如是入光面101的曲面之間設有最大垂直距離H，也就是每一錐型結構11的頭部至其底部的垂直距離，意即錐型結構11的高度。本發明的錐型結構11的最大垂直距離H在500奈米以下時，有基本的抗反射效果；當H在400奈米以下時，其效果較佳，而當H小於350奈米時，其效果較佳。而節距P亦然，節距P在500、400及350奈米時，其分別具有 基本、較佳及最較的改善效果。而於本例中，節距P及最大垂直距離分別約為400餘奈米及約500奈米。值得一提的是，如圖3所示，本實施例之二相鄰的錐型結構11之間的節距P以及每一錐型結構11與曲面之間的最大垂直距離H可以依照實際情況的需求來進行調整，當節距P與最大垂直距離H的比值小於三時，亦即錐型結構11與另一錐型結構之間的距離為錐型結構11高度的三倍，其已有基本的抗反射效果。而當比值小於1.5時，其效果較佳，而當比值小於0.5時，其效果最佳。而於本例中，P/H之比值約為0.8。而當各錐型結構的最小夾角均為90度且為相連時，考量透鏡的曲率半徑，其P/H值接近1。

另外，如圖1B至圖3所示，本實施例之各錐型結構11分別具有朝遠離其所處表面的方向延伸的延伸方向，且這些延伸方向彼此實質平行。舉例而言，這些錐型結構11的其中之一(如圖3所示右邊第一個錐型結構)具有朝遠離曲面的方向延伸的第一延伸方向D1，這些錐型結構11的其中之另一(如圖3所示右邊第二個錐型結構)具有朝遠離曲面的方向延伸的第二延伸方向D2，且第一延伸方向D1平行於第二延伸方向D2。而於本例中，第一方向D1及第二方向D2與錐型結構11所處平面的法向量方向非為平行。

利用上述形成於透鏡1的曲面上的這些錐型結構11能夠於透鏡1的曲面上形成漸變折射率(Graded Index)，進一步增加透鏡1的曲面的抗反射效果，有效降低透鏡1在可見光波長範圍內的反射率，使得大部分的光線L能夠從透鏡1的出光面102出射，進而增加光線L的利用率。以下再針對本實施例之透鏡1的這些錐型結構11的詳細構造做更一步的描述。

如圖1B至圖3所示，本實施例之透鏡1例如是以車刀於模仁的曲面上車出多個金字塔型結構，再以具有多個金字塔型結構的模仁進行射出成型製程，藉以製作出具有這些錐型結構11的透鏡1，也就是說，這些錐形結構11與透鏡1的曲面為相同材料的單一元件形式，換言之，這些錐形結構11與透鏡本體為一體成型的結構(ONE PIECE FORMED)，意即，本實施例之這些錐形結構11並非以例如是膜層的形式黏著配置於透鏡1的各個曲面上的。需特別說明的是，上述這些錐形結構11與透鏡1的曲面為相同材料的單一元件形式僅為本發明的其中之一實施例，本發明並不以此為限。而於另一實施例中，錐形結構11是以例如是膜層的形式黏著配置於透鏡1的各個曲面上的。

請參照圖6，其為圖1B至圖4所示之錐型結構與其它抗反射結構的反射率比較示意圖。如圖6所示，圖表上的曲線1000代表本實施例所述之位於透鏡1的曲面上且尺寸為300nm*300nm的這些錐型結構11於特定可見光波長範圍內的反射率；曲線2000代表尺寸為300nm*300nm的V溝微結構(V-Groove)於特定可見光波長範圍內的反射率；曲線3000代表未經加工的超精平面於特定可見光波長範圍內的反射率。從圖6所示之圖表可知，本實施例之這些錐型結構11於可見光波長範圍400nm~700nm內的反射率為0.8%~2.75%；V溝微結構(V-Groove)於可見光波長範圍400nm~700nm內的反射率為17.4%~26.1%；未經加工的超精平面於可見光波長範圍400nm~700nm內的反射率為32.2%~46.4%，由此可知，在相同的可見光波長範圍下，本實施例之這些錐型結構11的反射率(0.8%~2.75%)明顯低於V溝微結構的反射率(17.4%~26.1%)以及未經加工的超精平面的反射率(32.2%~46.4%)。

綜上所述，本發明中的其中一實施例的透鏡能夠於透鏡的曲面形成漸變折射率(Graded Index)，進一步增加透鏡的曲面的抗反射效果，有效降低透鏡在可見光波長範圍內的反射率，使得大部分的光線能夠從透鏡的出光面出射，進而增加光線的利用率。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11:錐型結構

101:入光面

D1:第一延伸方向

D2:第二延伸方向

H:垂直距離

P:節距

L1:第一斜邊

L2:第二斜邊

Claims (8)

1. 一種透鏡，包括一曲面，該曲面上形成有複數個錐型結構，每一該錐型結構設有至少三個實質平面，其中，P為其中兩個臨近錐型結構之間的節距，H為每一該錐型結構與該曲面之最大垂直距離，P小於或等於500奈米，H小於或等於500奈米；且該錐型結構的H/P比值大於2。
2. 一種透鏡，包括複數個錐型結構，設於該透鏡的一曲面上，二相鄰的該錐型結構設有小於500奈米的節距，每一該錐型結構的底部為多邊型，每一該錐型結構之高度小於500奈米，該複數個錐型結構與該曲面為相同材料的單一元件形式，其中該錐型結構之高寬比介於2至100。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項任一項所述之透鏡，其中該複數個錐型結構分別為一底部為多邊型的錐台。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項任一項所述之透鏡，其中該複數個錐型結構具有朝一遠離該曲面的方向延伸的延伸方向，且該曲面上的該複數個錐型結構的延伸方向彼此實質平行。
5. 如申請專利範圍第2項所述之透鏡，其中，每個該錐型結構具有至少三個實質平面。
6. 如申請專利範圍第1項或第5項任一項所述之透鏡，其中該錐型結構的該複數個實質平面包括一第一斜邊與一相對應的第二斜邊，其中，該複數個實質平面的該第一斜邊分別與另一實質平面的第二斜邊連接。
7. 如申請專利範圍第1項或第5項任一項所述之透鏡，其中該複數個錐型結構與該曲面為相同材料的單一元件形式。
8. 如申請專利範圍第1項或第2項任一項所述之透鏡，包括有一入光面以及一出光面，該入光面設置有該曲面。

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