CN106556884A - 光学透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学透镜，其包括基材、至少一衍生结构以及衍射光学结构，基材具有光学运用区与位于光学运用区外围的衍生运用区，且衍生结构设置于衍生运用区，用以增加被组装后的光学透镜的结构强度以及减少杂散光，而衍射光学结构设置于光学运用区，并具有微结构图案，用以产生结构光及/或改善光学缺陷。本发明光学透镜便于微型化与组装应用。
Description
技术领域
本发明关于一种光学透镜，尤其关于一种具有衍射光学结构的衍射光学透镜。
背景技术
近年来，随着电子工业的演进以及工业技术的蓬勃发展，各种电子装置的设计逐渐朝着轻便、易于携带的方向发展，以利使用者随时随地应用于移动商务、娱乐或休闲等用途。举例而言，各式各样的影像撷取装置正广泛应用于各种领域，例如智能型手机、穿戴式电子装置等可携式电子装置，其具有体积小且方便携带的优点，使用者得以于有使用需求时随时取出并进行影像撷取并储存，或进一步透过移动网络上传至互联网之中，不仅具有重要的商业价值，更让一般大众的日常生活更添色彩。
有鉴于此，应用于影像撷取装置的光学镜头的体积也日益缩小，不仅其镜片的厚度要求越来越薄，镜片的直径要求也越来越小。请参阅图1，其为现有光学镜头的部分结构剖视图。从图1所示的剖视图可以看出光学镜头9的组装工序繁琐，例如组成光学镜头9的多个镜片91皆必须利用额外的结构件92才得以被安装固定于镜筒(barrel)93内，又例如镜筒93内还必须设置杂散光挡消片(stray light baffle)94以避免杂散光通过镜片91，这些显然令光学镜头9不容易被小型化。此外，由于大多的镜片91都是透过射出成型的制程所形成，故容易于成型的过程中产生的翘曲变形或残留应力，此亦增加组装的困难度。
而特别说明的是，为了提升微小化后的光学镜头9的可靠度，有许多与组装相关的细节更需被纳入考虑，例如：(1)如何提升被组装至镜筒93后的镜片91的结构强度；(2)如何预先改善或避免镜片91于成型的过程中所产生的翘曲变形或残留应力，以利于后续光学镜头9的组装以及避免因折射率被改变所导致的光程变异而造成不必要或突发的像差；以及(3)如何简化光学镜头9的组成结构(如杂散光挡消片93或用以固定镜片91于镜筒93的结构件92)，以减少光学镜头9的组装工序。
再者，目前已有一种衍射光学透镜8(diffractive lens)被提出来应用在光学镜头9以提升成像质量，如修正像差(aberration)或消除色散(dispersion)。请参阅图2与图3，图2为现有衍射光学透镜的外观结构示意图，图3为图2所示衍射光学透镜的剖面示意图。由图2与图3所示可知，衍射光学透镜8的外观与一般镜片91的外观并无太大差异，但其内部形成有用以对通过衍射光学透镜8的光束进行调变的衍射光栅81，以进而修正像差或消除色散。
惟，上述衍射光学透镜8仅为单纯的镜片结构，亦即整体结构皆为有效光学运用区，故若是要将衍射光学透镜8应用于微小化后的光学镜头，则上述与组装相关的细节依然需被纳入考虑，例如衍射光学透镜8须利用额外的结构件才得以被安装固定于光学镜头的镜筒内。
此外，以往衍射光学透镜受限于其可用波长范围，因此在应用上有所局限。然而，由于目前市场上对深度相机(depth camera)、飞行时间量距相机(time offlight camera，TOF camera)、红外监视系统(CCTV)以及热像仪(thermal imager)等光学技术产品日益关注，其市场规模可期，而这些光学技术产品所使用的波长大都在特定波长区间内，故衍射光学透镜与其应用变得逐渐受到重视。
综合以上的说明，如何透过对衍射光学透镜本身的结构与制程进行改良以增加其可用波长范围以及避免其于成型的过程中产生翘曲变形或残留应力，同时还能经由这样的改良简化光学镜头的组成结构以及提升被组装至镜筒后的衍射光学透镜的结构强度，进而便利后续光学镜头的组装与整体效能的提升，已俨然成为一个重要的课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有衍射光学结构以及衍生结构的光学透镜，以利于微型化光学透镜，便于组装应用，该衍射光学结构以及衍生结构可透过压印制程或喷涂制程而形成于光学透镜的基材，藉以避免光学透镜于成型的过程中产生翘曲变形或残留应力，同时还能因此简化光学透镜所应用的装置的组成结构，进而便利后续的组装。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种光学透镜，包括基材(substrate)、至少一衍生结构以及衍射光学结构，该基材具有光学运用区以及衍生运用区，且该衍生运用区位于该光学运用区的外围；该至少一衍生结构设置于该衍生运用区；该衍射光学结构设置于该光学运用区，并具有至少一微结构图案，该至少一微结构图案用以供光束通过其中而形成一结构光(structurelight)及/或改善至少一光学缺陷。
较佳地，该至少一光学缺陷包括像差(aberration)或色散(dispersion)。
较佳地，该光学透镜的一最大厚度小于0.4毫米(mm)。
较佳地，该衍射光学结构、该至少一衍生结构以及该基材中的至少二者的折射率相差小于5％。
较佳地，该衍射光学结构是透过压印制程或喷涂制程而形成于该基材上。
较佳地，该至少一衍生结构是透过压印制程或喷涂制程而形成于该基材上。
较佳地，该至少一衍生结构与一镜筒(barrel)相组装，且当该至少一衍生结构与该镜筒相组装时，该至少一衍生结构用以提升该光学透镜的一结构强度及/或减少杂散光(stray light)漫射或往该光学运用区的方向入射。
较佳地，该至少一衍生结构包括杂散光吸收结构。
较佳地，该至少一衍生结构包括仿蛾眼结构(Moth-Eye-like Structure)或类光子晶体(photonic crystal)结构。
较佳地，该杂散光吸收结构的一吸收率大于80％。
较佳地，该至少一衍生结构包括多个衍生结构，且该多个衍生结构是以该光学透镜的光轴作为对称轴呈对称排列。
较佳地，该至少一衍生结构是用以于该光学透镜被安装时提供一指向标示。
较佳地，该光学透镜是被应用于一移轴光学系统，且该至少一衍生结构包括多个衍生结构；其中，该多个衍生结构呈非对称排列。
较佳地，该至少一衍生结构包括多个凸部，且该多个凸部是以该光学透镜的一光心作为中心并周期性地形成在该衍生运用区上。
较佳地，该基材的一表面为平面或曲面，且该表面上具有该光学运用区以及该衍生运用区。
较佳地，该基材呈圆形状或矩形状。
较佳地，该基材为棱镜(prism)或多边形的块状物。
较佳地，该基材具有至少一穿孔，且该至少一穿孔的周围具有至少一微结构，以破坏光束于入射至该至少一穿孔的周围后所产生的边缘衍射(edgediffraction)干涉。
较佳地，该光学透镜上涂布一抗反射膜(anti-reflection coating)以及一高反射膜(high reflection coating)中的至少一者。
较佳地，该抗反射膜的一穿透率大于95％。
本发明光学透镜具有下述优点：(1)由于光学透镜具有衍射光学结构以及衍生结构，且该衍射光学结构上所设的微结构图案可被设计，故可增强光学透镜的可用波长范围内的光学效能；(2)由于衍射光学结构以及衍生结构是透过压印制程或喷涂制程而形成于基材上，故可使光学透镜的整体厚度有效薄形化；(3)由于本发明光学透镜并非是透过射出成型的制程所形成，故不容易于成型的过程中产生翘曲变形或残留应力，藉以便利后续的组装以及避免折射率被改变导致光程变异而造成不必要或突发的像差；(4)由于光学透镜本身即具有可吸收杂散光或减少杂散光漫射的衍生结构，故若将其应用于光学镜头中，可替代现有光学镜头中的杂散光挡消片(stray light baffle)，进而简化光学镜头的组成结构，以利于微型化光学透镜，并减少光学镜头的组装工序；(5)由于光学透镜本身即具有可与所应用的装置的镜筒相组装的衍生结构，故可替代现有装置中所额外设置用以安装固定光学透镜的机构件，因此同样可简化光学镜头的组成结构，以利于微型化光学透镜，并减少光学镜头的组装工序；同时，透过对衍生结构进行相关的力学分析以及结构设计，可使得光学透镜于被安装固定时的结构强度得以被提升；以及(6)光学透镜的衍生结构还能够于光学透镜被安装时提供指向标示，以进而简化安装光学透镜的工序与工时。
附图说明
图1：为现有光学镜头的部分结构剖视图。
图2：为现有衍射光学透镜的外观结构示意图。
图3：为图2所示衍射光学透镜的剖面示意图。
图4：为本发明光学透镜于一第一较佳实施例的外观结构示意图。
图5：为图4所示光学透镜的基材的俯视概念示意图。
图6：为图4所示光学透镜的剖视概念示意图。
图7：为本发明光学透镜于一第二较佳实施例的光学透镜的侧视概念示意图。
图8：为本发明光学透镜于一第三较佳实施例的光学透镜的侧视概念示意图。
图9：为本发明光学透镜于一第四较佳实施例的光学透镜的侧视概念示意图。
图10：为本发明光学透镜于一第五较佳实施例的光学透镜的俯视概念示意图。
图11：为本发明光学透镜于一第六较佳实施例的光学透镜的俯视概念示意图。
具体实施方式
请参阅图4～图6，图4为本发明光学透镜于一第一较佳实施例的外观结构示意图，图5为图4所示光学透镜的基材的俯视概念示意图，图6为图4所示光学透镜的剖视概念示意图。光学透镜1A包括基材(substrate)11、衍生结构12以及衍射光学结构13，基材11可由玻璃材料、塑胶材料或半导体元件所制成，但不以此为限，其一侧表面包括光学运用区(有效光学区)111以及衍生运用区112，且衍生运用区112位于光学运用区111的外围；其中，衍生结构12设置于衍生运用区112，而衍射光学结构13则设置于光学运用区111，并具有微结构图案131，用以供光束通过其中而形成结构光(structure light)，抑或是用以改善光学缺陷，如修正像差(aberration)或消除色散(dispersion)等。此外，透过设计衍射光学结构13的微结构图案131还能够增强光学透镜1A的可用波长范围内的光学效能。
此外，虽然图4～图6所示的基材11呈一圆板状，包括有光学运用区111以及衍生运用区112的表面为一平面，且光学运用区111呈圆形状，但并不以此为限，例如，包括有光学运用区111以及衍生运用区112的表面亦可为曲面，抑或是可依据实际应用需求而将基材11设计为任一形状，如矩形板状、三角锥状或不规则状，亦可依据实际应用需求而设计使光学运用区111呈矩形状、椭圆形状或不规则形状。
再者，于本较佳实施例中，衍生结构12供与镜筒(barrel，图未示)相组装，进而使得光学透镜1A可被安装固定于镜筒内，这边所述的镜筒可为光学透镜1A所应用的任一装置的壳体结构，如光学镜头的镜筒，且当光学透镜1A被安装固定于镜筒内时，衍生结构12有助于提升光学透镜1A的结构强度，并能够减少杂散光(stray light)漫射或往光学运用区111的方向入射。
较佳者，但不以此为限，衍生结构12还包括吸收率大于80％杂散光吸收结构，如仿蛾眼结构(Moth-Eye-like Structure)及/或类似光子晶体(photonic crystal)的结构，主要是用以吸收不必要的杂散光；其中，当衍生结构12同时包括有仿蛾眼结构以及类似光子晶体的结构时，仿蛾眼结构以及类似光子晶体的结构彼此之间可部分叠合或完全叠合。
又，于本较佳实施例中，衍射光学结构13以及衍生结构12中的至少一者是透过一压印制程或一喷涂制程而形成于基材11上，且衍射光学结构13以及衍生结构12可视实际应用需求而分别地形成在基材11上，抑或是在一次的压印制程或喷涂制程中同时地形成于基材11上。特别说明的是，由于衍射光学结构13以及衍生结构12是透过压印制程或喷涂制程而形成于基材11上，故可使光学透镜1A的整体厚度有效薄形化，又由于本发明光学透镜1A并非是透过射出成型的制程所形成，故不容易于成型的过程中产生翘曲变形或残留应力。
较佳者，但不以此为限，上述压印制程以及喷涂制程分别为纳米压印制程以及纳米喷涂制程，且光学透镜1A的最大厚度小于0.4毫米(mm)；其中，衍射光学结构13、衍生结构12以及基材11中任二者的折射率相差应小于5％，以避免通过光学透镜1A的光束产生不必要的多重反射或折射，藉此降低设计复杂度，并避免杂散光。
此外，有关如何透过设计衍射光学结构13的微结构图案131而使得通过其中并输出的结构光符合使用者的需求，且如何透过设计衍射光学结构13的微结构图案131而改善像差或色散等光学缺陷，以及如何对衍生结构12进行相关的力学分析以进行结构设计，进而使得光学透镜1A于被安装固定于镜筒内时的结构强度得以被提升，皆为本技术领域普通技术人员所知悉，故在此即不再予以赘述。
请参阅图7，其为本发明光学透镜于一第二较佳实施例的光学透镜的侧视概念示意图。其中，本较佳实施例的光学透镜1B大致类似于前述第一较佳实施例中所述者，在此即不再予以赘述。而本较佳实施例与前述第一较佳实施例的不同处在于，光学透镜1B上还涂布有抗反射膜(anti-reflection coating)14以及高反射膜(high reflection coating)15，且抗反射膜14位于衍射光学结构13与高反射膜15之间；其中，抗反射膜14的穿透率大于95％，且衍射光学结构13、抗反射膜14以及高反射膜15三者彼此之间可完全重叠或至少部分重叠，如此一来，当包括有光学透镜1B的多个光学透镜被组装在一起时，可消除或降低整体杂散光以及鬼影。惟，上述仅为一实施例，抗反射膜14的穿透率并不以上述为限，且本技术领域普通技术人员可依据实际应用需求而均等变更设计衍射光学结构13、抗反射膜14以及高反射膜15的位置关系。
请参阅图8，其为本发明光学透镜于一第三较佳实施例的光学透镜的侧视概念示意图。其中，本较佳实施例的光学透镜1C大致类似于前述第一较佳实施例中所述者，在此即不再予以赘述。而本较佳实施例与前述第一较佳实施例的不同处在于，基材11的另一侧表面亦包括有供另一衍射光学结构13*设置于其上的光学运用区以及供另一衍生结构12*设置于其上的衍生运用区；其中，分别位于基材11的两侧的二衍射光学结构13、13*上的微结构图案可相同或不同，其是依据实际应用需求而被设计。
请参阅图9，其为本发明光学透镜于一第四较佳实施例的光学透镜的侧视概念示意图。其中，本较佳实施例的光学透镜1D大致类似于前述第一较佳实施例中所述者，在此即不再予以赘述。而本较佳实施例与前述第一较佳实施例的不同处在于，基材11D为一棱镜(prism)，且棱镜的一表面上亦具有供衍射光学结构13设置于其上的光学运用区以及供衍生结构12D设置于其上的衍生运用区。当然，上述仅为一实施例，基材11D并不以棱镜为限，基材亦可为任一多边形的块状物。
请参阅图10，其为本发明光学透镜于一第五较佳实施例的光学透镜的俯视概念示意图。其中，本较佳实施例的光学透镜1E大致类似于前述第一较佳实施例中所述者，在此即不再予以赘述。而本较佳实施例与前述第一较佳实施例的不同处在于，基材11的衍生运用区112上形成有多个衍生结构12E，且该些衍生结构12是以光学透镜1E的光轴16作为对称轴而呈对称排列；且于本较佳实施例中，该些衍生结构12E为多个凸部，且以光学透镜1E的光心作为中心并周期性地(等间距地)形成在衍生运用区112上。
惟，上述仅为一实施例，并不以此为限；举例来说，在特定情况下，如光学透镜1E是被应用于一移轴光学系统，则该些衍生结构12E可变更设计呈非对称排列，以进而调整入射至光学透镜1E的光束中的至少部分光束的光程。
此外，补充说明的是，上述各实施例中的衍生结构还能够于光学透镜被安装时提供指向标示。详言之，在某些情况下，衍射光学结构是具有方向性，故可因应衍射光学结构的方向性而于衍生结构上的特定处形成标志，或是因应衍射光学结构的方向性而设计多个衍生结构的排列型态，藉以引导光学透镜能够被正确地安装，进而简化安装光学透镜的工序与工时。
请参阅图11，其为本发明光学透镜于一第六较佳实施例的光学透镜的俯视概念示意图。其中，本较佳实施例的光学透镜1F大致类似于前述第一较佳实施例中所述者，如基材11F上依然具有供衍射光学结构(图未示)设置于其上的光学运用区111以及供衍生结构(图未示)设置于其上的衍生运用区112，故在此即不再予以赘述。而本较佳实施例与前述第一较佳实施例的不同处在于，基材11F还具有多个穿孔113，且至少一穿孔113的周围设置有多个微结构16，藉以破坏光束于入射至该至少一穿孔113的周围后所产生的边缘衍射(edgediffraction)干涉。
综合以上各较佳实施例的说明，本发明光学透镜具有下述优点：(1)由于衍射光学结构以及衍生结构是透过压印制程或喷涂制程而形成于基材上，故可使光学透镜的整体厚度有效薄形化；(2)由于衍射光学结构上的微结构图案可被设计，故可增强光学透镜的可用波长范围内的光学效能；(3)由于本发明光学透镜并非是透过射出成型的制程所形成，故不容易于成型的过程中产生翘曲变形或残留应力，藉以便利后续的组装以及避免折射率被改变导致光程变异而造成不必要或突发的像差；(4)由于光学透镜本身即具有可吸收杂散光或减少杂散光漫射的衍生结构，故若将其应用于光学镜头中，可替代现有光学镜头中的杂散光挡消片(stray light baffle)，进而简化光学镜头的组成结构，以利于微型化光学透镜，并减少光学镜头的组装工序；(5)由于光学透镜本身即具有可与所应用的装置的镜筒相组装的衍生结构，故可替代现有装置中所额外设置用以安装固定光学透镜的机构件，因此同样可简化光学镜头的组成结构，以利于微型化光学透镜，并减少光学镜头的组装工序；同时，透过对衍生结构进行相关的力学分析以及结构设计，可使得光学透镜于被安装固定时的结构强度得以被提升；以及(6)光学透镜的衍生结构还能够于光学透镜被安装时提供指向标示，以进而简化安装光学透镜的工序与工时。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求范围，因此凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本发明的专利保护范围内。
Claims (20)
1.一种光学透镜，其特征在于，包括：
基材，具有光学运用区以及衍生运用区，且该衍生运用区位于该光学运用区的外围；
至少一衍生结构，设置于该衍生运用区；以及
衍射光学结构，设置于该光学运用区，并具有至少一微结构图案，该至少一微结构图案用以供光束通过其中而形成一结构光及/或改善至少一光学缺陷。
2.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该至少一光学缺陷包括像差或色散。
3.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该光学透镜的一最大厚度小于0.4毫米。
4.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该衍射光学结构、该至少一衍生结构以及该基材中的至少二者的折射率相差小于5％。
5.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该衍射光学结构是透过压印制程或喷涂制程而形成于该基材上。
6.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该至少一衍生结构是透过压印制程或喷涂制程而形成于该基材上。
7.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该至少一衍生结构与一镜筒相组装，且当该至少一衍生结构与该镜筒相组装时，该至少一衍生结构用以提升该光学透镜的一结构强度及/或减少杂散光漫射或往该光学运用区的方向入射。
8.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该至少一衍生结构包括杂散光吸收结构。
9.如权利要求8所述的光学透镜，其特征在于，该至少一衍生结构包括仿蛾眼结构或类光子晶体结构。
10.如权利要求8所述的光学透镜，其特征在于，该杂散光吸收结构的一吸收率大于80％。
11.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该至少一衍生结构包括多个衍生结构，且该多个衍生结构是以该光学透镜的光轴作为对称轴呈对称排列。
12.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该至少一衍生结构是用以于该光学透镜被安装时提供一指向标示。
13.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该光学透镜是被应用于一移轴光学系统，且该至少一衍生结构包括多个衍生结构；其中，该多个衍生结构呈非对称排列。
14.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该至少一衍生结构包括多个凸部，且该多个凸部是以该光学透镜的一光心作为中心并周期性地形成在该衍生运用区上。
15.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该基材的一表面为平面或曲面，且该表面上具有该光学运用区以及该衍生运用区。
16.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该基材呈圆形状或矩形状。
17.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该基材为棱镜或多边形的块状物。
18.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该基材具有至少一穿孔，且该至少一穿孔的周围具有至少一微结构，以破坏光束于入射至该至少一穿孔的周围后所产生的边缘衍射干涉。
19.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该光学透镜上涂布一抗反射膜以及一高反射膜中的至少一者。
20.如权利要求19所述的光学透镜，其特征在于，该抗反射膜的一穿透率大于95％。
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