TW200937042A - Prismatic lens - Google Patents

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200937042 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種稜鏡”代叩^，菲涅耳）透鏡。 5 【先前技術】 菲涅耳光學透鏡在各方面的應用是非常重要的。其中 個重要的領域是太陽能集光器。此係使用於利用光伏打 (photovoltaic)電池或是太陽能加熱器之太陽能發電穿置 且亦應用於日照裝置中，例如使用菲淫耳透鏡將通過反射 10管束（reflective tube)之光收集至大樓房間内。菲;里耳棱鏡 透鏡是常用於太陽能集光器系統的一個元件。一般透鏡呈 有少數大面積的刻面（facet)，且具有相當厚度。而為了模 鱗1的透鏡，需要進行如射出成型、或熱壓印等程序。 菲涅耳透鏡可為扁平形式或彎曲凸面形式。一般的半 15球形、或部分球形之菲埋耳透鏡係設計成聚焦於一單點， 而部分圓柱狀的菲埋耳透鏡係設計成聚焦於-線。us 6 ⑴190中同時揭露了此二種形式，其係應用於太空衛星電 源系統之太陽能集光器上。 已知可由薄獏製作菲涅耳透鏡。其優點在於可以低成 2〇達到高品質的光學效果。此方法是使用一連續式滾印 11 = roll)製程以及少量的塑膠材料製作菲埋耳透鏡。然 當結構的深度減少時刻面總數會增加，往往會造成: 不佳而使菲涅耳透鏡原本具有的問題更加嚴重。 光傳遞的效率會隨著遠離菲涅耳透鏡之中心點而降 200937042 低。其原因在於菲涅耳損失-即隨著光偏向角度增加，菲涅 耳稜鏡角度會增加，且更由於稜鏡介面的反射而造成損失 增加。此外’光線會於由一刻面（facet)傳送至另一刻面之 某些區域損失’其原因在於，因稜鏡成形不佳，造成光由 5 非光學刻面反射以及光由稜鏡之凸處及/或凹處散射。當透 鏡之外部的刻面越多時，此效應會越大。最後，當稜鏡朝 向透鏡邊緣之角度更尖銳，而使切割工具無法於此透鏡區 ❺ 域形成完整的凸處/凹處，又會再次因圓形的凸處/凹處增 加所導致之漫射透鏡作用，而造成更大的光損失。 10 若菲涅耳為彎曲凸面形式，此問題可減少。雖然此會 增加透鏡前面部位的反射度’而因此降低透鏡部分的效 能’但卻可使透鏡後方的菲涅耳損失減少。其原因在於， 所需的旋轉角度減少；既然光不會以銳角入射至菲涅耳稜 鏡，則可減少介面間的菲涅耳反射損失（Fresnel refleetanee 15丨0另一種彎曲凸面形式之菲涅耳透鏡的優點為，不 同波長的光旋轉角間的角度差（即，透鏡色差）會減小。典 Ο 型的透鏡材料，如丙烯酸塑料，對紅光的有效折射率約^ 1.48 ’而對藍光的有效折射率約為151。與入射光非垂直 之曲面表面會造成前面表面的部分折射，至少可補償部分 2〇菲淫耳棱鏡的色差’因此可得到更小之標的面積並使整i 透鏡的集光比更佳。最後，在光與垂直、非光學刻面交界 處之地S，以及f曲或具有光學缺陷之稜鏡的頂點處，合 發生光損失的現象。藉由將表面彎曲，可使光線以—遠二 非光學刻面以及稜鏡頂點處之角度通過透鏡。 5 200937042 生產傳統形式之曲面菲料透鏡技㈣常與精密的 射出成形部件有關，但此無法應用至薄臈透鏡。 【發明内容】 5 ，本發明之-目的係提供一薄膜菲淫耳透鏡其可改善 平面薄膜菲③耳透鏡之性能’並具有實際生產價值。 因此，本發明之一態樣係提供一點聚焦薄膜菲淫耳透 兄，其係具有：—内部位，其係為具有透鏡刻面之平面部 10 Γ二及—具有透鏡刻面之外部位，該外部㈣由該内部 向外延伸出並從該内部位之平面以—角度傾斜。 於-較佳之配置中，該外部位係由該内部位向外以— 外：角ίΓΓ線性圖形，使透鏡具有—截頭圓錐體之 " 配置中’外部位可由内部位以-單調遞增 15 ^notomcally lncreasing)角度延伸出—弧形圖形使透鏡 〇有如平底盤之外形。藉由使用複數個線性延伸部分 由内部位平面向外增加角度’可製作出近似彎曲部分的外 =。當使用此f曲部分時，其f曲之半徑較佳是固定值， 20 :::有變:匕1例如當為了達到透鏡效率的最大值時可將 度進仃取佳化。亦可使用複合式的配置方法將— =個線性延伸部分以及一或多個變曲部分配置於放射方 當使[具有單—斜率角度之線性延伸外部 錢之效能無法得到最佳化。然而，仍可使包 卜 鏡最佳化。此外，線性延伸外部位;:: 8早。而相型之外部位可為或大致為由_球形表面之 25 200937042 一部分，以改善透鏡邊緣部份之效能，但此生產過程則較 為複雜。 外部位較佳是至少部分地圍繞内部位而延伸出。外部 位更佳是完全地圍繞内部位而延伸出。且外部位之徑向延 5伸長度⑽ialextent)可為固定值。然而，亦可為其他配置 形，。例如，其可具有多角形之外型，如正方形六角形、 或是具有預定任何邊數之形狀、或是星形，並將其隅角部 分（其可作為如星形中相鄰的「點」）由多角形之中心部位 罾 <平面向外-折而形成-非連續性的外部位，形成一非連 ίο 續之外部位’此非連續外部位之徑向延伸長度先為遞減， 而後於相鄰之一角落間增加。例如，此種配置可為一具有 四個口戸位之平面正方形，其角落係由中心部分之平面向外 彎折，或是一具有八個點之平面星形，將其八個點進行彎 折。此外’所有的部位相對於内部位平面之f折程度皆是 15 相同的。 此種使用多角形或是具有彎折隅角部分之星形的配 6 4方式可提高透鏡最外部位的效能，而-般平面點聚焦之 非 >圼=透鏡之最外部位其效率最低。且此種結構可易於生 產。安裝（mourning)的過程可能會耗費較多精力，但是仍 20 $是相對簡單的’尤其是四角落翻折之結構。若使用四角 落翻折之結構，由於其方形可由原本連續薄膜來石切成，因 此可使薄膜的耗損減到最低。 然而’此系統亦具有某些缺點。當應用至太陽能集光 器％’相對同樣的平面式方形，透鏡區域面積較小。若以 7 200937042 一般常用之固定徑向之棱鏡外形，即圓形對稱之棱鏡外 形，進行切割，由於二個彎曲方向之彎折部位不具有正確 之曲率，因而造成聚光焦點分散。更複雜的方法，即將透 鏡周圍之稜鏡外形修改以進行補償之方法，卻更複雜且生 5 產成本會增加。 因薄膜在透鏡中心向外延伸之方向保持平面，故由圓 錐形外部位所形成之薄膜可具有正確的圓周曲率。 關於截頭圓錐體，若起始材料是圓形薄膜，圓錐體的 底部則會是平面且連續的。若起始薄膜材料是方形的，並 10 15 T相同的方法形成載頭圓錐外形，則圓錐體的底部則不會 是平面，但會具有四個角。 具有截頭圓錐外形的透鏡可經由二個部分組合形 ^，此二部分即圓形内透鏡部位以及外透鏡部位，内透鏡 部位形成截頭圓錐體的頂部，外透鏡部位具有二個尾端， 外透鏡部位圍繞著内透鏡部位延伸並與其周圍接合且外 透鏡部位之二個尾端互相接合在-起。外透鏡部位形成圓 錐體的主體部位。 外透鏡部位可為環形切開的形式。其中，起始材料可 為:個圓形的透鏡薄膜。圓形的内透鏡部位可經由環狀狹 縫定義出來’而環狀外透鏡部位可經由二條放射向切割線 切割’其中此二切割線係、定義移除部位，如此當二端接人 起時則可形成圓椎體的主體部位。 另一種形式令，外透鏡部位之尾端皆互相接合在一 使平面圖像上呈現出多角形狀，如正方形。例如，此 20 200937042 5 ❹ 10 15 20 等之起始材料可能是扭曲的正 縫定義出内部位，外透鏡部位係經二:：以-環狀狹 起時^ 料義移除部位，如此當二端接合一 時貝丨可形成圓椎體的主體部位。 率，：頭透圓錐體的配置可以增加透鏡所… 而心ί 薄臈的主要部位使光遠離棱鏡的定端， 術；=的效能。原模的製備相對簡單，就如同習知技 僅4 :::面薄膜菲埋耳結構一樣簡單”卜透鏡部位 條接合縫，以及内及㈣位之_環形接合縫。 該:部焊接'μ '或類似方法進行’或是例如可將 X二。Η立放置於一壓合架中進行。 ^似立的情形中，具有彎曲外部位並呈現圓頂形狀之透 二-部位組合完成’此二部分即圓形内部位以及弯曲 卜^位’㈣部位與外部位係經由適當的卫具所接合而 成然而，於—較佳實施例中，外部位與内部位是一體成 ，的。此可藉由於一圓形薄膜中形成多數個切割線來形 ’且切割線由内部位之圓周向外呈現放射狀延伸。此些 ^割線疋義出複數個以間隔隔開之薄膜區段。接著將相鄰 薄膜區段間之間隔封閉’而形成彎曲之外部位。例如，在 此可具有六個薄膜區段。此些區段可利用焊接、枯合、或 類似方法進行接合’或是例如可將該些部位放置於一壓合 架申使用黏膠進行接合。 —此種配置中，多條相鄰薄膜區段間的接合線會降低效 忐，且由於透鏡之區段的自然趨向（即，每個區段不會按著 9 200937042 圍繞透鏡周圍的正確曲率配置 段的數目增加時，Μ㈣=目㈣距發散。當區 增加複雜度，且接縫的數 矿战低效羊亚 ,,Tigi , . ^ 數目s加會使經濟效率降低。藉此， 5 10 15 I: :雜度增加，薄膜區段的數目不應太多。 二 Γ:ΓΓ薄膜製備透鏡時，為了由-薄膜板上切出 Γ 會生一些耗損。就截頭圓錐體而言，圓形内 :位以及外部位之間所切出的環形狹縫亦造成耗損且由 外部位所移除使用來形成圓頂結構的材料亦為耗指。在以 區段所形成的圓頂結構的外部位中，區段之間為了形成間 隔被移除的薄膜材料則成為耗損材料。 就截頭圓錐體而言，内部位與外部位間之圓週接合， 以及外部位尾端之接合，係位於透鏡令心部位且由圓形内 部位之徑向延伸長度開始向外延伸。就一個由區段所形成 的背曲外部位而言’於一較佳的實施例中，内以及外部位 之間不會存在著接縫，且相鄰區段間的接合是於内部位遠 離中心的邊界處收尾。 透境的内部位不需要非常平坦。實際上，本發明之另 一態樣中’内部位可以是圓頂狀的’但相較於外部位，内 部位之傾斜角度或半徑曲較小。例如，圓形内部位可藉由 20提供-相當窄的放射狀狹縫並將其接合而形成—淺的圓錐 體。接著可使用外部位形成截頭圓錐體的主體，或是將其 如前述進行彎曲並與中心部位接合。一般而言中心部位 較佳為平坦的，或是中心部位之傾斜角度或曲率半徑係小 於外部位之圓錐率或曲率。此外，中心部位較佳係不具有 200937042 接縫線。 内及外。卩位之相對比例以及尺寸係按照集光器透鏡 的整體大小以及透鏡所設計的焦距來設計。由傾斜外部零 件所轉換至平面内部零件的路徑需要經過設計，例如圓錐 5 e 10 15 形外邙位的配置中，當菲涅耳稜鏡的底部角度達到列。時， 且光通過稜鏡的角度與光由稜鏡射出的角度相同時，需發 生轉換路徑。若弯曲表面更朝著透鏡中心内部延伸，則通 過稜鏡且由稜鏡射出的光，會與稜鏡之非光學刻面作用並 造成效能的損失。 於一些較佳實施例中，内部位是圓形的並具有整個透 鏡半徑之約14%至約15%的最小半徑，且具有整個透鏡半 k之、力55 /。至約6Q%的最大半徑，且較佳具有整個透鏡半 徑之約25%至約45%的半徑範圍，且更佳係於約赢至29% 以及約35%至約36%的範圍内。於一些較佳實施例中内 部位具有整個透鏡半徑之約1/7的最小半徑以及整個透鏡 半I之約4/7的最大半徑，且更佳為約2/7以及約3/7。某些 實刼例中，内部位之半徑是介於約2/7以及約5八4之間或 是介於約2/7以及約3/7之間。據所知，内部位之平面圓形 菲淫耳透鏡中，當半徑遠大於整個透鏡半徑之約观至約 29%、或約時2/7，此部位的效能會明顯的減低，其確實數 值係與透鏡焦距長度以及生產品質有關。 在一些典型的應用例子上，其内部位是圓形的並具有 約i cm最小半徑以及約4 cm(且更佳約3 cm、或約2 5 cm、 或’勺2 cm)的最大半役。於某些實施例中，内部位之半徑介 20 200937042 於約1.5 cm以及約3 cm之間，且例如介於約i5⑽以及約 2.5 cm之間。於某些實施例中，内部位之半徑介於約2咖 以及約2.5 cm之間，或介於約2cm以及約3cm之間。應用於 此之透鏡總半徑一般介於約5 cm至約1〇cm之間，且有可能 5 約為7 cm。 就線性外部位而言，當透鏡具有載頭圓錐體之外形 時’據發現得知’由内部位之平面向外的傾斜角度會影響 透鏡的效能。當傾斜角度增加時，透鏡外部傾斜部^的二 能會隨著改善，係由於傾斜角度更佳符合其最佳角度。就 〇 10透鏡内部傾斜部位而言，當其與最佳值差異越大時^其效 能會越低。 '> 另一個增加傾斜角度所造成的影響是内部平面透鏡 部位的尺寸必須增加。其係由於當光通過稜鏡且由棱鏡射 出的夾角與傾斜部分的《角度相同時（即，當α刻面「被擠出 15 (feezed out)」時）’則會由傾斜轉換至平面區域。當頃斜 角度越大時，會造成平面透鏡部位的半徑越大。據發現， 具有相同焦距但不同頃斜角度的透鏡，其總透鏡光傳送效 率在約2 0。時會緩慢增加，接著於約2 〇。以及約2 5。之間開始 ^ 明顯增加，接著會慢慢增加至約30。到達效能值頂點而後 20趨於平緩。因此，透鏡的參數較佳需透過選擇而使頃斜的 角度介於約20。以及約40。之間，例如介於約22。以及約35〇 之間、或介於約22。以及約30。之間、或介於約25。以及約35。 之間、或介於約25。以及約30。之間，在一些典型的應用例 子中是約25。；而内部透鏡部位的半徑是在上述的範圍 12 200937042 内，如介於整個透鏡半徑之約2/7以及約3/7之間（依據透鏡 之確實焦距而有所不同）。例如，一個經設計而具有半徑約 7 cm以及焦距約14(；01的透鏡中，當其内部平面透鏡部位的 傾斜角度為約25。時，其内部平面透鏡部位的半徑可能為約 2.4 cm 〇

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邊緣稜鏡的聚焦能力的變化，係為頃斜角度以及焦距 的關係式。據發現，例如，當透鏡傾斜角度增加4〇。時，該 、曰加的頃斜角度會使聚光能力提升，而使色差可得到某程 度的補償。且亦可減少焦距長度，而使聚光能力達到最大。 如’丨於約25。至約35。之間的傾斜角度，焦距變換比率（f〇cal Wgth ratio)最小值分布於約25至約i 8時聚光能力可超 、:〇在此，焦距變換比率（focal length ratio)」係代表 者透鏡之焦距長度（包括作為透鏡光學結構最底端的基底） 相對透鏡整體半徑的比例，因此，例如，若透鏡具有7⑽ 的半徑以及14 cm的焦距，則焦距變換比率為2。其中透 鏡之半徑係指具有聚焦效果區域之有效半徑。 20 外部位棱鏡的效率係依據不同傾斜角心及焦距而 有所變化。如介於約25。至約35。之間的傾斜角度=比率最小值分布於約h5至約2.5em時，透鏡之光轉換 > (light transmission efficiency)係約為 〇9之上。 至於透鏡之平面内部位，當焦距變換比率約為3時， 顯地=效率；且當焦距變換比率低於2時’效率會很明 彳夕因子係對於透鏡最佳焦距的判斷有所影響。當使 13 200937042 用於太陽能集光器時，焦距需越短越好，以減少太陽能組 箱J的深度並減少光（emerging light)或標的位置、或是 與集光器振動相關的小角度誤差所造成的影響。此外，焦 距應盡可能越長越好’以提升透鏡之效率、增加稜鏡底部 5角度並因此可使製得之稜鏡頂部（apex)具有更佳的精確度 而減少光損失、並降低稜鏡角度，使其更寬而可減少透鏡 中刻面的數目。焦距長度應最佳化以使透鏡邊緣之稜鏡具 有適Μ等級的聚光能力。此外’如前所述’ 一個戴頭圓錐 體透鏡中，當焦距長度增加時，透鏡所包含之内平面部位 1〇 之比例會增加。而由於稜鏡頂部（apex)以及非光學刻面可 被隱藏在傾斜部位（非平面部位），因此會造成透鏡效能的 減低。 上述係指’透鏡可具有一最佳化、中間焦距。一般而 言，本發明中的透鏡的理論效率（計算其前表面以及後表面 15 反射損失，但不將刻面以及頂部的損失計入）會隨著焦距長 度的增加而增加，且當焦距變換比率低於約2時效率會明顯 的減少。 當焦距長度增加時’中心平面部位的刻面數目增加， 其單純係由於平面部位的尺寸增加而造成（外緣稜鏡數目 2〇維持幾乎相同或更少）。實質上，焦距增加時會擴大相同之 平面菲涅耳的設計，且圓錐形透鏡的面積會減少以作為補 償。爲了使平面内部位菲涅耳刻面/頂部的數目減至最少， 焦距變換比率應維持在最小值。一般而言，整體的焦距變 換比率在約2時可得到最合適的棱鏡數目。 200937042 5 10 15

20 因此，本發明一使用裁頭圓錐體形狀之較佳實施例 中’平面中心部位具有總透鏡直徑（係根據確實之設計-外 部位之焦距以及傾斜角度）之約2/7至約3/7之直徑，外部位 之傾斜角約25。，且焦距變換比率約為2。典型光伏打 (photovoltaic)集光系統中，一個具有此些參數之透鏡之總 半徑長度可為約5 cm至約1〇 cm，且一般為約7 cm。一般係 製作成面向光之方戴面部位（SqUare cr〇ss secti〇n)，使此些 透鏡可容置於模組中。 本發明亦關於一種製備透鏡之方法，其中菲涅耳透鏡 薄膜之一部分之製備過程係：形成一切割環以定義出與外 :位分離之圓形内部位’接著由該外部位之圓周向該切割 環切割出向内縮小之切割部，將該向内縮小之切割部之邊 緣接σ #以形成裁頭圓錐體之側壁，並將該外部位與該 内部位接合以使内部位形成該截頭圓錐體之頂部。 *本發明更關於一種製備透鏡之方法，其中菲淫耳透鏡 薄膜之-圓形部分係由以下所形成：由該圓形内部位之周 圍向該薄膜部分之外緣切割出複數個環狀排列之間隔，今

:割出之間隔係由薄膜部位之圓周向該内部位之周圍J =義出呈放射狀延伸之薄膜區段，且將該相鄰之區 广。者,、邊緣接合’而這些區段係定義出-外部位其 位係圍繞著該内部位延伸，且該外部位係由該内部 之平面向外呈現一曲面形狀。 本發明又關於一 薄祺之一部分係為一 種製備透鏡之枝，其巾㈣耳透鏡 多角形，且隅角部分係由該多角形之 15 200937042 平面向外彎折以提供-外部位，其中，該外部位由該薄膜 部分之剩餘所定義之-内部位之平面以一角度向外延伸。、 本發明之另一實施態樣中，薄膜菲料透鏡係朝—方 向彎曲’因此至少圓柱狀之表面以及刻面之配置使透鏡可 5如同傳統圓柱狀透鏡聚焦於一點，而非―線。雖秋並非可 全部改善，但可改善透鏡某些外部位的效率。如此配置係 可使彎曲形狀之透鏡的生產變的相對簡單，且透鏡可在少 量耗損或是沒有耗損的情況下設置於框架上。然而，必^ 注意不同刻面之設計以及切割角度。 10 本發明之再一實施態樣中，透鏡不具有中心平面部 位，卻具有一圓錐體形狀並具有一相對較央的頂部。而此 等圓錐體的邊緣可以是如同上述之直線的、或是彎曲的。 本發明之所有實施態樣中’透鏡之光學零件可使用傳 統低成本的連續式滾印（r〇ll_t〇 r〇l丨）製程技術（如UV铸製） 15來製備。使用此些技術製備之薄膜—般係於一薄的基板（如 75至300微米厚之PMMA)上製備。此等薄透鏡可能不具有 足夠的堅固性來抵擋物理性衝擊（如冰雹或其他來源）。此 =，似乎由此些方法所組成之薄膜，其透鏡對於水滲入的 密封性不佳，因而造成透鏡會因氣候而造成損傷。 2〇 本發明之所有實施態樣中，菲涅耳透鏡較佳具有配置 於透鏡之凸面之透明保護層。如此則可密封透鏡而不受如 氣候之傷害。 δ玄保護層較佳係包括有一連續性透明塑膠薄板，例如 ΡΜΜΑ薄板。此可使光透過該薄板，因而不會對透鏡的穿 16 200937042 透度有負面影響。 該保護層之厚度較佳係大於該薄膜菲涅耳透鏡之厚 度。例如’其合適的厚度為卜3_。此可作為透鏡之底座， 而使透鏡更具有對抗損害之能力。 _ 5 | 一权狂饰丹有與透蜆相符之月 狀’如上述之截頭圓椎師ust。―丨）。此可增加光身 入透鏡之效率 ❹ 10 15 該保護層較佳係包括有一與透鏡相符之形狀之薄 板。且该薄板之材料較佳為PMMA。薄板較佳係以熱塑法 或射出成形法形成。由於熱塑法較便宜且可應用於大面積 生產，因此較佳使賴塑法形成薄板，例如，可將多透鏡 組裝於單-薄板。此多透鏡可接著設置於此薄板之下側。 本發明還關於一種製備包含將透鏡之曲面設置至— 優異的方法。透鏡較佳係設置至具有特定形狀 =膠4板4此形狀符合透鏡之形狀。薄板較佳係經由 …塑法或射出成形法來成形。透鏡較佳麵合至薄板。 在-組實施財，該壓合步驟包括使用—壓感黏著 曰此一實施例中，壓感黏著層一般係塗布至透鏡之凸面 =表面_°接著該透鏡可被壓至薄板上方並固定，以利用黏 著層將透鏡牢固地黏著於薄板。 在另’且貫知例中’該壓合步驟包括使用- uv固化 膠-玄uv固化膠較佳為光學透明的。此些實施例中薄板 及/或透鏡係塗以uv膠（如’使用噴塗法或類似方法進行）。 此透鏡以及賴可接著被—同壓合並暴露於UV光下以將 20 200937042 膠固化。 在再一組實施例中，該壓合步驟包括使用一溶劑。此 些實施例中’薄板及/或透鏡係塗以一溶劑。此透鏡以及薄 板可接著被一同壓緊，以使表面互相融合。 5 本發明之各種實施態樣中，透鏡可使用於太陽能集光 器的應用上。例如’透鏡可與一置於透鏡或靠近透鏡之合 適的光伏打裝置一同結合，以由太陽能輻射得到電力。藉 由不同實施例之方式’太陽能電池可為單晶矽、多晶矽、 非晶矽、或多接鎵砷（multijuncti〇n gaUium arsenide)中之任 10何一者。此等使用之某些實施例中，可將使用反射或折射 之二次集光器置於透鏡之焦距或其附近，以更將光集中至 太陽能接收器上。 15 20 另一個應用的例子中，可將一貯熱器置於透鏡之焦距 或其附近，並與一太陽能熱能系統（如加熱固態板或工作流 體（working fluid))結合使用。其加熱板或工作流體最後可 用來驅動如史特靈引擎⑼㈣叫Engine)、朗肯循環渦輪機 (Rankine Cycle turbine)、或蒸氣渦輪機。 為又而口透鏡的焦點係位於下方平面中並平行於該 包含透鏡内部位之平面。若透鏡内部位非平面則含有透 鏡之平面則;C義為此包含透鏡内部位周長之平面。因此， 太陽能電池或貯熱器-般會置於透鏡焦點且位於下方平面 中並平行於該透鏡内部位。 【實施方式】 25 請參閱圖1 其係說明光線入射至一 薄膜製得之菲涅 200937042 耳透鏡i之情形。透鏡具有數個稜鏡2，且於稜鏡頂部之棱 鏡角度α。射入光以箭頭3及4表示。薄膜是以角㈣向著光 入射方向以傾斜，而角度Ρ係介於箭頭⑷之間。可看到 稜鏡中僅有標示Α的部分與光線有所作用，即表示光線並 無與稜鏡之頂部以及非光學刻面作用。 、亚 ❹ ίο 15

20 請參閱圖2⑷，其係說明由一薄板切割下來之薄膜菲 淫耳透鏡的圓盤6。如圖2(b)所示，將圓盤進行切心_ 一環狀部位’並於中心部位8以及外部位9之間留下一環狀 間隙7。於外部位9中，由圓盤外緣至環狀間隙7之間形成切 割線10及11，並將切割線之間的部位移除以留下一向外缺 口 12。接著如圖2⑷所示’將外部位9捲繞並將尾端沿著接 縫13接合。將中心部位8與外部位9沿著環狀接縫μ接合。 可得到一薄獏形成之空心截頭圓錐體丨5之結構，其具有一 圓頂8以及一開口、以及環狀基座16。該外部位之薄膜是向 著中心部位8的水平面以介於線8及(：間之角度义傾斜。較佳 實施例中，此角度χ約為25。。 於此等透鏡之例子令，聚焦形狀係如圖3所示，且聚 焦力係如圖4所示’其係具有92〇/。之效率。 圖5係為一用於生產改造型透鏡之薄膜的一部位。其 包括一外部位17以及一内部位18。其配置是類似於圖2(b) 中所示之，除了其外部位並非是由圓盤狀薄獏製得所呈現 之環型，而是由一扭曲方形進行切割所形成。如圖6以及圖 7所示，具有裁頭圓椎體形狀之結構2〇，係經由將外部位邊 緣沿著接縫21接合，並將平面中心部位18與傾斜之外部位 19 200937042 17接合所形成。以平面圖來看’此結構為_正方形，且邊 ： 長為10 cm。其為一截頭圓椎體，但四個延伸部位各自具有 一端點。 、 圖8係表示截頭圓椎體透鏡之設計參數，此截頭圓椎 5體透鏡之總半徑約7 cm，平面中心部位之半徑約25 em， 傾斜角度約25。，且焦距變換比率（f〇cal length加⑹約2， 透鏡焦距約14 cm。圖中係顯示稜鏡底部角度、召角（beta angle)、α 角（alpha angie)、光内角（internal &叫⑷、 光出射角（light exit angle)、以及偏向角（deflecti〇n叫⑷， ❹ l〇與距透鏡中心之徑向延伸長度間之變化關係。薄膜的傾斜 角度係如圖所示：在内部位邊緣以内是零，並接著維持於 25°。稜鏡底部角度於内部位區域遞減，並於轉換後跳至其 初始值，接著越往透鏡邊緣稜鏡底部角度穩定地減少。該 «角是刻面的角度’其係非光學的，而冷角是召刻面的角 15度，此冷刻面係藉由折射步驟以一預定角度將光偏向。此 例子中，α角盡量越高越好，以可確實展開稜鏡。^角之 目的係用以將α角維持於光内角以及光射出角度之間（並 盡量遠離光内角），以確保α角不會與其他光線互相作用而 降低透鏡的效率。 20 此外，可將内部平面菲涅耳刻面角度調整，以避免光 焦點中心產生「熱點」。 圖9係表示一菲涅耳透鏡膜21，其係經由切割而定義 出丰徑2 cm之圓心部位22以及十六個由間隔24所分隔之放 射狀延伸區段23。此區段23之寬度係由内往外增加。如圖 20 200937042 10所示，具有平面中心部位22之屋頂狀透鏡^，係藉由將 區段23之間的邊緣接合，如26所示，而形成—連續的圓周 27。此透鏡之外觀類似於一朝上的平底盤，或是一個平頂 雨傘。在本實施例中，透鏡的半徑為約7 cm。 此方式具有許多優點，包括可製造出中心部位。外的 多種彎曲表面’且可使設計最佳化。然而，接縫的總數會 降低透鏡整體效能，且可能會增加生產的複雜度。圖⑽ 表示透鏡之效能。

ίο 15

以薄膜十六個區段對稱設置（雖然區段之數目有可能 為其他數值）之透鏡25，其預定的聚焦形狀（focal shape)是 中間具有一圓點並由此向外延伸出對稱環。其整個尺寸會 爻到各個區段之邊寬的限制。而此透鏡經模擬後，其實際 的聚焦形狀如圖12所示。此種由數千個區段所形成之理想 透鏡其預疋聚焦形狀，係為一於中心之圓點且因每個區 段邊寬皆非常小而限制圓點尺寸。圖13所示為一模擬之實 際的聚焦形狀。圖14所示為具有十六個區段的透鏡之模擬 聚焦能力，且圖15為具有數千個區段的理想透鏡之模擬聚 焦能力。 圖16係表示另一種配置方式，其令薄膜之四方形部位 20 28具有四個相鄰區域29並以一角度向下彎曲之轉角3〇，並 留下一接近圓形之平面中心部位3丨。此實施例中，薄膜中 只有小部分是傾斜的。 圖17係表示另一種配置方式，其中薄膜部位32具有數 個被切出之橢圓透鏡33，接著將其捲曲形成一局部的圓柱 21 200937042 。此稜鏡之設計係使 ： 每一個透鏡聚焦至一點。 _圖18係表示—截頭圓錐體形式之透鏡，其具有如圖2⑷ ^之外部位15與平面中心部位8。此實施例中，透鏡係固 5疋於一透明塑膠薄板4·ΡΜΜΑ)下方，透明塑膠薄板係 預先使用熱塑法或射出成形法形成—符合透鏡形狀之樣 式。將透鏡之凸面經由—㈣的方法（如，壓感黏勝、υν 硬化膠 '或溶劑）壓合至塑膠薄板之凹面。

塑膠薄板之厚度大於透鏡之厚度，以保護透鏡可承受 G 10長時間氣候考驗以及其他物理傷害。一般地，透鏡厚度為 75-300微米且塑膠薄板厚度為丨_3 mm。 圖19係為透鏡50之陣列，透鏡5〇相似於如圖a所示之 =鏡，，排列於太陽能電池52薄板上方。每個透鏡將光線 聚焦至單一電池上。連續透明塑膠薄板54需形成符合透鏡 15陣列之形狀，因此當塑膠薄板54配置於透鏡上時可做為一 保護層以保護透鏡避免損傷，例如長時間之氣候考驗。

本發明之一實施例中，平面微結構光學薄膜可使用卷 對卷（reel-to ree〖）方式來製造，此卷對卷方法係將一基膜以 透明UV固化漆（樹脂）塗覆，且以一上方具有需求結構之相 20 反樣式之鑄桶壓鑄時，同時將此薄膜進rUV曝光。薄膜必 須為透明的、可抵抗氣候變異，且須對於固化漆有高的黏 性’例如 ’ PMMA之一種，如 PlexiglasTM、或 GrUamidTM 強化尼龍，如TR90UV。此些鎮桶可以使用類似於習知技 術中之各種步驟來形成。例如，使用鑽石切割—位於精密 22 200937042 切割儀上旋轉中之圓形平板來製造原模（master mould)。於 代加工品上方移動鑽石工具以切出微稜鏡特徵，最後得到 繞著切割中心形成圓形對稱之溝槽。此精密切割步驟可以 一預定的半徑及預定刻面角度形成V形溝槽。 5 參 10 15 ❹ 20 一般而言，必須將平面薄膜折彎或摺疊以形成捲曲部 位，而此應以一簡單的方式進行，並與配置透鏡之模型的 生產一同整合。透鏡的設計需與所選之摺疊圖案一致，且 其「原模」須以標準品生產或是以稍微將精密切割儀修改 後製備。 設計必須定義出稜鏡之位置以及二刻面間的角度，二 刻面包括：非光學之α刻面、以及藉由折射步驟經由一預 定角度將光偏折之0刻面。 太陽能集光器中，一平面菲涅耳集中準直光（Fresnel concentrating collimated light)内之 α 刻面是垂直的。於曲 面菲涅耳中，α刻面具有一預定角度，此角度係介於光通 過稜鏡的角度以及光由稜鏡射出的角度之間。藉此，則不 會有光與α刻面作用，且可使光遠離（至少距離某角度）稜 鏡頂部。 在曲面聚焦菲涅耳的例子中，其可首先使用一適當的 設計途徑來設計，此設計途徑會爲每個稜鏡選擇正確的“ 以及y?刻面角度，此角度： 1) 可使光（於光譜的每一端點）正確地偏射至預定 標的區域； 2) 可於預定標的區域間使光混合出合適的顏色； 23 200937042 3) 可於預定標的區域間使光之總能量適當並均

地分布；以及 _ W 4) 盡可能減少與以下相關的小錯誤：原模機械誤差 所導致的刻面角度值；生產期間或太陽能模組 5差所導致之表面斜率角度…y、以及z方向中標的(二誤 如太陽能電池)之位置；以及透鏡之方向及收集器朝向太 陽之正媒方向。

為了形成最佳的焦距長度，必須對於各個參數有所了 解，此最佳的焦距長度可使效能達到最大、或是產生符合 10要求的效能之結果，而於透鏡邊緣之棱鏡的集光能; 能會是效能最差的。 需要考慮到的問題包括： υ由薄膜所切割下來的稜鏡會由於某些預定角度 之誤差而不同，一般經驗顯示，此些角度的精確度約為+· 〇 2) ’㈣表面彳能無法維持_入射光以及標地物 之精確正確角度，—般需校正約2度或以下； 3) 入射光會由於轨跡誤差、調準問題、振動、以及 類似問題而無法精確地於系統中校準…般預期 約±0.2度； 又 4) 標地物之位置可能非設置於正確深度，例如，可 能會偏離正確位置約± 0.5 mm; 5>標地物之位置可能非設置於正確之x、y位置，一 般而言會存在著約土〇.2度之角度誤差；以及 24 200937042 6)由於由稜鏡射出的紅色以及藍 即具有角度差，因此固有的色差會 巴差會限制稜鏡的集光能力， 一般所預期之折射率之範圍為丨48至1 5ι。 5 ❹ 10 15 ❹ 20 該薄膜需置放於墊片上，以形成各種組合之透鏡。此 :。彻磚式」必須盡可能地有效率地進行以減少薄獏之損 若欲形成平面原模，則必須將透鏡外形由原本用於平 面透鏡之外形進行變換。需將面積擴張以切出各部位，'如 此得以形成®椎表面，並得到正確的透鏡尺寸。介於中心 平面菲埋耳部位與外部位之間的小區域必須涵蓋進去，作 此區域會在後續被移除4鏡之薄膜部位的總尺寸必須經 由延展’以得到適合進行辦的稜鏡圓件。薄膜部位的外 部可具任何適當科形，其並非透鏡的任何—部分且會被 丟棄。 一般而s，本發明之實施例微稜鏡菲涅耳透鏡結構之 稜鏡深度係介於約10及約1〇〇微米之間。典型地總薄膜厚 度（結合基膜以及稜鏡特徵）係介於約50及約800微米之 間。可使用典型塗覆於基膜上之光學漆經uv固化，並當漆 與合適的反式微稜鏡模具接觸時進行曝光來形成薄膜，或 是使用其他習知用於大量生產微光學結構之方法形成此薄 膜。其塑膠基膜可包含有UV保護劑化學物質。 本發明之實施例中’不論是線性外型或是曲面外形， 透過選擇適當的透鏡斜率可確保更佳的效能，而可經由將 透鏡邊緣維持在一平面區域以達成此更佳效能。 25 200937042 +應須注意本說明t中所述之透鏡之聚焦點並非暗# ； 兀美或接近&美之聚焦點。此係用以與習知圓柱透鏡之焦 距形式（例如，線焦距型）作-區隔。在此所述之點焦㈣ 包含了一區域之聚焦。 5 【圖式簡單說明】 本發月之上述與其他目的、特徵 '和優點配合所附圖式加 以說明能更明顯易懂，其中：

圖1係光線肖-傾斜表面之菲埋耳透鏡之棱鏡之間作用《 Q 10 示意圖。 圖2(a)係本發明一態樣之用以製備透鏡之薄膜圓盤之示意 圖〇 〇 圖2(b)係製備透鏡之圓盤於中間步驟之示意圖。 圖2(c)係透鏡。 15 圖3係透鏡之聚焦形狀。 圖4係透鏡之聚光能力。 圖5係本發明之另一態樣’其用以製備另—實施例中之透鏡 之薄膜部位圖。 ❹ 圖6係由圖5所示之薄膜部位所製得之透鏡之上視圖。 20 圖7係圖6中透鏡之前視圖。 圖8係本發明一實施態樣中透鏡之設計參數圖。 圖9係本發明另一實施態樣中用以製備透鏡之薄膜。 圖10係透鏡。 圖Π係圖1 0中透鏡之效能圖。 26 200937042 圖12係透鏡之聚焦形狀D 圖13係透鏡之聚光能力。 圖14本發明理論透鏡之聚焦形狀。 圖15係理論透鏡之聚光能力。 5圖16本發明之另一透鏡之平面圖以及前視圖。 圖17本發明又一實施態樣中透鏡之製備流程示意圖。 圖18係一配置於一保護層下方之透鏡。 圖19係一配置於一薄板下方之透鏡陣列。 10 【主要元件符號說明】 非涅耳透鏡1 結構20 稜鏡2 接縫21 箭頭3, 4,5 圓心部位22 圓盤6 區段23 環狀間隙7 間隔24 中心部位8 屋頂狀透鏡25 外部位9 接縫2 6 切割線10及11 圓周27 向外缺口 12 四方形部位28 接縫13，14 區域29 戴頭圓錐體15 轉角30 環狀基座1 6 平面中心部位3 1 外部位1 7 薄膜部位32 内部位1 8 透鏡33 27 200937042

圓柱狀外型34 塑膠板54 透明塑膠板40 角度a 透鏡50 角度 gamma、χ 太陽能電池52 線B，C ©❹ 28

Claims (1)

1. 200937042 七、申請專利範圍： 1·-種點聚焦薄膜㈣耳透鏡，係具有：__内部位， 2為具有透鏡刻面之平面部位；以及-具有透鏡刻面之 5 e 10 15 ❹ 20 夕部位’該外部位係由該内部位向外延伸出並由該内部位 之平面以一固定角度延伸。 /·如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該内部位為 /·如申請專利範圍第2項所述之透鏡，其t該外部位係 至y部/7地、或較佳完整地沿著該内部位延伸出。 4. 如申請專利範圍第卜2、或3項所述之透鏡，其中該 外部位係由该内部位延伸出一線性圖形。 5. 如t請專利範圍第4項所述之透鏡，其中該外部位係 由該内部位以一固定角度延伸。 6.如中請專利範圍第5項所述之透鏡，其中該表面傾斜 角度之範圍係介於20。至35。之間。 =申請專利範圍第6項所述之透鏡，其中該表面傾斜 角度之範圍係介於22〇至30〇之間。 有-專利範㈣4至7項任—項所述之透鏡，係具 有截頭圓錐體之外形。 錐雜It 利範圍第1項所述之透鏡，係、具有—截頭圓 之㈣：，其中該内部位為圓形且係形成該截頭圓錐體 外部位係環繞該整個内部位之圓周延伸並形成 4碩圓錐體之側壁，且該外部位係與該内部位接合。 10.如申請專利範圍第8或9項所述之透鏡，其中該透 29 200937042 5 10 鏡以平面圖來看，係為一正方形狀。 Π.如申請專利範圍第1、2、或3項所述之透鏡，其 中該外部位係由該内部位延伸出一曲線圖形。 12'如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中該内部 位為圓形’該外部位係; 裒繞該整個内部位之圓周延伸並形 成該曲面外部透鏡部分之側壁，且該外部位係經由複數個 :該内部位延伸出並沿著其邊緣互相接合之放射狀延伸區 丰又所構成，且該外部位係由該内部位延伸出一曲線圖形。 如前述申請專利範圍之任一項所述之透鏡，其中 該内。p位之L向延伸長度（radial extent)係不大於總透鏡半 徑之約45%。

   A如申請專利範圍第12項所述之透鏡，其中該内部 位之徑向延伸長度（讀al extent)係為總透鏡半徑之約讓 與約45%之間。 15 20 ^如申請專利範圍第13項所述之透鏡，其中該内部 :之徑向延伸長度㈣ial extent)係為總透鏡半徑之約洲 與約35%之間。 Μ述中請專利_之任—項所述之透鏡，其中 =透鏡之焦距與該透鏡之半徑比係介於約Μ以及約3之 間0

   17. 一種組件，係包括如申請專利範圍 第16項所述之 30 200937042 透鏡，且更包括-太陽能電池或貯熱器於該透鏡焦點之 面。 18’ -種組件’係、包括如中請專利範圍第^至网之 5 ❹ 10 15 20 任-項所述之透鏡、或如申料㈣圍第⑽所述之裝 置，更包括配置於該透鏡之凸面之透明保護層。 19. 如申請專利範圍第18項所述之組件，其中該透明 保護層之厚度係大於該薄膜菲涅耳透鏡之厚度。 20. 如申請專利範圍第18或19項所述之組件，其中該 保護層之厚度係介於i以及3mm厚之間。 21. 如申請專利範圍第18、19、或2〇項所述之組件， 其中該保護層之形狀與該透鏡之形狀相符。 22. 如申請專利範圍第18至21項中任一項所述之組 件，其中該保護層包括有一連續性透明塑膠薄板。 23. 如申請專利範圍第22項所述之組件，其中該薄板 之材料係PMMA。 24. 如申請專利範圍第22或23項所述之組件，其中該 溥板係經由熱塑法或射出成型法所形成。 25. 一種如申請專利範圍第8項所述透鏡之製備方 法，其中菲涅耳透鏡薄膜之一部分之製備過程係：形成一 切割環以定義出與外部位分離之圓形内部位，接著由該外 部位之圓周向該切割環切割出一向内縮小之切割部，將該 向内縮小之切割部之邊緣接合一起以形成該戴頭圓錐體之 側壁’並將該外部位與該内部位接合以使内部位形成該截 頭圓錐體之頂部。 31 200937042 、、26· 種如申請專利範圍第11項所述透鏡之製備方 法其中菲涅耳透鏡薄膜之一圓形部分係由以下所形成： 由該圓形内部位之周圍向該薄膜部分之外緣切割出複數個 環狀排列之間隔，該切割出之間隔係由薄膜部位之圓周向 s内部位之周圍向内縮小且定義出呈放射狀延伸之薄膜區 段，將該相鄰之區段沿著其邊緣接合，而這些區段係定義 出外部位，其中，該外部位係圍繞著該整個内部位延伸， 且該外部位係由該内部位之平面向外呈現一曲面形狀。 27. 種如申請專利範圍第1項所述之透鏡製備方 ® 10法’其中菲淫耳透鏡薄膜之一部分係為一多角形且隅角 部分係由該多角形之平面向外彎折以提供一外部位其 中，該外部位由該薄膜部分之剩餘所定義之一内部位之平 面以一角度向外延伸。 28' 一種如申請專利範圍第18至24項中任一項所述 15組件之製備方法，包括將透鏡之弯曲面設置於—透明薄板。 29. 如申請專利範圍第26項中所述之製備方法，其中 該透鏡係設置於—具有特定形狀之塑膝薄板，該形狀係肖 〇 透鏡之形狀相符。 30. 如申請專利範圍第27項中所述之製備方法，其中 20該塑膠薄板係經由使用熱塑法或射出成形法而形成特定形 狀。 31·申請專利範圍第26至Μ項令任一項所述之製備 方法’包括將該透鏡層疊至該薄板。 32