TWI589934B - 光學透鏡 - Google Patents

Description

光學透鏡

本發明係關於一種光學透鏡，尤其關於一種具有繞射光學結構的繞射光學透鏡。

近年來，隨著電子工業的演進以及工業技術的蓬勃發展，各種電子裝置的設計逐漸朝著輕便、易於攜帶的方向發展，以利使用者隨時隨地應用於行動商務、娛樂或休閒等用途。舉例而言，各式各樣的影像擷取裝置正廣泛應用於各種領域，例如智慧型手機、穿戴式電子裝置等可攜式電子裝置，其具有體積小且方便攜帶之優點，使用者得以於有使用需求時隨時取出並進行影像擷取並儲存，或進一步透過行動網路上傳至網際網路之中，不僅具有重要的商業價值，更讓一般大眾的日常生活更添色彩。

有鑑於此，應用於影像擷取裝置之光學鏡頭的體積也日益縮小，不僅其鏡片的厚度要求越來越薄，鏡片的直徑要求也越來越小。請參閱圖1，其為習知光學鏡頭的部分結構剖視圖。從圖1所示的剖視圖可以看出光學鏡頭9的組裝工序繁瑣，例如 組成光學鏡頭9的多個鏡片91皆必須利用額外的結構件92才得以被安裝固定於鏡筒(barrel)93內，又例如鏡筒93內還必須設置雜散光檔消片(stray light baffle)94以避免雜散光通過鏡片91，此些顯然令光學鏡頭9不容易被小型化。此外，由於大多的鏡片91都是透過射出成型的製程所形成，故容易於成型的過程中產生的翹曲變形或殘留應力，此亦增加組裝的困難度。

而特別說明的是，為了提升微小化後之光學鏡頭9的可靠度，有許多與組裝相關的細節更需被納入考量，例如：(1)如何提升被組裝至鏡筒93後之鏡片91的結構強度；(2)如何預先改善或避免鏡片91於成型的過程中所產生的翹曲變形或殘留應力，以利於後續光學鏡頭9的組裝以及避免因折射率被改變所導致的光程變異而造成不必要或突發的像差，以及(3)如何簡化光學鏡頭9的組成結構(如雜散光檔消片93或用以固定鏡片91於鏡筒93的結構件92)，以減少光學鏡頭9的組裝工序。

再者，目前已有一種繞射光學透鏡8(diffractive lens)被提出來應用在光學鏡頭9以提升成像品質，如修正像差(aberration)或消除色散(dispersion)。請參閱圖2與圖3，圖2為習知繞射光學透鏡的外觀結構示意圖，圖3為圖2所示繞射光學透鏡的剖面示意圖。由圖2與圖3所示可知，繞射光學透鏡8的外觀與一般鏡片91的外觀並無太大差異，但其內部形成有用以對通過繞射光學透鏡8之光束進行調變的繞射光柵81，以進而修正像差或消除色散。

惟，上述繞射光學透鏡8僅為單純的鏡片結構，亦即整體結構皆為有效光學運用區，故若是要將繞射光學透鏡8應 用於微小化後的光學鏡頭，則上述與組裝相關的細節依然需被納入考量，例如繞射光學透鏡8須利用額外的結構件才得以被安裝固定於光學鏡頭的鏡筒內。

此外，以往繞射光學透鏡受限於其可用波長範圍，因此在應用上有所侷限。然而，由於目前市場上對深度相機(depth camera)、飛行時間量距相機(time of flight camera,TOF camera)、紅外監視系統(CCTV)以及熱像儀(thermal imager)等光學技術產品日益關注，其市場規模可期，而這些光學技術產品所使用的波長大都在特定波長區間內，故繞射光學透鏡與其應用變得逐漸受到重視。

綜合以上的說明，如何透過對繞射光學透鏡本身的結構與製程進行改良以增加其可用波長範圍以及避免其於成型的過程中產生翹曲變形或殘留應力，同時還能經由這樣的改良簡化光學鏡頭的組成結構以及提升被組裝至鏡筒後之繞射光學透鏡的結構強度，進而便利後續光學鏡頭的組裝與整體效能的提升，已儼然成為一個重要的課題。

本發明之一目的在提供一種具有繞射光學結構以及衍生結構的光學透鏡，且繞射光學結構以及衍生結構是透過壓印製程或噴塗製程而形成於光學透鏡的基材，藉以避免光學透鏡於成型的過程中產生翹曲變形或殘留應力，同時還能因此簡化光學透鏡所應用之裝置的組成結構，進而便利後續的組裝。

於一較佳實施例中，一種光學透鏡，包括：一基材(substrate)，具有一光學運用區以及一衍生運用區，且該衍生運用區位於該光學運用區之外圍；至少一衍生結構，設置於該衍生運用區；以及一繞射光學結構，設置於該光學運用區，並具有至少一微結構圖案，用以供光束通過其中而形成一結構光(structure light)及/或改善至少一光學缺陷。

於一較佳實施例中，該至少一光學缺陷包括像差(aberration)或色散(dispersion)。

於一較佳實施例中，該光學透鏡之一最大厚度係小於0.4公厘(mm)。

於一較佳實施例中，該繞射光學結構、該至少一衍生結構以及該基材中之至少二者之折射率係相差小於5%。

於一較佳實施例中，該繞射光學結構係透過一壓印製程或一噴塗製程而形成於該基材上。

於一較佳實施例中，該至少一衍生結構係透過一壓印製程或一噴塗製程而形成於該基材上。

於一較佳實施例中，該至少一衍生結構係與一鏡筒(barrel)相組裝，且當該至少一衍生結構與該鏡筒相組裝時，該至少一衍生結構用以提升該光學透鏡之一結構強度及/或減少雜散光(stray light)漫射或往該光學運用區之方向入射。

於一較佳實施例中，該至少一衍生結構係包括一雜散光吸收結構。

於一較佳實施例中，該至少一衍生結構係包括一仿 蛾眼結構(Moth-Eye-like Structure)或一類光子晶體(photonic crystal)結構。

於一較佳實施例中，該雜散光吸收結構之一吸收率係大於80%。

於一較佳實施例中，該至少一衍生結構包括複數個衍生結構，且該複數個衍生結構係以該光學透鏡之光軸作為對稱軸呈對稱排列。

於一較佳實施例中，該至少一衍生結構係用以於該光學透鏡被安裝時提供一指向標示。

於一較佳實施例中，光學透鏡係被應用於一移軸光學系統，且該至少一衍生結構包括複數個衍生結構；其中，該複數個衍生結構呈非對稱排列。

於一較佳實施例中，該至少一衍生結構包括複數個凸部，且該複數個凸部係以該光學透鏡之一光心作為中心並週期性地形成在衍生運用區上。

於一較佳實施例中，該基材之一表面係為一平面或一曲面，且該表面上具有該光學運用區以及該衍生運用區。

於一較佳實施例中，該基材係呈一圓形狀或一矩形狀。

於一較佳實施例中，該基材係為一稜鏡(prism)或一多邊形之塊狀物。

於一較佳實施例中，該基材具有至少一穿孔，且該至少一穿孔之周圍具有至少一微結構，以破壞光束於入射至該至少一穿孔之周圍後所產生之邊緣繞射干涉(edge diffraction)。

於一較佳實施例中，該光學透鏡上係塗佈一抗反射膜(anti-reflection coating)以及一高反射膜(high reflection coating)中之至少一者。

於一較佳實施例中，該抗反射膜之一穿透率係大於95%。

1A‧‧‧光學透鏡

1B‧‧‧光學透鏡

1C‧‧‧光學透鏡

1D‧‧‧光學透鏡

1E‧‧‧光學透鏡

1F‧‧‧光學透鏡

9‧‧‧光學鏡頭

11‧‧‧基材

11D‧‧‧基材

11F‧‧‧基材

12‧‧‧衍生結構

12*‧‧‧衍生結構

12D‧‧‧衍生結構

12E‧‧‧衍生結構

13‧‧‧繞射光學結構

13*‧‧‧繞射光學結構

14‧‧‧抗反射膜

15‧‧‧高反射膜

16‧‧‧微結構

91‧‧‧鏡片

92‧‧‧結構件

93‧‧‧鏡筒

94‧‧‧雜散光檔消片

111‧‧‧光學運用區

112‧‧‧衍生運用區

113‧‧‧穿孔

131‧‧‧微結構圖案

圖1：係為習知光學鏡頭的部分結構剖視圖。

圖2：係為習知繞射光學透鏡的外觀結構示意圖。

圖3：係為圖2所示繞射光學透鏡的剖面示意圖。

圖4：係為本發明光學透鏡於一第一較佳實施例之外觀結構示意圖。

圖5：係為圖4所示光學透鏡之基材的上視概念示意圖。

圖6：係為圖4所示光學透鏡的剖視概念示意圖。

圖7：係為本發明光學透鏡於一第二較佳實施例之光學透鏡的側視概念示意圖。

圖8：係為本發明光學透鏡於一第三較佳實施例之光學透鏡的側視概念示意圖。

圖9：係為本發明光學透鏡於一第四較佳實施例之光學透鏡的側視概念示意圖。

圖10：係為本發明光學透鏡於一第五較佳實施例之光學透鏡的上視概念示意圖。

圖11：係為本發明光學透鏡於一第六較佳實施例之光學透鏡的上視概念示意圖。

請參閱圖4~圖6，圖4為本發明光學透鏡於一第一較佳實施例之外觀結構示意圖，圖5為圖4所示光學透鏡之基材的上視概念示意圖，圖6為圖4所示光學透鏡的剖視概念示意圖。光學透鏡1A包括基材(substrate)11、衍生結構12以及繞射光學結構13，基材11可由玻璃材質、塑膠材質或半導體元件所製成，但不以此為限，其一側表面包括光學運用區(有效光學區)111以及衍生運用區112，且衍生運用區112位於光學運用區111之外圍；其中，衍生結構12設置於衍生運用區112，而繞射光學結構13則設置於光學運用區111，並具有微結構圖案131，用以供光束通過其中而形成結構光(structure light)，抑或是用以改善光學缺陷，如修正像差(aberration)或消除色散(dispersion)等。此外，透過設計繞射光學結構13的微結構圖案131還能夠增強光學透鏡1A之可用波長範圍內的光學效能。

此外，雖然圖4~圖6所示之基材11呈一圓板狀，包括有光學運用區111以及衍生運用區112的表面為一平面，且光學運用區111呈一圓形狀，但並不以此為限，例如，包括有光學運用區111以及衍生運用區112的表面亦可為曲面，抑或是可依據實際應用需求而將基材11設計為任一形狀，如矩形板狀、三角錐狀或不規則狀，亦可依據實際應用需求而設計使光學運用區111 呈矩形狀、橢圓形狀或不規則形狀。

再者，於本較佳實施例中，衍生結構12係供與鏡筒(barrel，圖未示)相組裝，進而使得光學透鏡1A可被安裝固定於鏡筒內，這邊所述的鏡筒可為光學透鏡1A所應用之任一裝置的殼體結構，如光學鏡頭的鏡筒，且當光學透鏡1A被安裝固定於鏡筒內時，衍生結構12有助於提升光學透鏡1A的結構強度，並能夠減少雜散光(stray light)漫射或往光學運用區111的方向入射。

較佳者，但不以此為限，衍生結構12還包括吸收率大於80%雜散光吸收結構，如仿蛾眼結構(Moth-Eye-like Structure)及/或類似光子晶體(photonic crystal)的結構，主要是用以吸收不必要的雜散光；其中，當衍生結構12同時包括有仿蛾眼結構以及類似光子晶體的結構時，仿蛾眼結構以及類似光子晶體的結構彼此之間可部份疊合或完全疊合。

又，於本較佳實施例中，繞射光學結構13以及衍生結構12中之至少一者是透過一壓印製程或一噴塗製程而形成於基材11上，且繞射光學結構13以及衍生結構12可視實際應用需求而分別地形成在基材11上，抑或是在一次的壓印製程或噴塗製程而同時地形成於基材11上。特別說明的是，由於繞射光學結構13以及衍生結構12是透過壓印製程或噴塗製程而形成於基材11上，故可使光學透鏡1A的整體厚度有效薄形化，又由於本發明光學透鏡1A並非是透過射出成型的製程所形成，故不容易於成型的過程中產生翹曲變形或殘留應力。

較佳者，但不以此為限，上述壓印製程以及噴塗製程係分別為奈米壓印製程以及奈米噴塗製程，且光學透鏡1A的最 大厚度小於0.4公厘(mm)；其中，繞射光學結構13、衍生結構12以及基材11中任二者的折射率相差應小於5%，以避免通過光學透鏡1A的光束產生不必要的多重反射或折射，藉此降低設計複雜度，並避免雜散光。

此外，有關如何透過設計繞射光學結構13的微結構圖案131而使得通過其中並輸出的結構光符合使用者的需求，且如何透過設計繞射光學結構13的微結構圖案131而改善像差或色散等光學缺陷，以及如何對衍生結構12進行相關的力學分析以進行結構設計，進而使得光學透鏡1A於被安裝固定於鏡筒內時的結構強度得以被提升，皆係為熟知本技藝人士所知悉，故在此即不再予以贅述。

請參閱圖7，其為本發明光學透鏡於一第二較佳實施例之光學透鏡的側視概念示意圖。其中，本較佳實施例之光學透鏡1B大致類似於前述第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第一較佳實施例的不同處在於，光學透鏡1B上還塗佈有抗反射膜(anti-reflection coating)14以及高反射膜(high reflection coating)15，且抗反射膜14位於繞射光學結構13以及高反射膜15之間；其中，抗反射膜14的穿透率大於95%，且繞射光學結構13、抗反射膜14以及高反射膜15三者彼此之間可完全重疊或至少部分重疊，如此一來，當包括有光學透鏡1B的多個光學透鏡被組裝在一起時，可消除或降低整體雜散光以及鬼影。惟，上述僅為一實施例，抗反射膜14的穿透率並不以上述為限，且熟知本技藝人士可依據實際應用需求而均等變更設計繞射光學結構13、抗反射膜14以及高反射膜15的位置關係。

請參閱圖8，其為本發明光學透鏡於一第三較佳實施例之光學透鏡的側視概念示意圖。其中，本較佳實施例之光學透鏡1C大致類似於前述第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第一較佳實施例的不同處在於，基材11之另一側表面亦包括有供另一繞射光學結構13*設置於其上的光學運用區以及供另一衍生結構12*設置於其上的衍生運用區；其中，分別位於基材11之兩側之二繞射光學結構13、13*上的微結構圖案可相同或不同，其係依據實際應用需求而被設計。

請參閱圖9，其為本發明光學透鏡於一第四較佳實施例之光學透鏡的側視概念示意圖。其中，本較佳實施例之光學透鏡1D大致類似於前述第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第一較佳實施例的不同處在於，基材11D係為一稜鏡(prism)，且稜鏡的一表面上亦具有供繞射光學結構13設置於其上的光學運用區以及供衍生結構12D設置於其上的衍生運用區。當然，上述僅為一實施例，基材11D並不以稜鏡為限，基材亦可為任一多邊形的塊狀物。

請參閱圖10，其為本發明光學透鏡於一第五較佳實施例之光學透鏡的上視概念示意圖。其中，本較佳實施例之光學透鏡1E大致類似於前述第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第一較佳實施例的不同處在於，基材11的衍生運用區112上形成有複數個衍生結構12E，且該些衍生結構12係以光學透鏡1E之光軸16作為對稱軸而呈對稱排列；且於本較佳實施例中，該些衍生結構12E係為複數個凸部，且以光學透鏡1E的光心作為中心並週期性地(等間距地)形成在衍 生運用區112上。

惟，上述僅為一實施例，並不以此為限；舉例來說，在特定情況下，如光學透鏡1E是被應用於一移軸光學系統，則該些衍生結構12E可變更設計呈非對稱排列，以進而調整入射至光學透鏡1E之光束中之至少部份光束的光程。

此外，補充說明的是，上述各實施例中的衍生結構還能夠於光學透鏡被安裝時提供指向標示。詳言之，在某些情況下，繞射光學結構是具有方向性，故可因應繞射光學結構的方向性而於衍生結構上的特定處形成標誌，或是因應繞射光學結構的方向性而設計多個衍生結構的排列型態，藉以引導光學透鏡能夠被正確地安裝，進而簡化安裝光學透鏡的工序與工時。

請參閱圖11，其為本發明光學透鏡於一第六較佳實施例之光學透鏡的上視概念示意圖。其中，本較佳實施例之光學透鏡1F大致類似於前述第一較佳實施例中所述者，如基材11F上依然具有供繞射光學結構(圖未示)設置於其上的光學運用區111以及供衍生結構(圖未示)設置於其上的衍生運用區112，故在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第一較佳實施例的不同處在於，基材11F還具有複數個穿孔113，且至少一穿孔113的周圍設置有複數微結構16，藉以破壞光束於入射至該至少一穿孔113之周圍後所產生的邊緣繞射干涉(edge diffraction)。

綜合以上各較佳實施例的說明，本發明光學透鏡具有下述優點：(1)由於繞射光學結構以及衍生結構是透過壓印製程或噴塗製程而形成於基材上，故可使光學透鏡的整體厚度有效薄形化；(2)由於繞射光學結構上之微結構圖案可被設計，故可增強 光學透鏡之可用波長範圍內的光學效能；(3)由於本發明光學透鏡並非是透過射出成型的製程所形成，故不容易於成型的過程中產生翹曲變形或殘留應力，藉以便利後續的組裝以及避免折射率被改變導致光程變異而造成不必要或突發的像差；(4)由於光學透鏡本身即具有可吸收雜散光或減少雜散光漫射的衍生結構，故若將其應用於光學鏡頭中，可替代習知光學鏡頭中的雜散光檔消片(stray light baffle)，進而簡化光學鏡頭的組成結構，以利於微型化光學透鏡，並減少光學鏡頭的組裝工序；(5)由於光學透鏡本身即具有可與所應用之裝置之鏡筒相組裝的衍生結構，故可替代習知裝置中所額外設置用以安裝固定光學透鏡的機構件，因此同樣可簡化光學鏡頭的組成結構，以利於微型化光學透鏡，並減少光學鏡頭的組裝工序；同時，透過對衍生結構進行相關的力學分析以及結構設計，可使得光學透鏡於被安裝固定時的結構強度得以被提升；以及(6)光學透鏡的衍生結構還能夠於光學透鏡被安裝時提供指向標示，以進而簡化安裝光學透鏡的工序與工時。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之申請專利範圍，因此凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含於本案之申請專利範圍內。

1A‧‧‧光學透鏡

11‧‧‧基材

12‧‧‧衍生結構

13‧‧‧繞射光學結構

Claims (18)

1. 一種光學透鏡，包括：一基材(substrate)，其一測表面具有一光學運用區以及一衍生運用區，且該衍生運用區位於該光學運用區之外圍；至少一衍生結構，設置於該衍生運用區，並包括一雜散光吸收結構；其中，該雜散光吸收結構包括一仿蛾眼結構(Moth-Eye-like Structure)或一類光子晶體(photonic crystal)結構；以及一繞射光學結構，設置於該光學運用區，並具有至少一微結構圖案，用以供光束通過其中而形成一結構光(structure light)及/或改善至少一光學缺陷。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該至少一光學缺陷包括像差(aberration)或色散(dispersion)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該光學透鏡之一最大厚度係小於0.4公厘(mm)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該繞射光學結構、該至少一衍生結構以及該基材中之至少二者之折射率係相差小於5%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該繞射光學結構係透過一壓印製程或一噴塗製程而形成於該基材上。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該至少一衍生結構係透過一壓印製程或一噴塗製程而形成於該基材上。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該至少一衍生結構係與一鏡筒(barrel)相組裝，且當該至少一衍生結構與該鏡筒相組裝時，該至少一衍生結構用以提升該光學透鏡之一結構強度及/或減少雜散光(stray light)漫射或往該光學運用區之方向入射。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該雜散光吸收結構之一吸收率係大於80%。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該至少一衍生結構包括複數個衍生結構，且該複數個衍生結構係以該光學透鏡之光軸作為對稱軸呈對稱排列。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該至少一衍生結構係用以於該光學透鏡被安裝時提供一指向標示。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，係被應用於一移軸光學系統，且該至少一衍生結構包括複數個衍生結構；其中，該複數個衍生結構呈非對稱排列。
12. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該至少一衍生 結構包括複數個凸部，且該複數個凸部係以該光學透鏡之一光心作為中心並等間距地形成在衍生運用區上。
13. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該基材之一表面係為一平面或一曲面，且該表面上具有該光學運用區以及該衍生運用區。
14. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該基材係呈一圓形狀或一矩形狀。
15. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該基材係為一稜鏡(prism)或一多邊形之塊狀物。
16. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該基材具有至少一穿孔，且該至少一穿孔之周圍具有至少一微結構，以破壞光束於入射至該至少一穿孔之周圍後所產生之邊緣繞射干涉(edge diffraction)。
17. 如申請專利範圍第1項所述之光學透鏡，其中該光學透鏡上係塗佈一抗反射膜(anti-reflection coating)以及一高反射膜(high reflection coating)中之至少一者。
18. 如申請專利範圍第17項所述之光學透鏡，其中該抗反射膜之一穿透率係大於95%。