菲涅尔透镜及其制造方法与装置 【技术领域】
本发明涉及一种透镜，尤其涉及一种菲涅尔透镜及制造菲涅尔透镜的方法与装置。
背景技术
请参阅图15，菲涅尔透镜(Fresnel Lens)7具有一般透镜的光学功能，且体积与重量比一般透镜小，从而取代一般的透镜。菲涅尔透镜7主要应用在需要透镜面积大，但希望透镜重量小的产品上，例如，灯塔投射导航光源、投影仪的镜头、背投影显示器的屏幕、轻便型的放大镜等。现今的菲涅尔透镜7大多由单一的玻璃材质或是塑料材质所形成。
玻璃材质的菲涅尔透镜7与塑料材质的菲涅尔透镜7可做不同用途，例如，当通过菲涅尔透镜7的光线强度较高，或置于户外需要高耐候特性时，一般使用较稳定的玻璃材质菲涅尔透镜7。玻璃材质的菲涅尔透镜7采用传统研磨方式组装，或直接加工成型，或者使用模造技术制作，但是，玻璃的高硬度与高成型温度，使得其制作成本偏高，并有制作面积的限制，所以小型的玻璃材质菲涅尔透镜7大多由模造技术制成，而大型的玻璃材质菲涅尔透镜7多以拼接多个透镜的方式制成。
当通过菲涅尔透镜7的光线强度低，或置于室内，需要轻薄的体积或低成本时，一般使用塑料材质的菲涅尔透镜7。塑料材质的菲涅尔透镜7大多以射出、直接加工、压模、滚压与模注等方式制作完成，具有较低的制作成本。
由于太阳能应用的快速发展，太阳能集光模块在太阳能应用中具有重要的地位。例如，在太阳能发电系统中，具有耐候性的大型菲涅尔透镜7为太阳能集光模块必备的集光元件。但是玻璃材质的菲涅尔透镜7有成本偏高与制造难度偏高等问题。在强光投影的应用上，选用菲涅尔透镜7时也有与太阳能集光模块相同的需求，在强光灯源的投射照明或高亮度光源的导光照明需求下，必须采用玻璃材质的菲涅尔透镜7以符合强光投影的高光强度需求。所以，如何制造具备低成本与高耐候性的菲涅尔透镜为目前透镜制造商必须解决的问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种低成本及高耐候性的菲涅尔透镜。
为达到上述目的，本发明所提供的菲涅尔透镜包括一玻璃材质的基板和一菲涅尔结构，菲涅尔结构由可塑性材质一体成型于基板上。所以，菲涅尔透镜具有塑料透镜的低成本及玻璃透镜的高耐候性等优点。
本发明的另一目的在于提供一种上述菲涅尔透镜的制造方法。
为达到上述目的，本发明所提供的菲涅尔透镜制造方法包括以下步骤：
步骤一：加注可塑性材料于成型装置中，使可塑性材料与一基板贴合；
步骤二：固化可塑性材料，以形成一菲涅尔结构；及
步骤三：分离成型装置，于基板上一体成型出菲涅尔结构，从而形成菲涅尔透镜。
本发明的再一目的在于提供一种应用于上述制造方法的制造装置。
为达到上述目的，本发明所提供的菲涅尔透镜制造装置具有连接菲涅尔透镜的基板的成型装置，成型装置设有对应于菲涅尔透镜的菲涅尔结构的成型部。
本发明菲涅尔透镜可通过成型装置于玻璃材质基板上一体成型出塑料材质菲涅尔结构，使菲涅尔透镜具有塑料透镜的低成本及玻璃透镜的高耐候性等优点。
【附图说明】
图1为本发明菲涅尔透镜的结构剖面图。
图2为本发明菲涅尔透镜制造方法第一实施例地步骤示意图。
图3为本发明菲涅尔透镜制造方法第一实施例的步骤流程图。
图4为本发明菲涅尔透镜制造方法第二实施例的步骤示意图。
图5为本发明菲涅尔透镜制造方法第二实施例的步骤流程图。
图6为本发明菲涅尔透镜制造方法第三实施例的步骤示意图。
图7为本发明菲涅尔透镜制造方法第三实施例的步骤流程图。
图8为本发明菲涅尔透镜制造方法第三实施例所使用成型装置的示意图。
图9为本发明菲涅尔透镜制造方法第四实施例的步骤示意图。
图10为本发明菲涅尔透镜制造方法第四实施例的步骤流程图。
图11为本发明成型装置的第一成型板的示意图。
图12为本发明成型装置的第一成型板的局部放大图。
图13为本发明成型装置的第二成型板的示意图。
图14为本发明成型装置的第二成型板的局部放大图。
图15为本发明一般菲涅尔透镜的结构剖面图。
其中，附图标记说明如下：
菲涅尔透镜1 基板10
菲涅尔结构11 模具2
菲涅尔形模穴20 通道21
可塑性材料3 环形衬套4
第一成型板5 菲涅尔形凹槽50
斜边51 第二成型板6
半菲涅尔形凹槽60 弧形侧边61
一般菲涅尔透镜7
【具体实施方式】
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下特例举实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，本发明菲涅尔透镜1设有基板10与菲涅尔结构11，基板10由玻璃材料制成，菲涅尔结构11由可塑性材料制成，且一体成型于基板10表面，菲涅尔结构11的厚度可小于2.5毫米。本发明菲涅尔透镜1的主体为玻璃材质的基板10，而菲涅尔结构11由可塑性材料制成，所以可直接制作出中、小面积的菲涅尔透镜1，也可以分区分时的方式制作出大面积的菲涅尔透镜1，所以本发明菲涅尔透镜1具有塑料透镜的低成本及玻璃透镜的高耐候性等优点。
本发明菲涅尔透镜1的基板10可为平面板、楔形平板、凸面板、凹面板或其组合。菲涅尔结构11可经由加入热固性可塑性材料或是光固性可塑性材料于成型装置内，成型装置的成型部将可塑性材料成型为菲涅尔结构，经过固化后，菲涅尔结构可一体成型于基板10上。热固性可塑性材料可为硅胶，光固性可塑性材料可为环氧基树脂或为压克力树脂。
请参阅图2与图3，图2为本发明菲涅尔透镜1制造方法第一实施例的步骤示意图，图3为本发明菲涅尔透镜1制造方法第一实施例的步骤流程图。本实施例中，成型装置为模具2，成型部为模具2的菲涅尔形模穴20，菲涅尔透镜1制造方法包括以下步骤：
步骤一：固定模具2；
步骤二：加入可塑性材料3于菲涅尔形模穴20内，使可塑性材料3填满菲涅尔形模穴20；
步骤三：覆盖基板10于菲涅尔形模穴20上，使基板10与可塑性材料3相互贴合；
步骤四：固化可塑性材料3，以形成菲涅尔结构11；
步骤五：分离模具2，于基板10上一体成型出菲涅尔结构11，从而形成菲涅尔透镜1。
本实施例中，固化方式依照可塑性材料3的特性采用加热固化或照射紫外光固化。上述制造方法可于真空腔内实施，以避免基板10盖合于菲涅尔形模穴20时，基板10与可塑性材料3之间产生气泡。
请参阅图4与图5，图4为本发明菲涅尔透镜1制造方法第二实施例的步骤示意图，图5为本发明菲涅尔透镜1制造方法第二实施例的步骤流程图。本实施例中，成型装置为模具2与环形衬套4，成型部为模具2的菲涅尔形模穴20，菲涅尔透镜1的制造方法包括以下步骤：
步骤一：固定基板10；
步骤二：设置环形衬套4于基板10上；
步骤三：加入可塑性材料3于基板10与环形衬套4所形成的开放空间内；
步骤四：使模具2与环形衬套4相互接合，同时使可塑性材料3填满基板10与菲涅尔形模穴20所形成的封闭空间；
步骤五：固化可塑性材料3，以形成菲涅尔结构11；
步骤六：分离模具2与环形衬套4，于基板10上一体成型出菲涅尔结构11，从而形成菲涅尔透镜1。
在具体实施时，可选用不同尺寸的环形衬套4及相配合的模具2制作出不同尺寸的菲涅尔透镜1。上述制造方法中，固化步骤可根据可塑性材料3的特性采用加热固化方式或照射紫外光固化方式。上述制造方法可于真空腔内实施，以避免模具2与环形衬套4及基板10互相接合时，于菲涅尔形模穴20与可塑性材料3之间产生气泡。
请参阅图6至图8，图6为本发明菲涅尔透镜1制造方法第三实施例的步骤示意图，图7为本发明菲涅尔透镜1制造方法第三实施例的步骤流程图，图8为本实施例中模具通道的示意图。本实施例中，成型装置为模具2，成型部为模具2的菲涅尔形模穴20，菲涅尔透镜1制造方法包括以下步骤：
步骤一：结合基板10与模具2，使基板10与菲涅尔形模穴20形成封闭空间，模具2设有贯通菲涅尔形模穴20的通道21；
步骤二：经由通道21加入可塑性材料3，使可塑性材料3填满基板10与菲涅尔形模穴20形成的封闭空间；
步骤三：固化可塑性材料3，以形成菲涅尔结构11；及
步骤四：分离模具2，于基板10上一体成型出菲涅尔结构11，从而形成菲涅尔透镜1。
本制造方法中，可塑性材料加入时可采用高压注入或是真空吸引的方式使可塑性材料填满基板与菲涅尔形模穴形成的封闭空间。
请参阅图9至图14，图9为本发明菲涅尔透镜1制造方法第四实施例的步骤示意图，图10为本发明菲涅尔透镜1制造方法第四实施例的步骤流程图，图11为本实施例中所采用的第一成型板的示意图，图12为第一成型板的局部放大图，图13为本实施例中所采用的第二成型板的示意图，图14为第二成型板的局部放大图。本实施例中，成型装置为第一成型板5与环形衬套4，成型部为第一成型板5的菲涅尔形凹槽50，菲涅尔透镜1制造方法包括以下步骤：
步骤一：固定基板10；
步骤二：设置环形衬套4于基板10上；
步骤三：加入可塑性材料3于基板10与环形衬套4所形成的开放空间内；
步骤四：固化可塑性材料3，使可塑性材料3形成半固化状；
步骤五：使第一成型板5侧面的菲涅尔形凹槽50压入半固化状的可塑性材料3中；
步骤六：旋转第一成型板5，并持续固化半固化状的可塑性材料3，以形成菲涅尔结构11；
步骤七：分离第一成型板5与环形衬套4，于基板10上一体成型出菲涅尔结构11，从而形成菲涅尔透镜1。
本实施例中，第一成型板5的长度为菲涅尔透镜1的菲涅尔结构11的直径长度，第一成型板5的菲涅尔形凹槽50对应于菲涅尔透镜1的菲涅尔结构11的整体横切面形状，菲涅尔形凹槽50的顶部设有斜边51。当第一成型板5旋转时，菲涅尔形凹槽50顶部的斜边51抵压可塑性材料3，使可塑性材料3成型出菲涅尔结构11。
本实施例中，第二成型板6可取代第一成型板5使可塑性材料3成型为菲涅尔结构11，第二成型板6侧面设有半菲涅尔形凹槽60，第二成型板6的长度为菲涅尔透镜1的菲涅尔结构11的半径长度，第二成型板6的半菲涅尔形凹槽60对应于菲涅尔透镜1的菲涅尔结构11的半个横切面形状，半菲涅尔形凹槽60的顶部具有弧形侧边61。当第二成型板6旋转时，半菲涅尔形凹槽60顶部的弧形侧边61抵压可塑性材料3，使可塑性材料3成型为菲涅尔结构11。
本发明的菲涅尔透镜1可应用于太阳能集光模块中，经由较大面积菲涅尔透镜将入射太阳光集中于较小面积的高转换效能的太阳电池，使太阳电池能接收较本身面积大数倍面积的太阳能，配合高光电转换效率的太阳电池，可更有效地产出电力。本发明菲涅尔透镜1也可运用于吸热管系统中，经由菲涅尔透镜会聚太阳光能量至吸热管，使吸热管接收较本身面积大数倍面积的太阳能，以提高吸热管内流体的温度，提升温度的流体可运用至热能发电、暖气设备及热水设备等，可大幅度增加其效能。
本发明的菲涅尔透镜1通过成型装置，例如模具2、环形衬套4与第一成型板5，由基板10一体成型出菲涅尔结构11，可直接制作出中、小面积的菲涅尔透镜1，或以分区分时的方式制作出大面积的菲涅尔透镜1，使菲涅尔透镜1具有塑料透镜的低成本及玻璃透镜的高耐候性等优点。