透明凸肋结构、复合光学棱镜与形成光学棱镜的方法与流程

本发明大致上涉及一种透明凸肋结构、复合光学棱镜与形成光学棱镜的方法。特定言之，本发明特别针对以阶段式聚合步骤的方法，最后一起建立出光学棱镜中的基材与多个棱峰，而得到可以作为整合式光学棱镜用的透明凸肋结构，以及形成此光学棱镜的方法。

背景技术：

棱镜是一种透明的光学元件，是由两个或两个以上的折射平面构成的透明元件，通常是指截面为特定几何形状的柱状光学透镜。棱镜通过抛光后平坦的表面折射光线，当光线穿透棱镜时，由于色散作用导致颜色分离为光谱中的颜色，棱镜也可以用来反射或分裂成不同的偏振光。最常见的棱镜为三棱镜，这是一种截面为三角形的柱状透镜，长方形为三个面所组成的三棱峰。棱镜的基本功能有二，一种是使光线发生折射；另一种是产生色散效果。

在现有制作棱镜片的过程中，会遇到聚合反应后气泡累积在棱镜尖端附近的瑕疵。图9绘示在现有技艺光学棱镜中，棱镜尖端有气泡的瑕疵。由图9的观察可以知道，因为气泡累积在棱镜的尖端，导致光学棱镜整体的光学品质劣化。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种透明凸肋结构、复合光学棱镜与形成光学棱镜的方法。由于本发明形成光学棱镜的方法，无论是所得到的棱峰或是角形凸肋中，既没有空穴或是气泡的残留，分段式的聚合步骤也不会在基材与棱峰或是角形凸肋之间产生光学上的介面。这样一来，就会使得本发明所提出的透明凸肋结构或是复合光学棱镜，同时兼具简单的制作过程与绝佳的光学品质，于是本发明的透明凸肋结构或是复合光学棱镜，自然极具光学棱镜产品上进步性的价值。

本发明在第一方面提出了一种透明凸肋结构。本发明的透明凸肋结构，包含基材、第一角形凸肋、第二角形凸肋与第一凹谷。基材对于预定光源具有高穿透性。第一角形凸肋具有第一顶角与第一高度，并自基材垂直延伸。第一角形凸肋对于基材具有相异的聚合性质。第二角形凸肋具有第二顶角与第二高度，并自基材垂直延伸。第二角形凸肋与第一角形凸肋的聚合性质相同。位于基材上以及第一角形凸肋与第二角形凸肋间的第一凹谷，使得透明凸肋结构成为整合式光学棱镜。

在本发明一实施方式中，透明凸肋结构，还包含玻璃底材，使得基材夹置于玻璃底材与第一凹谷之间。

在本发明另一实施方式中，基材、第一角形凸肋与第二角形凸肋的高分子材料为同系物。

在本发明另一实施方式中，基材、第一角形凸肋与第二角形凸肋分别具有实质上相同的折射率。

在本发明另一实施方式中，聚合性质选自由聚合度、统计平均分子量、玻璃转化温度与结晶熔化温度所组成的群组。

在本发明另一实施方式中，第一顶角与第二顶角具有相同的角度。

在本发明另一实施方式中，第一高度与第二高度不相同。

在本发明另一实施方式中，透明凸肋结构，还包含：

一第三角形凸肋，自基材垂直延伸，而使得一第二凹谷位于基材上以及位于第三角形凸肋与第二角形凸肋之间。

本发明在第二方面又提出了一种复合光学棱镜。本发明的复合光学棱镜，包含基材、第一棱峰、第二棱峰与第一凹谷。基材对于预定光源具有高穿透性。第一棱峰位于基材上并具有第一顶角与第一高度。第一棱峰与基材间具有第一介面。第二棱峰位于基材上并具有第二顶角与第二高度。第二棱峰与基材间具有第二介面。第一凹谷位于基材上以及第一棱峰与第二棱峰之间。

在本发明一实施方式中，复合光学棱镜，还包含玻璃底材，使得基材夹置于玻璃底材与第一凹谷之间。

在本发明另一实施方式中，第一介面与第二介面分别为一高分子材料介面，高分子材料介面两侧分别具有不同之一种高分子性质。

在本发明另一实施方式中，高分子性质选自由聚合度、统计平均分子量、玻璃转化温度与结晶熔化温度所组成的群组。

在本发明另一实施方式中，基材、第一棱峰与第二棱峰分别具有实质上相同的折射率，使得第一介面与第二介面都不是一种光学性质差异介面。

在本发明另一实施方式中，第一顶角与第二顶角具有相同的角度。

在本发明另一实施方式中，第一高度与第二高度不同。

在本发明另一实施方式中，复合光学棱镜，还包含：

一第三棱峰，位于基材上，而使得一第二凹谷位于基材上以及位于第三棱峰与第二棱峰之间。

本发明在第三方面另提出了一种形成光学棱镜的方法。首先，提供具有第一柱状凹槽与第二柱状凹槽的模板。其次，在第一柱状凹槽与第二柱状凹槽中分别填满第一可聚合材料，但使得第一可聚合材料不会串连第一柱状凹槽与第二柱状凹槽。然后，进行预聚合步骤，使得第一柱状凹槽与第二柱状凹槽中的第一可聚合材料成为预聚合材料。继续，再次涂布第二可聚合材料，使得第二可聚合材料同时接触第一柱状凹槽中与第二柱状凹槽中的预聚合材料。接着，将玻璃底材盖在第二可聚合材料上。再来，进行终聚合步骤，而使得预聚合材料与第二可聚合材料一起聚合，而分别成为第一终聚合材料与第二终聚合材料，即得到光学棱镜。位于第一柱状凹槽中与第二柱状凹槽中的预聚合材料，与第二可聚合材料一起聚合后，分别产生第一介面与第二介面。

在本发明一实施方式中，第一终聚合材料与第二终聚合材料分别具有不同的高分子性质，此高分子性质选自由聚合度、统计平均分子量、玻璃转化温度与结晶熔化温度所组成的群组。

在本发明另一实施方式中，预聚合材料与可聚合材料一起聚合后分别具有实质上相同的折射率，使得第一介面与第二介面为高分子材料介面，而非光学性质差异介面。

在本发明另一实施方式中，第一柱状凹槽具有一第一底角，第二柱状凹槽具有第二底角，且第一底角与第二底角具有相同的角度。

在本发明另一实施方式中，第一柱状凹槽的深度与第二柱状凹槽的深度不相同。

在本发明另一实施方式中，形成光学棱镜的方法，还包含：

模板具有第三柱状凹槽，使得经过终聚合步骤后，位于第三柱状凹槽中的第三终聚合材料与该第二终聚合材料一起界定第三介面。

附图说明

图1至图6绘示本发明方法的例示性流程。

图1a绘示图1的侧视图。

图2a绘示图2的侧视图。

图3a绘示图3的侧视图。

图4a绘示图4的侧视图。

图5a绘示图5的侧视图。

图6a绘示图6的侧视图。

图7绘示本发明的复合光学棱镜的示意图。

图8绘示本发明的复合光学棱镜中，某一棱峰的上视照片。

图9绘示在现有技艺光学棱镜中，棱镜尖端有气泡的瑕疵。

【符号说明】

100复合光学棱镜/透明凸肋结构

101第一光学区域

102第二光学区域

105模板

106平面

110第一柱状凹槽

111第一顶角

112第一深度/高度

113第一介面

115第一棱峰/第一角形凸肋

120第二柱状凹槽

121第二顶角

122第二深度/高度

123第二介面

125第二棱峰/第二角形凸肋

130第三柱状凹槽

131第三顶角

132第三深度/高度

133第三介面

135第三棱峰/第三角形凸肋

140第四柱状凹槽

141第四顶角

142第四深度/高度

143第四介面

145第四棱峰

150可聚合材料

151第一终聚合材料/第三终聚合材料

159预聚合材料

160可聚合材料

161第二终聚合材料基材

170底材

181第一凹谷

182第二凹谷

183第三凹谷

d1距离

d2距离

d3距离

具体实施方式

本发明首先提供一种形成光学棱镜的方法。用这种方法所形成的光学棱镜，还可以作为整合式光学棱镜用的透明凸肋结构。

图1至图6绘示本发明方法的例示性流程。请参阅图1，首先，使用模板105来制作光学棱镜。所使用的模板105具有一整片平面106与位于平面中的多个柱状凹槽，例如第一柱状凹槽110与第二柱状凹槽120。第一柱状凹槽110与第二柱状凹槽120在平面106上彼此平行延伸。图1绘示本发明模板105的示意图。模板105的形状可以是圆形、椭圆形或是矩形，模板105所使用的材料可以是塑类材料。柱状凹槽的宽度可以相同或不同，例如柱状凹槽的宽度可以介于0.03公厘～1.00公厘间。

图1a绘示图1的侧视图。请分别参阅图1与图1a，较佳者，模板105的同一平面106还可以安排有更多的柱状凹槽，例如第三柱状凹槽130、第四柱状凹槽140或是更多的柱状凹槽。本发明以各图中所绘示的第一柱状凹槽110、第二柱状凹槽120、第三柱状凹槽130与第四柱状凹槽140等四者作为非限制性的范例。第三柱状凹槽130与第四柱状凹槽140，也与第一柱状凹槽110以及第二柱状凹槽120一样是彼此平行延伸。

每一个柱状凹槽都有自己的顶角与深度。例如，第一柱状凹槽110具有第一顶角111与第一深度112、第二柱状凹槽120具有第二顶角121与第二深度122、第三柱状凹槽130具有第三顶角131与第三深度132、又第四柱状凹槽140具有第四顶角141与第四深度142。依光学棱镜的规格需求而定，不同的柱状凹槽的顶角与深度可以相同也可以不同。例如，柱状凹槽顶角的角度范围可以介于20度～70度之间，深度可以介于0.1公厘～1.0公厘之间，深宽比可以为1:1～1:3。图1a绘示第一柱状凹槽110、第二柱状凹槽120、第三柱状凹槽130与第四柱状凹槽140的顶角相同，第一柱状凹槽110与第二柱状凹槽120的深度同为200微米，第三柱状凹槽130与第四柱状凹槽140的深度同为400微米。

换言之，第一柱状凹槽110与第二柱状凹槽120可以视为位于第一光学区域中故具有相同的光学参数，而第三柱状凹槽130与第四柱状凹槽140则可以视为位于邻近第一光学区域的第二光学区域中，故具有相异的光学参数。因为模板105的平面106可以同时容纳光学参数相异的多组光学区域，所以不同柱状凹槽间的距离d也可以相同或是不同。不同柱状凹槽间的距离d可以介于2公厘～15公厘之间。例如，第一柱状凹槽110与第二柱状凹槽120间的距离d1、第二柱状凹槽120与第三柱状凹槽130间的距离d2、第三柱状凹槽130与第四柱状凹槽140间的距离d3可以视情况需要调整而为相同或是不同。图1a绘示d1<d2<d3。

其次，请参阅图2，分别独立地在各别柱状凹槽中填满可聚合材料150，例如分别独立地在第一柱状凹槽110、第二柱状凹槽120、第三柱状凹槽130与第四柱状凹槽140中填满可聚合材料150以点胶器(图未示)注入。较佳者，因为是分别独立地在各别柱状凹槽中填满可聚合材料150，所以可聚合材料150只会单纯地填入各别柱状凹槽中，但是不会将各柱状凹槽串连，或是称为连通，在一起。图2a绘示图2的侧视图。可聚合材料150至少要填平各柱状凹槽，较佳者，可聚合材料150还可以填满各别柱状凹槽形成凸面。图2a绘示可聚合材料150平填在第一柱状凹槽110与第二柱状凹槽120中，而可聚合材料150填满第三柱状凹槽130与第四柱状凹槽140。但是请注意，不要将可聚合材料150满溢出各柱状凹槽，使得可聚合材料150将柱状凹槽连通在一起。

可聚合材料150为一种有机的，可进行聚合反应的液体。可进行的聚合反应可以是，阴离子聚合反应、阳离子聚合反应、自由基聚合反应或是缩合聚合反应。可聚合材料150较佳为液体，所以可聚合材料150才会很容易就能完全填入柱状凹槽中而不会留下空隙。更佳者，可聚合材料150在完全聚合后体积的缩小率愈小愈理想。可聚合材料150可以是光学塑材，并包含适当的聚合起始剂，例如darocur。可聚合材料150的粘度可以是介于10cp～20000cp之间。

然后，请参阅图3，进行预聚合步骤，使得第一柱状凹槽110、第二柱状凹槽120、第三柱状凹槽130与第四柱状凹槽140中填满的可聚合材料150，经由不完全的聚合反应聚合成为预聚合材料。进行的预聚合步骤一定是不完全的聚合反应，要使得可聚合材料150不完全地聚合成预聚合材料159，所以预聚合材料159较佳为由相对较少的重复单元所结合而成的聚合物，即寡聚物(oligomer)。不完全聚合的预聚合材料159较佳不是固体，而是粘度较原先可聚合材料150的粘度还要高的高粘度液体。图3a绘示图3的侧视图。

建议依据可聚合材料150的化学性质，来决定如何进行预聚合步骤的不完全聚合反应。例如，可以以热或是光来进行预聚合步骤的不完全聚合反应。例如，如果可聚合材料150以热来进行预聚合步骤的不完全聚合反应，可聚合材料150可以处于约3分钟～30分钟的时间升温至约150℃。要不然，如果可聚合材料150以光来进行预聚合步骤的不完全聚合反应，可聚合材料150可以处于能量密度约为1焦耳/平方公分～6焦耳/平方公分，365纳米的紫外光下约2分钟～10分钟时间。或是，也可以利用增加照度、能量或者是持温时间，例如时间法、吸光法来决定预聚合步骤的反应终点。例如，确认产品形状不再变化以确认反应终点。

继续，请参阅图4，再次将可聚合材料160以点胶器(图未示)注入并进行压合，涂布在模板105的平面106上，使得第二可聚合材料160同时接触所有的柱状凹槽中的预聚合材料159。第二可聚合材料160涂布平整之后的厚度可以介于60微米～400微米之间。图4a绘示图4的侧视图。可聚合材料160如同可聚合材料150，也是一种可进行聚合反应的液体。可聚合材料150与可聚合材料160可以是相同的，可进行聚合反应的液体。或是视情况需要，可聚合材料150与可聚合材料160也可以是不同的，可进行相同聚合条件的液体。可聚合材料160可以参阅前述可聚合材料150的说明内容。

接着，请参阅图5，将视情况需要的玻璃底材170盖在尚未聚合过、仍是液态的第二可聚合材料160上。玻璃底材170可以是光学玻璃或工业玻璃，厚度可以是介于200微米～1300微米之间。图5a绘示图5的侧视图。如果不使用玻璃底材170，则继续进入下一个步骤。

再来，请参阅图6，在不完全的聚合反应之后又再度进行另一次的聚合反应，称为终聚合步骤。但是与预聚合步骤所代表的不完全聚合反应所不同的是，终聚合步骤一定是进行一个完全的聚合反应过程。在经过终聚合步骤之后，预聚合材料159与第二可聚合材料160就会一起聚合，但是预聚合材料159成为第一终聚合材料151，第二可聚合材料160则成为第二终聚合材料161，第三柱状凹槽130中有第三终聚合材料151。此时，第一终聚合材料151、第二终聚合材料161与视情况需要的玻璃底材170一起构成了作为光学棱镜用的透明凸肋结构，而得到本发明所提供的复合光学棱镜100。第一终聚合材料151、第二终聚合材料161与视情况需要的玻璃底材170对于一预定光源都具有高穿透性。

图6a依据图6所绘示的侧视图。在本发明的一项特征中，位于各柱状凹槽中的预聚合材料159，与第二可聚合材料160一起聚合后，分别产生第一介面113与第二介面123。在本发明的一项特征中，第一介面113与第二介面123是一种材料性质的介面，而不是一种光学性质差异介面。换句话说，第一终聚合材料151与第二终聚合材料161具有实质上相同的折射率，也就是说第一终聚合材料151与第二终聚合材料161折射率的差异，小到可以忽略不计或是观察不到。较佳者，第一终聚合材料151与第二终聚合材料161具有相同的折射率，因此在第一介面113与第二介面123之间，不视为存在有光学性质，例如折射率或是反射面，上的差异，而是视为材料性质上的差异。类似地，位于第三柱状凹槽130中的第一终聚合材料151与该第二终聚合材料161，经过终聚合步骤后一起界定第三介面133。又位于第四柱状凹槽140中的第一终聚合材料151与该第二终聚合材料161，经过终聚合步骤后一起界定第四介面143。

也就是说，位于各柱状凹槽中的预聚合材料159与第二可聚合材料160，在聚合后所分别产生第一介面113、第二介面123、第三介面133与第四介面143，分别分隔了不同高分子性质的高分子材料介面。由于在终聚合步骤之前，预聚合材料159与第二可聚合材料160的起始状态，例如粘度、聚合度、化学性质或是主炼长度，可能不同，于是造成了在各自完全聚合后，第一终聚合材料151与第二终聚合材料161各自具有不同的高分子性质。在本发明一实施方式中，第一介面113、第二介面123、第三介面133与第四介面143间所分隔的高分子性质，可以是聚合度、统计平均分子量、分散度、玻璃转化温度与结晶熔化温度其中的至少一者。

由于聚合物(polymer)，亦称为高分子，通常是一群分子量不同或是结构形态不同的同系物(ahomologueinhomologousseries)，的混合物，所以在此所指聚合物的聚合度(degreeofpolymerization)，是指聚合物中同系物的平均聚合度，可以以统计平均值来表示。同系物分子量的统计平均值，则称为统计平均分子量。目前已知有多种不同的方法，可以用来计算聚合物的统计平均分子量。例如，端基分析法、沸点上升法、凝固点下降法、蒸气压下降法、渗透压法、光散射法、粘度法、超速离心沉淀法、扩散法、电子显微镜法或凝胶渗透色谱法…等等。所得到的统计平均分子量，可以是数量平均分子量(mn)、重量平均分子量(mw)、黏度平均分子量(mη)、或是z均分子量(z-averagemolecularweight,mz)。视情况需要，非平均分子量的峰值分子量(peakmolecularweight,mp)也适用。不同的统计分子量都有各自优缺点和适用的分子量范围，同时各种不同的方法所得到的分子量的统计平均值也不尽相同。前述高分子性质、聚合物的统计平均分子量与其计算方法，为本领域一般技艺人士在进行本发明预聚合步骤与终聚合步骤时所具备的背景知识，以利本领域的一般技艺人士决定如何适当实施本发明。

如图7所绘示，将上述的第一终聚合材料151、第二终聚合材料161与视情况需要的玻璃底材170脱模后，就得到本发明所提供的复合光学棱镜100，也是作为光学棱镜用的透明凸肋结构，包含视情况需要的底材170(matrix)、基材160(substrate)、第一棱峰(亦称为第一角形凸肋)115、第二棱峰(亦称为第二角形凸肋)125与第一凹谷181。视情况需要的底材171对于预定光源具有高穿透性。视情况需要的底材170可以为一整片，定义不同光学区域的玻璃底材，使得基材161夹置于底材170与第一凹谷181之间。

第一棱峰115，也就是第一角形凸肋，具有第一顶角111与第一高度112。第一棱峰115的第一顶角111与第一高度112，即界定了第一棱峰115的光学性质。例如，第一顶角111的角度范围可以介于20度～50度之间，第一高度112可以介于0.1微米～1.0微米之间，深宽比可以介于1:1～1:3之间。第一棱峰115即位于基材160上并自基材160向上延伸，例如，向上垂直延伸。第一棱峰115与基材160各自为一种高分子聚合物，但是因为各自具有相异的聚合性质，所以第一棱峰115与基材160间具有第一介面113。

第二棱峰125，也就是第二角形凸肋，具有第二顶角121与第二高度122。第二棱峰125的第二顶角121与第二高度122，即界定了第二棱峰125的光学性质，图7绘示第一棱峰115与第二棱峰125一起位于第一光学区域101中。例如，第二顶角121的角度范围可以介于20度～50度之间，第二高度122可以介于0.1微米～1.0微米之间，深宽比可介于1:1～1:3之间。第二棱峰125即位于基材160上并自基材160向上延伸，例如，向上垂直延伸。

第一棱峰115与第二棱峰125为相同的高分子聚合物，所以彼此的聚合性质相同。虽然第二棱峰125与基材160各自为一种高分子聚合物，但是因为各自具有相异的聚合性质，所以第二棱峰125与基材160间具有第二介面123。

视情况需要，基材160上还可以有第三棱峰135与第四棱峰145。类似地，第三棱峰135，也就是第三角形凸肋，有第三顶角131与第三高度132，第四棱峰145有第四顶角141与第四高度142。第三棱峰135与基材160各自为一种高分子聚合物，但是因为各自具有相异的聚合性质，所以第三棱峰135与基材160间具有第三介面133。第四棱峰145与基材160也各自为一种高分子聚合物，但是因为各自具有相异的聚合性质，所以第四棱峰145与基材160间也具有第四介面143。图7绘示第三棱峰135与第四棱峰145一起位于与第一棱峰115与第二棱峰125的第一光学区域101不同的第二光学区域102中，所以尽管其角度相同，但是其高度不同。

基材160与各棱峰具有实质上相同的折射率，也就是说，各棱峰的第一终聚合材料151与基材160的第二终聚合材料161的折射率差异，小到可以忽略不计或是观察不到。较佳者，第一终聚合材料151与第二终聚合材料161具有相同的折射率，因此在第一介面113、第二介面123、第三介面133与第四介面143之间，不视为存在有光学性质，例如折射率或是反射面，上的差异，而是视为材料性质上的差异，因此各介面不视为是一种光学性质差异介面，而是一种材料性质的介面。

虽然基材160、第一棱峰115与第二棱峰125的高分子材料为同系物，但是第一介面113、第二介面123、第三介面133与第四介面143间却分隔了不同的高分子性质。也就是说，高分子材料介面两侧分别具有不同的高分子性质。在本发明一实施方式中，第一介面113、第二介面123、第三介面133与第四介面143间所分隔的高分子性质，可以是聚合度、统计平均分子量、分散度、玻璃转化温度与结晶熔化温度其中的至少一者。高分子性质的细节请参阅前述内容。

在基材上、以及第一棱峰115与第二棱峰125之间则另具有梯形的第一凹谷181。第一凹谷180的尺寸系由棱峰的顶角与间距d1所决定，也是本发明整合式光学棱镜的光学性质之一。类似地，第二棱峰125与第三棱峰135之间有梯形的第二凹谷182。第三棱峰135与第四棱峰145之间有梯形的第三凹谷183。请注意，第二凹谷182位在第一光学区域101与第二光学区域102的边界上，既不属于第一光学区域101，也不属于第二光学区域102。复合光学棱镜100中，棱峰的间隔、顶角与高度，需要经由不断的实验来找出最适合于光学棱镜的尺寸。

图8绘示本发明的复合光学棱镜100中，某一棱峰的上视照片。由图8观察可以知道，由本发明方法所制得的复合光学棱镜，其中棱峰的光学性质优良又不含气泡。于是本发明所提供的的透明凸肋结构或是复合光学棱镜，因此自然极具光学棱镜产品上进步性的价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。