[發(fā)明專利]電磁輻射散射元件

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201480010441.8
• 申請(qǐng)日: 2014-02-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105074511A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-11-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 漢斯-克里斯托弗·埃克斯坦;烏維·澤伊特納
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 弗勞恩霍弗應(yīng)用技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G02B5/18
• 分類號(hào): G02B5/18;G02B27/09;G02B5/02
• 代理公司: 北京同達(dá)信恒知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11291
• 代理人: 黃志華;何月華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件，該光學(xué)元件漫散射電磁輻射。該光學(xué)元件實(shí)際上可以用在所有的投影應(yīng)用(例如正面投影和背面投影)、顯示應(yīng)用、(電影)屏幕等等。所描述的結(jié)構(gòu)而且可以用于均勻化和定向光源。這還開(kāi)拓了在一般照明中的應(yīng)用領(lǐng)域，其中亮度的分布能夠被漫射器控制。這些光學(xué)元件而且還可以用于靜態(tài)投影的領(lǐng)域中的應(yīng)用和用于結(jié)構(gòu)照明，例如以生成圖案、符號(hào)、字母或標(biāo)識(shí)。

背景技術(shù)

漫射器和漫射板用在很多微顯示和投影應(yīng)用中。在此，圖像出現(xiàn)在散射屏上，其可以被觀看者直接觀看到或在光學(xué)系統(tǒng)的中間像平面上被觀看到。在該方面，該漫射器的目的是將來(lái)自像平面的光盡可能均勻地散射到例如觀看者可以位于其中的空間區(qū)域中。在大多數(shù)應(yīng)用中，可以在很大程度上限制該空間區(qū)域(所謂的眼框)。在理想的情況下，在該方面，全部的光應(yīng)該被該漫射器散射到眼框中。由于在眼框中亮度的均勻分布和同時(shí)在眼框外部的最小強(qiáng)度，投影儀的效率是最佳的，并且在橫向于投影屏幕的觀看者的位置改變或觀看角度改變的情況下，不會(huì)出現(xiàn)亮度波動(dòng)。

對(duì)于這些漫射器的更重要的需求是它們的寬帶方面，這是因?yàn)榭偪梢暪庾V范圍內(nèi)的波長(zhǎng)實(shí)際上在所有的投影應(yīng)用中是重要的，而且散射應(yīng)當(dāng)盡可能地獨(dú)立于波長(zhǎng)。

漫射器還可以用于實(shí)現(xiàn)特定的方向特征，例如在照明應(yīng)用中是重要的。因此可以生成光源的特定的角度分布。例如，從準(zhǔn)直的光源可以在遠(yuǎn)場(chǎng)中生成任何所期望的強(qiáng)度分布。通過(guò)非常高的準(zhǔn)直源(例如激光)，這可以被用于生成圖像并且可以用在靜態(tài)圖像(字母、標(biāo)識(shí)、圖形的投影)生成領(lǐng)域中。還可以限定具有空間分辨率的散射元件，即，使用橫向不同的散射功能。例如，這可以根據(jù)透鏡功能用于實(shí)現(xiàn)散射分布的傾斜，以使光源準(zhǔn)直或通過(guò)延展的漫射屏補(bǔ)償視差。

可以使用衍射光學(xué)元件來(lái)精確地限定電磁輻射的散射分布的特征。在該方面，衍射光學(xué)元件的表面輪廓通過(guò)迭代傅里葉變換算法(iterativeFouriertransformalgorithm，IFTA)計(jì)算。在該方面，就強(qiáng)度和角度分布而言，該散射分布可以幾乎如所期望地進(jìn)行預(yù)設(shè)置。然而實(shí)踐中，衍射漫射器已經(jīng)實(shí)際上無(wú)意義，這是因?yàn)樗鼈兙哂懈叩牟ㄩL(zhǎng)依賴性并且只有光的有限部分以散射的方式通過(guò)該漫射器。不能被忽略的部分無(wú)阻礙地通過(guò)該元件并且生成干涉的第0衍射級(jí)，其在各種光源的直接可視度中表達(dá)給觀看者。此外，尤其當(dāng)需要大的輻射角時(shí)，實(shí)際上不能實(shí)現(xiàn)該元件的制造或利用當(dāng)前技術(shù)通過(guò)大量的努力才能實(shí)現(xiàn)。

除了衍射漫射器，還存在多種可能性來(lái)制造光學(xué)元件，其中，然而角度分布或方向特征不能如所期望地且通過(guò)空間分辨率來(lái)設(shè)定。嵌入小球體(其折射率與周圍材料的光折射率有很大不同)或由干涉光刻制造元件，在此可以稱為機(jī)械地變粗糙的表面或被激光加工變粗糙的表面。在這些方法和實(shí)施方式中有利的是，散射分布僅可以在某些限度內(nèi)進(jìn)行預(yù)設(shè)置，并且在眼框中不會(huì)生成任何所需的強(qiáng)度分布。

用于(尤其使用非相干照明)實(shí)現(xiàn)散射板和漫射器的廣泛的可能性通過(guò)透鏡陣列來(lái)呈現(xiàn)。由于在透鏡陣列中出現(xiàn)的周期的或規(guī)律的結(jié)構(gòu)，在高準(zhǔn)直或光譜上窄帶照明的情況下導(dǎo)致了不期望的衍射圖案。由于該技術(shù)，透鏡陣列的填充因子通常不能在任何所期望的等級(jí)上實(shí)現(xiàn)。之后，透鏡之間所謂的盲區(qū)具有以下的效果：光通過(guò)漫射器而不散射(類似于通過(guò)衍射元件的第0衍射級(jí))。此外，利用微透鏡陣列可以實(shí)現(xiàn)的散射分布很大程度上限制了它們的形狀和強(qiáng)度分布。它們通常被限制在幾何上簡(jiǎn)單形狀(例如，矩形或圓形)的照明。

體積全息圖或所謂的有效介質(zhì)的計(jì)算全息圖(CGH)代表進(jìn)一步的可能性，其制造非常復(fù)雜和/或昂貴并且其可以像表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件一樣通過(guò)脫模、注塑成型或沖壓成型而被復(fù)制或拷貝，而且其只對(duì)窄波長(zhǎng)范圍如所期望地工作。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的是提供一種可能性，通過(guò)該可能性可以達(dá)到表面上的均勻亮度或在指向到光學(xué)元件上的電磁輻射的局部直接影響的散射行為，并且通過(guò)該可能性具有第零衍射級(jí)的輻射源的直接局部地限制成像得以避免或至少在強(qiáng)度上被減小。

根據(jù)本發(fā)明，該目的通過(guò)其中實(shí)施權(quán)利要求1的特征的光學(xué)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利的實(shí)施方式和進(jìn)一步改進(jìn)可以利用從屬權(quán)利要求中限定的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的漫散射電磁輻射的光學(xué)元件可以由用于電磁輻射的透明材料形成，并且可以適于來(lái)自光的波長(zhǎng)光譜的電磁輻射。

表面輪廓存在于表面上，所述表面輪廓形成不重復(fù)規(guī)律的表面結(jié)構(gòu)。

在該方面，升高部分形成為表面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)元件，該升高部分具有實(shí)現(xiàn)了峰值偏差的高度，并且該高度比使用的最大波長(zhǎng)的2.5倍大。