电磁辐射散射元件
阅读：350发布：2020-05-12
专利汇可以提供电磁辐射散射元件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种光学元件，所述光学元件漫散射电磁 辐射 。该光学元件实际上可以用在所有的投影应用(例如 正面 投影和背面投影)、显示器应用、(电影)屏幕等等。表面轮廓存在于根据本发明的光学元件的表面上，所述表面轮廓形成不重复规律的表面结构。并且在这个方面形成了升高部分，所述升高部分具有能够达到峰值偏差的高度，并且所述峰值偏差比使用的最大 波长 的2.5倍大，并且所述升高部分在所有轴向方向上具有在每一平面内的横向延展，所述横向延展比使用的最大波长的5倍大。单个所述升高部分在三个空间轴方向上连续地形成，并且在这方面，在所述升高部分上不形成边缘、台阶部、或跃变。，下面是电磁辐射散射元件专利的具体信息内容。
1.一种漫散射电磁辐射的光学元件，表面轮廓存在于所述光学元件的表面上，所述表面轮廓形成不重复规律的表面结构，并且在这个方面形成了升高部分，所述升高部分具有能够达到峰值偏差 的高度，并且所述峰值偏差 比使用的最大波长的2.5倍大，并且所述升高部分在所有轴向方向上具有在每一平面内的横向延展，所述横向延展比使用的最大波长的5倍大，以及
单个所述升高部分在三个空间轴方向上连续地形成，并且在这方面，在所述升高部分上不形成边缘、台阶部、或跃变。
2.如权利要求1所述的元件，其特征在于，具有所述表面轮廓的所述表面或远离该表面的表面涂覆有反射涂层。
3.如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，具有所述表面轮廓的所述表面通过准直的电磁辐射受辐射。
4.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，所述表面结构的升高部分具有与对应于所述元件的所述表面结构的另一升高部分的几何设计和/或高度和/或体积不同的几何设计和/或高度和/或体积。
5.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，所述元件适于在200nm和
1200nm之间范围内的波长光谱。
6.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，所述元件具有在波长范围内的可预定的散射分布，可预定的所述散射分布大于所使用的所述波长光谱的中心波长的±3％。
7.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，在所述升高部分中不存在平稳恒定地改变的轮廓区域。
8.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，在所述升高部分中不存在第二级表面，并且所述元件在第一衍生部中具有非一致性。
9.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，所述元件从可见光的波长光谱散射电磁辐射。
10.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，所述元件包括对于所使用的所述波长光谱中的电磁辐射是透明的材料。
11.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，在所述表面结构中形成区域，通过所述区域能够实现电磁辐射的局部目标偏离。
12.如前述权利要求中任一项所述的元件，其特征在于，每一单个所述升高部分的几何设计和尺寸通过确定的计算算法来计算。
电磁辐射散射元件
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光学元件，该光学元件漫散射电磁辐射。该光学元件实际上可以用在所有的投影应用(例如正面投影和背面投影)、显示应用、(电影)屏幕等等。所描述的结构而且可以用于均匀化和定向光源。这还开拓了在一般照明中的应用领域，其中亮度的分布能够被漫射器控制。这些光学元件而且还可以用于静态投影的领域中的应用和用于结构照明，例如以生成图案、符号、字母或标识。
背景技术
[0002] 漫射器和漫射板用在很多微显示和投影应用中。在此，图像出现在散射屏上，其可以被观看者直接观看到或在光学系统的中间像平面上被观看到。在该方面，该漫射器的目的是将来自像平面的光尽可能均匀地散射到例如观看者可以位于其中的空间区域中。在大多数应用中，可以在很大程度上限制该空间区域(所谓的眼框)。在理想的情况下，在该方面，全部的光应该被该漫射器散射到眼框中。由于在眼框中亮度的均匀分布和同时在眼框外部的最小强度，投影仪的效率是最佳的，并且在横向于投影屏幕的观看者的位置改变或观看角度改变的情况下，不会出现亮度波动。
[0004] 漫射器还可以用于实现特定的方向特征，例如在照明应用中是重要的。因此可以生成光源的特定的角度分布。例如，从准直的光源可以在远场中生成任何所期望的强度分布。通过非常高的准直源(例如激光)，这可以被用于生成图像并且可以用在静态图像(字母、标识、图形的投影)生成领域中。还可以限定具有空间分辨率的散射元件，即，使用横向不同的散射功能。例如，这可以根据透镜功能用于实现散射分布的倾斜，以使光源准直或通过延展的漫射屏补偿视差。
[0005] 可以使用衍射光学元件来精确地限定电磁辐射的散射分布的特征。在该方面，衍射光学元件的表面轮廓通过迭代傅里叶变换算法(iterative Fourier transform algorithm，IFTA)计算。在该方面，就强度和角度分布而言，该散射分布可以几乎如所期望地进行预设置。然而实践中，衍射漫射器已经实际上无意义，这是因为它们具有高的波长依赖性并且只有光的有限部分以散射的方式通过该漫射器。不能被忽略的部分无阻碍地通过该元件并且生成干涉的第0衍射级，其在各种光源的直接可视度中表达给观看者。此外，尤其当需要大的辐射角时，实际上不能实现该元件的制造或利用当前技术通过大量的努力才能实现。
[0006] 除了衍射漫射器，还存在多种可能性来制造光学元件，其中，然而角度分布或方向特征不能如所期望地且通过空间分辨率来设定。嵌入小球体(其折射率与周围材料的光折射率有很大不同)或由干涉光刻制造元件，在此可以称为机械地变粗糙的表面或被激光加工变粗糙的表面。在这些方法和实施方式中有利的是，散射分布仅可以在某些限度内进行预设置，并且在眼框中不会生成任何所需的强度分布。
[0007] 用于(尤其使用非相干照明)实现散射板和漫射器的广泛的可能性通过透镜阵列来呈现。由于在透镜阵列中出现的周期的或规律的结构，在高准直或光谱上窄带照明的情况下导致了不期望的衍射图案。由于该技术，透镜阵列的填充因子通常不能在任何所期望的等级上实现。之后，透镜之间所谓的盲区具有以下的效果：光通过漫射器而不散射(类似于通过衍射元件的第0衍射级)。此外，利用微透镜阵列可以实现的散射分布很大程度上限制了它们的形状和强度分布。它们通常被限制在几何上简单形状(例如，矩形或圆形)的照明。
[0008] 体积全息图或所谓的有效介质的计算全息图(CGH)代表进一步的可能性，其制造非常复杂和/或昂贵并且其可以像表面结构的光学器件一样通过脱模、注塑成型或冲压成型而被复制或拷贝，而且其只对窄波长范围如所期望地工作。
发明内容
[0009] 因此，本发明的目的是提供一种可能性，通过该可能性可以达到表面上的均匀亮度或在指向到光学元件上的电磁辐射的局部直接影响的散射行为，并且通过该可能性具有第零衍射级的辐射源的直接局部地限制成像得以避免或至少在强度上被减小。
[0011] 根据本发明的漫散射电磁辐射的光学元件可以由用于电磁辐射的透明材料形成，并且可以适于来自光的波长光谱的电磁辐射。
[0012] 表面轮廓存在于表面上，所述表面轮廓形成不重复规律的表面结构。
[0013] 在该方面，升高部分形成为表面结构的结构元件，该升高部分具有实现了峰值偏差 的高度，并且该高度比使用的最大波长的2.5倍大。
[0014] 升高部分在所有轴向方向上具有在每一平面内的横向延展，该横向延展比使用的最大波长的5倍大。
[0015] 单个的升高部分在三个空间轴方向上连续地形成，并且在这方面，在该升高部分上不形成边缘、台阶部、跃变且不形成轮廓。
[0016] 无轮廓区域可以存在于该升高部分上，所述无轮廓区域平稳恒定地改变，例如可能是以下情况，例如具有透镜的曲面或棱镜的平面。也应当没有任何升高部分以第二级表面形式存在并且表面轮廓的第一衍生部(derivative)应当是非连续性的。
[0017] 升高部分的高度应当理解为以下距离：升高部分所在的位置与相邻该升高部分形成的凹槽的最低点之间的最远距离。
[0018] 在该方面，横向延展应当理解为在所有轴向方向上为该元件受辐射的所使用的最大波长的五倍大小，在所有轴向方向上是围绕升高部分的最大截面表面的面心360°。
[0019] 在该三个空间轴方向上的连续配置应当理解为非对称设计，或理解为表面从一个位置到任何临近位置连续地改变的几何设计，因此不形成边缘、台阶部、跃变或轮廓。然而，当可能时，尽管沿着表面连续改变轮廓，但是在三个空间轴方向(x方向、y方向和z方向)上无恒定维持的倾角或沿着半径的表面轮廓。沿着该表面的曲率角或倾角不应当相同或不应当均匀地改变，但是应当不骤变。这与已知的微透镜不同，在已知的微透镜中，在彼此靠近地布置的微透镜之间的边界处的增大骤然地改变。
[0020] 在本发明中，每一单个升高部分的几何设计和尺寸应当通过确定的计算算法来计算并且因此应当不会出现升高部分的随机形成。
[0021] 当使用准直的电磁辐射时，根据本发明的元件具有有益效果。例如，准直的激光束因此可以被指向表面，表面轮廓形成在该表面上。当允许预期激光束的束截面的表面时，由于可以实现的散射效果，故显然更大的表面可以被照明或看起来被照射。由于对第零衍射级的可能的避免或抑制，故点状激光束源是不可见的，或仅非常不清晰地可见或以该方式成像。
[0022] 还可以令人满意的是，该表面结构的升高部分具有对应于该元件的该表面结构的另一升高部分的不相同的几何设计和/或高度和/或体积。每一单个升高部分因而可以为单独地几何成型或设定尺寸。在该方面，表面结构的设计中，考虑了制成根据本发明的元件所用的材料的光折射率的情况下，可以考虑以形成用于每一升高部分的电磁辐射的各个入射角、辐射的各个所期望的反射角α、它的位置、眼框的空间或尺寸、所使用的波长光谱或所选择的电磁辐射的波长。利用单独设计和设定尺寸的升高部分可以实现完全不对称。
[0023] 然而，还具有这样的可能性：将相同设计或相似设计的升高部分以均匀分布的方式布置在受辐射表面上或受辐射表面的特定区域中。可以用最后提到的方式使用局部直接确定的光学效应，这可以涉及到例如在该区域中的特定颜色印象。
[0024] 通过单独地设计和设定尺寸的升高部分，由于升高部分的底部表面分别不同地设计以及在可能的轴向方向上这些底部表面横向上不同的延展/长度(其通过围绕升高部分形成的凹槽的最低点来预定)，产生距彼此分别相邻布置的升高部分的最高点的不同距离。
[0025] 根据本发明的元件可以设计成波长光谱在200nm和1200nm之间的范围内。
[0026] 根据本发明的元件可以具有在波长范围内的预定的散射分布，该散射分布大于所使用的波长光谱的中心波长的±3％。由于通过衍射元件，大的第零衍射级或更高的衍射级已经由与已经制成的该衍射元件的波长以非常小偏差形成，故这是有利的。
[0027] 所使用的电磁辐射的散射分布根据元件上的辐射源的电磁辐射(光)的入射位置例如通过倾斜散射分布的重心来改变。
[0028] 该制造可以通过已知方法本身进行，其中还通过经由工具的脱模、(注塑)成型、(注塑)压花进行了局部目标材料的移除。
[0029] 本发明从已经描述的衍射漫射器开始。第零衍射级和这些元件的波长依赖性的存在基于表面轮廓上的不连续性的存在，该不连续性的存在的出现是由于光学函数的相函数的2π跃变。然而，可以仅针对一个波长和针对具有恒定光折射率的光学元件的材料来精确调整这些跃变量。
[0030] 在该方面，相位 可以近似地确定为：利用元件的材料和环境材料之间的光折射率的差值Δn与结构元件的厚度或结构元件(升高部分)的高度h的乘积除以各个波长λ的商。厚度或高度h相应地对可实现的相位跃变 有影响。相函数中的跃变对光学衍射光栅有影响。
[0031] 在该方面，辐射角度分布根据具有波长λ、发生周期p和衍射级m的光栅等式来衡量。
[0032]
[0033] 非常大的空间频率出现在表面轮廓中，该空间频率由于凹槽的侧面实际上不能在衍射元件的制造中实现。这导致了边缘的倒角和相函数的形状偏差，这对于均匀性和效率可能不利地损害了散射分布。表面轮廓由制造引起的这些误差和其他误差具有该效果。
[0034] 此外，相位 未被定义的点出现在常规的迭代傅里叶变换算法(IFTA)中的光学函数的一些位置处，这些迭代傅里叶变换算法用于常规元件的设计。这些所谓的相位错位(同样地生产诱导的)导致了在第零衍射级方向上的不期望的散射光和传输，这通过更大波长范围的电磁辐射的宽带照明甚至被放大。而且，由于存在相位位错，所以不可以转换光学函数，该光学函数通过常规的IFTA计算到连续的表面轮廓，而且该连续的表面轮廓不包括任何2π相位跃变。
[0035] 在本发明中利用了IFTA的修改，其中未出现相位错位。为此，这并非是在改进的设计算法中优化的相函数，而是直接具有之后制造的光学元件的升高部分的尺寸和高度的表面轮廓。在迭代过程中，确定了在相函数中出现的差。差在中间步骤中还被平滑化并且可选择地被缩放。该相位差在多个迭代中局部地相加并且被转换成高度差。在该方面，表面调节的绝对高度还可以设定成生成的相位差基本上大于2π。不可否认地维持了表面结构的波长依赖性，由于波长λ随着相同的光栅周期增大，故这导致了电磁辐射的更大的偏差。然而，由表面轮廓引起的峰值偏差 的高度反比于波长λ而缩放。
[0036] 应用以下公式：
[0037]
[0038] 其中P为周期数，α为电磁辐射所偏转的角度。
[0039] 随着升高部分的高度增加，对于更大的波长，这引起了2π光栅周期的明显的增长，因此引起了两个效应的增加的补偿。图3示出了两个波长的该效应。由于绿光的较短波长(上曲线)，故当其通过表面结构时经历了更大的相位延迟 。如果对于表面轮廓中的侧面考虑了光波的相函数中出现的周期性，则在较短波长情况下找到较短的周期。在该情况下，该结构可以被优化成偏转角α对于两个波长来说保持近似相等。因此，在某些限度内可以实现消色差的散射分布。下曲线显示了红光的延展。
[0040] 所使用的IFTA为设计算法，通过该算法，漫散射元件的表面轮廓可以被计算用于所期望的目标分布(或者角度分布，或者在投影表面/屏幕上或在特定距离处的强度分布)，表面轮廓达到了所期望的分布，同时考虑了所使用的电磁辐射特性。在该情况下，可以限定该目标分布，这因为电磁辐射的所期望的强度在特定角度范围内或对于投影表面/屏幕上的特定位置而被预定。
[0041] 图4示出了该情况。作为示例概述了两种情况，其中在字母“HCE”示例中，对于准直的光源生成了特定的角度分布。例如，可以使用光学透镜将该角度分布转换成投影表面/屏幕上的空间分布。然而，根据本发明，该透镜功能还被集成在根据本发明的漫散散元件中，从而在投影表面/屏幕上直接地成像出清晰的图像。如果根据本发明的元件被计算用于远场中的角度分布，则图像实质上出现在无限远的远程屏幕上。在该方面，根据本发明的元件在图4中用“漫射器”表示。
[0042] 例如，如果使用发散的辐射源，透镜功能可以集成到根据本发明的漫散射元件中以准直该辐射或生成所期望的散射分布，从而可以通过元件的横向上不同的配置来补偿辐射入射到元件上的局部不同的角度。
[0043] 根据本发明的光学元件可以这样使用，使得它们对于各个电磁辐射是透明的。它们还可以反射电磁辐射。为此，具有表面轮廓的表面或远离该表面的表面可以设置有反射涂层。
[0044] 如最初描述的，通过衍射光学元件的一系列效应引起第零衍射级中的能量。在该方面，最大效应是，更大波长不包括所期望的2π的峰值偏差 ，并且未限定的跃变出现在较低的波长处的相函数中。而且，由于表面轮廓的升高部分的表面的侧面陡度的技术制造限制，在凹槽和相位错位的位置处出现了误差。由于形状偏差，散射光和第零衍射级的放大可以同样地出现。由于未出现跃变，故本发明中避免了所描述的效应。因此，第零衍射级的能量的存在可以几乎完全地并且在宽带上被抑制。像这样的辐射源不再以点状方式可见。然而，它的成像至少被减弱，从而它对于观看者几乎是不可见的。
[0045] 在结构中出现的空间频率的大小被实现更深的结构而减小，其中升高部分在开始的基础上具有更大的高度，而增大了待构造的表面调节的最小尺寸。相较于常规的衍射元件，通过可比较的制造技术由此可以实现到更大角度区域中的辐射。此外，可以考虑在制造过程中改变目标轮廓的表面形状的效果并且可以在设计中得到补偿，这使得可以精确定义电磁辐射的散射分布。
[0046] 散射函数的宽带效应可以在元件的增大的总深度或在升高部分的高度上进行设定。在该方面，所描述的元件可以用于电磁辐射的总可见光谱，而且可选择地达到近红外光谱(NIR)辐射，甚至红外(IR)辐射。
[0047] 通过根据本发明形成的表面结构未出现周期性的重复。不同于透镜阵列，因此可以几乎完全地避免不期望的衍射图案的出现。而且，这在数字投影仪的情况下提供了以下优势：不会出现图案或莫尔(Moiré)效应。当屏幕的周期子结构叠加类似的周期时，它们被引起例如所投影的图像的像素型样(pixel pattern)。
[0048] 非对称的散射分布还可以通过升高部分处的侧面的表面轮廓中的直接引入来实现。在该方面，必须注意的是，所引入的侧面的方向在数据上尽可能地在元件上改变0°-360°，并且由侧面限制的表面是连续的、同样尺寸的，并且以多边形或曲线形方式定界。由于侧面而出现的散射可被集成到目标散射函数中，其中能够计算或考虑该侧面的位置和方向。
[0049] 在光学元件的可使用的表面上空间上改变不对称的情况下，任何所期望的光学函数可以用于光通量的方向的局部倾斜(偏离辐射的局部目标改变)，而透镜功能等可以集成在根据本发明的元件中。
[0050] 因此，区域可以形成在表面结构中，通过这些区域可以实现电磁辐射的局部目标偏离。
[0051] 平视显示器的应用可以例如通过集成到元件中的透镜功能而变得可行。然而，电磁辐射的准直因此也是可行的，或如图4所示，在短距处均匀成像是可行的。
[0052] 因此，还可以确保，散射电磁辐射的元件上的不同区域散射到相同的眼框中。当与观看者相关的元件的横向延展愈显重要时，这尤其相关，不管是由于观看者到元件的接近度还是由于元件的大的平面延展。在元件用在光学系统的中间图像面内的应用中，使用相应的偏转角可以设定主射线空间上改变的倾斜。例如，由此可以实现物镜。
[0053] 在常规的衍射元件的情况下，通过凹槽用倾斜照明/受辐射来遮蔽被照明的表面，从而这些元件通常必须以几乎垂直的方式被照明。使用根据本发明的元件，根据结构元件的所架构的表面的纵横比，遮蔽效应低得多，从而它们还可以在倾斜照明/辐射下使用。
[0054] 使用根据本发明的元件可以实现比2π大得多的峰值偏差，并且其散射分布被极度地限定，散射分布为非对称的，并且特征为高的调制或边缘。此外，在第零级不存在时，可以实现波长无关的函数。未被完全地抑制的衍射的第零级的辐射比例可以保持在至少5％之下。附图说明
[0055] 在下文中通过示例将更详尽地描述本发明。
[0056] 图中：
[0057] 图1为根据本发明的示例元件的从上方观看的示意图，其中升高部分通过轮廓线标记并且所显示的虚线表示波长为550nm的2π高度；
[0058] 图2为更小比例上示意性呈现的平面图；以及
[0059] 图3为示出了在光学散射元件中的相位延迟的示意图；
[0060] 通过图1和图2两个呈现中可以清晰地识别出，升高部分被单个地设计和设定尺寸。从轮廓线可以识别出，在升高部分中不存在锐边或台阶部或骤然向内的跃变。轮廓线形成了封闭的弯曲状延展部并且未出现方向的改变，该方向的改变可能包括小于5°的角度。应当保持升高部分的弯曲的/拱形表面上的增大的恒定变化。
[0061] 图4作为示例示出了根据本发明的漫散射元件的使用的可能性。
具体实施方式
[0062] 在该方面，考虑了源的电磁辐射的特性的同时，在远场中实现了预定的角度分布/强度分布，或在距离元件特定距离处的投影表面/屏幕上实现了强度分布。通过IFTA设计算法从所期望的角度分布计算得到了表面轮廓。在该方面，所期望的角度分布通常不能精确地达到，但是可以以良好的近似度和高效率达到。
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