電磁輻射散射元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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、字母或標(biāo)識。
【背景技術(shù)】
[0002] 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在眼框 外部的最小強度，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，不會出現(xiàn)亮度波動。
[0003] 對于這些漫射器的更重要的需求是它們的寬帶方面，這是因為總可視光譜范圍內(nèi) 的波長實際上在所有的投影應(yīng)用中是重要的，而且散射應(yīng)當(dāng)盡可能地獨立于波長。
[0004] 漫射器還可以用于實現(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)場中生成任何所期望的強度分 布。通過非常高的準(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、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)透鏡功能用于實現(xiàn)散射分布的傾斜，以使光源準(zhǔn)直或通 過延展的漫射屏補償視差。
[0005] 可以使用衍射光學(xué)元件來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迭代傅里葉變換算法（iterativeFouriertransform algorithm，IFTA)計算。在該方面，就強度和角度分布而言，該散射分布可以幾乎如所期望 地進(jìn)行預(yù)設(shè)置。然而實踐中，衍射漫射器已經(jīng)實際上無意義，這是因為它們具有高的波長依 賴性并且只有光的有限部分以散射的方式通過該漫射器。不能被忽略的部分無阻礙地通過 該元件并且生成干涉的第0衍射級，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，實際上不能實現(xiàn)該元件的制造或利用當(dāng)前技術(shù)通過大量的努力才 能實現(xiàn)。
[0006] 除了衍射漫射器，還存在多種可能性來制造光學(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空間分辨率來設(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，并且在眼框中不會生成任何所需的強度分布。
[0007] 用于（尤其使用非相干照明）實現(xiàn)散射板和漫射器的廣泛的可能性通過透鏡陣列 來呈現(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 的等級上實現(xiàn)。之后，透鏡之間所謂的盲區(qū)具有以下的效果：光通過漫射器而不散射（類似 于通過衍射元件的第〇衍射級）。此外，利用微透鏡陣列可以實現(xiàn)的散射分布很大程度上限 制了它們的形狀和強度分布。它們通常被限制在幾何上簡單形狀（例如，矩形或圓形）的 照明。
[0008] 體積全息圖或所謂的有效介質(zhì)的計算全息圖（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)器件一樣通過脫模、注塑成型或沖壓成 型而被復(fù)制或拷貝，而且其只對窄波長范圍如所期望地工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 因此，本發(fā)明的目的是提供一種可能性，通過該可能性可以達(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，并且通過該可能性具有 第零衍射級的輻射源的直接局部地限制成像得以避免或至少在強度上被減小。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明，該目的通過其中實施權(quán)利要求1的特征的光學(xué)元件來實現(xiàn)。本發(fā)明 的有利的實施方式和進(jìn)一步改進(jìn)可以利用從屬權(quán)利要求中限定的特征來實現(xiàn)。
[0011] 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， 并且可以適于來自光的波長光譜的電磁輻射。
[0012] 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)。
[0013] 在該方面，升高部分形成為表面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)元件，該升高部分具有實現(xiàn)了峰值偏 差A(yù)p的高度，并且該高度比使用的最大波長的2. 5倍大。
[0014] 升高部分在所有軸向方向上具有在每一平面內(nèi)的橫向延展，該橫向延展比使用的 最大波長的5倍大。
[0015] 單個的升高部分在三個空間軸方向上連續(xù)地形成，并且在這方面，在該升高部分 上不形成邊緣、臺階部、躍變且不形成輪廓。
[0016] 無輪廓區(qū)域可以存在于該升高部分上，所述無輪廓區(qū)域平穩(wěn)恒定地改變，例如可 能是以下情況，例如具有透鏡的曲面或棱鏡的平面。也應(yīng)當(dāng)沒有任何升高部分以第二級表 面形式存在并且表面輪廓的第一衍生部（derivative)應(yīng)當(dāng)是非連續(xù)性的。
[0017] 升高部分的高度應(yīng)當(dāng)理解為以下距離：升高部分所在的位置與相鄰該升高部分形 成的凹槽的最低點之間的最遠(yuǎn)距離。
[0018] 在該方面，橫向延展應(yīng)當(dāng)理解為在所有軸向方向上為該元件受輻射的所使用的最 大波長的五倍大小，在所有軸向方向上是圍繞升高部分的最大截面表面的面心360°。
[0019] 在該三個空間軸方向上的連續(xù)配置應(yīng)當(dāng)理解為非對稱設(shè)計，或理解為表面從一個 位置到任何臨近位置連續(xù)地改變的幾何設(shè)計，因此不形成邊緣、臺階部、躍變或輪廓。然而， 當(dāng)可能時，盡管沿著表面連續(xù)改變輪廓，但是在三個空間軸方向（X方向、y方向和z方向） 上無恒定維持的傾角或沿著半徑的表面輪廓。沿著該表面的曲率角或傾角不應(yīng)當(dāng)相同或不 應(yīng)當(dāng)均勻地改變，但是應(yīng)當(dāng)不驟變。這與已知的微透鏡不同，在已知的微透鏡中，在彼此靠 近地布置的微透鏡之間的邊界處的增大驟然地改變。
[0020] 在本發(fā)明中，每一單個升高部分的幾何設(shè)計和尺寸應(yīng)當(dāng)通過確定的計算算法來計 算并且因此應(yīng)當(dāng)不會出現(xiàn)升高部分的隨機形成。
[0021] 當(dāng)使用準(zhǔn)直的電磁輻射時，根據(jù)本發(fā)明的元件具有有益效果。例如，準(zhǔn)直的激光束 因此可以被指向表面，表面輪廓形成在該表面上。當(dāng)允許預(yù)期激光束的束截面的表面時，由 于可以實現(xiàn)的散射效果，故顯然更大的表面可以被照明或看起來被照射。由于對第零衍射 級的可能的避免或抑制，故點狀激光束源是不可見的，或僅非常不清晰地可見或以該方式 成像。
[0022] 還可以令人滿意的是，該表面結(jié)構(gòu)的升高部分具有對應(yīng)于該元件的該表面結(jié)構(gòu)的 另一升高部分的不相同的幾何設(shè)計和/或高度和/或體積。每一單個升高部分因而可以為 單獨地幾何成型或設(shè)定尺寸。在該方面，