專利名稱：包含具有整體表面漫射體的光學件的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應用光學的裝置的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及具有光學件的裝置，其中光學件具有與光學件的一個表面成為一個整體的表面漫射體。
已知有許多應用多種諸如菲涅爾透鏡、凹凸透鏡、反射表面、偏振器、光纖、柱面透鏡、波導濾波器、光柵結(jié)構(gòu)，或其它光學件等的一個或多個光學件的裝置。這類裝置得到日益廣泛的應用。這些裝置應用來自環(huán)境光源的光或來自光源的光束或自光源的光路，其中光穿過光學件或射到光學件上，以便改變光的一個或多個特性。這種裝置例如包括醫(yī)療診斷設備、照明燈、化學分析儀、濾光器、發(fā)光二極管顯示器和裝置、顯微鏡、分光鏡和甚至激光外科手術(shù)設備等，當然也并不限定在上述裝置范圍內(nèi)。每個這樣的裝置以一種或另一種方式接收和應用光和/或以一種或另一種方式從裝置發(fā)送光，以便實現(xiàn)預期的作用。
所有這些裝置都具有由于光學件的類型和結(jié)構(gòu)造成的許多欠缺和不足。光學件將實現(xiàn)一個或多個固有的改變穿過或射到光學件上的的光的特性的功能。這些功能包括被裝置所利用的光的透射、反射、衍射、折射、濾波、色散或展寬、準直和定向。這類光學件和因此其相應的裝置除了實施其預期的功能外，并不能實際上改善由光源發(fā)射的光的質(zhì)量。
在這些裝置中的每個光學件接收來自光源的具有特殊特性的光并接著發(fā)射光和/或僅按光學件的特殊特性改變光。這些裝置或光學件中沒有一個能對光均勻處理，實現(xiàn)光的光滑、一致的強度、對光進行定向控制，以消除散射或光的耗散，和對光成形，以便產(chǎn)生特殊的分布形狀或包絡。
例如一光纜在一端接收光能，利用光纖芯和包層材料的一預定的折射率，當光穿過光纖時，連續(xù)地對在內(nèi)部通過的光進行反射。大部分的光以相同的方式到達光纜的另一端，在該端光被接收(對模式振動予以忽略)。凹凸透鏡可用于諸如投影儀、顯微鏡和望遠鏡等許多不同的應用領(lǐng)域，以便根據(jù)透鏡的曲率量和形狀以及制作透鏡的材料對光線略加彎曲。菲涅爾透鏡包括多個在透鏡的表面上實現(xiàn)的菲涅爾光學或結(jié)構(gòu)，以便對進入透鏡的光進行折射，從而對光進行準直和聚焦，并對通過透鏡的光進行展寬。
許多可以同樣實現(xiàn)特殊功能的其它的光學件都是可以購到的。但絕大部分光學件不能使光學件輸出的光強度變化均勻或整平。另外，絕大部分光學件不能對光學件輸出的光的方向進行控制。但絕大部分光學件能夠構(gòu)成特殊投射的形狀或光分布圖形。但沒有一個光學件能夠同時實現(xiàn)所有三個功能。因此，在許多已知的光學件中將會損失或損耗大量的光并且隨之造成應用任何一種光學件的設備的效率相當?shù)拖隆?br> 本發(fā)明的受讓人發(fā)明了漫射片并對此漫射片申請了專利，所述漫射片采用的材料可以作為單獨的層涂敷在光學件上，從而使光學件附加具有光均勻、定向和成形特性。因此，將漫射體材料片或?qū)油糠蠡蛘掣皆谠O備光學件的表面上，可形成這種層結(jié)構(gòu)。伴隨這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的一個問題是，片材料不太耐久并且使用時易于損壞、劃傷或換句話說易于變形。伴隨這種層結(jié)構(gòu)的另一問題是，經(jīng)一定時間或在某些條件下漫射體片材料易于從光學件上脫落。這種層結(jié)構(gòu)的另一較為嚴重的問題是，兩部分的層之間的接合面會形成一個界面，該界面將把一部分光折射或反射入光學件中。這至少將會造成在每個接合面上的入射光的大約4％的損失。這些被損失的光或者是被反射回光學件的光或者是由光學件的界面折射的光。該現(xiàn)象將對安裝有光學件的裝置的效率和功能造成不利的影響。
伴隨這種結(jié)構(gòu)的另一個問題是，必須應用折射率匹配的光學品質(zhì)的環(huán)氧樹脂或粘合劑，以便將兩部分的層粘合在一起。光學品質(zhì)的環(huán)氧樹脂可以使光通過其本身，但同時在層中將形成附加的不希望出現(xiàn)的折射或反射界面。因此，在這種層結(jié)構(gòu)中將形成在漫射體層和環(huán)氧樹脂之間以及光學件與環(huán)氧樹脂之間附加的菲涅爾損耗。加之環(huán)氧樹脂層還增加了層結(jié)構(gòu)的成本并增大了制造復雜性。
伴隨這種環(huán)氧樹脂層光學件結(jié)構(gòu)的另外一個問題是，在許多情況下環(huán)氧樹脂并未實現(xiàn)與兩層完全并充分的接觸。另外，由于在制作過程中的不規(guī)范操作還會導致在環(huán)氧樹脂中或在環(huán)氧樹脂與一覆層之間形成氣泡。這些伴隨環(huán)氧樹脂出現(xiàn)的問題是，由于在裝置的光學件內(nèi)的或穿過裝置的光學件的光的散射、反射或折射而進一步降低層結(jié)構(gòu)的效率。所有上述的問題將會大大降低在裝置內(nèi)應用覆層光學件的性能，并對技術(shù)要求的滿足造成不利的影響。
本發(fā)明的受讓人發(fā)明了幾種形成微刻表面結(jié)構(gòu)或在各種材料上形成微觀結(jié)構(gòu)的方案，以便在這種材料上形成表面漫射體。在如下已授權(quán)的專利和待審定的專利申請中對這些方法做了描述。其中許多方法通過對光敏材料曝光形成母漫射體并接著將該母漫射體復制成一個或多個更為耐久的負-母漫射體(sub-master)。還有許多制作母漫射體的具有母漫射體中的光學特性的復制品的方法。應用這些方法中的幾種方法最初是利用光學方式建立母漫射體。應用其它方法時，是利用機械方式建立母漫射體。由許多由這些母漫射體形成負-母漫射體的方法，其中由母漫射體表面復制成一個負-母漫漫射體表面。在下述的本發(fā)明的受讓人的一個和多個待審定的美國專利申請中對這些其它的方法做了描述。
本發(fā)明的受讓人共同具有的美國專利和未審定的專利申請中披露了形成并記錄光學產(chǎn)品并對這些產(chǎn)品進行復制的方法，以便可以批量生產(chǎn)。例如名稱為“以體積全息材料為基礎(chǔ)的自聚焦型漫射體”(“Grin TypeDiffuser Based on Volume Holographic Material”)的US5,365,354專利和名稱為“應用相干光形成的均勻體和全息漫射體”(“Homogenizer FormedUsing Coherent Light and a Holographic Diffuser”)的US5,534,386專利和名稱為“應用相干光形成的視屏”(“Viewing Screen Formed UsingCoherent Light”)的US5,609,939專利都涉及記錄和復制光學產(chǎn)品的方法。上述所有專利中的每一個都包括在本發(fā)明的參考文獻之中，構(gòu)成本發(fā)明的背景和已有技術(shù)，但并不局限于這些專利。
有關(guān)的美國專利申請包括名稱為“在保存母盤的同時進行復制的方法”(“Method of Making Replicas While Preserving Master”)的09/052,586申請、名稱為“帶有光源破壞和成形器的液晶顯示器”(“LCDwith Light Source Destructuring and Shaping Device”)的08/595,307申請、名稱為“帶有準直背景光和非朗伯漫射的液晶顯示系統(tǒng)”(“Liquid CrystalDisplay System with Collimated Backlighting and Non-LambertianDiffusing”)的08/601,133的申請、名稱為“制作液晶顯示系統(tǒng)的方法”(“Method of Making Liquid Crystal Display System”)的08/618,539的申請、名稱為“制作復制品的方法和用于應用此方法的組分”(Method ofMaking Replicas and Composition for Use Therewith”的08/800,872的申請和名稱為“應用非相干光制作母盤的方法和設備”(“Method andApparatus for Making Optical Masters Using Incoherent Light”)的09/075,023的申請、申請日為1998年8月20日的名稱為“非朗伯玻璃漫射體和制作方法”(“Non-Lambertian Glass Diffuser and Method ofMaking”)的申請、申請日為1998年8月20日的名稱為“漫射體模件和制作方法”(“Diffuser Master and Method of Manufacture”)的申請、申請日為1998年8月25日的名稱為“高效光刻玻璃光成形漫射體和制作方法”(“High Efficiency Monolithic Glass Light Shaping Diffuser andMethod of Making”)的申請、申請日為1998年8月25日的名稱為“具有整體表面漫射體的光學件”(“Optical Element Having an IntegralSurface Diffuser”)的申請、申請日為1998年8月25日的名稱為”具有一個光源和溶膠凝膠光刻漫射體的設備”(“Apparatus Having a LightSource and a Sol-Gel Monolithic Diffuser”的申請、申請日為1998年8月25日的名稱為“無源矩陣液晶顯示器”(“Passive Matrix Liquid CrystalDisplay”的申請和申請日為1998年8月25日的名稱為“具有漫射體表面結(jié)構(gòu)的車燈組件”(“Vehicle Light assembly Including a DiffuserSurface Structure”)。所有上述的專利申請的權(quán)利都屬于本發(fā)明受讓人并包括在本發(fā)明的參考文獻中，構(gòu)成本發(fā)明的背景和已有技術(shù)，但并不局限于這些專利申請。
本發(fā)明針對一種包含有光學件的裝置，其中光學件具有一個整體表面漫射體，該漫射體用于對光輸出進行均勻處理、對其方向進行控制并對其進行成形，以實現(xiàn)對裝置性能的改善。本發(fā)明的目的在于提出一種應用光學件的裝置，所述光學件可提高裝置的精度和效率。本發(fā)明的另外一個目的在于提出一種應用光學件的裝置，所述光學件可以以較低的成本和復雜程度改善裝置工作的光線均勻度、定向控制和成形特性。本發(fā)明的第三個目的在于提出一種應用光學件的裝置，該光學件延長了其使用壽命并提高了其質(zhì)量。
采用一種根據(jù)本發(fā)明設計的裝置實現(xiàn)了本發(fā)明的上述目的。該裝置具有一個載體和一由載體固定的光學件。光學件至少具有宏觀光學特性、至少一個表面和一在光學件表面的光線成形微刻表面結(jié)構(gòu)，在此被稱作微觀結(jié)構(gòu)。微觀結(jié)構(gòu)對由裝置應用的或由裝置本身發(fā)射出的光線進行均勻處理并對光線的定向進行控制，以便按預定方向產(chǎn)生一光滑的、連續(xù)的和預定的光線分布圖形。
本發(fā)明的載體實際上可以是任何類型的應用光學件的裝置或裝置部分。例如在本發(fā)明范圍的載體和裝置包括關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡、內(nèi)腔鏡、望遠鏡、顯微鏡、X-光掃描儀、磁共振成像掃描儀、電信系統(tǒng)、導彈導航系統(tǒng)、飛行器導航系統(tǒng)、化學分析儀、分光儀、熒光鏡、照明燈、發(fā)光二極管和液晶顯示器和裝置，但并不局限于上述裝置。
應用于這些裝置的光學件例如包括激光衰減器、波導濾波器、光柵結(jié)構(gòu)或濾光器、光纜、菲涅爾透鏡、柱面透鏡、凹凸透鏡、透明或半透明板、偏振器和棱鏡結(jié)構(gòu)等，但當然并不僅局限于此。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的這些方面和其它方面以及本發(fā)明的目的做進一步的說明。但必須明確，雖然僅對本發(fā)明的優(yōu)選實施例做了描述，但下述表述的目的僅在于說明，并不起限定作用。在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以作出許多改變和改動，而并不會偏離本發(fā)明的精神并且本發(fā)明包括所有的改動。
下面將結(jié)合附圖中所示的非限定的實施例舉例對本發(fā)明的優(yōu)點和特征和本發(fā)明實現(xiàn)的典型機理的結(jié)構(gòu)和工作方式做一詳細的說明。圖中示出

圖1為本發(fā)明的一個實施例的示意圖；圖2為本發(fā)明的另一實施例的示意圖；圖3為本發(fā)明的第三個實施例的示意圖；和圖4為本發(fā)明的第四個實施例的示意圖。
在上述屬于本發(fā)明受讓人的專利和待審定的專利申請中提出數(shù)種用于在基片上采用光學方式或機械方式形成微刻表面結(jié)構(gòu)或微觀結(jié)構(gòu)的方法。該微觀結(jié)構(gòu)的特性是隨機的并產(chǎn)生一個被發(fā)射穿透基片或由基片反射的光輸出，該光輸出具有光滑的、一致的和連續(xù)的強度分布以及經(jīng)控制調(diào)整的方向和預定的分布形狀或包絡。上述已授權(quán)的專利是針對應用各種方法在光敏材料上形成微觀結(jié)構(gòu)和將該結(jié)構(gòu)復制成負-母結(jié)構(gòu)。負-母結(jié)構(gòu)用于將微觀結(jié)構(gòu)進一步復制到材料片上。可以將該材料片覆層在物鏡或涂敷在物鏡上，從而實現(xiàn)光均勻、定向和成形特性。上述的待審定的專利申請披露了由本發(fā)明的受讓人進一步研制出的新產(chǎn)品和提出的新方法，用于在除環(huán)氧樹脂和軟塑料片以外的材料上形成微觀結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明并不限定在以任何一種具體方法或在任何一種具體的材料上形成的微觀結(jié)構(gòu)并因而在此所述的光學件可以由諸如溶膠凝膠玻璃、石英玻璃、聚碳酸酯和丙烯酸塑料、環(huán)氧樹脂和任何其它相宜的塑料、玻璃或其它可塑或可加工的材料形成。本發(fā)明針對包括有一個或多個光學件的裝置，其中所述光學件具有在光學件表面一體成形的微觀結(jié)構(gòu)。每個在這類產(chǎn)品或裝置中具有的光刻或固體整體的光學件具有至少一個與具體的光學件有關(guān)的宏觀光學特性以及微觀光學特性或漫射體微觀結(jié)構(gòu)。這類光學件將大大改善由光學件發(fā)射出的光的質(zhì)量并因而將大大改善含有光學件的產(chǎn)品和裝置的性能。
添加的整體漫射體微觀結(jié)構(gòu)將根據(jù)預定和所需的標準對由光學件發(fā)射的光線進行均勻化、對光線的方向進行控制并對光線進行成形處理。由于替代了覆層漫射體/光學件結(jié)構(gòu)，因而將最大限度地減少或消除由覆層漫射體與光學件之間的接合面造成的不希望出現(xiàn)的菲涅爾反射損耗。因而，將提高穿過光學件的透射效率和隨之有關(guān)的裝置的效率。并且將降低光學件和隨之的裝置的制造成本和復雜性。
本說明書中的附圖示出可改善光傳播特性和質(zhì)量的具有整體表面微觀結(jié)構(gòu)的通用的光學件的實施例。這些實施例還對一些具有這種特殊的光刻結(jié)構(gòu)的光學件的典型通用的裝置做了描述。所示的這些具體的舉例并不旨在用盡或限定可能的光學件結(jié)構(gòu)，且裝置的實施例也不含有這種光學件， 而僅在于舉例對一些結(jié)構(gòu)方案加以說明。每個舉例都對光學件和裝置的配置和用于此配置的有關(guān)的光路做了說明。
圖1為裝置10的示意圖，裝置10包括一個用于固定光學件12的載體。根據(jù)一個或多個屬于本發(fā)明受讓人的上述專利和專利申請，光學件在其一個表面上具有光線成形表面微觀結(jié)構(gòu)，該微觀結(jié)構(gòu)與所述表面一體成型。
本裝置具有一個產(chǎn)生光輸出18的光源16，一些光線被投射到光學件上并被光學件發(fā)射出去。光學件12將均勻的、成形的和定向的光線20向預期的工作區(qū)22輻射，實現(xiàn)諸如對工作區(qū)實施照明等預定的目的。本實施例中的光源16可以是任何一種光源，例如自然環(huán)境光、裝置的非固有光，或與裝置10連接的或被裝置10固定的光源。裝置和用于固定光學件的載體可以是任何一種在工作時應用這種光學件的裝置、系統(tǒng)或設備。光學件可以是透射類型的或反射類型，但在圖中所述的光學件12是透射型的。
圖2為另一種裝置的示意圖，該裝置包括一個用于固定光學件32的載體31。光學件是一個與光學件表面一體成型的微觀結(jié)構(gòu)。光源36產(chǎn)生一指向工作區(qū)或預期目標40的光輸出38。光線42被反射，換句話說由目標40向載體31和光學件32發(fā)射。由光學件32發(fā)射成形和定向的光線46，并且該光線被傳感器接收。傳感器44可以是實現(xiàn)預期目的對光線46進行接收、讀出、存儲或發(fā)射的類型。
光源26可以是環(huán)境自然光、裝置30的非固有的光或與裝置連接的或結(jié)合在一起的光源。光學件32可以是任何類型的透射或反射的光學件。裝置30和載體31可以是任何應用這種光源的任何類型的裝置、系統(tǒng)或設備。
圖3為裝置50的另一示意圖，該裝置包括一用于對反射的光學件52和54對進行固定的載體。每個光學件52和54具有一個與光學件表面一體成型的光線成形表面微觀結(jié)構(gòu)56。光源58產(chǎn)生一光輸出60，一些光輸出投射到光學件52上。成形的、均勻的和定向的光線62由光學件52向件56反射。進一步成形的、均勻的和定向的光線64由光學件54向工作區(qū)或預期的目標66反射。
可以對裝置50的結(jié)構(gòu)進行很大程度的變化，而不會偏離本發(fā)明的范圍。例如一個或多個投射光學件可以替換一個或多個反射件52和54。可以對裝置添加一個或多個透射或反射件，從而實現(xiàn)必要的附加的功能。工作區(qū)可以是裝置的一部分，例如傳感器或例如對光線64進行利用或?qū)⒐饩€64相互發(fā)射的電子器件。光源可以是環(huán)境自然光、裝置50的非固有光，或作為裝置的一部分的光源。而且對一個或多個光學件、裝置和載體可以在很大程度上進行變化，而不會偏離本發(fā)明的范圍。
圖4為另一包含有對光學件72進行固定的載體71的裝置70的示意圖，光學件具有一個與光學件表面一體成型的光成形表面微觀結(jié)構(gòu)74。光源76產(chǎn)生一光輸出78，一些光輸出投射到光學件74上。成形的、均勻的和定向的光線80由光學件74反射出并被裝置的件82接收。件82可以是一個傳感器或用于發(fā)射或讀出光線80或換句話說利用光線實施裝置80的功能的其它的器件。
光源76可以是環(huán)境自然光、非固有的光或裝置70內(nèi)設的光源。在本實施例中的裝置可以是利用這種光學件實現(xiàn)預期目的的任何類型的裝置、系統(tǒng)或設備。光學件可以是任何類型的反射或透射件，而不會偏離本發(fā)明的范圍。該實施例與圖2所示的實施例的區(qū)別在于，在本實施例中沒有如圖2中所示的在光源76與光學件72之間的中間的目標、物體或其它介質(zhì)。
對具體的裝置可以在很大程度上加以變化，而不會偏離本發(fā)明的范圍。這類裝置包括諸如關(guān)節(jié)鏡，內(nèi)窺鏡、血液分析儀、激光外科設備、顯微鏡、外科或手術(shù)室燈或其它醫(yī)療設備，但并不僅僅限于此。這種裝置可以是用于在黑暗中對導彈導航或?qū)δ繕硕ㄎ坏母呒夹g(shù)圖象系統(tǒng)。這種裝置也可以是非常簡單的用于標牌的發(fā)光二極管顯示器、手持游戲機，或其它的顯示屏發(fā)光器。該種裝置可以是激光發(fā)生器，其中光學件是一個激光衰減器。該裝置可以是任何類型照相機或其它的攝象機、顯微鏡，或高倍望遠鏡。根據(jù)本發(fā)明的設計，可以大大改善應用光學件的任何實際的裝置的性能。本發(fā)明的載體可以是這些裝置中的一種的任何實際部分、部件系統(tǒng)或分系統(tǒng)。
而且本發(fā)明并未對光學件的類型予以限定。光學件包括激光衰減器、波導濾波器、光柵結(jié)構(gòu)或濾光鏡、光纜、菲涅爾透鏡、柱面透鏡、凸透鏡和凹透鏡、透明或半透明平板、偏光鏡和棱柱結(jié)構(gòu)，但并不僅僅限于此。這些件中的每一種對投射在其上或透射過其的光線實施一個或多個宏觀光學功能。由于在光學件上的整體的漫射體微觀結(jié)構(gòu)實際上將明顯實現(xiàn)的所有這些件的好處將有利于對光線的成形、均勻和定向的控制。因此也會大大改善建立在該光學件性能基礎(chǔ)上的裝置的性能。
盡管在上面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做了說明，但對本發(fā)明可以做許多其它的改變和改動，而不會偏離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括一個載體；一個由載體固定的光學件，該光學件具有宏觀光學特性和至少一個表面；一個光線成形表面微觀結(jié)構(gòu)設置在光學件的至少一個面上，其中微觀結(jié)構(gòu)對由表面發(fā)射出的光線進行均勻化、成形處理和對其方向進行控制，以便按預定分布的形狀和方向產(chǎn)生光滑、連續(xù)的光線圖形。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，還包括一個由裝置攜帶的光源，該光源用于產(chǎn)生光輸出，該光輸出被傳播給光學件或被由光學件發(fā)送出。
3.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中光學件至少是一個由載體固定的透明的透鏡。
4.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中光學件是一個由載體固定的菲涅爾透鏡。
5.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中光學件是一個由載體固定的積分球。
6.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中光學件是一個由載體固定并連接在載體上的光纜。
7.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中光學件是一個由載體固定的棱鏡結(jié)構(gòu)。
8.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中光學件是一個由載體固定的透鏡罩。
9.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中光學件是一個由載體固定的光波導結(jié)構(gòu)。
10.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中光學件是一個由載體固定的光柵結(jié)構(gòu)。
11.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中載體是一枚導彈。
12.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中載體是顯微鏡。
13.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中載體是機器型設備。
14.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中另外還包括一非固有的光源，該光源用于產(chǎn)生傳播給光學件的光輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種裝置(10),該裝置具有一個載體(11)和一個被載體固定的光學件(12)。光學件具有一個宏觀光學特性和至少一個表面。一個光線成形表面微觀結(jié)構(gòu)(14)與光學件表面結(jié)成一體。微觀結(jié)構(gòu)用于對由光學件表面輻射出的光線進行均勻化、成形和對光線的方向進行控制,以便以預定的分布形狀和方向產(chǎn)生光滑的、一致的和連續(xù)的光線圖形。光學件可對投射到裝置部分上的光學件上的光線進行發(fā)射或反射。
文檔編號G02B5/02GK1322302SQ99811781
公開日2001年11月14日 申請日期1999年8月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月25日
發(fā)明者里克·L·謝, 杰弗里·A·萊恩, 加金德拉·D·薩文特 申請人:物理光學公司