用于光束成形和均匀化的随机微透镜阵列制造技术

微透镜阵列通过微透镜（１０）元件定义，该微透镜元件根据概率分布函数而互相不同，用于成形在所要求的远场散射图样中具有指定强度剖面的光束。这些差异包括在相应于微透镜的表面形状（６０）的垂度剖面中的随机变化，相应于微透镜的边界的边界剖面（４６），以及相应于阵列中微透镜的相对位置的空间分布。垂度剖面变化可用于均匀化光束的强度剖面。不规则空间分布中的边界剖面变化可以用于在所要求的散射图样中应用光束的指定的强度剖面。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于微透镜阵列的光学装置，该光学装置能将输入照度的成形强度函数修改成可距该装置一定距离之外观察的独特的强度函数。该修改强度函数的能力包括通过减小散射强度分布中强烈的变化的均匀化。这样的微透镜阵列的应用包括漫射器，屏幕，均匀器和光束成形器。背景光束成形涉及将初始输入光束的强度剖面转变成距光束成形装置一定距离之外的独特的剖面。通常对光束成形有这样形式的要求，光束从由自由的单独传播提供的自然成形(即衍射)发生明显的偏离。因此，这样的光束成形在应用光束成形装置修改传播光束的性质从而提供所要求的成形函数方面经常是必须的。光束成形和均匀化的简单形式由Gaussian漫射器提供，该漫射器包括一个带有随机高度变化的表面。研磨玻璃和一些类型的化学刻蚀玻璃的表面被用于提供这样的随机高度变化。Gaussian漫射器在有限的角度范围均匀地发散输入照度光束使其带有Gaussian强度剖面。这样的光束成形器不贵并且易于制造，但仅提供很有限的光束成形能力。具有均匀化能力的另一种类型的漫射基光束成形器可通过激光斑纹图样的全息曝光制造。这些所谓的“全息漫射器”通过提供诸如以沿两个方向独特的角度散度发散光的光束成形方面更大的灵活性而提供超过Gaussion漫射器的一些优点。精确的散度也能够得到更好的控制。但是，用于全息漫射器的典型的强度散射器剖面也是Gaussian型的。原则上能获得其他的强度剖面，但制造的全息方法假定带有所要求的强度剖面的装置已经存在，这样就限制了该方法的有用性。另外，在重建中，除了所要求的图样外，也将存在零级(直通)光束。这些缺点限制了全息元件对于光的Gaussian散射以外的任何方面的有用性。达到光束成形和均匀化的另一种方法基于衍射元件，该方法应用干涉和衍射效应将输入光束成形为各种图样。当要求大散度角时衍射元件就出了问题，因为衍射元件通过减小表面特征尺寸(小特征导致大散射角)达到光散射。当散度角增加时，制造衍射元件就更难，这些元件通常就限于±20度以下的角度。衍射元件也最适合于单色操作并通常被设计成在特定波长下工作。在其他的波长下，出现强烈的非衍射零级光束的成分。衍射元件可设计成在分立的波长值下工作，但是对于宽带操作，这样的装置提供蹩脚的性能，零级光成为性能下降的主要缘由。诸如入射Gaussian光束向呈现超过某些角度跨度的扁平强度的光束的转变的光束的扁平化也可以通过衍射元件着手进行，但是有上述缺点。非球面透镜也已经用于光束的扁平化，但非球面透镜存在和制造，对准，有限的场深度和对输入光束变化的灵敏性有关的诸多困难。规则的微透镜阵列先前已经用于进场均匀化，但是这些阵列在远离阵列之处产生强烈的衍射图样以及在屏幕应用中产生诸如波纹效应的图像赝像。规则微透镜阵列也已经用于发光目的但提供有限的空成形(多边形能量分布)和远离阵列之处有限的强度控制(在规则阵列上的球面或非球面透镜剖面)。其他的一些光束成形转变要求光从散射图样的一些部分的排外性(即在散射图样中的“孔洞”)。除了衍射元件外，现有方法已经不能提供包括这样多重连接的散射图样的光束成形能力。专利技术概述本专利技术提供了对包含用于成形发光光束的微透镜阵列的装置的改进，因此发光光束穿过该装置，由该装置修改，并根据所要求的远场散射图样中的指定的强度剖面远离该装置重新组合。该装置以衬底上分布的微透镜阵列为基础。每个微透镜由一组参数的唯一值限定，该参数总体上和限定阵列中其他微透镜的同样参数的值不同。微透镜中透镜到透镜之间的变化提供了远离该装置之处均匀化发光能量的手段。每个微透镜的形状或垂度剖面根据所要求的强度成形函数选择。阵列中每个微透镜的边界剖面和空间安排(相对定位)经选择以应用所要求的远场散射图样中的指定的强度剖面。根据本专利技术设置的光学装置可以由微透镜的阵列限定，该阵列中各别的微透镜在随机的方式中互相不同，该方式由支配诸如垂度剖面，边界剖面和空间安排的参数的概率分布函数表征。输入光束可通过每个微透镜的表面剖面及其统计性能的控制被成形或修改成具有所要求的强度函数的输出光束。概率分布函数可经选择而进一步成形强度函数，尤其是相对于强度下降的速率成形。相似的边界剖面(例如直径)中的经随机化的变化和空间安排在所要求的散射图样上应用所要求的强度函数。根据本专利技术的优选实施例的光束成形器提供根据所要求的远场散射图样中指定的强度剖面的光束成形。微透镜阵列在衬底上分布。每个微透镜由一组参数值限定在阵列中，该组参数值总体上和限定阵列的其他微透镜的同一组参数的值不同。该参数包括相应于微透镜表面形状的垂度剖面，相应于微透镜的边界的边界剖面和相应于阵列中微透镜的相对位置的空间分布。垂度剖面在阵列的微透镜之间变化以均匀化光束的强度剖面。边界剖面在非规则空间分布中的阵列的微透镜之间变化以在光束的所要求的远场散射图样中应用指定的强度剖面。垂度剖面最好在阵列的微透镜之间根据概率分布函数变化。更具体地说，垂度剖面最好由在一个允许范围中满足概率分布函数的一个或多个随机变量限定。随机变量可包括曲率半径，圆锥常数和数学上叙述垂度剖面的垂度函数的非球面系数。至少一些微透镜的边界剖面是将光束的经均匀获能的部分散射成经匹配成形的远场散射图样的一致边界。该一致边界最好具有多边形，圆形或其他平滑曲线形的形状。其他微透镜的边界剖面是不一致边界，该不一致边界将光束的经均匀获能的部分散射成不匹配该不一致边界的形状的远场散射图样。不一致边界总体上有更复杂的形状，诸如由一致边界的邻近部分形成的分段弯曲的形状。通常，带有一致边界的微透镜以将带有不一致边界的微透镜的剩余介入区域减至最小的空间分布设置，该区域在衬底上带有一致边界的微透镜之间填满空间。带有一致边界的微透镜和带有不一致边界的微透镜都显示聚焦的光度。另外，带有一致边界的微透镜最好具有根据概率分布函数的不同的保形边界的随机安排。例如，不同的保形边界的尺寸可在有限的范围内随机变化。通常，光束的远场散射图样是一个具有和带有一致边界的微透镜的平均形状匹配的形状的简单的连接区域。但是，光束的远场散射图样也可以形成为多重连接的区域。例如，垂度剖面可由包含在远场散射图样中产生空白的相奇点的垂度函数限定。或者，带有一致边界的微透镜可和带有不一致边界的微透镜组合在一起并相隔开，以产生光束的空间隔离的部分。微透镜被支撑在其上的衬底最好是一个具有相对的第一和第二侧面的透射衬底。除了在衬底的第一侧面定位微透镜阵列外，漫射元件可定位在衬底的第二侧面以进一步均匀化或成形照面光束。漫射元件可采取各种形式，包括经粗糙化的表面，经全息曝光的图样，衍射图样，光栅，极化表面，透镜，和另一个透镜阵列。虽然可能有其他的强度剖面，本专利技术的光束成形器尤其很好地适合于在所要求的远场散射图样中达到均匀的(平的)强度剖面。在远离中心剖面之处的强度下降速率也可以用显示下降的不同速率的概率分布函数控制。远场强度图样的形状可由微透镜的边界剖面和空间分布参数控制。典型的远场散射图样包括圆的，方的，长方的和环形的散射区域。散射图样也可以沿两个垂直的方向形成总体独特的角散度。另外，远场散射图样可以由带有规定强度分布的多样性的空间分离的光束形成。本专利技术的另一个方面提供了用于光束成形和均匀化的装置，该装置包括第一随机微透镜阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于根据指定的强度剖面在所要求的远场散射图样中成形光束的光学装置，包括：光学衬底；在该衬底上分布的微透镜阵列；每个微透镜被一组参数值限定在阵列中，该组参数值总体上和限定阵列中的其他微透镜的同一组参数的值不同； 该参数包括相应于微透镜的表面形状的垂度剖面，相应于微透镜的边界的边界剖面，和相应于阵列中的微透镜的相对位置的空间分布；垂度剖面在阵列的微透镜之间变化以均匀化光束的强度剖面；和边界剖面在非规则空间分布中的微透镜之间变化以在 所要求的远场散射图样中应用指定的强度剖面。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：TRM塞尔斯，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]