Микролинзовый массив, основанный на эффекте полного внутреннего отражения, для широкоугольных осветительных систем

Микролинзовый массив, основанный на эффекте полного внутреннего отражения, для широкоугольных осветительных систем

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к оптическим устройствам и может применяться при проектировании аппаратуры для переформирования пучка света с изменением его пространственной структуры.

Микролинзовые массивы для преобразования световых пучков широко применяются в качестве структурированных экранов для контроля распространения или рассеяния падающего пучка. Микролинзовый массив представляет из себя некоторое количество микролинз с размерами от 10 до 200 микрометров, которые упакованы одним из известных методов, например с помощью прямоугольной или гексагональной упаковки, на одной поверхности.

Существующие микролинзовые массивы позволяют увеличить угол расходимости падающего пучка до 110-120 градусов, при этом эффективность таких устройств составляет от 50 до 80%. Однако существуют задачи (например, задняя подсветка TFT дисплеев), где такое значение угла расходимости является недостаточным и угол расходимости излучения должен быть в диапазоне от 170 до 180 градусов. Такого увеличения угла расходимости возможно добиться путем применения материалов с более высоким показателем преломления или применением принципиально новых оптических решений.

Материалы, которые используются для производства микролинзовых массивов, весьма разнообразны, но чаще всего используется прозрачный полиметилметакрилат (оргстекло). Показатель преломления этого материала - 1,49. Это значение накладывает ограничение на максимальный угол расходимости и не позволяет получить углы более 110-120 градусов. При таких углах эффективность массива не превышает 80%. Это явление объясняется тем, что при больших углах преломления часть лучей отражается от внутренней поверхности массива.

Рассмотрим некоторые известные решения на базе микроструктурированной оптики.

В выложенной патентной заявке США №2002/0034710 [1] описаны способы формирования структурированных экранов для преобразования входного пучка в пучок с контролируемыми параметрами. Структурированный экран представляет собой набор микролинз, расположенных на одной поверхности, причем параметры каждой микролинзы определяются по определенному закону. Результатом работы такого экрана является также преобразование входного пучка в расходящийся с определенными параметрами. Недостатками указанного патента является его ограничение по углу расходимости выходного пучка, которое связано с ограничением значения показателя преломления используемого материала.

Наиболее близким к заявляемому решению является патент США 6456437 [2]. Авторы предлагают для решения задачи увеличения угла расходимости и гомогенизации входящего пучка света использовать неупорядоченный массив призм, расположенный на одной поверхности. Углы призм выбраны таким образом, что падающий луч испытывает полное внутреннее отражение. Недостатком рассмотренного метода является то, что при таком способе формирования микроструктурированного массива невозможно контролировать форму выходного пучка. То есть выходной пучок будет иметь высокую равномерность, увеличенный (по сравнению с рефракционным массивом) угол расходимости, однако создать микромассив с точной заданной формой выходного пучка будет невозможно.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка устройства, позволяющего расширить угол расходимости пучка после микроструктурированной оптики до 170-180 градусов (в зависимости от используемого источника) с эффективностью 80-90% и с полностью контролируемой формой выходного пучка.

Технический результат достигается за счет применения микролинзового массива оригинальной конструкции, при этом в качестве входного источника света может быть использован как коллимированный, так и расходящийся пучок. Микролинзовый массив выполнен с использованием эффекта полного внутреннего отражения для широкоугольных осветительных систем и составлен из линз Френеля с канавками, имеющими отражающую и преломляющую части, при этом массив имеет функциональную зависимость между входным и выходным лучами и микролинзовыми параметрами в соответствии с далее приведенной формулой. Предлагаемый микролинзовый массив формирует выходной пучок таким образом, что центральная часть линзы (центральная канавка) формирует широкоугольную зону, а следующие канавки, расположенные от центра к краю, формируют выходной пучок от края к центру, при этом массив может быть упакован любым известным методом, например гексагонально или прямоугольно.

Требуемые параметры достигаются за счет использования двух поверхностей для формирования выходного пучка, а именно отражающей и преломляющей, а также за счет специального расположения выходных граней линзы.

Существо заявляемого изобретения раскрывается далее с привлечением графических материалов.

На Фиг.1 представлена оптическая схема предлагаемого устройства, где 1 - источник света, 2 - микролинзовый массив, 3 - плоскость анализа.

Укрупненный вид отдельных элементов устройства приведен на Фиг.2, где 4 - отражающая часть, 5 - преломляющая часть, 6 - одна канавка.

Предлагаемое устройство состоит из множества линз Френеля, которые упакованы любым известным апериодическим или периодическим методом (например, прямоугольным или гексагональным). Каждая канавка имеет две части: отражающую и преломляющую части (см. Фиг.2). Каждая канавка линзы Френеля имеет такую конфигурацию, что входящее излучение отражается от отражающей части канавки и преломляется на преломляющей части. Углы наклона обоих частей канавки рассчитаны таким образом, что они дают требуемое угловое или линейное распределение энергии в виде светового излучения. Расчеты основаны на методах приближения, принятых в геометрической оптике.

Эти приближения накладывают определенные ограничения на размеры элементов линзы.

Размер канавки должен быть, по меньшей мере, на порядок больше длины волны излучения, с которым работают оптические элементы. При таком соотношении удается избежать паразитных дифракционных эффектов. С другой стороны, при работе с когерентным излучением существует вероятность появления нежелательных интерференционных эффектов. В таких случаях следует проводить дополнительный расчет методами приближения волновой оптики или проверять оптическое решение экспериментально.

Линза Френеля рассчитана таким образом, что центральная часть линзы, а именно центральная канавка, формирует область больших углов, и следующие канавки от центра к краю формируют область выходного пучка, от края к центру. Это позволяет упаковать линзы в микролинзовый массив с небольшими энергетическими потерями, возникающими из-за виньетирования одной линзы другой.

При расчете угла наклона и формы отражающей поверхности используются математические методы и заданные граничные значения, в частности

- угол падения света на отражающую поверхность должен быть больше угла полного внутреннего отражения, при этом предельный (максимальный) угол определяется как:

- функциональная зависимость между входным и выходным лучом и параметрами микролинзы показана на Фиг.3 и описывается следующей формулой

где α - входной угол,

β - выходной угол,

γ - угол наклона отражающей поверхности,

ε - угол наклона преломляющей поверхности,

n₁ - показатель преломления воздуха,

n₂ - показатель преломления материала линзы.

Таким способом определяют угол наклона отражающей поверхности от входного и выходного лучей.

Угол наклона преломляющей поверхности должен быть небольшим, например 2 градуса.

Для создания линзы Френеля, обеспечивающей высокогомогенную освещенность, используют приведенные ниже формулы (3)-(5), которые позволяют рассчитать поверхность (см. Фиг.4), трансформирующую входные пучки, падающие под углом α в пучки с требуемой угловой расходимостью (до 170-180 градусов) и эффективностью до 92%.

где γ и r - переменные,

величина Е постоянна и вычисляется только один раз - в начале расчета. Параметр "n" определяет чистоту линзы или иными словами точность, с которой рассчитывается отражающая поверхность.

После расчета по указанным формулам получают поверхность, изображенную на Фиг.4. Эта поверхность может быть трансформирована в линзу Френеля (см. Фиг.7) и затем упакована в микролинзовый массив (см. Фиг.8). На Фиг.6а и 6б представлено распределение освещенности на расстоянии 13 мм от массива и угловое распределение в дальней зоне. Угол расходимости в данном случае составляет 140 градусов, эффективность порядка - 92%, источник излучения - коллимированный пучок.

Фиг.9 иллюстрирует полную выходную эффективность для плосковыпуклого, выпукло-плоского и Френелевского микролинзового массивов.

Для иллюстрации работы указанного устройства рассмотрим устройство для преобразования излучения от распределенного плоского источника с расходимостью 30 градусов и размерами во всю величину массива в расходящийся равномерный пучок 150 градусов. Габаритные размеры полученных линз представлены на Фиг.10а, где h=0,27 мм, и 10б, где Н=0,52 мм и l=0,60 мм. Полученные угловые и линейные распределения представлены на Фиг.11а и 11б.

Расчет произведен для длины волны 630 нм.

Полученная эффективность составила 80%.

Линейное распределение рассчитано на расстоянии 13 мм от массива.

Угол расходимости - 152-155°.

Поскольку указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен для целей иллюстраций, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в материалах заявки.

Микролинзовый массив, основанный на эффекте полного внутреннего отражения, для широкоугольных осветительных систем, включающий в себя микролинзовый массив линз Френеля, снабженных канавками, разделенными на отражающую и преломляющую части, при этом отражающая поверхность рассчитана таким образом, что угол падения света не превышает угол полного внутреннего отражения и предельный угол вычисляется по формуле

а функциональная зависимость между входным и выходным лучами и микролинзовыми параметрами описывается формулой

где α - входной угол;

β - выходной угол;

γ - угол наклона отражающей поверхности;

δ - максимальный угол падения света;

ε - угол наклона преломляющей поверхности;

n₁ - показатель преломления воздуха;

n₂ - показатель преломления материала линзы;

и выходной пучок формируется таким образом, что центральная канавка формирует широкоугольную зону, а следующие канавки от центра к краю формируют зону от края к центру.