[发明专利]透射型光学元件、照明装置及制造方法

说明书

发明领域

本发明涉及微光学，特别涉及包含微型光栅的光学元件、利用这样的元件的照明装置及其制造。

发明背景

所谓微光学在本文指的是这样的光学领域：用于引导光的光学元件的操作不仅基于元件表面的微观几何结构及因此基于其整体的三维形状，而且首先基于在元件表面上延伸的微型光栅。当光学性能主要由光栅结构确定时，元件的整体形状可以是简单的。例如，元件表面不需要像传统的透镜一样弯曲，而是光栅可以位于平坦表面上。这允许将元件主体实现为例如具有低厚度的平板。实际上，微型光学元件通常被制造为薄膜结构。

在本文所指的微光学涵盖折射地操作的光栅结构和借助于衍射光栅的光操纵。衍射光学形成微光学的特定领域。在衍射光学中，光学元件的操作不再像折射光学中的情况一样基于在具有不同的光学密度的两种材料之间的界面处的光线的折射，而是基于光的衍射。在衍射光学元件中，光栅的结构细节的大小在光的波长的量值处或以下。

微光学日益扩展到不同的应用领域。其优势之一是光学元件的性能特性是可变和灵活地可调整的。另一方面，制造技术的发展使得当今能够通过不同的复制技术进行微光学元件的成本有效的大批量生产。这些复制方法中的一般原理在于包含微米级或较小的三维结构的期望光栅的反副本在特定的模制/压制工具中被提供，所述模制/压制工具用于将光栅结构压制在适合的光栅材料的表面上。

如上所述，微光学元件通常被制造为薄膜结构。在典型的方法中，一层液晶材料例如可通过紫外（UV）光或热来固化的适合的热固性树脂被散布在薄的支撑/基膜上。压制工具被压在包含固化材料层的薄膜上，且UV辐射或热被同时引导到压制点以固化光栅材料。因为单独的微光学元件的尺寸通常为大约几毫米，因此通过这种方法将大量的元件压制在一块膜上是可能的，单独的元件随后从该膜被切除。

以上提供的制造原理的最有用的实际应用之一是UV辊对辊工艺。在该方法中，压制工具被布置在圆柱形辊/棒的表面上，所述圆柱形辊/棒绕着其纵轴旋转，且压制在膜上作为连续的过程发生，所述膜被引导而经过所述辊。基膜涂有UV固化树脂，且UV辐射被引导到压辊和膜的接触点。

上述的批量生产方法尤其适合于要求低成本微光学元件的应用，这是例如在不同的消费品中的情况。典型的例子是数码相机或例如手机的集成相机元件的塑料闪光灯透镜。

对微光学元件的材料特性的要求主要由元件的期望光学性能设定。例如，对可见光设计的透镜应该在可见光波长处具有高透射率。透射率也应该在所述波长范围内是一致的。换句话说，透镜应该为透明和光学透明的，而没有任何着色效果。这通常也是分光镜应用中的情况，在分光镜应用中，试图以不同的方式特别控制不同的波长。波长之间的区分通过实际的光栅结构来实现，光栅结构的性能特别依赖于波长，材料本身是无色的。

然而，尤其是在消费品中，设备的所有可见部分的外观也变得日益重要。换句话说，除了其光学性能以外，如果所述类型的便携式设备中的相机的闪光灯透镜在外观上匹配设备盖的一般外观，这将是有利的。例如，如果透镜能够被染色以匹配设备的一般着色，这将是合乎需要的。光学元件的着色不仅与闪光灯装置有关，而且适用于许多其他的照明装置。另一方面，例如，在外观特别关键的手机中，如果产生闪光的LED元件通过透镜显示，这可能在某种程度上被视为缺陷或干扰因素。透镜的适合的着色可能遮蔽LED以便是不太显著的。

因此，明确地需要有色的微光学元件及利用这样的元件的照明装置。然而，元件的有色性应实质上不应影响元件的主要预期的光学功能。此外，应该可能成本有效地实现微光学元件的有色性作为元件的正常批量生产工艺的部分。

发明目的

本发明的目的是对以上提出的需要作出响应。

发明概述

本发明的特征在于在权利要求1、4和8中提供的内容。

本发明的每个方面和实施方式所共有的一个本质问题与物体尤其是光学元件的颜色和有色性有关。

在本发明的背景下，所谓有色性主要是指如人眼所察觉到的光学元件的外观。不像作为元件表面的形状可能导致的光的折射的结果，在眼睛和看到的物体之间的良好透射和光学透明的元件不大影响物体的视觉感知。元件越平坦且它具有的表面越平坦，元件就越容易被察觉。如果这种元件的材料是有颜色的，来自这种元件的在对应于该颜色的波长处的光的反射与其他波长相比增大了。人眼察觉到该元件被着色。同时，在该元件后的物体不像在清晰的，即无色元件的情况中的一样清晰地显示。