CN101111785A - 光学元件及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明说明了一种用于导引电磁辐射(5)的光学元件(1)，它具有一个基体(2)和至少一个薄膜(3)，其中，所述薄膜(3)粘在基体(2)上，并且与基体(2)形成紧密连接，并且设置所述薄膜，使得该薄膜被电磁辐射透射。

Description

光学元件及其生产方法
本发明涉及一种光学元件及其生产方法。
由公开文献DE 44 040 425 A1公开了一种用于透明表面或透明体散射照明的装置。为了用弱光源也能实现良好的散射照明，所述装置具有至少一个安装在该装置的核心处并照入内部的光源。在核心处设置了一个部分透明的层和一个至少部分反射的层。
本发明的任务是说明一种可以多样使用的光学元件及其生产方法。
该任务通过具有权利要求1所述特征的光学元件和具有权利要求13所述特征的方法解决。所述光学元件及其生产方法的优选设计方案是从属权利要求的主题。
按照本发明的光学元件优选用于导引单色或多色的电磁辐射，该光学元件具有一个基体和至少一个薄膜。该薄膜紧密地粘连在基体上，并且这样设置，使得电磁辐射透射该薄膜。
这样的用于导引尤其优选处于可见区域中的电磁辐射的光学元件可以由基体和薄膜组成。
通过光学元件导引的辐射在辐射入射面处射入，并在辐射出射面处射出。辐射出射面可以平行或垂直于辐射入射面布置。这两个面都是光学元件表面的一部分。
基体优选由透明材料制成。例如环氧树脂、丙烯酸树脂、硅树脂或者这些树脂的混合物可以作为透光但是不会造成辐射散射的透明材料使用。但基体也可以具有一种起光学作用的材料。例如，起光学作用的材料可以包含用于将辐射转换为另一种波长的辐射或者用于散射的颗粒。
基体的几何形状可以视光学元件的使用目的而定，并且例如可以是板式或透镜状的。
基体尤其优选是波导管或透镜，并且适合与薄膜组合例如用于均匀地从后面照射显示装置例如LCD，或者用于形成辐射。
薄膜优选紧密粘连在基体的表面上，其中不需要任何增加附着力的中间层如粘合剂。
薄膜可以位于基体的不同侧面。一种方案在于：薄膜设置在光学元件例如透镜的辐射出射面的侧面。另一种方案是将薄膜设置在光学元件如透镜的辐射入射面的侧面。还有一种方案在于：薄膜不是设置在光学元件的辐射入射面或者说出射面的侧面，而是位于其它侧面中的一个或多个侧面上，这种情况特别适合波导管形式的光学元件。
薄膜优选被通过基体导引的辐射透射。其中，透明或半透明的材料对于薄膜来说证明是有利的。与透明材料相反，半透明材料可以使辐射至少部分地散射。
另外，薄膜可以是起光学作用的薄膜，这意味着借助薄膜来改变辐射的特性。例如可以影响辐射的形状、波长或强度。也可以考虑组合对这些参数的影响。与此相对，仅仅被透射的薄膜被视为不起光学作用的薄膜，其中除可以忽略不计的辐射偏差以外，辐射保持不被影响。
例如，薄膜中使辐射散射的颗粒可以影响辐射的形状。另外，通过具有某种特定结构的薄膜例如也可以实现透镜作用。
为了将辐射转变为另一波长的辐射，薄膜优选包含荧光材料。
在一种优选的实施方式中，薄膜设置在光学元件的辐射出射面的侧面。在这种设置形式中，例如通过使用部分透明的具有某种特定结构的薄膜可以影响从光学元件中射出的辐射的形状。
在此薄膜和基体之间的紧密连结证实对于射出的辐射的强度特别有利。因为不同于借助机械固定物对薄膜进行的固定，通过紧密连结避免了气隙，由此可以降低辐射损失或者说减少全反射。
在另一种实施方式中，薄膜设置在光学元件的一个或多个侧面上，更确切地说既不位于辐射入射面也不位于辐射出射面。
薄膜可以是透明或半透明的。在薄膜后面可以设置其它的薄膜，优选设置反射薄膜。也可以考虑在薄膜后面设置例如薄膜组形式的大量其它薄膜。
在此在薄膜与反射薄膜之间形成气隙。
入射角(相对于表面法线)大于全反射角的辐射部分优选在从薄膜(光密介质)到周围环境(光疏介质，通常是空气)的过渡区域中全反射。通过气隙的辐射部分可以在后置的反射薄膜处被反射。这样，射到基体侧面上的大部分辐射被反射，并且辐射总体上损失很小地导引通过基体。因此通过这一优选的设置提高了反射率，这对光学元件的光密度有积极作用。
最后所述的作为波导管的设置的使用例如可以在移动的便携式电子仪器中用于数据可视化，其中，平板显示器(“Flat Panel Displays”)的技术具有重要作用。平板显示器可以作为液晶显示器(LC显示器)实现。这种技术的突出之处在于生产成本经济、电功率消耗低、重量轻以及占地少。然而，LC显示器不是自动发射光的，所以需要如通过本发明可以最佳地实现的背面照明(Hinterleuchtung)，其中，本发明的出色特点是光学元件高的光密度。相对于使用需要更多能量的附加的有源元件例如发光二极管(LED)，这种实现方式的优点在于使用无源元件例如由薄膜-气隙-反射薄膜构成的装置来提高反射率。
在本发明范围内生产光学元件时，首先将薄膜置入注塑模。然后例如借助喷嘴将填充材料注入注塑模，其中，在填充材料和薄膜之间形成紧密的连接。基体在此由填充材料制成，该填充材料优选是透明材料。但是也可以考虑使填充材料包含例如用于使辐射散射或改变辐射波长的颗粒。
一旦浇注材料冷却至充分的出模强度，光学元件即可出模，这可以以有利的方式在生产后不需经过显著的等候时间实现。
光学元件的其它特征、优点和改进方案从以下结合图1到图3说明的实施例中获得。附图示出：
图1是光学元件的第一实施例的透视侧视图，
图2a是光学元件的第二实施例的透视剖面图，
图2b是光学元件的第三实施例的透视侧视图，
图3是光学元件的第四实施例的透视侧视图。
在这些实施例和附图中，同样的或同等作用的构件分别具有同样的附图标记。
图1示意示出了光学元件1的第一实施例。该光学元件1在此是平板式波导管。该波导管具有基体2和薄膜3。该基体2优选包含透明材料，例如环氧树脂、丙烯酸树脂、硅树脂或这些树脂的混合物。也可以考虑材料包含颗粒，例如用于改变射入基体的辐射5的波长的色素。
薄膜3尤其优选由一种至少部分透明的材料制成。例如，薄膜3可以具备有透镜作用的结构。为了改变辐射5的波长，薄膜3可以包含色素。但也可以是用于使辐射散射的颗粒。
优选在可见区域中的电磁辐射5由光源(图中未示出)、优选由一个或多个发光二极管(LED)射出。
单色或多色的电磁辐射5经过辐射入射面12射入光学元件1中，并且均匀分布在矩形表面上。辐射透射基体2和薄膜3，并且经过与辐射入射面12平行设置的辐射出射面4射出。作为替代方案，辐射出射面4也可以垂直于辐射入射面设置，在这种情况下例如辐射入射面12位于基体2的侧面8上。在后一种设置中，辐射的射入沿光学元件1的纵向实现。
例如，通过平的波导管能够均匀地照亮设置在光学元件1后面的显示装置(图中未示出)。
在如图2a所示的第二实施例中，光学元件1是条状波导管。该条状波导管具有基体2、薄膜3和设置在薄膜3后面的反射薄膜6。薄膜3和反射薄膜6在剖面图中环形或框形环绕着基体2。
薄膜3紧密粘在基体2的侧面8上。这种紧密连结仅仅通过具有例如构成基体2的透明材料的薄膜3的后喷注(Hinterspritzen)实现，并且有利的是在薄膜3和基体之间不需要任何增加附着力的中间层。
在薄膜3后面设置反射薄膜6，更确切地说将反射薄膜6置于薄膜3上，而在此不基于在两个薄膜之间作用的力增加附着。在这种设置形式中，两个薄膜之间形成气隙7。
优选如在第一实施例中一样，基体2包含一种透明或部分透明的材料，在该材料中可以存在具有如上所述作用的颗粒。
对于薄膜3，优选使用透明或半透明的材料。
来自辐射发射源(图中未示出)的辐射5横穿条状波导管，并且在此该辐射一但射到基体的侧面8上就被反射到基体中间。
如图2a中所示，辐射以有利的方式在两个位置上被反射：在与气隙7交界的薄膜3处和反射薄膜6处。
因为薄膜3的材料具有比空气高的折射率，在薄膜3与气隙7之间的过渡区域处，以等于或大于全反射角的角度10射到薄膜3上的辐射被完全反射(全反射辐射9)。
以小于全反射角的角度射到薄膜3上的辐射部分可以在薄膜3处被部分反射或穿过气隙7。透射薄膜3的辐射部分可以在设置在后面的反射薄膜6处被反射(反射辐射11)。
总之，由此通过这样的双层薄膜设置可以实现高反射率。
电磁辐射5经过波导管并且通过辐射出射面4从波导管中射出。
在图2b中示出了光学元件1的第三实施例。在此该光学元件1是平板式波导管。该波导管具有一个基体2和至少两个薄膜。薄膜3和反射薄膜6设置在与辐射出射面4相对置的一侧。如在第二实施例中一样，在这两个薄膜之间存在气隙7。对于辐射在薄膜上的反射适用相同的物理情况。
示范性地标识出光路。其中，电磁辐射5通过辐射入射面12射入光学元件1。电磁辐射5透射基体2。以等于或大于全反射角的角度10射到薄膜3上的辐射被全反射。另外，全反射的辐射在其在辐射出射面4处从光学元件1中射出之前会射到侧面8并被重新反射。
在一种优选的实施例中，在一个或多个侧面上附加设置薄膜和反射薄膜(图中未示出)，在这些薄膜之间具有气隙，这样，以等于或大于全反射角的角度射到侧面8上的辐射被全反射。
另外，在辐射入射面上也可以设置起光学作用的薄膜(图中未示出)。
总之，由此通过这样的双层薄膜设置可以实现高反射率。
图3展示了光学元件1的第四实施例，这里示出了光学元件1的透视侧视图。
托架13在其表面上具有拱顶罩形式的光学元件基体2。这种优选球形弯曲的罩被薄膜3覆盖，该薄膜3紧贴连接在该罩11的表面上。
例如，托架13具有圆柱形形状。托架可以是内腔填满空气的金属空心圆柱体，或者内腔里具有透明材料，如环氧树脂、丙烯酸树脂、硅树脂或这些树脂的混合物，这些透明材料例如与表面上的反射薄膜相对于外界环境隔绝。
优选在可见区域中的电磁辐射5可以有利地导引通过这种托架。通过托架13导引的辐射的主方向在此与托架13的外壁平行。
辐射在托架13末端射到基体2上。该基体2优选包含一种透明材料，并且例如构造成凸透镜的形式。通过托架13导引的辐射5由此可以具有一定的形状。例如，从托架射到凸透镜上的平行射束可以聚焦在设置在光学元件后面的点上。
紧密粘连在罩11上的薄膜3优选是一种起光学作用的薄膜，也就是说，该薄膜可以是透明的或者包含例如用于形成其它射线形状或改变入射的辐射的颜色的颗粒。
透镜3和旋光薄膜3之间的紧密连接证实是有利的，因为这样可以避免借助粘合剂将薄膜施加在基体上时出现的辐射损失，其中透镜3也可以是散射透镜。
不言而喻，在说明书、附图以及权利要求中公开的本发明的特征不仅对于单独实现本发明，而且对于以任意可能的组合来实现本发明都是十分重要的。
本专利申请要求德国专利申请102005004447.6-11和102005006635.6-51的优先权，在此通过引用来接收这些德国专利申请的公开内容。

Claims (15)

1.用于导引电磁辐射(5)的光学元件(1)，它具有一个基体(2)和至少一个薄膜(3)，其中，该薄膜(3)粘在基体(2)上，并且与基体(2)形成紧密连接，并且设置薄膜，使得该薄膜由电磁辐射(5)透射。
2.按权利要求1所述的光学元件(1)，其特征在于：所述光学元件(1)是波导管。
3.按权利要求1所述的光学元件(1)，其特征在于：所述光学元件(1)是透镜(11)。
4.按前述权利要求中至少一项所述的光学元件(1)，其特征在于：所述薄膜(3)是起光学作用的薄膜。
5.按权利要求4所述的光学元件(1)，其特征在于：所述薄膜(3)包含用于使电磁辐射散射的颗粒。
6.按权利要求4所述的光学元件(1)，其特征在于：所述薄膜(3)包含荧光材料。
7.按权利要求6所述的光学元件(1)，其特征在于：所述荧光材料将辐射(5)转换为另一波长的辐射。
8.按权利要求4所述的光学元件(1)，其特征在于：将所述薄膜(3)结构化。
9.按前述权利要求中至少一项所述的光学元件(1)，其特征在于：所述薄膜(3)设置在光学元件(1)的辐射入射面(1 2)和/或辐射出射面(4)上。
10.按权利要求1到8中至少一项所述的光学元件(1)，其特征在于：所述薄膜(3)设置在基体(2)的侧面(8)上。
11.按权利要求10所述的光学元件(1)，其特征在于：在所述薄膜(3)后面设置反射薄膜(6)。
12.按权利要求11所述的光学元件(1)，其特征在于：在所述薄膜(3)和反射薄膜(6)之间存在气隙(7)。
13.用于生产按权利要求1所述的光学元件(1)的方法，其中该方法的特征为以下步骤：
-将薄膜(3)置入注塑模中，
-将填充材料注入注塑模中以形成基体(2)，其中在填充材料和薄膜(3)之间形成紧密的连接。
14.按权利要求13所述的方法，其特征在于：所述填充材料是透明的材料。
15.按权利要求13所述的方法，其特征在于：所述填充材料包含使电磁辐射散射的颗粒。
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