CN108463666A - 用于耦合出光的板状光学元件 - Google Patents

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Abstract

给出对具有透明的板状光学波导件(12)的光学元件(10)的描述，板状光学波导件(12)具有带有用于耦合出光的突起(22)和/或凹陷的表面结构。透明盖板(14)布置成与光学波导件(12)平行且相距一定距离。为了获得元件，该元件首先旨在用于耦合出光并且其次可以用作例如用于窗的透明元件，在盖板(14)的至少一个表面上和/或在光学波导件(12)的表面(20)上设置有具有多个突起(34)的减反射纳米结构(30)。

Description

用于耦合出光的板状光学元件
技术领域
本发明涉及光学元件。具体地，本发明涉及具有透明的板状光学波导件的光学元件，该光学波导件具有用于耦合出光的突起和/或凹陷的表面结构。
背景技术
具有用于耦合出光的表面结构的透明的板状光学波导件是众所周知。板状光学波导件可以用于例如在光学波导件内横向地引导所耦合的光并且然后将所述光在表面结构的突起上耦合出。以这种方式，可以获得期望的平面照明效果。
WO 2011/067719 A1描述了一种能够发光的窗元件。光学波导件被设置成通过全反射引导光源的光。散射结构或输出耦合结构被布置在光学波导件的表面上以从光学波导件耦合出光。输出耦合结构布置在光学波导件与玻璃嵌板之间，以使得在突起与突起之间、在光学波导件与玻璃嵌板之间形成光学波导件与玻璃嵌板不接触的区域。输出耦合结构可以用作光学波导件与玻璃嵌板之间的间隔件。在光学波导件的相反一侧上可以设置有另一玻璃嵌板。
DE 199 15 209 A1描述了一种用于平板显示器的背光照明的具有光学波导板的装置，该光学波导板在一个侧表面上具有梯形或矩形微结构，而在另一个侧表面上布置有反射器。光学波导板由透明材料——优选地，PMMA——构成。在较窄侧布置有杆状光源，其中，光从该光源耦合到光学波导板中并在光学波导板中以全反射扩散。梯形或矩形微结构用于从光学波导板耦合出光。在一个实施方式中，侧表面上布置有锯齿形膜，并且该锯齿形膜在其面向光学波导板的一侧具有由微棱镜构成的结构，所述结构用于将通过矩形或梯形结构从光学波导板耦合出的光转向朝向显示器。
发明内容
可以认为本发明的目的是提出一种光学元件，一方面，该光学元件用于耦合出光，并且另一方面，该光学元件可以用作例如用于窗的透明元件。
该目的通过根据权利要求1的光学元件来实现。从属权利要求涉及本发明的有利实施方式。
根据本发明，提供了一种由透明材料例如玻璃或透明塑料构成的板状光学波导件。在板状光学波导件的至少一侧上设置有带有用于耦合出光的多个突起和/或凹陷的表面结构。各种各样的形状例如规则布置的或随机分布的突起和/或凹陷可以用作输出耦合结构，所述突起和/或凹陷适于从光学波导件耦合出光，否则所述光将在表面上经历全反射。
根据本发明，透明盖板被布置成与光学波导件平行，该透明盖板也由例如玻璃或透明塑料构成。盖板位于相距光学波导件的一微小距离处，从而在盖板与光学波导件之间形成自由区域。优选地，该距离足够大以使得在表面结构上光的引导和耦合出光基本上不受影响。盖板用于保护表面结构免受例如污物或机械损坏。
根据本发明，至少在光学波导件的一个表面上和/或在盖板的一个表面上——优选地在盖板面对光学波导件和/或在光学波导件面对盖板的表面上——设置有具有多个突起和/或凹陷的减反射纳米结构。
这防止形成破坏性反射。这特别是在光学元件用作透明结构元件例如用作窗玻璃时起作用。通过特别地在盖板与光学波导件之间所形成的空间的彼此相对的边界表面中的一个边界表面或优选地两个边界表面上的减反射纳米结构，破坏性反射被显著降低并在理想情况下被完全避免。
为了例如作为窗玻璃使用，优选地，光学元件对边长例如各自大于10cm、优选地大于30cm的较大区域进行覆盖。例如，大于100cm边长的更大尺寸也是可能的。
减反射纳米结构提供了表面调制，表面调制例如可以是规则的或随机的。以这种方式形成的纳米结构对于宽的光谱而言具有抗反射的效果。在具有这种纳米结构的边界表面上，不存在突然的折射率变化，而是平缓的折射率变化。例如，合适的纳米结构可以由高度为500nm或更小的突起和/或凹陷形成。高度为150nm至400nm的结构是优选的。各个突起彼此的平均距离优选地为100nm至500nm，进一步优选地为100nm至300nm。表面调制可以成形为例如十字格或线条光栅结构。优选地，结构轮廓不是矩形而是圆形的。
减反射纳米结构优选地被设置在盖板的面对光学波导件的表面上和在光学波导件的面对盖板的表面上。以这种方式，可以在两个边界表面上实现特别好的反射抑制。
根据本发明的一个发展，通过分布在区域上的多个间隔件，盖板被保持在相距光学波导件的一定距离处。例如，间隔件的高度可以为2μm至2mm、优选地为30μm至1mm、特别优选地为50μm至300μm。较小间隔件的高度优选地为200μm或更小、进一步优选地为100μm或更小。例如，间隔件的形状可以呈圆柱形、圆锥形或截头圆锥形并且具有相应基部区域的各种形状，例如矩形、梯形、圆形、椭圆形等。间隔件优选地被狭窄地设计，以使得高度与最大横向尺寸之比为2：1或更大。间隔件可以布置在盖板上或光学波导件上，并且特别地还可以布置在光学波导件的表面结构的突起上和/或凹陷中。可以考虑各种材料例如清漆或热塑性塑料用于间隔件。例如，间隔件可以例如通过塑料注射成型方法与光学波导件和/或与盖板一体地形成。然而，间隔件也可以与盖板和/或光学波导件的材料分开形成例如作为清漆层，清漆层特别地由紫外线可固化清漆构成。
通过优选地分布在区域上的间隔件，可以实现的是，光学波导件与盖板之间的距离尽可能恒定并且优选地保持非常小。通过该距离，可以实现的是，盖板不阻碍在表面结构上的光的引导和耦合出光，而是位于盖板与光学波导件之间的自由区域的边界表面继续在此呈现例如可以用空气填充。
然而，作为分离间隔件的替代方案，为耦合出光所设置的表面结构的突起还可以用于保持盖板处于相距光学波导件的一定距离处。因此，光学波导件和盖板在各个突起之间的区域中不接触。原则上，光学波导件和盖板可以松散地布置在彼此上或者然而可以被牢固地表面粘合并彼此固定。能够有用的是，对在光学波导件中的光分布的角谱进行调整以保持传输到盖板中的光为最小量。将光传输到盖板中对于光学元件的功能而言仅有微小损害，原因在于，在接触表面上传输的光不偏转并因此不经由盖板的朝外侧被耦合输出。然而，在盖板中传导的光太多可以导致盖板的表面上的任何污物变得更加清晰可见，原因在于，在盖板中传导的光可以通过这些污物耦合出来。
根据本发明的一个发展，输出耦合结构可以由具有高度为例如2μm至500μm优选地为5μm至250μm的突起和/或凹陷的光学波导件的表面结构形成。因此，例如通过对表面进行冲压，突起可以与光学波导件的其余材料一体地形成。然而，例如通过形成在表面上的结构化清漆层或分别以形成在表面上的结构化清漆层，突起和/或凹陷还可以由与光学波导件的材料不同的材料形成为牢固地布置在光学波导件的表面上的元件或者分别形成在牢固地布置在光学波导件的表面上的元件中。表面结构的结构高度的优选值为30μm至100μm、特别优选地为40μm至80μm。输出耦合结构的突起或相应的凹陷的比例区域覆盖范围优选地相对于光学波导件的总区域较小并且例如小于5％、优选地为2％或更小。这种布置可以是规则的，但优选地是随机的。
尽管光学波导件的表面上的减反射纳米结构可以仅设置在表面结构的突起和/或凹陷之间，但优选的是，纳米结构还存在于突起上或相应地凹陷中。以这种方式，在这些位置处也可以避免反射。
根据本发明的一个发展，可以在光学波导件与间隔件之间的接触区域中提供反射镜涂层。反射镜涂层可以例如通过金属层来实现。反射镜涂层可以确保的是，尽管光学波导件表面与间隔件相接触，但光学波导件表面上的反射特性不会改变。为了仅尽可能少地阻碍光学波导件的透明特性，反射镜涂层优选地被逐点地和间断地布置，并且反射镜涂层仅设置在间隔件与光学波导件之间的接触区域中并在适当的情况下稍微超过这个接触区域。
在本发明的一个有利实施方式中，在至少一个间隔件优选地所有间隔件与盖板之间的接触区域中设置有粘合剂层或提供对表面的活化(activation of the surface)，以在盖板与光学波导件之间形成固定连接。特别优选地，用于耦合出光的表面结构的突起在此用作间隔件。原则上，特别地在用于耦合出光的表面结构的突起的用于抵接盖板的整个表面上，粘合剂既可以是逐点施加的粘合剂又可以是平面粘合剂。表面的活化可以例如借助于等离子体处理来实现，以实现特别牢固地连接。
光学元件可以仅在一侧用透明盖板覆盖。还可以设置具有布置在光学波导件的两侧的盖板的光学元件，其中，用于耦合出光的表面结构则可以设置在光学波导件的一侧或两侧。
此外，具有用于耦合出光的突起和/或凹陷的表面结构也可以设置在光学波导件的两侧中的每一侧。由此，透明盖板优选地被布置在两个表面结构中的每个表面结构上或上方。特别优选地，在光学波导件的两侧用于耦合输出的突起用作用于两个盖板的间隔件。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。在附图中：
图1示出了光学元件的第一实施方式的示意性立体图；
图2示出了穿过图1的光学元件的横截面的示意性表示；
图3示出了图1、图2的光学元件的光学波导件的表面具有纳米结构的一部分的示意性放大表示；
图4示出了图1、图2的光学波导件的横截面的示意性放大表示；
图5示出了穿过光学元件的第二实施方式的横截面的示意图，其中，该光学元件具有用于耦合输出并用作间隔件的突起；
图6示出了穿过光学元件的第三实施方式的横截面的示意图，其中，该光学元件具有在盖板与间隔件之间的粘合剂层；
图7示出了穿过光学元件的第四实施方式的横截面的示意图，其中，该光学元件具有在两侧用于耦合输出的突起。
具体实施方式
图1示意性地示出了板状光学元件10的实施方式。在图1至图4中，仅示意性且特别地不按比例示出了光学元件10及其部件。
图1中示出的板状光学元件10是由透明的板状光学波导件12和盖板14构成的复合板，盖板14以相距板状光学波导件12一定距离平行地布置。在此所示出的示例中，光学波导件12由用作透明塑料的PMMA构成，而盖板14是玻璃板。
借助于仅在图1中示意性示出的线形光源16，光可以在板元件10的较窄侧耦合到光学波导件12中，所述光——如作为示例用光束18示出——在光学波导件12中经历全反射并在光学波导件12的材料的内部中被引导。
如图1中所示，在光学波导件12的面对盖板14的上表面20上形成有多个突起22，所述多个突起22形成用于从光学波导件12耦合出光的表面结构。如示意性地利用光束18的示例所示，光在与板元件10的平面成直角的方向上在表面结构的突起22上被耦合出。
板元件10在厚度方向上——即在与其平面成直角的方向上——几乎完全透明，原因在于，板元件10由透明盖板和未设置有反射器或不透明层的透明光学波导件形成。光学波导件12的表面结构的突起22也由透明材料构成。因此，板状光学元件10可以用作透明嵌板，例如用作窗玻璃。
另一方面，由于所描述的用于耦合出光的表面结构，光学元件10也可以用作平面光源。以这种方式，例如，可以形成同时用作平面光源的窗。
图2示出了穿过光学元件10的横截面。如图2所表示的，在所示示例中表面结构的突起22例如通过冲压而由光学波导件12的材料成形为单件。在此示出的突起22的截头圆锥形状仅仅被作为示例来理解；其他形状的突起22也可以用于适当地耦合出光。
在光学波导件12与布置在光学波导件12上方的盖板14之间形成有自由区域32。因此，由在盖板14的底侧上的区域上分布的间隔件26形成距离。在所示示例中，间隔件26各自安置在光学波导件12的表面结构的突起22上。在所示示例中，间隔件26被设计成较窄的且具有例如圆形基部区域的截头圆锥形。
在图4中放大地表示了图2的横截面图的一部分。如图4中明显的是，点状反射镜涂层28在不同情况下通过施加薄金属层而形成在光学波导件12的其上安置有间隔件26的位置处的表面上，在此，点状反射镜涂层28形成在突起22上。通过反射镜涂层28可以实现在与间隔件26的接触位置处不发生光的不期望的耦合输出，而是发生光从光学波导件12的材料的内部撞击所述位置的反射。
如图4中所表示的，在所示实例中的突起22具有例如50μm的结构高度H。如所表示的，各个突起22以周期D布置，即例如以每100μm或者另外以仅每1000μm布置。突起22在中间的密度(即，比例区域覆盖率)可以例如为约1％，然而，其中，分布优选地不是均匀的，而是随着相距光源16的距离增加来选择更高的密度，以获得光的均匀耦合输出。因此，各个突起22的结构宽度B可以例如为50μm。间隔件26具有例如100μm的长度L。
减反射纳米结构30形成在自由区域32两侧的两个边界表面20、24中的每一者上。在所示示例中，盖板14的整个底侧24直到间隔件26为止具有纳米结构30。纳米结构30还形成在光学波导件12的表面20上，既形成在突起22上又形成在突起22与突起22之间的区域中。
在图3中更详细地示意性地示出的减反射纳米结构30是一种亚波长结构，通过该亚波长结构可以实现宽带型反射消除。减反射纳米结构30由形成在相应表面上呈纳米柱34形式的小突起构成。在所示示例中，小突起等距为例如200nm的周期d。纳米柱34形成例如300nm的结构高度h的圆形轮廓。由于也被称为“蛾眼型结构”的纳米结构，光学波导件12的材料与相邻区域32之间的边界在反射发生突变折射率变化的情况下不起边界表面的作用。相反地产生了平缓的折射率变化，其中，光在没有反射的情况下以与表面20大致垂直的方式传输。
通过将纳米结构30应用至自由区域32的两侧，反射并且特别是重复反射被强烈地减弱乃至避免，使得作为复合板的光学元件10的设计不会在相当程度上限制光学元件10的透明度并因此不会限制用作例如窗玻璃。
可以使用各种方法来制造光学元件10及其组成部件。例如，如已经说明的，光学波导件12的具有突起22的表面20的结构可以利用对应的冲压工具热冲压来形成或者例如还可以通过利用高度透明的塑料——例如PMMA——注塑成型来形成。还能够通过将结构化清漆层应用在表面20上产生突起22，这对于较大面积的板元件10而言是特别有用的。因此，纳米结构30也可以已经被设置在冲压工具的表面中或注塑成型工具的表面中或者形成在结构化清漆层中，使得纳米结构30和突起22两者可以在一个工作步骤中形成。为了制造具有合适的负纳米结构的合适工具：例如用于构造清漆层的冲压工具、注塑模具或压力辊，干涉光刻例如可以用于光致抗蚀剂中，其中，合适的工具可以由例如通过电成形从清漆中获得的结构来形成。
盖板14的底侧上的纳米结构也可以例如通过冲压或通过应用纳米结构清漆层来产生。间隔件26以及反射镜涂层28可以例如被压印。
在图5中示出了光学元件10的另一实施方式，其中，用于耦合出光的突起22用作用于盖板14的间隔件。因此，盖板14松散地布置以邻接突起22。在盖板14与在突起22之间的中间空间之间分别定位有自由区域32，其中，盖板14与光学波导件12彼此间隔开而不接触。减反射纳米结构30形成在自由区域32两侧的两个边界表面20、24中的每一者上。另外，纳米结构30还可以在盖板12被支承在突起22的区域中形成在边界表面20、24中的一者或两者上。
在图6中所示的光学元件10的另一实施方式中，在突起22的用于耦合出光的区域中在盖板14与光学波导件12之间布置有粘合层29，其中，盖板14借助于该粘合层以表面粘合的方式与突起22中的每个突起连接。
在图7中示出了板状光学元件10的另一实施方式，其中，在光学波导件12的底侧上还另外地设置了具有突起22的输出耦合结构。盖板14布置在光学波导件12的两侧上的突起22上，使得能够在光学元件10的两侧耦合出光，并且同时，光学波导件12在两侧受到保护而不受损坏。
应当理解，所示出的实施方式仅作为示例而非限制性的。关于所示出的示例性实施方式的改变是可能的。特别地，所示出的表面结构的形状，即纳米结构30的形状和具有突起22的耦合输出结构的形状仅作为示例被理解，所示出的间隔件26的形状也是如此。

Claims (15)

1.一种光学元件，具有
透明的板状的光学波导件(12)，所述光学波导件(12)具有带有用于耦合出光的突起(22)和/或凹陷的表面结构，以及
透明的盖板(14)，所述盖板(14)布置成与所述光学波导件(12)平行且相距一定距离，
其中，至少在所述盖板(14)的一个表面(24)上和/或在所述光学波导件(12)的一个表面(29)上设置有减反射纳米结构(30)，所述减反射纳米结构(30)具有多个突起和/或凹陷(34)。
2.根据权利要求1所述的光学元件，在所述光学元件中，
通过分布在区域上的多个间隔件(26)，所述盖板(14)被保持在相距所述光学波导件(12)的一定距离处。
3.根据权利要求2所述的光学元件，在所述光学元件中，
所述表面结构的用于耦合出光的所述突起(22)用作间隔件，其中，所述盖板(14)以相距所述光学波导件(12)一定距离被保持在所述突起(22)上。
4.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，
所述减反射纳米结构(30)至少设置在所述盖板(14)的面对所述光学波导件(12)的表面(24)上和设置在所述光学波导件(12)的面对所述盖板(14)的表面(20)上。
5.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，
所述纳米结构(30)的所述突起和/或所述凹陷(34)的高度为500nm或更小。
6.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，
所述纳米结构(30)的所述突起和/或所述凹陷(34)的平均距离(d)为100nm至500nm。
7.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，
所述光学波导件(12)的所述表面结构的所述突起和/或所述凹陷(22)的高度为2μm至500μm。
8.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，
所述间隔件(26)的高度为2μm至2000μm。
9.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，
所述间隔件(26)的高度(L)与最大横向尺寸的比为2：1或更大。
10.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，
所述间隔件(26)设置在所述盖板(14)上。
11.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，在所述光学波导件(12)与至少一个间隔件(26)之间的接触区域中设置有反射镜涂层(28)。
12.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，
所述减反射纳米结构(30)设置在所述光学波导件(12)的所述表面结构的所述突起(22)上和/或所述凹陷中。
13.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，
透明的所述盖板(14)设置在所述光学波导件(12)的两侧上。
14.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，
在至少一个隔离件(26)与所述盖板(14)之间的接触区域中设置有粘合剂层(29)或提供对表面的活化。
15.根据前述权利要求中的一项所述的光学元件，在所述光学元件中，
具有用于耦合出光的突起(22)和/或凹陷的所述表面结构设置在所述光学波导件(12)的两侧上。
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