CN114761836A - 光学层和光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种光学系统包括透镜层，该透镜层包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；以及与透镜层间隔开并且在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿开口的至少一个光学不透明掩模层。微透镜与开口之间存在一一对应，使得对于每个微透镜，微透镜和对应开口基本上以与透镜层成相同斜角的直线为中心。光学层可包括透镜层和嵌入光学层中的光学不透明掩模层。
Description
背景技术
包括液晶显示器的设备可包括在显示器后面的指纹传感器。
发明内容
在一些方面，本公开提供了一种光学系统，该光学系统包括透镜层，该透镜层包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；以及至少一个光学不透明掩模层，该至少一个光学不透明掩模层与透镜层间隔开并且在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿开口。微透镜与开口之间可存在一一对应，使得对于每个微透镜，微透镜和对应开口基本上以与透镜层成相同斜角的直线为中心。光学层可包括透镜层和嵌入光学层中的光学不透明掩模层。
在一些方面，本公开提供了一种光学系统，该光学系统包括：透镜层，该透镜层包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；光学不透明的第一掩模层，该光学不透明的第一掩模层与透镜层间隔开并且在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第一开口；以及光学不透明的第二掩模层，该光学不透明的第二掩模层与透镜层和第一掩模层间隔开并且在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第二开口。第一掩膜层设置在透镜层与第二掩膜层之间。微透镜与第一开口和第二开口之间存在一一对应，使得对于每个微透镜，微透镜和对应的第一开口和第二开口基本上以与透镜层成相同斜角的直线为中心。当携带图像的图像光在图像光基本上填充微透镜的情况下沿着直线入射在微透镜上时，大于约35％、或大于约40％、或大于约45％、或大于约50％的入射图像光由第二开口透射。第一开口和第二开口中的至少一者被设定大小，以便减少由于微透镜引起的图像质量劣化。
在一些方面，本公开提供了一种光学层，该光学层包括：结构化的第一主表面和相对的第二主表面，该结构化的第一主表面包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；以及嵌入式光学不透明的第一掩模层，该嵌入式光学不透明的第一掩模层设置在第一主表面与第二主表面之间并且与第一主表面和第二主表面间隔开。第一掩模层在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第一开口。微透镜与第一开口之间可存在一一对应。对于至少大部分第一开口中的每个第一开口，第一开口限定有空隙的区域，该有空隙的区域具有大于第一掩模层的平均厚度的最大厚度。
在一些方面，本公开提供了一种光学层，该光学层包括：结构化的第一主表面和相对的第二主表面，该结构化的第一主表面包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；以及嵌入式光学不透明的第一掩模层，该嵌入式光学不透明的第一掩模层设置在第一主表面与第二主表面之间并且与第一主表面和第二主表面间隔开。第一掩模层在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第一开口。微透镜与第一开口之间可存在一一对应。对于至少大部分第一开口中的每个第一开口，第一开口限定有空隙的区域，该有空隙的区域具有面向第一主表面的顶部主表面和面向第二主表面的相对的底部主表面。在光学层的基本上垂直于光学层的横截面中，光学层包括沿着有空隙的区域的顶部主表面和底部主表面中的至少一者集中的多个纳米颗粒。在一些实施方案中，第一掩模层包括第一材料，并且纳米颗粒包括第一材料或第一材料的氧化物中的至少一者。
在一些方面，本公开提供了一种光学层，该光学层包括：结构化的第一主表面和相对的第二主表面，该结构化的第一主表面包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；以及嵌入式光学不透明的第一掩模层，该嵌入式光学不透明的第一掩模层设置在第一主表面与第二主表面之间并且与第一主表面和第二主表面间隔开。第一掩模层在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第一开口。微透镜与第一开口之间可存在一一对应。对于至少大部分第一开口中的每个第一开口，第一开口限定有空隙的区域，该有空隙的区域具有面向第一主表面的顶部主表面和面向第二主表面的相对的底部主表面。在光学层的基本上垂直于光学层的横截面中，顶部表面和底部表面较靠近有空隙的区域的中心的间隔大于较靠近有空隙的区域的边缘的间隔。顶部主表面和底部主表面中的至少一者可具有在10nm至200nm范围内的表面粗糙度。
在一些方面，本公开提供了一种制造光学层的方法。光学层可以是本文别处描述的光学层中的任一者。该方法可包括通过多个微透镜照射嵌入式光学不透明掩模层以在掩模层中形成多个贯穿的第一开口。
在一些方面，本公开提供了一种光学系统，该光学系统包括光学元件和折射部件。光学元件包括透镜层，该透镜层包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；以及光学不透明的第一掩模层，该光学不透明的第一掩模层与透镜层间隔开并且在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第一开口。微透镜与第一开口之间存在一一对应，使得对于每个微透镜，微透镜和对应第一开口基本上以直线为中心。每条直线与透镜层成相同斜角。折射部件沿着第一方向和第二方向延伸，并且设置在光学元件附近，使得对于沿着基本上正交于透镜层的第三方向入射在折射部件上的至少一个第一光束，折射部件将第一光束分成沿着相应的2个至9个主方向离开折射部件的2个至9个束段。2个至9个主方向中的第一主方向基本上平行于每条直线。
在一些方面，本公开提供了一种光学系统，该光学系统包括折射部件、光学元件、光源和光学传感器。折射部件沿着正交的第一方向和第二方向延伸，使得对于沿着基本上正交于第一方向和第二方向的第三方向入射在折射部件上的至少一个第一光束，折射部件将第一光束分成沿着相应的2个至9个主方向离开折射部件的2个至9个束段。2个至9个主方向包括第一主方向。光学元件设置在折射部件附近，使得沿着第一主方向(但不是任何其他主方向)入射在光学元件上的束段中的光的至少45％透射穿过光学元件。光源被设置成沿着基本上平行于2个至9个主方向中的第二主方向的方向发射光。光学传感器被设置成接收沿着第一主方向透射穿过光学元件的光。
附图说明
图1是光学系统的示意性剖视图；
图2A-图2C示意性地示出入射在微透镜上的光；
图3是透射穿过微透镜的光的强度分布的示意性曲线图；
图4是光学元件或层的示意性剖视图；
图5A-图5D是光学元件或层的部分的示意性剖视图；
图6是包括光学元件或层的光学系统的示意性剖视图；
图7是微透镜阵列和贯穿开口的示意性俯视投影视图；
图8-图9是光学系统的示意性剖视图；
图10A-图10B是光学元件和折射部件的最大投影面积的示意图；
图11是折射部件的示意性剖视图；
图12A-图12C是示意性锥光图；
图13A是包括微透镜和光学解耦结构的光学元件或层的示意性剖视图；
图13B是附接到相邻层的图13A的光学元件或层的示意性剖视图；
图14是包括两个多个微透镜的光学元件或层的示意性剖视图；
图15-图17是光学系统的计算点扩散函数的曲线图；并且
图18-图20是通过嵌入式掩模层中的开口的截面的图像。
具体实施方式
在以下说明中参考附图，该附图形成本发明的一部分并且其中以举例说明的方式示出各种实施方案。附图未必按比例绘制。应当理解，在不脱离本说明书的范围或实质的情况下，可设想并进行其他实施方案。因此，以下具体实施方式不应被视为具有限制意义。
对于一些应用，诸如智能手机或平板计算机应用，期望将指纹传感器放置在液晶显示器(LCD)后面。然而，液晶显示器通常包括在液晶显示面板后面的折射部件，诸如交叉的棱镜膜。从指纹反射的光通常被折射部件分成多个束段，并且这可以降低在入射在传感器上时指纹的光学图像的质量。根据一些实施方案，提供了避免或基本上减少这种图像质量降低的光学元件、层和系统。
图1是包括透镜层110、光学不透明的第一掩模层120和光学不透明的第二掩模层125的光学系统150的示意性剖视图。在一些实施方案中，光学元件或层100包括透镜层110以及第一掩模层120和第二掩模层125中的每一者。光学元件或层100可具有结构化的第一主表面103和相对的第二主表面104。在其他实施方案中，不同光学元件可包括不同层中的一者或多者。例如，第一光学元件可包括透镜层110和第一掩模层120，并且与第一光学元件间隔开的第二光学元件可包括第二掩模层125。
透镜层110包括沿着正交的第一方向和第二方向(x方向和y方向)布置(例如，以规则阵列)的多个微透镜102。光学不透明的第一掩模层120与透镜层110间隔开距离d1，该距离例如可在2微米至35微米的范围内。光学不透明的第一掩模层120在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第一开口122。光学不透明的第二掩模层125与透镜层110和第一掩模层120间隔开并且在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第二开口127。第一掩模层120设置在透镜层100与第二掩模层125之间。第二掩模层125与第一掩模层120间隔开距离d2，该距离例如可在1微米至20微米的范围内。在一些实施方案中，d2<d1，或d2<0.7d1，或d2<0.5d1。微透镜102与第一开口122和第二开口127之间可存在一一对应(即，对于每个微透镜102，一个第一开口122和一个第二开口127对应于微透镜)，使得对于每个微透镜102，微透镜以及对应的第一开口122和第二开口127基本上以与透镜层110成相同斜角θ的直线140为中心。例如，微透镜102a对应于第一开口122a和第二开口127a，并且微透镜102a以及对应的第一开口122a和第二开口127a基本上以直线140a为中心。例如，当线穿过透镜或开口的中心或者穿过该中心分别在透镜或开口的直径的约20％内，或约10％内，或约5％内时，透镜或开口可被描述为基本上以直线140为中心。
微透镜通常是具有小于1mm且大于100nm的至少两个正交维度(例如，高度和直径，或沿两条轴线的直径)的透镜。例如，微透镜可具有在10微米至100微米范围内的平均直径。例如，微透镜可具有在5微米至50微米范围内的平均曲率半径。例如，微透镜可以是球形微透镜或非球面微透镜。已经发现，非球面微透镜可以为以期望的离轴角度(例如，沿着线140)入射的光提供改进的光学特性(例如，改进的聚焦)。例如，光学元件或层100或本文别处描述的其他光学元件或层可具有10微米至100微米范围内的总厚度。
当垂直入射在开口之间的区域中的层上的非偏振可见光的小于20％、或小于15％、或小于10％、或小于5％、或小于3％透射穿过层时，掩模层可被描述为光学不透明的。掩模层可以是光学吸收或光学反射的。合适的掩模层包括金属层(例如，气相沉积或溅射的)、金属氧化物层、暗材料(例如，包括光学吸收染料)涂层以及光学吸收或反射膜。掩模层可具有足够的厚度以使材料适当地光学不透明。例如，掩模层的平均厚度t和t’可各自在5nm至5微米的范围内。在一些实施方案中，t和/或t’在例如10nm至500nm、或10nm至150nm、或15nm至100nm、或15nm至50nm、或20nm至40nm的范围内。
可以包括第一掩模层120和第二掩模层125以将透射穿过光学元件的光限制为基本上仅沿着线140的光。可以包括第二掩模层125以减少入射在一个微透镜上的光透射穿过对应于另一微透镜的开口的情况下的串扰。例如，将以其他方式导致串扰的光线108被第二掩模层125阻挡。在一些实施方案中，省略了第二掩模层125。在一些实施方案中，如本文别处进一步描述的，可以使用像素化光电传感器来代替第二掩模层125。相关的光学元件在国际申请No.IB2019/056781(Yang等人)中有所描述。
在一些实施方案中，第一开口122是物理开口。物理开口具有这样的材料：该材料从掩模层移除以使得存在物理孔。例如，可以通过激光烧蚀在光学不透明层中形成物理开口或孔。在一些实施方案中，第一开口是光学开口。光学开口具有这样的材料：该材料被处理以使得即使材料存在于光学开口中，光也可透射穿过光学开口。例如，光学开口可通过漂白形成在光学不透明层中(例如，结合了染料的光学不透明层可被光漂白或热漂白以使得漂白的染料不再光学吸收)。光学开口可通过减小开口中的双折射来形成在双折射反射膜中，如美国专利No.9,575,233(Merrill等人)中大致所述。可任选地将吸收外覆层施加到光学膜上以增加来自激光器的能量的吸收。在一些实施方案中，第二开口127是物理开口。在一些实施方案中，第二开口127是光学开口。在一些实施方案中，第一开口122的平均直径d的范围为例如500nm至50微米，或1微米至40微米，或2微米至30微米，或3微米至20微米，或5微米至15微米。在一些实施方案中，第二开口127的平均直径d’的范围为例如500nm至50微米，或1微米至40微米，或2微米至30微米，或3微米至20微米，或5微米至15微米。
在一些实施方案中，对于至少大部分第一开口122中的每个第一开口，第一开口限定有空隙的区域。有空隙的区域可具有面向第一主表面103的顶部主表面和面向第二主表面104的相对底部主表面。在一些实施方案中，在光学层的基本上垂直于光学层的横截面中，光学层包括沿着有空隙的区域的顶部主表面和底部主表面中的至少一者集中的多个纳米颗粒，如别处进一步所述。在一些实施方案中，在光学层的基本上垂直于光学层的横截面中，顶部表面和底部表面较靠近有空隙的区域的中心的间隔大于较靠近有空隙的区域的边缘的间隔。在一些此类实施方案中或在其他实施方案中，顶部主表面和底部主表面中的至少一者的表面粗糙度在10nm到200nm的范围内或在别处描述的范围内。
在一些实施方案中，附加层244设置在与第一掩模层120相对的第二掩模层125上。在其他实施方案中，省略了附加层244。在一些实施方案中，对于至少大部分第二开口127中的每个第二开口，第二开口限定有空隙的区域。有空隙的区域可具有面向第一主表面103的顶部主表面和面向第二主表面104的相对底部主表面。在一些实施方案中，在光学层的基本上垂直于光学层的横截面中，光学层包括沿着有空隙的区域的顶部主表面和底部主表面中的至少一者集中的多个纳米颗粒，如别处进一步所述。在一些实施方案中，在光学层的基本上垂直于光学层的横截面中，顶部表面和底部表面较靠近有空隙的区域的中心的间隔大于较靠近有空隙的区域的边缘的间隔。在一些此类实施方案中或在其他实施方案中，顶部主表面和底部主表面中的至少一者的表面粗糙度在10nm到200nm的范围内或在别处描述的范围内。
在一些实施方案中，包括另外的附加层。例如，附加层(诸如底漆层或粘结层)可被设置在图1中所描绘的相邻层之间的任何一个或多个界面处，以便改善相邻层之间的粘结。
为了便于描述，空间相关的术语(包括但不限于“顶部”、“底部”)用于描述一元件相对于另一元件的空间关系。除了附图中描绘和本文所述的特定取向外，此类空间相关的术语涵盖装置在使用或操作时的不同取向。例如，如果附图中所描绘的对象翻转或倒转，则先前描述的在其他元件下面或下方的部分此时将在那些其他元件上面。
图2A是根据一些实施方案的入射在微透镜102上的光130的示意图。图2B是根据一些实施方案的入射在微透镜102上的光130的示意图，其中微透镜引起图像质量劣化。图2C是入射在微透镜102上的光130的示意图，其中第一开口122和第二开口127中的至少一者被设定大小，以便减少由于微透镜引起的图像质量劣化。在一些实施方案中，当携带图像133的图像光130在图像光130基本上填充微透镜102的情况下沿着直线140入射在微透镜102上时，大于约35％、或大于约40％、或大于约45％、或大于约50％的入射图像光由第二开口127透射。在一些实施方案中，第一开口122和第二开口127中的至少一者被设定大小，以便减少由于微透镜引起的图像质量劣化。例如，当图像光填充微透镜时，或者当图像光填充微透镜的外表面面积的至少70％、或至少80％、或至少90％时，可以将图像光描述为基本上填充微透镜。
图3是透射穿过引起图像质量劣化的微透镜的光的标称图像平面处的强度分布的示意性曲线图。示出了掩模层中的开口的直径D，该直径被设定大小，以便减少由于微透镜引起的图像质量劣化。例如，当微透镜的表面由于制造约束而偏离理想形状时，微透镜可引起图像质量劣化。例如，用于形成微透镜的工具可具有通过从层移除材料而形成的表面，该层产生近似但不精确地遵循微透镜的理想形状的多个小面。
在一些实施方案中，光学系统被配置成检测指纹。通过光学系统从显示面板的前表面处的任何点传播的光优选地在入射在指纹传感器上时具有有限的空间范围，以便形成期望(例如，适当地清晰)的指纹图像。这种空间范围可通过光学系统的点扩散函数来量化。点扩散函数的空间扩散越大，指纹图像就越模糊。根据一些实施方案，已经发现，在光学系统中包括本文所述的光学元件可减小点扩散函数的宽度。在一些实施方案中，光学系统对于从朗伯点源入射在光学系统上的光具有点扩散函数，该点扩散函数在设置在光学元件(参见例如图8-图9)后面的光学传感器处具有小于约300微米、或小于约200微米、或小于约150微米、或小于约100微米的半极大处全宽度(FWHM)。
如本文别处进一步描述的(参见例如图8-图9)，在一些实施方案中，光学元件100(例如，或300)包括透镜层110以及第一掩模层120和第二掩模层125，并且光学系统150还包括：折射部件160，该折射件沿着第一方向和第二方向延伸并且设置在光学元件100附近，使得对于沿着基本上正交于(例如，在30度内、或在20度内、或在10度内正交于)透镜层110的第三方向(-z方向)入射在折射部件上的至少一个第一光束230，折射部件将第一光束分成沿着相应的2个至9个主方向131、132离开折射部件的2个至9个束段112、114，2个至9个主方向中的第一主方向131基本上平行于(例如，在30度内、或在20度内，或在10度内平行于)每条直线140。例如，至少一个第一光束230可以是宽度大于折射部件中棱镜的宽度(或其他折射元件)的宽度的任何光束。宽度较窄的其他光束可被分成少于2个至9个主方向。每个束段是入射束的透射部分，其大体上沿着被称为主方向的相同方向传播。束段和主方向可以从透射光强度的锥光图中识别，例如，如本文别处进一步描述的(参见例如图12A-图12C)。
在一些实施方案中，光学系统150还包括沿着第一方向和第二方向延伸的液晶显示器270，设置为照明液晶显示器的光导265，设置在液晶显示器270与光导265之间的折射部件160，以及设置在光导265附近、与液晶显示器270相对的光学传感器145(参见例如图9)。在一些实施方案中，包括透镜层110以及第一掩膜层120和第二掩模层125的光学元件100(例如，或300)被设置在光导265与光学传感器145之间，使得第二掩模层125面向光学传感器145(例如，对于如由图1和图8的x-y-z坐标系所指示而定向的光学元件300，图1的光学元件或层100可以如图8所示放置)。
在一些实施方案中，光学元件100的每个子层(例如，透镜层110、第一掩模层120和第二掩模层125)粘结到光学元件100的相邻层。在此类实施方案中，光学元件100可被称为光学层。在一些实施方案中，第一掩模层120嵌入在光学层中。在一些实施方案中，附加层244设置在与第一掩模层120相对的第二掩模层125上，使得第二掩模层125也是嵌入式层。在一些实施方案中，可以省略第二掩模层125。
图4是光学元件或层200的示意性剖视图。在一些实施方案中，光学元件或层200包括结构化的第一主表面103和相对的第二主表面104，其中结构化的第一主表面103包括沿着正交的第一方向和第二方向(x方向和y方向)布置的多个微透镜102。光学层还包括嵌入式光学不透明的第一掩模层120，该嵌入式光学不透明的第一掩模层设置在第一主表面103与第二主表面104之间并且与该第一主表面和第二主表面间隔开。第一掩模层120在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第一开口122。微透镜与第一开口之间可存在一一对应。在一些实施方案中，对于至少大部分第一开口122中的每个第一开口，第一开口限定有空隙的区域123。
在一些实施方案中，光学元件或层200通过使用例如浇铸和紫外(UV)固化过程微复制多个微透镜102来制备，其中树脂浇铸在基底上并与复制工具表面接触而固化，如美国专利No.5,175,030(Lu等人)、No.5,183,597(Lu)和No.9,919,339(Johnson等人)以及美国专利申请公布No.2012/0064296(Walker,JR.等人)中大致所述。然后可通过例如将不透明材料涂覆到微透镜基底的与第一主表面103相对的主表面143上来形成光学不透明的第一掩模层120。不透明材料可具有足够的厚度以使材料适当地光学不透明。例如，不透明材料的厚度可以是10nm至5微米。在一些实施方案中，不透明材料是厚度为10nm至500nm(例如，15nm至150nm、或15nm至100nm、或20nm至50nm)的铝，其可使用例如标准磁控溅射来涂覆。可以将附加层144涂覆或层压到不透明材料层上。如果需要，然后可以将任选的第二掩模层沉积在附加层144上。如果需要，然后可以将任选的第二附加层设置在与附加层144相对的第二掩模层上。然后可通过例如穿过微透镜102的激光烧蚀来形成开口122。合适的激光器包括诸如工作波长为1070nm的光纤激光器，诸如40W脉冲光纤激光器。在一些实施方案中，层120通过将反射多层光学膜施加到主表面143上来形成。然后可通过用激光穿过微透镜照射而在光学膜中形成物理或光学贯穿开口。使用激光穿过微透镜阵列在层中形成孔在例如US2007/0258149(Gardner等人)中进行了大致描述。形成开口的其他合适方法包括微印刷和光刻技术(例如，包括使用微透镜层来暴露光刻掩模)。
在一些实施方案中，提供制备光学层的方法。该方法可包括提供包括结构化第一主表面103和相对的第二主表面104的第一层。结构化第一主表面103包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜102。第一层包括嵌入式光学不透明的第一掩模层，该嵌入式光学不透明的第一掩模层设置在第一主表面与第二主表面之间并且与第一主表面和第二主表面间隔开。该方法还可包括通过多个微透镜102照射第一掩模层以在第一掩模层中形成沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第一开口122。微透镜与第一开口之间可存在一一对应。在一些实施方案中，第一层还包括光学不透明的第二掩模层，其中第一掩模层设置在第一主表面103和第二掩模层之间并与该第一主表面和第二掩模层间隔开。照射第一掩模层步骤还可包括通过多个微透镜102以及通过第一掩模层照射第二掩模层以在第二掩模层中形成沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第二开口127。微透镜102与第二开口127之间可存在一一对应。
图5A-图5D是根据一些实施方案的在嵌入式光学不透明的第一掩模层120附近的光学元件或层中的区域的示意性剖视图。在一些实施方案中，对于至少大部分第一开口122中的每个第一开口，第一开口限定有空隙的区域723，该有空隙的区域具有大于第一掩模层120的平均厚度t的最大厚度h。在一些实施方案中，第一掩模层120具有平均厚度t，第一开口122具有平均最大侧向尺寸d，并且t/d<0.05，或t/d<0.01，或t/d<0.005。在一些实施方案中，对于至少大部分第一开口中的每个第一开口，延伸穿过第一开口的有空隙的区域123或723与第一开口基本上侧向地共延伸。当有空隙的区域填充第一开口的总面积的至少60％(或至少70％、或至少80％、或至少90％)时，有空隙的区域可被描述为与第一开口基本上侧向地共延伸。图5A是包括掩模层120的光学层的一部分的示意性剖视图，该掩模层包括开口122以及与开口122侧向地共延伸的有空隙的区域723。图5B是包括掩模层120的光学层的一部分的示意性剖视图，该掩模层包括开口122以及与开口122基本上侧向地共延伸，但不完全侧向地共延伸的有空隙的区域723。有空隙的区域是已经移除了固体材料的区域。空气或气体可存在于有空隙的区域中。
在一些实施方案中，有空隙的区域723具有面向第一主表面103的顶部主表面和面向第二主表面104的相对的底部主表面，其中在光学层的基本上垂直于光学层的横截面中，顶部表面和底部表面较靠近有空隙的区域的中心的间隔h1(参见图5C)大于较靠近有空隙的区域的边缘的间隔h2，其中h1>h2。顶部主表面和底部主表面中的至少一者可具有表面粗糙度R。例如，表面粗糙度R可以是至少10nm、或至少12nm、或至少15nm、或至少20nm。例如，表面粗糙度R可以不超过200nm、或不超过150nm、或不超过120nm。表面粗糙度可由掩模层的激光烧蚀引起。例如，掩模层的激光烧蚀可通过沿着表面沉积纳米颗粒来使有空隙的区域723的表面粗糙化。表面粗糙度是指表面与平均平滑表面的平均偏差。
在一些实施方案中，对于至少大部分第一开口122中的每个第一开口，第一开口限定有空隙的区域723，该有空隙的区域具有面向第一主表面103的顶部主表面171和面向第二主表面104的相对的底部主表面173。在一些实施方案中，如图5D中示意性地示出的，(例如，在光学层的基本上垂直于光学层的横截面中)光学层包括沿着有空隙的区域的顶部主表面171和底部主表面173中的至少一者集中的多个纳米颗粒177。在一些实施方案中，在光学层的基本上垂直于光学层的横截面中(例如，在图5D中示意性地示出的x-z横截面中)，顶部表面171和底部表面173较靠近有空隙的区域的中心的间隔大于较靠近有空隙的区域723的边缘的间隔(例如，如图5A中示意性地示出的，其中靠近中心的间隔是h，并且靠近边缘的间隔为约t，或者如图5C中示意性地示出的，其中h1>h2)。顶部主表面和底部主表面中的至少一者的表面粗糙度可在10nm到200nm的范围内或在别处描述的范围内。
在一些实施方案中，顶部表面171和底部表面173朝向彼此为基本上凹形的(例如，沿着表面中的一个或两个表面的面积的大于50％、或至少60％、或至少70％朝向彼此为凹形的)。
在一些实施方案中，第一掩模层120包括第一材料，并且纳米颗粒177包括第一材料或第一材料的氧化物中的至少一者。在一些实施方案中，第一材料为金属。任何合适的金属可用于第一材料。例如，金属可以是铝、钛、铬、锌、锡、钨、金、银或它们的合金。在一些实施方案中，纳米颗粒包括金属的氧化物。例如，纳米颗粒可以包括氧化铝、氧化钛、氧化铬、氧化锌或它们的组合。在一些实施方案中，纳米颗粒177是或包含铝和氧化铝。在一些实施方案中，纳米颗粒177以大于约50重量％包含氧化铝。
在一些实施方案中，至少90％的纳米颗粒177的平均直径小于约150nm，或小于约100nm。在一些实施方案中，至少90％的纳米颗粒的平均直径大于约1nm，或大于约5nm，或大于约10nm。纳米颗粒的平均直径是体积等于纳米颗粒的体积的球体的直径。
在一些实施方案中，光学层包括设置在第一主表面与掩模层之间的第一聚合物层，以及设置在掩模层与第二主表面之间的第二聚合物层。在一些实施方案中，第一聚合物层和第二聚合物层中的至少一者包括均匀地分散在其中的多个第二纳米颗粒。例如，可以包括第二纳米颗粒以增加如本领域已知的层的折射率(参见例如美国专利No.8,202,573(Pokorny等人))。
在一些实施方案中，图4中示意性地示出的光学元件或层200还包括光学不透明的第二掩模层125(参见例如图1)，该光学不透明的第二掩模层在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第二开口127，其中第一掩模层120设置在第一主表面103和第二掩模层125之间并与该第一主表面和第二掩模层间隔开，其中微透镜与第二开口之间可以存在一一对应。在一些实施方案中，对于每个微透镜，微透镜和对应的第一开口和第二开口基本上以与第一掩模层成相同斜角的直线为中心。第一开口和/或第二开口可以如别处所述(参见例如图5A-图5D)。
图6是设置在光电传感器225上的光学元件或层200的示意性剖视图。在一些实施方案中，光学系统250包括光学元件或层200以及包括多个传感器像素227的光电传感器225。在一些实施方案中，微透镜102与传感器像素227之间存在一一对应，使得对于至少大部分微透镜102中的每个微透镜，微透镜102和对应的第一开口122和传感器像素227基本上以与第一掩模层120成相同斜角θ的直线140为中心。
图7是多个微透镜102和贯穿开口126(例如，对应于第一贯穿开口122或第二贯穿开口127)的示意性俯视投影视图。微透镜102沿着正交的第一方向和第二方向(x方向和y方向)布置，并且开口126沿着第一方向和第二方向布置。在所示实施方案中，微透镜102和贯穿开口126位于规则的三角形阵列上。其他图案也是可能的(例如，正方形或矩形阵列、其他周期性阵列或不规则图案)。
图8是根据一些实施方案的光学系统350的示意图。图9是光学系统350的一些实施方案的示意图。
在一些实施方案中，光学系统350包括光学元件300(例如，对应于100或200)和折射部件160。光学元件300包括透镜层110，该透镜层包括沿着正交的第一方向和第二方向(x方向和y方向)布置的多个微透镜；以及光学不透明的第一掩模层120，该光学不透明的第一掩模层与透镜层110间隔开并且在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第一开口。在一些实施方案中，微透镜与第一开口之间存在一一对应，使得对于每个微透镜，微透镜和对应的第一开口基本上以直线140为中心，其中每条直线与透镜层110成相同斜角θ。在一些实施方案中，折射部件160沿着第一方向和第二方向延伸，并且设置在光学元件附近，使得对于沿着基本上正交于透镜层的第三方向(-z方向)入射在折射部件上的至少一个第一光束230，折射部件160将第一光束分成沿着相应的2个至9个主方向667(参见例如图12A-图12C)离开折射部件的2个至9个束段665(参见例如图12A-图12C)，其中2个至9个主方向中的第一主方向131基本上平行于每条直线140。
在一些实施方案中，光学元件300还括光学不透明的第二掩模层125，该光学不透明的第二掩模层与透镜层110和第一掩模层120间隔开并且在其中限定沿着第一方向和第二方向布置的多个贯穿的第二开口127，其中第一掩模层120设置在透镜层110和第二掩模层125之间(参见例如图1)。在一些实施方案中，微透镜与第二开口之间存在一一对应，使得对于每个微透镜102a和对应的直线140a，微透镜102a和对应的第一开口122a和第二开口127a基本上以直线140为中心。
在一些实施方案中，光学系统350还包括与光学元件300相邻的光电传感器225(参见例如图6)。如本文别处进一步描述的，光电传感器225可包括多个传感器像素。微透镜与传感器像素之间可存在一一对应，使得对于每个微透镜和对应的直线，微透镜和对应的第一开口和传感器像素基本上以直线140为中心。
在一些实施方案中，对于多个微透镜中的至少大部分微透镜中的每个微透镜，束段112、114中的至少两者入射在微透镜上，其中束段112、114中的至少两者包括沿着第一主方向131传播的第一束段112。在一些实施方案中，沿着第一主方向131(但不是任何其他主方向)入射在光学元件300上的束段中的光的至少30％、或至少40％、或至少45％、或至少50％、或至少55％透射穿过光学元件300。在一些实施方案中，对于除了第一主方向131之外的每个主方向132，沿着主方向入射在光学元件300上的束段中的光的不多于10％、或不多于5％透射穿过光学元件。
在一些实施方案中，光学系统350包括折射部件160，该折射部件沿着正交的第一方向和第二方向延伸，使得对于沿着基本上正交于第一方向和第二方向的第三方向入射在折射部件160上的至少一个第一光束230，折射部件将第一光束分成沿着相应的2个至9个主方向离开折射部件的2个至9个束段，其中2个至9个主方向包括第一主方向131。在一些实施方案中，2个至9个主方向在其间限定角度β，其中每个角度β大于约30度。在一些实施方案中，折射部件160包括第一棱镜膜252，该第一棱镜膜包括沿着基本上平行于透镜层110的第一纵向方向(x方向)延伸的第一多个棱镜254。在一些实施方案中，折射部件160还包括邻近第一棱镜膜252的第二棱镜膜256。第二棱镜膜256可包括沿着基本上平行于透镜层110并且基本上正交于第一纵向方向的第二纵向方向(y方向)延伸的第二多个棱镜258。
光学系统350还可包括光学元件300，该光学元件设置在折射部件160附近以使得沿着第一主方向131(但不是任何其他主方向132)入射在光学元件300上的束段中的光的至少45％(或本文别处描述的范围中的任一个范围)透射穿过光学元件300。光学系统350还可包括光源139和/或141，其被设置成分别沿着基本上平行于2个至9个主方向中的第二主方向的方向发射光142和/或147。在一些实施方案中，光源为红外光源。在一些实施方案中，光学系统350包括红外漫射器。例如，红外漫射器可定位在红外光源与显示器的触摸表面之间，以改善入射在触摸表面上的红外光的均匀性。光学系统350还可包括光学传感器145，该光学传感器被设置成接收沿着第一主方向131透射穿过光学元件300的光。在一些实施方案中，光学传感器145是红外光传感器。在一些实施方案中，第一主方向和第二主方向是不同的(例如，第一主方向可以是方向131，并且第二主方向可以是方向132)。在一些实施方案中，第一主方向和第二主方向是相同的(例如，第一主方向和第二主方向可以各自是方向131)。
图10A-图10B是根据一些实施方案的光学元件300和折射部件160的最大投影面积的示意图。如图10A示意性地示出，在一些实施方案中，光学元件300与折射部件160的至少一部分基本上共延伸，其中折射部件160的部分的最大投影面积为折射部件160的最大投影面积的至少约30％。如图10B中示意性地示出，在一些实施方案中，光学元件300和折射部件160基本上共延伸。当层或表面的总面积的至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％与另一层或表面的总面积的至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％共延伸时，层或表面可与另一层或表面基本上共延伸。
主方向的数量可由例如包括在折射部件160中的光重定向膜的数量和形状来确定。例如，入射在单个棱镜膜上的至少一个第一光束(例如，直径大于棱镜宽度的大体上垂直入射的光束)将导致两个主方向，而入射在交叉的棱镜膜上的第一光束将导致四个主方向。图11是截顶棱镜膜352的示意性剖视图，该截顶棱镜膜包括沿着第一方向(x方向)布置并且沿着正交的第二方向(y方向)延伸的多个截顶的棱镜354。入射在膜352上的至少一个第一光束将被分成3个束段，每个束段对应于截顶棱镜354的一个小面。更一般地，n个非竖直小面可导致n个束段。两个交叉的截顶棱镜膜352将导致9个主方向。在一些实施方案中，2个至9个主方向是2个、4个或9个主方向。在一些实施方案中，2个至9个主方向是4个主方向。
图12A-图12C是示出束段665和主方向667的锥光图。锥光图中的每个点表示方向(由方位角和极角指定)。较暗区域指示较高强度的透射光。束段665是表示主要沿着主方向667传播的光束的较高强度区域，该主方向可被视为强度具有局部最大值的方向。在图12A中，存在两个束段665，其在两个主方向667上传播；在图12b中，存在四个束段665，其在四个主方向667上传播；并且在图12C中，存在九个束段665，其在九个主方向667上传播。
在一些实施方案中，微透镜层通过低折射率层粘结到显示面板。在一些实施方案中，低折射率层具有不超过1.3(例如，在1.1至1.3的范围内)的折射率，并且设置在透镜层110的第一主表面103上并且具有基本上适形于该第一主表面的主表面。除非另外指明，否则折射率是指633nm处的折射率。折射率不超过1.3的层可以是例如美国专利申请公布Nos.2013/0011608(Wolk等人)和Nos.2013/0235614(Wolk等人)中所述的纳米空隙层。
在一些实施方案中，光学解耦结构(也称为细长间隔元件)设置在第一主表面103上，使得光学解耦结构可用粘合剂层粘结到相邻显示面板，例如，同时在微透镜与粘合剂层之间产生气隙。
图13A是光学元件1300a(例如，对应于100、200或300)的示意性剖视图，该光学元件包括具有相对的第一主表面1362和第二主表面1364a的层1360a。第一主表面1362包括微透镜1350的阵列以及从层1360a延伸到微透镜1350的顶部上方的光学解耦结构1355的阵列。例如，光学解耦结构1355可以是柱。微透镜阵列1350中的每个微透镜朝向第二主表面1364a凹入。光学解耦结构1355的阵列中的至少大部分光学解耦结构中的每个光学解耦结构1357被定位在微透镜阵列1350中的两个或更多个相邻微透镜1351和1352之间，并且沿远离第二主表面1364a的方向(例如，z方向，参见图13A所示的x-y-z坐标系)延伸到两个或更多个相邻微透镜1351和1352上方。例如，光学解耦结构1355的阵列中的所有光学解耦结构可被定位在微透镜1350的阵列中的两个或更多个相邻微透镜之间，或者除了在微透镜1350的阵列的拐角或边缘附近的光学解耦结构之外的所有光学解耦结构可被定位在两个或更多个相邻微透镜之间。
在一些实施方案中，层1360a是整体层(例如，在例如铸造和固化过程中与微透镜1350一起形成)。在其他实施方案中，光学解耦结构1355被打印到微透镜层上，使得光学解耦结构的层和微透镜层为层1360a的子层。
在一些实施方案中，光学解耦结构1355的阵列适于基本上发散、漫射、反射或吸收倾斜入射在光学元件1300a上的光。这可通过例如向所打印的光学解耦结构添加漫射颗粒，或通过适当地选择光学解耦结构的形状(例如，侧面的曲率)，或通过向光学解耦结构施加涂层(例如，反射涂层)来实现。这可在相邻微透镜之间提供减少的串扰。例如，斜入射的光线1303可透射穿过光学解耦结构并穿过第一微透镜到达与相邻微透镜对准的掩膜层(参见例如图13B)中的开口。如果光学解耦结构基本上发散、漫射、反射或吸收斜入射的光，则可显著减少这种串扰。这示意性地示出光线1308被光学解耦结构1355的阵列中的光学解耦结构漫射，从而减少潜在的串扰。
光学解耦结构可以是突出超过微透镜以附接至相邻层使得相邻层不与微透镜接触的任何物体。光学解耦结构可以是圆柱形柱，或者可以是具有非圆形横截面(例如，矩形、正方形、椭圆形或三角形横截面)的柱。光学解耦结构可具有恒定的横截面，或者横截面可沿厚度方向变化(例如，光学解耦结构可以是渐缩以在柱的顶部附近变细的柱)。在一些实施方案中，光学解耦结构具有渐缩的椭圆形横截面。例如，光学解耦结构可具有国际申请公布No.WO 2019/135190(Pham等人)中描述的光学解耦结构的几何形状中的任一种几何形状。在一些实施方案中，光学解耦结构从微透镜阵列的基部延伸。在一些实施方案中，至少一些光学解耦结构设置在至少一些微透镜的顶部上。
图13B是包括光学元件1300a并且还包括层1360b的光学元件1300b的示意性剖视图。层1360a和1360b一起限定具有第一主表面1362和相反的第二主表面1364b的第一层。光学元件1300b还包括设置在第二主表面1364b上的掩膜层1388。掩膜层1388也间接设置在第二主表面1364a上。附加层1374设置在掩膜层1388上。如果需要，任选的第二掩模层可设置在与掩模层1388相对的附加层1374上。
掩膜层1388包括贯穿开口1380的阵列，如本文别处进一步所述。光学元件1300b还包括与第一主表面1362相邻的粘合剂层1343。每个光学解耦结构1355至少部分地穿透粘合剂层1343，并且每个微透镜1350通过气隙1344与粘合剂层1343完全分离。在例示的实施方案中，粘合剂层1343附接到显示器1390。
在一些实施方案中，光学元件或层包括两个多个微透镜。图14是光学元件或层400(例如，对应于100、200或300)的示意性剖视图，该光学元件或层具有相对的第一主表面103和第二主表面104，其中第一主表面103包括第一多个微透镜102，并且第二主表面104包括第二多个微透镜202。光学元件或层400包括嵌入式光学不透明的第一掩模层120，该嵌入式光学不透明的第一掩模层设置在第一主表面103与第二主表面104之间并且与该第一主表面和第二主表面间隔开。第一掩模层120在其中限定多个贯穿的第一开口122。微透镜102和202可使用铸造和固化过程形成在掩模层120的相对侧上(例如，嵌入在聚合物层之间)，例如，其中微透镜102和202对准，并且在形成微透镜102和202之后，可在掩模层120中形成第一开口122。
在一些实施方案中，微透镜102与第一开口122之间存在一一对应。在一些实施方案中，微透镜102和对应的第一开口122基本上以与透镜层110或与第一掩模层120成相同斜角θ的直线140为中心。在一些实施方案中，至少大部分微透镜102与至少大部分微透镜202之间存在一一对应。在一些实施方案中，微透镜102与微透镜202之间存在一一对应。在一些实施方案中，微透镜102以及对应的第一开口122和对应的微透镜202基本上以直线140为中心。在一些实施方案中，对于至少大部分第一开口122中的每个第一开口，第一开口限定有空隙的区域123。如别处进一步描述的，有空隙的区域可具有大于第一掩模层120的平均厚度的最大厚度。例如，微透镜102可用于将光聚焦在开口122上，并且微透镜202可用于使透射穿过开口122的光准直。在一些实施方案中，光学元件或层400包括设置在第一主表面103与第二主表面104之间的两个间隔开的掩模层(参见例如图1)。
实施例
实施例1-2和比较例C1
使用LightTools射线追踪软件(得自加利福尼亚州山景城的新思科技公司(Synopsis,Inc.,Mountain View,CA))的光学建模如下进行。朗伯点源用于表示指纹。在模型中，将交叉的棱镜膜放置在点源和图像传感器之间，将LCD显示面板放置在点源和交叉的棱镜膜之间，并且将类似于光学元件或层100或200的光学元件放置在交叉的棱镜膜和图像传感器之间，其中微透镜面向交叉的棱镜膜并且掩模层面向图像传感器。贯穿开口被定位成使得相对于光学元件平面的法线以52度入射在微透镜上的光将穿过光学元件。模型参数如下：LCD面板厚度为0.5mm；从点源到光学元件的距离为1mm；微透镜的曲率半径为25微米；从微透镜层的顶部到第一掩模层的距离为32微米；当包括两个掩模层时，两个掩模层之间的间距为5微米；贯穿开口直径为3微米；微透镜的折射率为1.65；并且掩模层的材料被建模为完美的光学吸收体。
图15-图17分别示出了对于光学元件包括两个掩模层的情况(实施例1)，对于光学元件仅包括一个掩模层的情况(实施例2)，以及对于省略了光学元件的情况(比较实例C1)确定的点扩散函数。与省略光学元件的情况相比，当包括光学元件时，点扩散函数的宽度显著减小。与使用单个掩模层的情况相比，包括两个掩模层显著减小了点扩散函数。
实施例3
类似于光学元件100的光学元件如下制备。使用浇铸和固化过程在0.92密耳厚的PET基底上形成微透镜层。微透镜层由折射率在532nm处为约1.69的丙烯酸树脂形成。微透镜的平均曲率半径为约17微米并且以约20微米的节距设置。将30nm厚的铝层真空涂覆到与微透镜层相对的侧基底上的PET基底上，将4微米厚的聚合物层涂覆到铝层上并固化，将第二30nm厚的铝层真空涂覆到聚合物层上，并且将1微米厚的聚合物层涂覆到第二铝层上并固化。然后通过激光烧蚀穿过微透镜层在铝层中形成通孔。40W SPI激光器(得自英国南安普敦的SPI激光公司(SPI Lasers,Southampton,UK))在以下条件下使用：50％电力，安装了7倍扩展器，167mm F-θ透镜，30nm脉冲长度，20kHz重复率，2m/s扫描速度和100微米间距。
从样品中显微切割所得光学层的约120nm厚的区段。图18是穿过第一掩模层120中的开口的截面的透射电子显微镜(TEM)图像，该第一掩模层是光学元件100的嵌入式层。由烧蚀过程产生的有空隙的区域723或气阱在图像中是可见的。由显微切割过程产生的掩模层120和125中的裂纹是可见的。在图中所示区域之外的掩模层125中形成了有空隙的区域。有空隙的区域723的最大厚度大于第一掩模层的厚度。图19是穿过第一掩模层120中的开口的截面的高角度环形暗场(HAADF)图像。图20为图19的一部分的较高放大率图像。纳米颗粒在有空隙的区域的相对表面处是可见的。STEM-EDS(扫描透射电子显微镜-能量色散谱)分析表明纳米颗粒主要由铝和氧构成。
诸如“约”的术语将在本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中理解。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“约”应用于表达特征大小、数量和物理特性的量的使用不清楚，则“约”将被理解为是指在指定值的10％以内。给定为约指定值的量可精确地为指定值。例如，如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对其不清楚，则具有约1的值的量是指该量具有介于0.9和1.1之间的值，并且该值可为1。
上述所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文据此以引用方式并入本文。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。
除非另外指明，否则针对附图中元件的描述应被理解为同样应用于其他附图中的对应的元件。虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。
Claims (15)
1.一种光学系统，所述光学系统包括：
透镜层，所述透镜层包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；
光学不透明的第一掩模层，所述光学不透明的第一掩模层与所述透镜层间隔开并且在其中限定沿着所述第一方向和所述第二方向布置的多个贯穿的第一开口；和
光学不透明的第二掩模层，所述光学不透明的第二掩模层与所述透镜层和所述第一掩模层间隔开并且在其中限定沿着所述第一方向和所述第二方向布置的多个贯穿的第二开口，所述第一掩膜层设置在所述透镜层与所述第二掩膜层之间，所述微透镜与所述第一开口和所述第二开口之间存在一一对应，使得对于每个微透镜，所述微透镜和对应的第一开口和第二开口基本上以与所述透镜层成相同斜角的直线为中心，其中当携带图像的图像光沿着所述直线入射在所述微透镜上，所述图像光基本上填充所述微透镜，大于约45％的入射图像光由所述第二开口透射，并且所述第一开口和所述第二开口中的至少一者被设定大小，以便减少由于所述微透镜引起的图像质量劣化。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一开口是物理开口。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一开口是光学开口。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，还包括：
液晶显示器，所述液晶显示器沿着所述第一方向和所述第二方向延伸；
光导，所述光导设置成照明所述液晶显示器；
折射部件，所述折射部件设置在所述液晶显示器与所述光导之间，所述折射部件包括第一棱镜膜，所述第一棱镜膜包括第一多个棱镜，所述第一多个棱镜沿着基本上平行于所述透镜层的第一纵向方向延伸；和
光学传感器，所述光学传感器设置在所述光导附近，与所述液晶显示器相对，
其中包括所述透镜层以及所述第一掩模层和所述第二掩模层的光学元件设置在所述光导与所述光学传感器之间，使得所述第二掩模层面向所述光学传感器。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述折射部件还包括邻近所述第一棱镜膜的第二棱镜膜，所述第二棱镜膜包括第二多个棱镜，所述第二多个棱镜沿着基本上平行于所述透镜层并且基本上正交于所述第一纵向方向的第二纵向方向延伸。
6.一种光学层，所述光学层包括：
结构化的第一主表面和相对的第二主表面，所述结构化的第一主表面包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；和
嵌入式光学不透明的第一掩模层，所述嵌入式光学不透明的第一掩模层设置在所述第一主表面与所述第二主表面之间并且与所述第一主表面和所述第二主表面间隔开，所述第一掩模层在其中限定沿着所述第一方向和所述第二方向布置的多个贯穿的第一开口，所述微透镜与所述第一开口之间存在一一对应，其中对于至少大部分所述第一开口中的每个第一开口，所述第一开口限定有空隙的区域，所述有空隙的区域具有大于所述第一掩模层的平均厚度的最大厚度。
7.根据权利要求6所述的光学层，其中所述第一掩模层的所述平均厚度为t，所述第一开口具有平均最大侧向尺寸d，并且t/d<0.05。
8.一种光学层，所述光学层包括：
结构化的第一主表面和相对的第二主表面，所述结构化的第一主表面包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；和
嵌入式光学不透明的第一掩模层，所述嵌入式光学不透明的第一掩模层设置在所述第一主表面与所述第二主表面之间并且与所述第一主表面和所述第二主表面间隔开，所述第一掩模层在其中限定沿着所述第一方向和所述第二方向布置的多个贯穿的第一开口，所述微透镜与所述第一开口之间存在一一对应，其中对于至少大部分所述第一开口中的每个第一开口，所述第一开口限定有空隙的区域，所述有空隙的区域具有面向所述第一主表面的顶部主表面和面向所述第二主表面的相对的底部主表面，其中在光学层的基本上垂直于所述光学层的横截面中，所述光学层包括沿着所述有空隙的区域的所述顶部主表面和所述底部主表面中的至少一者集中的多个纳米颗粒。
9.根据权利要求8所述的光学层，其中所述第一掩模层包括第一材料，并且所述纳米颗粒包括所述第一材料或所述第一材料的氧化物中的至少一者。
10.一种光学层，所述光学层包括：
结构化的第一主表面和相对的第二主表面，所述结构化的第一主表面包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；和
嵌入式光学不透明的第一掩模层，所述嵌入式光学不透明的第一掩模层设置在所述第一主表面与所述第二主表面之间并且与所述第一主表面和所述第二主表面间隔开，所述第一掩模层在其中限定沿着所述第一方向和所述第二方向布置的多个贯穿的第一开口，所述微透镜与所述第一开口之间存在一一对应，其中对于至少大部分所述第一开口中的每个第一开口，所述第一开口限定有空隙的区域，所述有空隙的区域具有面向所述第一主表面的顶部主表面和面向所述第二主表面的相对的底部主表面，其中在光学层的基本上垂直于所述光学层的横截面中，所述顶部表面和所述底部表面靠近所述有空隙的区域的中心的间隔大于靠近所述有空隙的区域的边缘的间隔，并且所述顶部主表面和所述底部主表面中的至少一者具有在10nm至200nm范围内的表面粗糙度。
11.一种光学系统，所述光学系统包括：
光学元件，所述光学元件包括：
透镜层，所述透镜层包括沿着正交的第一方向和第二方向布置的多个微透镜；和
光学不透明的第一掩模层，所述光学不透明的第一掩模层与所述透镜层间隔开并且在其中限定沿着所述第一方向和所述第二方向布置的多个贯穿的第一开口；所述微透镜与所述第一开口之间存在一一对应，使得对于每个微透镜，所述微透镜和对应的第一开口基本上以直线为中心，每条直线与所述透镜层成相同斜角；和
折射部件，所述折射部件沿着所述第一方向和所述第二方向延伸，并且设置在所述光学元件附近，使得对于沿着基本上正交于所述透镜层的第三方向入射在所述折射部件上的至少一个第一光束，所述折射部件将所述第一光束分成沿着相应的2个至9个主方向离开所述折射部件的2个至9个束段，所述2个至9个主方向中的第一主方向基本上平行于每条直线。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述光学元件还包括光学不透明的第二掩模层，所述光学不透明的第二掩模层与所述透镜层和所述第一掩模层间隔开并且在其中限定沿着所述第一方向和所述第二方向布置的多个贯穿的第二开口，所述第一掩模层设置在所述透镜层与所述第二掩模层之间，所述微透镜与所述第二开口之间存在一一对应，使得对于每个微透镜和对应的直线，所述微透镜和对应的第一开口和第二开口基本上以所述直线为中心。
13.根据权利要求11所述的光学系统，还包括光电传感器，所述光电传感器与所述光学元件相邻并且包括多个传感器像素，所述微透镜与所述传感器像素之间存在一一对应，使得对于每个微透镜和对应的直线，所述微透镜和对应的第一开口和传感器像素基本上以所述直线为中心。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的光学系统，还包括红外光源，所述红外光源设置成沿着基本上平行于所述2个至9个主方向中的第二主方向的方向朝向所述折射部件发射光。
15.一种光学系统，所述光学系统包括：
折射部件，所述折射部件沿着正交的第一方向和第二方向延伸，使得对于沿着基本上正交于所述第一方向和所述第二方向的第三方向入射在所述折射部件上的至少一个第一光束，所述折射部件将所述第一光束分成沿着相应的2个至9个主方向离开所述折射部件的2个至9个束段，所述2个至9个主方向包括第一主方向；
光学元件，所述光学元件设置在所述折射部件附近，使得沿着所述第一主方向，但不是任何其他主方向，入射在所述光学元件上的所述束段中光的至少45％透射穿过所述光学元件；
光源，所述光源设置成沿着基本上平行于所述2个至9个主方向中的第二主方向的方向发射光；和
光学传感器，所述光学传感器设置成接收沿着所述第一主方向透射穿过所述光学元件的光。
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