CN117597605A - 包括角度控制膜的光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种光学系统包括透镜层和第一光吸收层，该透镜层具有包括第一微透镜和第二微透镜的第一主表面。该光吸收层限定第一贯通开口和第二贯通开口，其中在该第一微透镜和该第二微透镜与相应的第一贯通开口和第二贯通开口之间具有一一对应关系。以第一光轴为中心的每一对第一微透镜和第一贯通开口与该第一光吸收层的法线形成第一角度。以第二光轴为中心的每一对第二微透镜和第二贯通开口与该第一光吸收层的该法线形成与该第一角度不同的第二角度。光源发射入射在该第一主表面一侧的光。所发射的光包括第一光束和第二光束，该第一光束和该第二光束携带相应的第一信息和第二信息并且分别基本上平行于该第一光轴和该第二光轴传播。
Description
技术领域
本公开整体涉及光学系统，具体地涉及包括空间变化角度控制膜的光学系统。
背景技术
光学系统用于多种应用，诸如光学通信系统、光学传感器、成像、科学和工业光学装备以及显示系统。光学系统可包括管理入射电磁辐射(包括光)的透射的光学层。
发明内容
本公开的一些方面涉及一种光学系统，包括光学构造体，该光学构造体包括透镜层，该透镜层包括结构化的第一主表面，该结构化的第一主表面具有至少由第一微透镜和第二微透镜组成的阵列。第一光吸收层设置在结构化的第一主表面上并且与该第一结构化主表面间隔开，并且在该第一光吸收层中限定至少由第一贯通开口和第二贯通开口组成的阵列，其中在第一微透镜和第一贯通开口之间以及第二微透镜和第二贯通开口之间具有一一对应关系。以第一光轴为中心的每一对相应的第一微透镜和第一贯通开口与第一光吸收层的法线形成同一第一角度。以第二光轴为中心的每一对相应的第二微透镜和第二贯通开口与第一光吸收层的法线形成与第一角度不同的同一第二角度。光源发射入射在光学构造体的结构化的第一主表面一侧的光。所发射的光包括携带第一信息并且基本上平行于第一光轴传播的第一光束和携带不同的第二信息并且基本上平行于第二光轴传播的第二光束。
本公开的另一个方面涉及一种光学系统，包括光源，该光源被构造为发射具有第一波长并且基本上沿第一方向传播的第一光束以及具有不同的第二波长并且基本上沿不同的第二方向传播的第二光束。透镜层包括具有面向光源的微透镜的阵列的结构化的第一主表面。聚合物多层光学膜与光源相反地设置在透镜层上。聚合物多层光学膜包括总数目为至少10个的多个聚合物微层。多个聚合物微层中的每一个具有小于约500nm的平均厚度。对于入射在聚合物多层光学膜上的光以及对于至少第一偏振态，对于沿第一方向入射在光学膜上的光，多个聚合物微层具有针对第一波长的光学透射率T1和针对第二波长的光学透射率T2，其中T1>10T2。对于入射在聚合物多层光学膜上的光以及对于至少第一偏振态，对于沿第二方向入射在光学膜上的光，多个聚合物微层具有针对第一波长的光学透射率T1'和针对第二波长的光学透射率T2’，其中T2'>10T1'。
本公开的另一个方面涉及一种光学构造体，该光学构造体包括具有总数目为至少10个的多个微层的多层光学膜。多个微层中的每一个具有小于约500nm的平均厚度。对于入射在多层光学膜上的光以及对于第一和正交的第二中的每一者，对于沿第一方向入射在光学膜上的光，多个微层具有针对第一波长的光学透射率T1和针对不同的第二波长的光学透射率T2，其中T1>10T2。对于入射在多层光学膜上的光以及对于第一和正交的第二中的每一者，对于沿第二方向入射在光学膜上的光，多个微层具有针对第一波长的光学透射率T1'和针对第二波长的光学透射率T2'，其中T2'>10T1'。透镜层包括结构化的第一主表面，该结构化的第一主表面包括至少由第一微透镜和第二微透镜组成的阵列。第一光吸收层与多层光学膜相反地设置在结构化的第一主表面上并且与该结构化的第一主表面间隔开。第一光吸收层在该第一光吸收层中限定至少由第一贯通开口和第二贯通开口组成的阵列，其中在第一微透镜和第一贯通开口之间以及第二微透镜和第二贯通开口之间具有一一对应关系。每一对相应的第一微透镜和第一贯通开口以基本上平行于第一方向的第一光轴为中心。每一对相应的第二微透镜和第二贯通开口以基本上平行于第二方向的第二光轴为中心。
本申请的这些方面和其它方面根据下面的具体实施方式将是显而易见的。然而，在任何情况下都不应将上面的总结理解为是对所要求保护的主题的限制，该主题仅仅由所附权利要求限定。
附图说明
将参考附图更详细地讨论本公开的各个方面，其中，
图1示意性地示出了根据一些实施方案的具有光学构造体的光学系统；
图2示意性地示出了根据一些实施方案的光学系统的多层光学膜的构造体；
图3和图4图形地表示了根据本公开的一些方面的根据波长变化的多层光学膜的光学透射率；
图5示意性地示出了根据一些实施方案的光学系统的光源的构造体；和
图6示意性地示出了根据其他实施方案的具有光学构造体的光学系统。
图未必按照比例绘制。图中使用的相似数字指代相似的部件。然而，应当理解，在给定图中使用数字指代部件不旨在限制另一个图中用同一数字标记的部件。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考了形成该详细描述的一部分的附图，并且在附图中以例示的方式示出了若干具体实施方案。应当理解，在不脱离本公开的范围或实质的情况下，能够设想并作出其他实施方案。
在医疗保健、生物计量、农业、环境等领域中，包括光谱传感器的光学系统用于诊断和检查对象。本公开的一些实施方案涉及一种用于材料的近场光学分析的光学系统，该光学系统使得能够进行空间分辨角度和/或波长分析。在卫生产业的光学诊断测试中，通常的做法是测量制品的光学特性以确定测试结果；在这些情况下，制品可以是液体或固体。例如，通常的做法可以是免疫测定。在这些实施方案中，测试规程可能需要测量一个、两个或更多个波长的强度作为确定(例如)人对细菌的抵抗力的度量。在其他实施方案中，诊断测试还可诸如利用浊度测量来测量从样本发射的光的角特性。本发明的膜可用于光学诊断测试以确定从诊断分析物发射的光的波长和/或角特性。该膜在移动测试或所谓的“现场护理”测试中可能是特别有用的，其中测试不是在工业实验室中进行，而是在现场用手持式读取器进行。
光学系统可包括光学膜，该光学膜包括任选地与角度可变干涉滤波器结合地使用的空间变化角度控制膜。在一个实施方案中，询问光顺序地从源行进，通过分析物，通过光学膜，然后到达传感器。在其他实施方案中，询问光顺序地从源行进，通过光学膜，通过分析物，然后到达传感器。
角度控制膜可以是具有在膜表面上改变的方向特性的小透镜孔阵列。透镜形状或孔中的任一者或两者可变化。与干涉滤波器的组合产生带移扫描，以及因此区域传感器诸如CMOS或有机传感器阵列或薄膜晶体管阵列的多光谱输入。
如图1所示，本公开的一些实施方案涉及包括光学构造体(200)的光学系统(300)。在一些方面，光学构造体(200)包括具有结构化的第一主表面(11)的透镜层(10)。在一些方面，透镜层(10)还可包括与结构化的第一主表面(11)相反地设置的平坦第二主表面(12)。结构化的第一主表面(11)可包括至少第一微透镜(20)和第二微透镜(30)。第一微透镜(20)和第二微透镜(30)可沿正交的第一方向(x轴)和第二方向(y轴)布置为微透镜的阵列。
微透镜是具有小于1mm的至少一个侧向尺寸(例如，直径)的透镜。在一些实施方案中，第一微透镜(20)和第二微透镜(30)的平均直径可在5微米至1000微米的范围内。在一些实施方案中，第一微透镜(20)和第二微透镜(30)可关于正交的第一方向(x轴)和第二方向(y轴)弯曲。在其他实施方案中，第一微透镜(20)和第二微透镜(30)可以是柱状微透镜。在一些情况下，微透镜的阵列可具有不同大小、形状、折射率和焦距中的一者或多者。例如，阵列可以是规则的(例如，正方形或六边形网格)或不规则的(例如，随机的或伪随机的)。在一些情况下，第一微透镜(20)和第二微透镜(30)可具有基本上相等的焦距。在本文所述的任何实施方案中使用的微透镜可以是任何合适类型的微透镜。在一些实施方案中，微透镜的阵列包括折射透镜、衍射透镜、金属透镜(例如，使用纳米结构来聚焦光的表面)、菲涅耳透镜、对称透镜(例如，关于光轴旋转对称)、非对称透镜(例如，不关于光轴旋转对称)或它们的组合中的至少一者。在一些情况下，第一微透镜(20)和第二微透镜(30)中的至少一些微透镜可以是球面微透镜。在其他情况下，第一微透镜(20)和第二微透镜(30)中的至少一些微透镜可以是非球面微透镜。
在一些方面，衬底部分(13)可设置在结构化的第一主表面(11)和平坦第二主表面(12)之间。衬底部分(13)可由PET制成，但是也可使用聚碳酸酯和丙烯酸。在一些方面，可期望衬底层(13)具有较高的折射率，例如大于1.50，使得衬底层(13)内的光锥的角宽度最小化。
光学构造体可包括以与结构化的第一主表面(11)间隔开的关系设置在其上的第一光吸收层(40)。在一些情况下，衬底部分(13)可设置在结构化的第一主表面(11)和第一光吸收层(40)之间。第一光吸收层(40)可在该第一光吸收层中限定至少第一贯通开口或针孔(50)和第二贯通开口或针孔(60)。在一些情况下，第一光吸收层(40)可以是设置在透镜层(10)的平坦第二主表面(12)上的光学不透明掩模层。第一光吸收层(40)中的第一贯通开口(50)和第二贯通开口(60)可沿第一方向(x轴)和第二方向(y轴)布置成阵列。
在一些实施方案中，设置在透镜层(10)的平坦第二主表面(12)上的第一光吸收层(40)可包括对近紫外(例如，小于400nm且至少350nm)、可见(例如，400nm至700nm)和/或红外(大于700nm且不大于2500nm)的预先确定的波长范围内的垂直入射非偏振光具有小于10％或小于5％的透射率的材料。透射率可取决于材料特性(例如，吸光度)和材料厚度。在一些实施方案中，第一光吸收层(40)在第一贯通开口(50)和第二贯通开口(60)的阵列中的相邻开口之间可以是基本上光学不透明的。在一些情况下，第一光吸收层(40)对于至少一个波长以及对于至少一种偏振态基本上阻挡入射在开口(50,60)之间的层上的光(例如，通过吸收、反射或它们的组合来阻挡至少70％的光)。
在一些实施方案中，可通过将波长选择性多层光学膜施加到平坦第二主表面(12)上来形成第一光吸收层(40)，然后可在该第一光吸收层中形成物理或光学开口(50,60)。在一些实施方案中，对于至少一种偏振态(并且在一些实施方案中，对于两种正交偏振态中的每种正交偏振态)，波长选择性多层光学膜可在相邻开口(50,60)之间具有区域，该区域透射预先确定的第一波长范围(例如，近紫外、可见或近红外范围)内的垂直入射光的至少60％，并且阻挡预先确定的第二波长范围(例如，不同的近紫外、可见或近红外范围)内的垂直入射光的至少60％。
在一些方面，第一贯通开口(50)可以一一对应关系与第一微透镜(20)对准，并且第二贯通开口(60)可以一一对应关系与第二微透镜(30)对准。在一些情况下，第一微透镜(20)和第二微透镜(30)中的至少一者可以是柱状微透镜，并且第一贯通开口(50)和第二贯通开口(60)中的至少一些贯通开口可以是宽度显著小于柱状微透镜的宽度并且长度在沿柱状微透镜的长度的方向上延伸的狭缝(光学地或物理地)。在本文所述的任一实施方案中形成的第一贯通开口(50)和第二贯通开口(60)可具有任何合适的形状。在一些实施方案中，第一贯通开口(50)和第二贯通开口(60)的阵列可包括椭圆形针孔、圆形针孔、矩形针孔、正方形针孔、三角形针孔和不规则针孔中的至少一者。在一些情况下，第一贯通开口(50)和第二贯通开口(60)的阵列可包括这些针孔形状的任何组合。
例如，第一光吸收层(40)中的第一贯通开口(50)和第二贯通开口(60)可通过激光烧蚀穿过第一微透镜(20)和第二微透镜(30)来形成。合适的激光器可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。使用激光穿过微透镜阵列在层中形成开口在例如US2007/0258149(Gardner等人)中进行了大致描述。可任选地将吸收外覆层施加到光学构造体(200)上以增加来自激光器的能量的吸收。在一些实施方案中，设置在透镜层(10)的平坦第二主表面(12)上的第一光吸收层(40)可包括UV固化聚合物材料，并且可在该第一光吸收层中形成多个激光烧蚀的第一贯通开口(50)和第二贯通开口(60)。在一些实施方案中，我们将UV光谱范围定义成包括300nm至400nm。可能期望UV固化聚合物材料对激光有足够高的吸收以至于被烧蚀来形成开口。在烧蚀之后，可能期望包括UV固化聚合物材料的第一光吸收层(40)以足够高的程度阻挡可见光来满足光阻挡度量(FWHM、串扰等)。例如，第一光吸收层(40)可包括吸收激光器的可见光和红外光的炭黑涂覆的聚合物材料。例如，可使用各种炭黑填充量来达到在烧蚀/吸收特性和可加工性之间的平衡。可使用辊涂工艺将炭黑填充材料涂覆在透镜层上。可使用UV光(Fusion D灯)来固化涂层。
在一些方面，第一贯通开口(50)和第二贯通开口(60)中的贯通开口中的至少一者可以是从第一光吸收层(40)的第一主表面(41)延伸到第一光吸收层(40)的相反第二主表面(42)的物理贯通开口。在一些其他方面，第一贯通开口(50)和第二贯通开口(60)中的贯通开口中的至少一者可以是从第一光吸收层(40)的第一主表面(41)延伸到第一光吸收层(40)的相反第二主表面(42)的光学贯通开口。
在一些实施方案中，以第一光轴(51)为中心的每一对相应的第一微透镜(20)和第一贯通开口(50)可与第一光吸收层(40)的法线(70)形成同一第一角度(α1)。以第二光轴(61)为中心的每一对相应的第二微透镜(30)和第二贯通开口(60)可与第一光吸收层(40)的法线(70)形成同一第二角度(α2)。在一些实施方案中，第二角度(α2)可与第一角度(α1)不同。例如，第一角度(α1)可小于约20度、或小于约15度、或小于约10度、或小于约5度。在一些实施方案中，第二角度(α2)可大于约30度、或大于约35度、或大于约40度、或大于约45度、或大于约50度、或大于约55度。在一些实施方案中，在第一角度(α1)与第二角度(α2)之间的差值可大于约5度，或者在其他实施方案中，大于约10度、或大于约15度、或大于约20度、或大于约25度、或大于约30度、或大于约35度、或大于约40度、或大于约45度、或大于约50度、或大于约55度、或大于约60度、或大于约65度、或大于约70度。
在一些实施方案中，光学系统(300)可包括光源(80)，该光源被构造为发射入射在光学构造体(200)的结构化的第一主表面一侧(11)的光(90,100)。在一些方面，所发射的光可包括第一光束(90)和第二光束(100)。第一光束(90)可携带第一信息并且可基本上平行于第一光轴(51)传播。第二光束(100)可携带不同的第二信息，并且可基本上平行于第二光轴(61)传播。光学系统(200)可被构造成使得包括具有微透镜(20,30)的阵列的结构化的第一主表面(11)的透镜层(10)面向光源(80)。
如图3和图4所示，基本上沿第一方向(51)传播的第一光束(90)可具有第一波长(52)，并且基本上沿不同的第二方向(61)传播的第二光束(100)可具有不同的第二波长(62)。在一些情况下，如图3最佳所示，第一波长(52)和第二波长(62)中的每一者可以是介于约420nm和约680nm之间的可见波长。在其他情况下，如图4最佳所示，第一波长和第二波长中的一者(52)可以是介于约420nm和约680nm之间的可见波长，并且第一波长和第二波长中的另一者(62)可以是介于约750nm和约1300nm之间的红外波长。在一些方面，在第一方向(51)和第二方向(61)之间可形成大于约5度的角度，或者在一些情况下，形成大于约10度、或15度、或20度、或25度、或30度、或35度、或40度、或45度、或50度、或55度、或60度、或65度、或70度的角度。
光学系统(300)还可包括光学传感器(130)，该光学传感器被构造为接收并感测由光源(80)发射并且透射通过第一贯通开口(50)的第一光束(90)和由光源(80)发射并且透射通过第二贯通开口(60)的第二光束(100)。
参考图5，在一些实施方案中，光源(80)可包括人或动物的身体部位(81)，并且由身体部位发射的光可包括由身体部分从照明源(83)接收并反射的光(82)。在一些实施方案中，第一信息和第二信息可包括波长、角度、人或动物身体部位的氧气水平、人或动物身体部位的图像、指纹的图像、人或动物静脉的图像、人或动物身体部位的光吸收、时间信息、空间信息、生物的水合状态以及生物的血液含量中的一者或多者。
在一些实施方案中，光学系统(300)可以是生物分析装置(例如，以光学方式确定血红蛋白浓度)和/或分子分析装置(例如，以光学方式确定血糖水平)。在一些实施方案中，光学传感器(130)可被构造为检测指纹，并且包括光学构造体(200)的光学系统(300)可被构造为确定检测到的指纹是否与授权用户的指纹匹配。
在一些实施方案中，光学系统(300)可包括与光源(80)相反地设置在第一光吸收层(40)上的多层光学膜(110)。多层光学膜(110)可以是包括多个聚合物微层(111,112)的聚合物多层光学膜，如图2所示。在一些实施方案中，多个聚合物微层(111,112)可包括多个交替的不同的第一聚合物微层(111)和第二聚合物微层(112)。例如，多层光学膜(110)可包括交替的第一聚合物微层(111)和第二聚合物微层(112)，这些聚合物微层至少包括一种双折射聚合物(例如取向半结晶聚合物)和一种第二聚合物。
在其他实施方案中，第一微层(111)和第二微层(112)的材料可由聚合物诸如聚酯构成。例如，用作第一双折射层(111)的示例性聚合物可以是聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。能够适合作为双折射聚合物、作为多层聚合物膜中的第一双折射层(111)的其他半结晶聚酯可包括例如聚2,6-萘二甲酸丁二醇酯(PBN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。第二层(112)可由玻璃化转变温度与第一双折射聚合物层(111)的玻璃化转变温度相容并且折射率类似于第一双折射聚合物层(111)的各向同性折射率的多种聚合物制成。适用于光学膜(并且特别是第二聚合物层(112))的其他聚合物的示例可包括由诸如乙烯基萘、苯乙烯、马来酸酐、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的单体制成的烯类聚合物和共聚物。用于第二聚合物层(112)的此类聚合物的示例包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯(诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))以及全同立构或间规立构聚苯乙烯。其它聚合物包括缩聚物，诸如聚砜、聚酰胺、聚氨酯、聚酰胺酸和聚酰亚胺。另外，第二聚合物层(112)可由聚酯、聚碳酸酯、含氟聚合物和聚二甲基硅氧烷的均聚物和共聚物及它们的共混物形成。这些层可被选择为实现特定带宽的电磁辐射的反射。
在一个实施方案中，该多个层(111,112)的材料可具有不同的折射率。在一些实施方案中，多层光学膜(110)可包括作为第一光学层(111)的PET和作为第二光学层(112)的PMMA的共聚物(coPMMA)或具有低折射率的任何其他聚合物(包括共聚酯、氟化聚合物)或它们的组合。多层光学膜(110)的透射和反射特性可以是基于由在层(111,112)之间的折射率差值和层(111,112)的厚度引起的光的相干干涉。
在一些情况下，该多个聚合物微层(111,112)的总数目可为至少10个或20个。在一些情况下，该多个聚合物微层(111,112)的总数目可为至少50个、或至少100个、或至少200个、或至少300个、或至少400个、或至少500个。多个聚合物微层(11,12)中的每一个可具有小于约500nm、或小于约400nm、或小于约300nm、或小于约200nm、或小于约150nm的平均厚度。在一些实施方案中，出于膜厚度、柔性和经济性的原因，可选择多层光学膜(110)的层数量以使用最小层数量实现期望的光学特性。
在一些方面，对于基本上垂直入射的光(121)以及对于约420nm至约680nm的可见波长范围内的至少一个波长，多个聚合物微层(111,112)可透射具有第一偏振态(x轴)的入射光的至少60％，并且可反射具有正交的第二偏振态(y轴)的入射光的至少60％。
在其他方面，对于基本上垂直入射的光(121)以及对于约420nm至约680nm的可见波长范围内的至少一个波长，对于第一偏振态(x轴)和正交的第二偏振态(y轴)中的每一者，多个聚合物微层(111,112)可透射入射光的至少60％。
在其他方面，光学膜(110)还可包括设置在多个聚合物微层(111,112)上的至少一个表层(113)。表层(13)可以具有大于约500nm的平均厚度。在一些情况下，表层(13)可具有大于约750nm、或大于约1000nm、或大于约1250nm、或大于约1500nm、或大于约2000nm的平均厚度。
根据一些实施方案，入射光(120)可以入射角(θ)入射在光学膜(110)上。在一些方面，对于入射在聚合物多层光学膜(110)上的光(120)以及对于至少第一偏振态(x轴)，对于基本上等于第一角度(α1)的入射角(θ)，多个聚合物微层(111,112)具有针对第一波长(52)的光学透射率T1和针对第二波长(62)的光学透射率T2，其中T1>T2，如图3和图4所示。在一些方面，T1>10T2，或T1>50T2，或T1>100T2，或T1>500T2，或T1>1000T2。
根据另一方面，对于入射在聚合物多层光学膜(110)上的光(120)以及对于至少第一偏振态(x轴)，对于基本上等于第二角度(α2)的入射角(θ)，多个聚合物微层(111,112)具有针对第一波长(52)的光学透射率T1'和针对第二波长(62)的光学透射率T2'，其中T2'>T1'。在一些方面，T2'>10T1'，或T2'>50T1'，或T2'>100T1'，或T2'>500T1'，或T2'>1000T1'。
在一些实施方案中，如图3中最佳可见，对于基本上等于第一角度(α1)的入射角(θ)，多个微层(111,112)的相对于波长的光学透射率(58)可具有包括第一波长(52)但不包括第二波长(62)的透射通带。将入射角(θ)从第一角度(α1)改变到第二角度(α2)可会使透射通带偏移，从而使得被偏移的该透射通带可包括第二波长(62)但不包括第一波长(52)。
在其他实施方案中，如图4中最佳可见，对于基本上等于第一角度(α1)的入射角(θ)，多个微层(111,112)的相对于波长的光学透射率(53)可具有包括第二波长(62)但不包括第一波长(52)的透射阻带(55)。将入射角(θ)从第一角度(α1)改变到第二角度(α2)会使透射阻带偏移，从而使得被偏移的该透射阻带可包括第一波长(52)但不包括第二波长(62)。
在其他方面，对于入射在聚合物多层光学膜(110)上的光(120)以及对于至少第一偏振态(x轴)，对于沿第一方向(51)入射在光学膜(110)上的光，多个聚合物微层(111,112)具有针对第一波长(52)的光学透射率T1和针对第二波长(62)的光学透射率T2，其中T1>T2，如图3和图4所示。在一些方面，T1>10T2，或T1>50T2，或T1>100T2，或T1>500T2，或T1>1000T2。
根据另一个方面，对于入射在聚合物多层光学膜(110)上的光(120)以及对于至少第一偏振态(x轴)，对于沿第二方向(61)入射在光学膜(110)上的光，多个聚合物微层(111,112)具有针对第一波长(52)的光学透射率T1'和针对第二波长(62)的光学透射率T2'，其中T2'>T1'。在一些方面，T2'>10T1'，或T2'>50T1'，或T2'>100T1'，或T2'>500T1'，或T2'>1000T1'。
在一些方面，T1-T2可大于约20％，或大于约30％，或大于约40％，或大于约50％，或大于约60％，或大于约70％，或大于约80％，或大于约90％。
在一些方面，T2’-T1’可大于约20％，大于约30％，或大于约40％，或大于约50％，或大于约60％，或大于约70％，或大于约80％，或大于约90％。
在一些方面，在T1和T2’之间的差值的大小可小于约30％，或小于约25％，或小于约20％、或小于约15％、或小于约10％。在一些其他方面，在T2和T1’之间的差值的大小可小于约20％，或小于约15％，或小于约10％，或小于约5％，或小于约2％。
根据如图6所示的实施方案，光学系统(300')包括光学构造体(500)。光学构造体可包括多层光学膜(110')，该多层光学膜包括如图2所示并且如先前所述的多个微层(111,112)。光学构造体(500)包括透镜层(10)，该透镜层具有结构化的第一主表面(11)，该结构化的第一主表面包括至少由第一微透镜(20)和第二微透镜(30)组成的阵列。如先前所述，第一光吸收层(40)可与多层光学膜(110')相反地设置在结构化的第一主表面(11)上并且与该结构化的第一主表面间隔开。
第一光吸收层(40)可在该第一光吸收层中限定至少第一贯通开口或针孔(50)和第二贯通开口或针孔(60)。第一光吸收层(40)中的第一贯通开口(50)和第二贯通开口(60)可沿第一方向(x轴)和第二方向(y轴)布置成阵列。第一贯通开口(50)可以一一对应关系与第一微透镜(20)对准，并且第二贯通开口(60)可以一一对应关系与第二微透镜(30)对准。每一对相应的第一微透镜(20)和第一贯通开口(50)可以基本上平行于第一方向的第一光轴(51)为中心。每一对相应的第二微透镜(30)和第二贯通开口(60)可以基本上平行于第二方向的第二光轴(61)为中心。
对于沿第一方向入射在多层光学膜(110')上的光(120)以及对于第一(x轴)和正交的第二(y轴)中的每一者，多个微层(111,112)具有针对第一波长(52)的光学透射率T1和针对不同的第二波长(62)的光学透射率T2，其中T1>T2。在一些方面，T1>10T2，或T1>50T2，或T1>100T2，或T1>500T2，或T1>1000T2。
在其他方面，对于沿第二方向入射在多层光学膜(110')上的光(120)以及对于第一(x轴)和正交的第二(y轴)中的每一者，多个微层(111,112)具有针对第一波长(52)的光学透射率T1'和针对第二波长(62)的光学透射率T2'，其中T2'>T1'。在一些方面，T2'>10T1'，或T2'>50T1'，或T2'>100T1'，或T2'>500T1'，或T2'>1000T1'。
在一些方面，在第一方向(51)和第二方向(61)之间可形成大于约5度的角度，或者在一些情况下，形成大于约10度、或15度、或20度、或25度、或30度、或35度、或40度、或45度、或50度、或55度、或60度、或65度、或70度的角度。
在一些情况下，如图3最佳所示，第一波长和第二波长中的一者(52)可以是介于约420nm和约680nm之间的可见波长。第一波长和第二波长中的另一者(62)可以是介于约750nm和约1300nm之间的红外波长。
本公开的一个或多个实施方案中描述的光学系统有若干种用途。一种用途是在生物计量应用中，例如在可穿戴设备中，其中源角输出分布和检测器角收集特性的优化可被共同优化。这可使串扰最小化并且确保检测器对已经与组织充分相互作用的光进行采样。在光学可穿戴设备中收集来自不同深度和角度范围的光通常是有用的。
本公开中描述的光学系统的另一种用途是确定从组织发出的光的角散射特性。当与传感器阵列一起使用时，根据本公开的一个或多个实施方案的光学系统变成可确定从介质诸如皮肤发出的光的角特性的锥光分析膜。从皮肤发出的光的角特性可潜在地用于识别目的，但是也可用于检测灌注，其中可检测来自医院IV的表面下渗漏。漫散射光随时间推移的光学差异可提供潜在严重状况的早期警告。此外，关于皮肤散射特性的角信息可与图像校正算法一起使用以改善静脉图案的图像质量。
根据本文所公开的一个或多个实施方案的光学系统的另一个应用涉及静脉成像。静脉成像的最佳波长为约850nm。对于LCD面板后面的传感器应用(其中多层光学膜(MOF)的近红外(NIR)透明度很重要)，这是有问题的，因为在该低波长下MOF的角偏移将在ESR或反射偏振器中产生不期望的颜色。然而，利用本公开的光学构造体，可使用高得多的带边缘膜，并且传感器以倾斜角度通过膜观察。在倾斜角度下，带充分偏移以实现低于850nm的近IR透射。因此，可使用更高的、不引起颜色的波长诸如900nm，但是传感器仍然可在850nm的静脉成像的最佳波长下透过膜进行观察。
本公开的光学系统的另一个应用是在超光谱成像中，其中通过将本公开的光学构造体与干涉滤波器组合来制造光谱仪膜。光以4个不同的入射角入射在MOF上，产生4个不同的透射光谱。这里可使用MOF边缘滤波器，然而，利用简单的算法，该MOF边缘滤波器实际上是一系列陷波滤波器。作为另外一种选择，也可使用陷波滤波器作为MOF。有机和无机滤波器都可行，但是MOF滤波器是优选的，因为它们没有布鲁斯特角并且在一定角度下不会泄露光。此类超光谱膜可应用于活性检测、健康监测、荧光检测、皮肤健康、测试条(从主观颜色到定量光谱、IV灌注等)。
一个或多个实施方案的光学系统还可包括均匀的或空间变化延迟器或吸收偏振器。这使得能够进行旋光测定法和光谱测定法。另外，吸收偏振器可用作用于任何s和p偏振分离偏离角的清除偏振器。广泛多种传感器可与膜一起使用，包括CCD、CMOS、TFT阵列和有机传感器阵列。可使用广泛多种光源来提供照明，包括白炽灯、LED、OLED、激光二极管、VCSEL、荧光或来自太阳的自然光。感测组件的总面积可小(mm或亚mm)可大(数十或数百平方厘米)。多种空间重复图案是可能的。
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。
Claims (15)
1.一种光学系统，包括：
光学构造体，所述光学构造体包括：
透镜层，所述透镜层包括结构化的第一主表面，所述结构化的第一主表面包括至少由第一微透镜和第二微透镜组成的阵列；
第一光吸收层，所述第一光吸收层设置在所述结构化的第一主表面上并且与所述结构化的第一主表面间隔开，并且在所述第一光吸收层中限定至少由第一贯通开口和第二贯通开口组成的阵列，在所述第一微透镜和所述第一贯通开口之间以及所述第二微透镜和所述第二贯通开口之间存在一一对应关系，以第一光轴为中心的每一对相应的第一微透镜和第一贯通开口与所述第一光吸收层的法线形成同一第一角度，以第二光轴为中心的每一对相应的第二微透镜和第二贯通开口与所述第一光吸收层的所述法线形成与所述第一角度不同的同一第二角度；和
光源，所述光源发射入射在所述光学构造体的所述结构化的第一主表面一侧的光，所发射的光包括携带第一信息并且基本上平行于所述第一光轴传播的第一光束和携带不同的第二信息并且基本上平行于所述第二光轴传播的第二光束。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一光束具有第一波长，并且所述第二光束具有不同的第二波长。
3.根据权利要求2所述的光学系统，还包括聚合物多层光学膜，所述聚合物多层光学膜与所述光源相反地设置在所述第一光吸收层上，所述聚合物多层光学膜包括总数目为至少10个的多个聚合物微层，所述多个聚合物微层中的每一个具有小于约500nm的平均厚度，使得对于入射在所述聚合物多层光学膜上的光以及对于至少第一偏振态，所述多个聚合物微层
对于基本上等于所述第一角度的入射角，具有针对所述第一波长的光学透射率T1和针对所述第二波长的光学透射率T2，T1>T2；并且
对于基本上等于所述第二角度的入射角，具有针对所述第一波长的光学透射率T1'和针对所述第二波长的光学透射率T2'，T2'>T1'。
4.根据权利要求1所述的光学叠堆，其中对于基本上等于所述第一角度的所述入射角，所述多个微层的相对于波长的光学透射率具有包括所述第一波长但不包括所述第二波长的透射通带，以便将所述入射角从所述第一角度改变到所述第二角度会使所述透射通带偏移，从而使得被偏移的所述透射通带包括所述第二波长但不包括所述第一波长。
5.根据权利要求1所述的光学系统，还包括光学传感器，所述光学传感器被构造为接收并感测由所述光源发射并且透射通过所述第一贯通开口的所述第一光束和由所述光源发射并且透射通过所述第二贯通开口的所述第二光束。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一信息和所述第二信息包括波长、角度、人或动物身体部位的氧气水平、人或动物身体部位的图像、指纹的图像、人或动物静脉的图像、人或动物身体部位的光吸收、时间信息、空间信息、生物的水合状态以及生物的血液含量中的一者或多者。
7.一种光学系统，包括：
光源，所述光源被构造为发射具有第一波长并且基本上沿第一方向传播的第一光束以及具有不同的第二波长并且基本上沿不同的第二方向传播的第二光束；
透镜层，所述透镜层包括结构化的第一主表面，所述结构化的第一主表面包括面向所述光源的微透镜的阵列；和
聚合物多层光学膜，所述聚合物多层光学膜与所述光源相反地设置在所述透镜层上，所述聚合物多层光学膜包括总数目为至少10个的多个聚合物微层，所述多个聚合物微层中的每一个具有小于约500nm的平均厚度，使得对于入射在所述聚合物多层光学膜上的光以及对于至少第一偏振态，所述多个聚合物微层
对于沿所述第一方向入射在所述光学膜上的所述光，具有针对所述第一波长的光学透射率T1和针对所述第二波长的光学透射率T2，T1>10T2；并且
对于沿所述第二方向入射在所述光学膜上的所述光，具有针对所述第一波长的光学透射率T1'和针对所述第二波长的光学透射率T2'，T2'>10T1'。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其中在所述第一方向和所述第二方向之间形成大于约5度的角度。
9.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述第一波长和所述第二波长中的每一者是介于约420nm和约680nm之间的可见波长。
10.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述第一波长和所述第二波长中的一者是介于约420nm和约680nm之间的可见波长，并且所述第一波长和所述第二波长中的另一者是介于约750nm和约1300nm之间的红外波长。
11.根据权利要求7所述的光学系统，其中T1-T2大于约20％，并且T2'-T1'大于约20％。
12.一种光学构造体，包括：
多层光学膜，所述多层光学膜包括总数目为至少10个的多个微层，所述多个微层中的每一个具有小于约500nm的平均厚度，使得对于入射在所述多层光学膜上的光以及对于第一和正交的第二中的每一者，所述多个微层
对于沿第一方向入射在所述光学膜上的所述光，具有针对第一波长的光学透射率T1和针对不同的第二波长的光学透射率T2，T1>10T2；并且
对于沿第二方向入射在所述光学膜上的所述光，具有针对所述第一波长的光学透射率T1’和针对所述第二波长的光学透射率T2’，
T2’>10T1’；
透镜层，所述透镜层包括结构化的第一主表面，所述结构化的第一主表面包括至少由第一微透镜和第二微透镜组成的阵列；和
第一光吸收层，所述第一光吸收层与所述多层光学膜相反地设置在所述结构化的第一主表面上并且与所述结构化的第一主表面间隔开，并且在所述第一光吸收层中限定至少由第一贯通开口和第二贯通开口组成的阵列，在所述第一微透镜和所述第一贯通开口之间以及所述第二微透镜和所述第二贯通开口之间存在一一对应关系，每一对相应的第一微透镜和第一贯通开口以基本上平行于所述第一方向的第一光轴为中心，每一对相应的第二微透镜和第二贯通开口以基本上平行于所述第二方向的第二光轴为中心。
13.根据权利要求12所述的光学系统，其中在所述第一方向和所述第二方向之间形成大于约5度的角度。
14.根据权利要求12所述的光学系统，其中所述第一波长和所述第二波长中的一者是介于约420nm和约680nm之间的可见波长，并且所述第一波长和所述第二波长中的另一者是介于约750nm和约1300nm之间的红外波长。
15.根据权利要求12所述的光学系统，其中T1-T2大于约20％，并且T2'-T1'大于约20％。
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