UA119707C2 - Спосіб виготовлення оптичного дифузора - Google Patents

Abstract

Винахід належить до оптоелектроніки, зокрема до способів виготовлення оптичного дифузору. Оптичні дифузори широко використовуються в рідкокристалічних дисплеях, проекційних системах та в інших пристроях, де виникає необхідність у формуванні освітлювального пучка з заданими параметрами. Також оптичні дифузори можуть використовуватися в системах стеження за рухомими об’єктами. Спосіб виготовлення оптичного дифузору у вигляді рельєфної мікроструктури, відповідно до винаходу, включає нанесення твердосплавним конічним індентором з кутом при вершині (120…160)о конічних заглиблень на металеву підкладку, яка подалі використовується як штамп для термопресування рельєфної мікроструктури у вигляді конічних виступів на оптично прозорому полімерному матеріалі. Запропонований винахід дозволяє забезпечити високе пропускання світла та зменшення частки нерозсіяного світла в оптичних дифузорах з одночасним забезпеченням якості та високої повторюваності характеристик оптичного дифузора за рахунок виготовлення їх у вигляді рельєфної мікроструктури з різними заздалегідь визначеними кутами відхилення розсіяного випромінювання та з різним розміщенням заглиблень на металевій підкладці. 1

Description

рельєфної мікроструктури з різними заздалегідь визначеними кутами відхилення розсіяного випромінювання та з різним розміщенням заглиблень на металевій підкладці.

Винахід належить до оптоелектроніки, зокрема до способів виготовлення оптичного дифузора. Оптичні дифузори широко використовуються в рідкокристалічних дисплеях, проекційних системах та в інших пристроях, де виникає необхідність у формуванні освітлювального пучка з заданими параметрами. Також оптичні дифузори можуть використовуватися в системах стеження за рухомими об'єктами.

На сьогодні для виготовлення оптичних дифузорів використовують як способи, основані на голографічному створенні дифракційних граток, способи з використанням мікросфер, розміщених у полімерній матриці, так і способи формування ЗО структур на основі на півтоновій літографії.

Винахіднику відомо багато аналогічних рішень способів виготовлення оптичного дифузора, серед яких за сукупністю суттєвих ознак найближчими є наступні.

Відомий спосіб виготовлення оптичного дифузора, в якому для виготовлення оптичного дифузора пропонується використання голографічних структур у вигляді дифракційних граток («Создание оптических рассеивателей на галоидосеребряньїх фотоматериалах с помощью мультиплексньїх голограмм», Н.М. Ганжерли, С.Н. Гуляєв, И.А. Маурер, Д.Ф.Черньїх. Журнал технической физики, 2014, том 84, вьіп. 12). Для того, щоб голограма розсіювала падаюче випромінювання в об'ємному фізичному куті необхідно, щоб її структура була більш складною, являла собою безліч дифракційних граток, орієнтованих за різними кутами в площині голограм.

Вказаний спосіб полягав в тому, що тонка амплітудна мультиплексна голограма створювалася в результаті інтерференції двох плоских пучків на фотоплатівці під заданим кутом шляхом М/2 однакових експозицій, між якими фотоплатівка поверталась на невеликий фіксований кут навколо нормалі до її поверхні, величина якого визначала кількість плоских хвиль М. Після обробки мультиплексної голограми вона являла собою сукупність безлічі амплітудних граток, повернутих відносно один одного. Для отримання оптичного дифузора, придатного до використання, необхідно перетворити амплітудну голограму-дифузор у високоефективну рельєфно-фазову структуру. В результаті фотохімічної обробки голограми срібне зображення повністю видалялося з фотоемульсії, що призводить до формування чисто рельєфно-фазової структури голограм. При освітленні мультиплексної голограми кожна з елементарних граток створювали пучки 1-х порядків, які у Фур'є-площині лінзи збиралися в кільце, заповнене точками, що світяться.

Недоліком запропонованого способу є те, що оптичні властивості фазових голограм- дифузорів істотно залежать від нелінійного перетворення амплітудної структури до фазової.

Крім того, оптичний дифузор виготовляться з м'якого полімерного матеріалу, що ускладнює його експлуатацію. Голографічним способом можуть бути виготовлені оптичні дифузори з певним набором характеристик для застосування у конкретних системах.

У деяких технічних пристроях потрібні оптичні дифузори, що розсіюють світловий потік на невеликі кути (10-20)7 без істотного зниження коефіцієнта пропускання світла оптичною системою (Дмитриев А.В., Мванов А.В., Хохлов А.Р. Численное моделирование распространения света через диффузор. Фундаментальная и прикладная математика, 2009.

Т.15, Мо 6. с.33-41). Як правило, конструкції таких дифузорів базуються на застосуванні мікросфер, розміщених у полімерній матриці, які і розсіюють потік світла на необхідний кут.

Недоліком вказаного аналога є те, що може використовуватися один або декілька шарів матеріалу, прозорого для використовуваного діапазону спектра, і в кожному з шарів є зазначені мікроскопічні частинки іншої речовини.

Частково недоліки усунені у відомому способі виготовлення оптичних дифузорів, що взято за прототип (патент 05 6410213, опублікований 25.06.2002 р.). Відповідно до вказаного патенту сфокусованим лазерним випромінюванням здійснюється експонування фоточутливого шару, нанесеного на підкладку з оптично прозорого матеріалу, з наступним селективним травленням фоточутливого шару, при якому вилучаються неопромінені дільниці. На підкладці формується рельєфно-фазова структура, яка спрямовує падаюче світло у кільце, розташоване під визначеним кутом. За посиланням пер:/Лумли.грорпогопісз5.сот/епдіпеегеа-айтивегв-іптоптаїйоп/ (Епаіпеетєд Рійизег5) на першому зображенні схематично представлено принцип дії оптичного дифузора зі штучно утвореною ЗО рельєфно-фазовою структурою.

Недолік запропонованого способу прототипу полягає в тому, що рельєфно-фазова структура дифузора створена з м'якого полімерного матеріалу, розміщеного на оптично прозорій підкладці. Можливе виготовлення металевого штампу з полімерного оригіналу з наступним виготовленням копій на оптично прозорому матеріалі (полікарбонат, поліметилметакрилат).

В основу винаходу поставлена задача забезпечення високого пропускання світла та 60 зменшення частки нерозсіяного світла в оптичних дифузорах з одночасним забезпеченням якості та високої повторюваності характеристик оптичного дифузора за рахунок виготовлення їх у вигляді рельєфної мікроструктури з різними заздалегідь визначеними кутами відхилення розсіяного випромінювання та з різним розміщенням заглиблень на металевій підкладці.

Поставлена задача вирішується тим, що спосіб виготовлення оптичного дифузора у вигляді рельєфної мікроструктури, відповідно до винаходу, включає нанесення твердосплавним конічним індентором з кутом при вершині (120...160)7 конічних заглиблень на металеву підкладку, яка подалі використовується як штамп для термопресування рельєфної мікроструктури у вигляді конічних виступів на оптично прозорому полімерному матеріалі.

При цьому відстань між центрами сусідніх заглиблень діаметром Ю може становити від

Оя0,050 до Ю0,50.

При цьому нанесення конічних заглиблень може здійснюватися індентором з шорсткістю поверхні не гірше К2 0,80.

Між сукупністю суттєвих ознак винаходу та технічним результатом, який досягається, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок.

Винахідниками в процесі досліджень було визначено, що для покращення експлуатаційних характеристик та технологічності виготовлення оптичного дифузора його виготовляють у вигляді рельєфної мікроструктури з заданими характеристиками. Зокрема, відповідно до однієї з ознак винаходу, спосіб включає нанесення твердосплавним конічним індентором з кутом при вершині (120...160)7" конічних заглиблень на металеву підкладку, яка подалі використовується як штамп для термопресування рельєфної мікроструктури у вигляді конічних виступів на оптично прозорому полімерному матеріалі. Конічна форма заглиблень на штампі дозволяє формувати в подальшому конічні виступи на дифузорі, які забезпечують отримання рівномірного розподілу інтенсивності відхиленого світла у кільцевій зоні (кільцева зона - кожна ділянка оптичної системи, віддалена від її осі на відстань 4). Відхилення від конічної форми призводить до збільшення частки розсіяного під випадковими кутами світла і нерівномірного розподілу інтенсивності світла у кільцевій зоні, до випадкового розсіяння та зменшення пропускання.

Використання оптично прозорого полімерного матеріалу дозволяє забезпечити роботу оптичного дифузора, оскільки характеризується необхідними фізико-хімічними характеристиками та здатний набувати задану форму після обробки.

Винахідниками також при створенні дослідних зразків встановлено, що кут індентора визначає кут розсіяного (відхиленого) світла, тобто кут відхилення дифузором оптичного випромінювання. В процесі досліджень було встановлено, що для забезпечення оптимального кута відхилення дифузора, кут при вершині індентора повинен становити в діапазоні (120...160)7, що забезпечить кут відхилення дифузором оптичного випромінювання всього в межах 5...10".

Винахідниками також було встановлено, що для отримання дифузора, який відхиляє максимальну величину світла в кільце (кожна ділянка оптичної системи, віддалена від її осі на відстань 4 (кільцева зона), дає зображення світної точки у вигляді кільця), конічні елементи повинні займати максимальну площу на поверхні підкладки. Розміщувати заглиблення надто близько не можливо внаслідок деформації сусідніх конічних заглиблень. В процесі досліджень встановлено, що оптимальною відстанню між центрами заглиблень є діапазон від О-0,050 до ря0,50. В Таблиці наведені дані про вплив розміщення конічних заглиблень на ефективність виготовлених дифузорів.

Таблиця 1

Залежність частки розсіяного світла від відстані між центрами заглиблень заглиблень світла 7 о030 | 7777780

Відповідно до таблиці, розміщення заглиблень на більшій відстані за вказаний діапазон призводить до значного збільшення частки нерозсіяного світла, що зменшує ефективність оптичного дифузора. Розміщення заглиблень на меншій відстані може призводити до деформації форми сусіднього заглиблення, що в свою чергу призводить до нерівномірного розподілу інтенсивності після дифузора.

В процесі досліджень конічні заглиблення створювались на підкладці, яка далі використовувалась як штамп для виготовлення дифузорів на прозорому полімерному матеріалі.

Матеріал штампа повинен бути одночасно пластичним для того, щоб на ньому можливо було створювати твердосплавним індентором конічні заглиблення і забезпечувати отримання великої кількості копій. Отримання необхідної кількості копій можливо тільки з використанням штампа, температура плавлення матеріалу якого значно, на 300-500", перевищує температуру плавлення матеріалу, з якого виготовляють дифузори. Таким вимогам для матеріалу штампа задовольняють метали з твердістю за Бринеллем - 24...40 кгс/мм". Таким чином підкладка для виготовлення дифузорів повинна бути металевою для забезпечення необхідних експлуатаційних характеристик. Тільки правильний вибір матеріалу металевого штампа дозволяє отримувати дифузори з визначеними світлотехнічними характеристиками. Отримання заглиблень на штампі з дзеркальною металічною поверхнею є необхідною умовою для отримання дифузорів, які розсіюють світло у вузькому заздалегідь визначеному куті з мінімальною часткою розсіяного під довільними кутами світла.

Відомо, що на якість дифузорів найбільший вплив має якість поверхні конусів, на яких відбувається розсіяння світла. При розсіянні світла конусами з дзеркальною поверхнею відхилення відбувається у певний кут, визначений кутом конічних виступів. Наявність подряпин на поверхні конусів призводить до появи світлових потоків, відхилених під випадковими кутами.

Частина випадково розсіяного світла в залежності від якості обробки індентора може змінюватися від 2 до 15 95. Таким чином в процесі досліджень встановлено, що індентор повинен бути з визначеною шорсткістю поверхні. Винахідниками зокрема встановлено, що оптимальною шорсткістю поверхні є шорсткість не гірше К; 0,80. Шорсткість поверхні індентора

В; 0,80 і менше забезпечує при термопресуванні прозору оптичну шорсткість полімерних

Зо оптичних розсіюючих елементів. При шорсткості індентора більше К; 0,80 при термопресуванні поверхня конічних розсіюючих елементів буде непрозорою, матовою. Встановлена шорсткість робочої поверхні індентора свідчить про те, що ця робоча поверхня є полірованою, що дозволяє при виготовленні дифузорів забезпечити оптичну якість конусного мікрорельєфу і, як наслідок, найменші втрати світлового потоку при проходженні його через дифузор.

Запропонований спосіб включає нанесення конічних заглиблень на металеву підкладку твердосплавним конічним індентором. Виконання індентора твердосплавним дозволяє забезпечити дзеркальну поверхню індентора (з шорсткістю не гірше К;: 0,80), оскільки поверхню твердих сплавів, наприклад, таких як тверда сталь, можна шліфувати до дзеркальної.

Суть винаходу пояснюють креслення.

На Фіг. 1 показано розміщення конічних заглиблень на поверхні металевої підкладки (діаметр 1,0 мм);

На Фіг. 2 показано вид світлорозсіюючої поверхні, сформованої на поверхні підкладки з оптичного прозорого полімерного матеріалу, зокрема полікарбонату (діаметр конічних виступів 1,0 мм).

Зображувальні матеріали, що пояснюють заявлений винахід, а також наведені приклади конкретного виконання способу ніяким чином не обмежують обсяг домагань, викладений у формулі, а тільки пояснюють суть винаходу.

Здійснюють спосіб виготовлення оптичного дифузора наступним чином.

Приклад 1.

Відповідно до запропонованого способу був виготовлений оптичний дифузор шляхом нанесення рельєфної мікроструктури на підкладку з алюмінієвого сплаву В95 твердосплавним конічним індентором з кутом при вершині 150", термопресуванням на підкладці з полікарбонату рельєфної мікроструктури.

Використовувались індентори, виконані з твердої сталі (твердість не менше 850 НМ10) або карбіду вольфраму (твердість не менше 1500 НМ10), поверхню яких можна шліфувати до дзеркальної. Для виготовлення штампів використовувався найбільш міцний серед відомих сплавів алюмінію - ВУ95, на якому при індентуванні забезпечується утворення конічних заглиблень з дзеркальною поверхнею. Як оптично прозорий полімерний матеріал використано полікарбонат. бо Термопресування здійснювалось штампом з температурою 100-120"С на пластиковій підкладці також нагрітій до 90-1007С при тиску 5-10 кг/мме. Час прикладання тиску на штамп становив 20-80 секунд.

Конічні заглиблення розміщувалися на металевій підкладці таким чином, що відстань між центрами заглиблень діаметром О рівним 0,8 мм становила 0,88 мм (Ож0,10)3. Виготовлений оптичний дифузор являв собою прозору підкладку, на поверхні якої була сформована рельєфна структура.

Виготовлений оптичний дифузор забезпечує коефіцієнт пропускання світла більше 90 95 з одночасним зменшенням нерозсіяної компоненти до 1-3 95. На Фіг.2 наведено зображення світлорозсіюючої поверхні, сформованої на поверхні підкладки з полікарбонату.

Приклад 2.

Відповідно до запропонованого способу був виготовлений оптичний дифузор шляхом нанесення рельєфної мікроструктури на підкладку з алюмінієвого сплаву В95 твердосплавним конічним індентором з кутом при вершині 150", термопресуванням на підкладці з полікарбонату рельєфної мікроструктури. Матеріали та умови термопресування описані в прикладі 1.

Конічні заглиблення розміщувалися на металевій підкладці таким чином, що відстань між центрами заглиблень діаметром 0,8 мм становила 0,84 мм (0О-0,050)3. Виготовлений оптичний дифузор являв собою прозору підкладку, на поверхні якої була сформована рельєфна структура. Виготовлений оптичний дифузор забезпечує коефіцієнт пропускання світла більше 90 95 із значенням нерозсіяної компоненти до 2-4 95. Збільшення значення нерозсіяної компоненти пов'язане з частковою деформацією форми заглиблень на металевому оригіналі.

Приклад 3.

Відповідно до запропонованого способу був виготовлений оптичний дифузор шляхом нанесення рельєфної мікроструктури на підкладку з алюмінієвого сплаву В95 твердосплавним конічним індентором з кутом при вершині 150", термопресуванням на підкладці з полікарбонату рельєфної мікроструктури. Матеріали та умови термопресування описані в прикладі 1.

Конічні заглиблення розміщувалися на металевій підкладці таким чином, що відстань між центрами заглиблень діаметром 0,8 мм становила 1,2 мм (00,50). Виготовлений оптичний дифузор являв собою прозору підкладку, на поверхні якої була сформована рельєфна структура. Виготовлений оптичний дифузор забезпечує коефіцієнт пропускання світла більше

Зо 90 95 із значенням нерозсіяної компоненти до 5-6 95. Збільшення значення нерозсіяної компоненти пов'язане з тим, що частина світла не розсіюється на мікровиступах.

Таким чином, запропонований винахід дозволяє забезпечити високе пропускання світла та зменшення частки нерозсіяного світла в оптичних дифузорах з одночасним забезпеченням якості та високої повторюваності характеристик оптичного дифузора за рахунок виготовлення їх у вигляді рельєфної мікроструктури з різними заздалегідь визначеними кутами відхилення розсіяного випромінювання та з різним розміщенням заглиблень на металевій підкладці.

Claims (3)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Спосіб виготовлення оптичного дифузора у вигляді рельєфної мікроструктури, який відрізняється тим, що включає нанесення твердосплавним конічним індентором з кутом при вершині (120...160)2 конічних заглиблень на металеву підкладку, яку подалі використовують як штамп для термопресування рельєфної мікроструктури у вигляді конічних виступів на оптично прозорому полімерному матеріалі.

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що відстань між центрами сусідніх заглиблень діаметром О становить від О--0,05 О до Ю-0,50.

3. Спосіб виготовлення оптичного дифузора за п. 1, який відрізняється тим, що нанесення конічних заглиблень здійснюють індентором з шорсткістю поверхні КЕ 0,80.

вони в З ще а зі 5 ОК ОО еВ ок ХХ х ОВ

Фіг.2 00 КомпютернаверсткаА. Крулевськийї (00000000 Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601