專(zhuān)利名稱：用于光束成形和均勻化的隨機(jī)微透鏡陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于微透鏡陣列的光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置能將輸入照度的成形強(qiáng)度函數(shù)修改成可距該裝置一定距離之外觀察的獨(dú)特的強(qiáng)度函數(shù)。該修改強(qiáng)度函數(shù)的能力包括通過(guò)減小散射強(qiáng)度分布中強(qiáng)烈的變化的均勻化。這樣的微透鏡陣列的應(yīng)用包括漫射器，屏幕，均勻器和光束成形器。
背景光束成形涉及將初始輸入光束的強(qiáng)度剖面轉(zhuǎn)變成距光束成形裝置一定距離之外的獨(dú)特的剖面。通常對(duì)光束成形有這樣形式的要求，光束從由自由的單獨(dú)傳播提供的自然成形(即衍射)發(fā)生明顯的偏離。因此，這樣的光束成形在應(yīng)用光束成形裝置修改傳播光束的性質(zhì)從而提供所要求的成形函數(shù)方面經(jīng)常是必須的。
光束成形和均勻化的簡(jiǎn)單形式由Gaussian漫射器提供，該漫射器包括一個(gè)帶有隨機(jī)高度變化的表面。研磨玻璃和一些類(lèi)型的化學(xué)刻蝕玻璃的表面被用于提供這樣的隨機(jī)高度變化。Gaussian漫射器在有限的角度范圍均勻地發(fā)散輸入照度光束使其帶有Gaussian強(qiáng)度剖面。這樣的光束成形器不貴并且易于制造，但僅提供很有限的光束成形能力。
具有均勻化能力的另一種類(lèi)型的漫射基光束成形器可通過(guò)激光斑紋圖樣的全息曝光制造。這些所謂的“全息漫射器”通過(guò)提供諸如以沿兩個(gè)方向獨(dú)特的角度散度發(fā)散光的光束成形方面更大的靈活性而提供超過(guò)Gaussion漫射器的一些優(yōu)點(diǎn)。精確的散度也能夠得到更好的控制。但是，用于全息漫射器的典型的強(qiáng)度散射器剖面也是Gaussian型的。原則上能獲得其他的強(qiáng)度剖面，但制造的全息方法假定帶有所要求的強(qiáng)度剖面的裝置已經(jīng)存在，這樣就限制了該方法的有用性。另外，在重建中，除了所要求的圖樣外，也將存在零級(jí)(直通)光束。這些缺點(diǎn)限制了全息元件對(duì)于光的Gaussian散射以外的任何方面的有用性。
達(dá)到光束成形和均勻化的另一種方法基于衍射元件，該方法應(yīng)用干涉和衍射效應(yīng)將輸入光束成形為各種圖樣。當(dāng)要求大散度角時(shí)衍射元件就出了問(wèn)題，因?yàn)檠苌湓ㄟ^(guò)減小表面特征尺寸(小特征導(dǎo)致大散射角)達(dá)到光散射。當(dāng)散度角增加時(shí)，制造衍射元件就更難，這些元件通常就限于±20度以下的角度。衍射元件也最適合于單色操作并通常被設(shè)計(jì)成在特定波長(zhǎng)下工作。在其他的波長(zhǎng)下，出現(xiàn)強(qiáng)烈的非衍射零級(jí)光束的成分。衍射元件可設(shè)計(jì)成在分立的波長(zhǎng)值下工作，但是對(duì)于寬帶操作，這樣的裝置提供蹩腳的性能，零級(jí)光成為性能下降的主要緣由。
諸如入射Gaussian光束向呈現(xiàn)超過(guò)某些角度跨度的扁平強(qiáng)度的光束的轉(zhuǎn)變的光束的扁平化也可以通過(guò)衍射元件著手進(jìn)行，但是有上述缺點(diǎn)。非球面透鏡也已經(jīng)用于光束的扁平化，但非球面透鏡存在和制造，對(duì)準(zhǔn)，有限的場(chǎng)深度和對(duì)輸入光束變化的靈敏性有關(guān)的諸多困難。
規(guī)則的微透鏡陣列先前已經(jīng)用于進(jìn)場(chǎng)均勻化，但是這些陣列在遠(yuǎn)離陣列之處產(chǎn)生強(qiáng)烈的衍射圖樣以及在屏幕應(yīng)用中產(chǎn)生諸如波紋效應(yīng)的圖像贗像。
規(guī)則微透鏡陣列也已經(jīng)用于發(fā)光目的但提供有限的空成形(多邊形能量分布)和遠(yuǎn)離陣列之處有限的強(qiáng)度控制(在規(guī)則陣列上的球面或非球面透鏡剖面)。
其他的一些光束成形轉(zhuǎn)變要求光從散射圖樣的一些部分的排外性(即在散射圖樣中的“孔洞”)。除了衍射元件外，現(xiàn)有方法已經(jīng)不能提供包括這樣多重連接的散射圖樣的光束成形能力。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了對(duì)包含用于成形發(fā)光光束的微透鏡陣列的裝置的改進(jìn)，因此發(fā)光光束穿過(guò)該裝置，由該裝置修改，并根據(jù)所要求的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中的指定的強(qiáng)度剖面遠(yuǎn)離該裝置重新組合。該裝置以襯底上分布的微透鏡陣列為基礎(chǔ)。每個(gè)微透鏡由一組參數(shù)的唯一值限定，該參數(shù)總體上和限定陣列中其他微透鏡的同樣參數(shù)的值不同。微透鏡中透鏡到透鏡之間的變化提供了遠(yuǎn)離該裝置之處均勻化發(fā)光能量的手段。每個(gè)微透鏡的形狀或垂度剖面根據(jù)所要求的強(qiáng)度成形函數(shù)選擇。陣列中每個(gè)微透鏡的邊界剖面和空間安排(相對(duì)定位)經(jīng)選擇以應(yīng)用所要求的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中的指定的強(qiáng)度剖面。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的光學(xué)裝置可以由微透鏡的陣列限定，該陣列中各別的微透鏡在隨機(jī)的方式中互相不同，該方式由支配諸如垂度剖面，邊界剖面和空間安排的參數(shù)的概率分布函數(shù)表征。輸入光束可通過(guò)每個(gè)微透鏡的表面剖面及其統(tǒng)計(jì)性能的控制被成形或修改成具有所要求的強(qiáng)度函數(shù)的輸出光束。概率分布函數(shù)可經(jīng)選擇而進(jìn)一步成形強(qiáng)度函數(shù)，尤其是相對(duì)于強(qiáng)度下降的速率成形。相似的邊界剖面(例如直徑)中的經(jīng)隨機(jī)化的變化和空間安排在所要求的散射圖樣上應(yīng)用所要求的強(qiáng)度函數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的光束成形器提供根據(jù)所要求的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中指定的強(qiáng)度剖面的光束成形。微透鏡陣列在襯底上分布。每個(gè)微透鏡由一組參數(shù)值限定在陣列中，該組參數(shù)值總體上和限定陣列的其他微透鏡的同一組參數(shù)的值不同。該參數(shù)包括相應(yīng)于微透鏡表面形狀的垂度剖面，相應(yīng)于微透鏡的邊界的邊界剖面和相應(yīng)于陣列中微透鏡的相對(duì)位置的空間分布。垂度剖面在陣列的微透鏡之間變化以均勻化光束的強(qiáng)度剖面。邊界剖面在非規(guī)則空間分布中的陣列的微透鏡之間變化以在光束的所要求的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中應(yīng)用指定的強(qiáng)度剖面。
垂度剖面最好在陣列的微透鏡之間根據(jù)概率分布函數(shù)變化。更具體地說(shuō)，垂度剖面最好由在一個(gè)允許范圍中滿足概率分布函數(shù)的一個(gè)或多個(gè)隨機(jī)變量限定。隨機(jī)變量可包括曲率半徑，圓錐常數(shù)和數(shù)學(xué)上敘述垂度剖面的垂度函數(shù)的非球面系數(shù)。
至少一些微透鏡的邊界剖面是將光束的經(jīng)均勻獲能的部分散射成經(jīng)匹配成形的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣的一致邊界。該一致邊界最好具有多邊形，圓形或其他平滑曲線形的形狀。其他微透鏡的邊界剖面是不一致邊界，該不一致邊界將光束的經(jīng)均勻獲能的部分散射成不匹配該不一致邊界的形狀的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣。不一致邊界總體上有更復(fù)雜的形狀，諸如由一致邊界的鄰近部分形成的分段彎曲的形狀。
通常，帶有一致邊界的微透鏡以將帶有不一致邊界的微透鏡的剩余介入?yún)^(qū)域減至最小的空間分布設(shè)置，該區(qū)域在襯底上帶有一致邊界的微透鏡之間填滿空間。帶有一致邊界的微透鏡和帶有不一致邊界的微透鏡都顯示聚焦的光度。另外，帶有一致邊界的微透鏡最好具有根據(jù)概率分布函數(shù)的不同的保形邊界的隨機(jī)安排。例如，不同的保形邊界的尺寸可在有限的范圍內(nèi)隨機(jī)變化。
通常，光束的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣是一個(gè)具有和帶有一致邊界的微透鏡的平均形狀匹配的形狀的簡(jiǎn)單的連接區(qū)域。但是，光束的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣也可以形成為多重連接的區(qū)域。例如，垂度剖面可由包含在遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中產(chǎn)生空白的相奇點(diǎn)的垂度函數(shù)限定。或者，帶有一致邊界的微透鏡可和帶有不一致邊界的微透鏡組合在一起并相隔開(kāi)，以產(chǎn)生光束的空間隔離的部分。
微透鏡被支撐在其上的襯底最好是一個(gè)具有相對(duì)的第一和第二側(cè)面的透射襯底。除了在襯底的第一側(cè)面定位微透鏡陣列外，漫射元件可定位在襯底的第二側(cè)面以進(jìn)一步均勻化或成形照面光束。漫射元件可采取各種形式，包括經(jīng)粗糙化的表面，經(jīng)全息曝光的圖樣，衍射圖樣，光柵，極化表面，透鏡，和另一個(gè)透鏡陣列。
雖然可能有其他的強(qiáng)度剖面，本發(fā)明的光束成形器尤其很好地適合于在所要求的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中達(dá)到均勻的(平的)強(qiáng)度剖面。在遠(yuǎn)離中心剖面之處的強(qiáng)度下降速率也可以用顯示下降的不同速率的概率分布函數(shù)控制。遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度圖樣的形狀可由微透鏡的邊界剖面和空間分布參數(shù)控制。典型的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣包括圓的，方的，長(zhǎng)方的和環(huán)形的散射區(qū)域。散射圖樣也可以沿兩個(gè)垂直的方向形成總體獨(dú)特的角散度。另外，遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣可以由帶有規(guī)定強(qiáng)度分布的多樣性的空間分離的光束形成。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了用于光束成形和均勻化的裝置，該裝置包括第一隨機(jī)微透鏡陣列，襯底，和位于和第一微透鏡陣列相對(duì)的表面上的第二隨機(jī)微透鏡陣列。第一微透鏡陣列，襯底，第二微透鏡陣列總體上由不同的材料制成，但也可用相似的材料制成。另外，第一微透鏡陣列也可在微透鏡性能，分布和統(tǒng)計(jì)上和第二微透鏡陣列不同。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中提供用于光束成形和均勻化的裝置，該裝置包括第一隨機(jī)微透鏡陣列，襯底，和位于和第一微透鏡陣列相對(duì)的表面上的第二隨機(jī)微透鏡陣列。第一微透鏡陣列，襯底，第二微透鏡陣列總體上由不同的材料制成，但也可用相似的材料制成。另外，第二微透鏡陣列可以由各種結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)包括但不限于研磨漫射器，全息曝光的圖樣，衍射圖樣，光柵，極化表面，透鏡或透鏡陣列。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在下文的詳盡敘述中闡明，這些特征和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)下文的敘述，包括詳盡敘述，權(quán)利要求以及附圖，或通過(guò)實(shí)踐本發(fā)明得到的認(rèn)識(shí)，其部分對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)的。
附1A和1B提供一個(gè)球面參考坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系定位陣列中的任何點(diǎn)和每個(gè)微透鏡單元本地的坐標(biāo)框架。
圖2是在折射率nm的材料上，折射率ns的襯底上的隨機(jī)微透鏡陣列的截面。入射和發(fā)射媒介有折射率no。圖中還顯示了通過(guò)特定的微透鏡單元的兩條射線的通路。
圖3是來(lái)自于拋物線微透鏡的規(guī)則陣列的在波長(zhǎng)的兩個(gè)獨(dú)特值上的散射圖樣。
圖4是來(lái)自于拋物線微透鏡的隨機(jī)陣列的在波長(zhǎng)的兩個(gè)獨(dú)特值上的散射圖樣。敘述曲率半徑的變化的概率分布是均勻的。
圖5是來(lái)自于拋物線微透鏡的隨機(jī)陣列的在波長(zhǎng)的兩個(gè)獨(dú)特值上的散射圖樣。敘述曲率半徑的變化的概率分布是負(fù)指數(shù)的。
圖6是來(lái)自于拋物線微透鏡的隨機(jī)陣列的在波長(zhǎng)的兩個(gè)獨(dú)特值上的散射圖樣。曲率半徑和直徑發(fā)生變化，因此聚焦位置固定。
圖7A和7B是帶有圓的平面的規(guī)則拼貼(tiling)的示意圖(圖7A的)方形堆疊和(圖7B的)六角形堆疊。
圖8是指出九個(gè)不一致區(qū)域的平面的方拼貼的單位單元。
圖9是在圓形孔的情況下限定不一致區(qū)域的垂度的裝置的示意圖。


圖10A-10D顯示帶有不同形狀的陣列平面的復(fù)雜覆蓋。
圖11A-11D顯示不能提供陣列平面的復(fù)雜覆蓋的形狀。
圖12A和12B描繪投影一個(gè)圓的隨機(jī)微透鏡陣列的經(jīng)測(cè)量的剖面。
圖13是投影一個(gè)圓的微透鏡陣列的示意圖，單位單元由白色邊界框出。
圖14A和14B將一個(gè)經(jīng)測(cè)量的散射剖面等同于一個(gè)由投影成一個(gè)圓散射區(qū)域的隨機(jī)微透鏡陣列形成的散射圖樣。
圖15A和15B將一個(gè)經(jīng)測(cè)量的散射剖面等同于一個(gè)由投影成一個(gè)方散射區(qū)域的隨機(jī)微透鏡陣列形成的散射圖樣和均勻的(平的)強(qiáng)度剖面。
圖16A和16B將一個(gè)經(jīng)測(cè)量的散射剖面等同于一個(gè)由投影成一個(gè)長(zhǎng)方散射區(qū)域的隨機(jī)微透鏡陣列形成的散射圖樣和均勻的(平的)強(qiáng)度剖面。
圖17A和17B將一個(gè)經(jīng)測(cè)量的散射剖面等同于一個(gè)由投影成一個(gè)環(huán)形散射區(qū)域的隨機(jī)微透鏡陣列形成的散射圖樣和均勻的(平的)強(qiáng)度剖面。
圖18是帶有可變尺寸圓的陣列平面的隨機(jī)拼貼的示意圖。
圖19是帶有可變尺寸圓的陣列平面的隨機(jī)拼貼和帶有方形和長(zhǎng)方形平面拼貼的疊加單元的示意圖。
圖20是覆蓋帶有從規(guī)則方單元柵開(kāi)始的可變尺寸長(zhǎng)方形的平面的方法的示意圖。
圖21是產(chǎn)生帶有可變尺寸直徑和從理想圓偏離的一致形狀的圓散射區(qū)域的隨機(jī)微透鏡的示意圖。
圖22A-22D顯示(22A)簡(jiǎn)單連接和(22B)多重連接的散射區(qū)域。也顯示了帶有多樣性形狀的散射圖樣的示意圖，這些多樣性形狀包含個(gè)別(22C)的簡(jiǎn)單連接區(qū)域和(22D)多重連接的區(qū)域。
圖23是角坐標(biāo)變化的頂視圖。
圖24A-24C顯示展開(kāi)成四個(gè)分離光束(四極圖樣)的輸入光束。還顯示了個(gè)別的四極光束呈現(xiàn)(24B)圓形和(24C)長(zhǎng)方形邊界的示意圖。
圖25是產(chǎn)生四極和在垂度剖面中結(jié)合角相依性的隨機(jī)微透鏡陣列的部分的示意圖。
圖26是由圖25顯示的微透鏡陣列產(chǎn)生的經(jīng)測(cè)量的散射圖樣。
圖27是由圖25顯示的微透鏡陣列產(chǎn)生的預(yù)言的理論散射圖樣。
圖28是由隨機(jī)微透鏡陣列產(chǎn)生的目標(biāo)散射圖像的實(shí)例。
圖29是產(chǎn)生圖28指出的散射剖面的隨機(jī)微透鏡陣列的部分的示意圖。
圖30是由圖29顯示的微透鏡陣列產(chǎn)生的預(yù)言的理論散射圖樣。
圖31是產(chǎn)生帶有圓形邊界的四極的微透鏡陣列的示意圖。
圖32A和32B辨別產(chǎn)生四極的陣列的一致和不一致區(qū)域。
圖33是四極發(fā)生器的不一致區(qū)域的垂度分配。
圖34是投影每個(gè)光束具有圓形散射形狀的四極的微透鏡陣列的部分的示意圖。
圖35是來(lái)自投影成每個(gè)光束具有圓形散射形狀的四極的隨機(jī)微透鏡陣列的經(jīng)測(cè)量的散射剖面。
圖36是來(lái)自投影成每個(gè)光束具有圓形散射形狀的四極的隨機(jī)微透鏡陣列的預(yù)言的理論散射剖面。
圖37是在6×6陣列上產(chǎn)生36個(gè)分離光束的散射圖樣的隨機(jī)微透鏡陣列的示意圖。
圖38A-38C顯示將輸入光束投影成任意散射區(qū)域的隨機(jī)微透鏡陣列的由可能的不同形狀構(gòu)成的單位單元。也顯示了不一致形狀及其垂度分配過(guò)程的示意圖。
圖39是通過(guò)帶有(實(shí)曲線)和不帶有(虛曲線)傾斜的微透鏡聚焦的。
圖40是在其兩面帶有隨機(jī)微透鏡陣列的襯底的示意圖。通常，微透鏡呈現(xiàn)不同的折射率，該折射率也可和襯底和外部媒介的折射率不同。
圖41是在一面帶有隨機(jī)微透鏡陣列而在相對(duì)一面帶有形成圖樣的表面的襯底的示意圖。各種圖樣的實(shí)例包括經(jīng)研磨表面，全息曝光表面和衍射表面。
圖42表示來(lái)自折射微透鏡單元的衍射微透鏡單元的定義。
詳細(xì)描述參考圖1A和1B的本發(fā)明的實(shí)施例依賴于在襯底14上排列成陣列12的經(jīng)隨機(jī)化的微透鏡10以提供光束成形和輸入發(fā)光的均勻化。微透鏡10在其上制造的襯底14可以用能支撐或制造微透鏡10的包括玻璃和塑料的各種透射材料制造。微透鏡10在其中形成的襯底14的表面16可以分成N數(shù)目個(gè)部分，其中每個(gè)部分等同于一個(gè)由一組參數(shù)的具體值限定的微透鏡結(jié)構(gòu)。在襯底表面16的N個(gè)部分的每個(gè)部分中的微透鏡10可由包括曲率半徑，圓錐常數(shù)和非球面系數(shù)的變量限定，這些變量是數(shù)學(xué)上表示垂度剖面的所有垂度函數(shù)。一個(gè)個(gè)別的部分N的周邊可呈現(xiàn)諸如方，長(zhǎng)方，六角形，多邊形或任何其他任意形狀的任何形式。最好，各個(gè)部分N表示不同的類(lèi)型并完全覆蓋襯底因此沒(méi)有缺乏聚焦光度的區(qū)域的形狀。
光束成形和均勻化依賴于微透鏡陣列12的三個(gè)成分(i)每個(gè)個(gè)別微透鏡10的垂度剖面，(ii)微透鏡邊界剖面，和(iii)微透鏡10的空間分布。這些成分中的每一個(gè)都在下文中分別考慮。
(i)垂度剖面在詳盡討論垂度剖面前，先引進(jìn)兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，其目的是用一組獨(dú)特的微透鏡參數(shù)定位襯底中的區(qū)域。該兩個(gè)參照框架是本地參照框架(xk，yk，zk)和球參照框架(x，y，z)。襯底表面16的N個(gè)區(qū)域的每一個(gè)區(qū)域都分配一個(gè)從1到N范圍內(nèi)的識(shí)別數(shù)目。數(shù)目分配的確切方法不特別重要(字典順序或其他)，只要陣列中的每個(gè)微透鏡元件被識(shí)別即可。本地框架(xk，yk，zk)用于限定獨(dú)立于任何其他微透鏡10的給定微透鏡10的垂度剖面。球參照框架(x，y，z)橫越全襯底表面16定位任何定位微透鏡10的具體點(diǎn)。該兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的描繪顯示在圖1A和1B中。
垂度剖面規(guī)定微透鏡10的表面并通過(guò)確定在其界面折射的光線的方向修改透射的光束。微透鏡在以點(diǎn)(x0，y0)為中心的本地參照框架(xk，yk)上的垂度剖面的總體形式由下式給出s(xk，yk)＝f(xk-x0，yk-y0)+Θ(θ) (1)式中f指垂度函數(shù)的函數(shù)形式，Θ表示對(duì)于垂度剖面的角成分，取決于由tanθ＝y(tǒng)k/xk定義的角坐標(biāo)θ。
函數(shù)f的明確表達(dá)式的實(shí)例在由坐標(biāo)(u，v)定義的框架中顯示如下f(u,v)=cuu21+[1-(κu+1)cu2u2]1/2+cvv21+[1-(κv+1)cv2v2]1/2+ΣjAjuuj+Ajvvj---(2)]]>根據(jù)等式(1)顯示的單位，應(yīng)用下面的關(guān)系u＝xk-x0和v＝y(tǒng)k-y0。數(shù)量c指曲率半徑，κ是圓錐常數(shù)，Aj是非球面系數(shù)。
在更一般的表示中，垂度函數(shù)可寫(xiě)成分段連續(xù)的函數(shù)，剖面的每個(gè)部分由下列形式表達(dá)f(u,v)=Σk=1KΣp=1Papkupvk---(3)]]>式中P和K指展開(kāi)式中保留的項(xiàng)數(shù)，apk指定義對(duì)于垂度的相對(duì)貢獻(xiàn)的二階系數(shù)張量。對(duì)于一個(gè)任意的強(qiáng)度散射剖面，系數(shù)張量apk必須優(yōu)化以保證在觀察平面中的所要求的強(qiáng)度。該任務(wù)由數(shù)字優(yōu)化研究程序的手段進(jìn)行。
微透鏡垂度的函數(shù)形式直接和經(jīng)散射的強(qiáng)度剖面相關(guān)。因此，每個(gè)微透鏡10的垂度需要進(jìn)行修整以符合強(qiáng)度要求。微透鏡垂度怎樣影響散射剖面的實(shí)例已經(jīng)在G.Michael Morris和Tasso R.M.Sales申請(qǐng)于2001年7月30日，題為“STRUCTURED SCREENS FOR CONTROLLED SPREADING OF LIGHT”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/918408號(hào)中披露，該申請(qǐng)通過(guò)引用而結(jié)合在本文中。在一般情況下，確定經(jīng)散射的強(qiáng)度剖面的具體形式需要的微透鏡垂度必須進(jìn)行優(yōu)化的研究。
根據(jù)本發(fā)明的原理，限定微透鏡的垂度的每個(gè)參數(shù)的值最好滿足定義該參數(shù)在其允許范圍內(nèi)呈現(xiàn)一定值的概率的概率分布函數(shù)(PDF)。例如，對(duì)于由等式(2)定義的垂度剖面，曲率半徑，圓錐常數(shù)和非球面系數(shù)表示和PDF相關(guān)的隨機(jī)變量。在一般的情況下，每個(gè)表面參數(shù)可以和特定的PDF相關(guān)，它們也可以互相不同。注意，給定的設(shè)計(jì)參數(shù)可以和PDF直接或非直接相關(guān)。例如，考慮一個(gè)帶有垂度剖面s(x，y)的微透鏡陣列，s(x，y)由下列拋物線垂度函數(shù)表示s(x,y)=(x-x0)22Rx+(y-y0)22Ry+s0---(4)]]>式中Rx和Ry指沿本地坐標(biāo)系統(tǒng)的x和y方向的曲率半徑，s0是表示相對(duì)垂直位置的常數(shù)偏離項(xiàng)。有幾種隨機(jī)化陣列的替代方法。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，考慮僅沿一個(gè)方向x有光度的一維的情況。還有，假定所有微透鏡被取中，即x0＝y(tǒng)0＝0。隨機(jī)化過(guò)程可應(yīng)用到任何微透鏡參數(shù)，諸如曲率半徑，微透鏡垂度，微透鏡直徑，散度角，焦點(diǎn)位置和/或相對(duì)垂直位置。
相對(duì)垂直位置(s0)可獨(dú)立于其他三項(xiàng)隨機(jī)化。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，使s0設(shè)定為零，s0＝0。不是所有其余的過(guò)程都獨(dú)立。實(shí)際上，某些過(guò)程的規(guī)范自動(dòng)地確定其他過(guò)程。如圖2所示，假定在折射率ns的襯底24上折射率nm的材料層26上的微透鏡陣列22淹沒(méi)在通常為空氣的折射率n0的媒介中。然后看陣列22中的具有直徑D和曲率半徑R的特定微透鏡20。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假定小角度近似，使sinθ≈θ和tanθ≈θ。通過(guò)圖2顯示的結(jié)構(gòu)跟蹤近軸光線28和30，可顯示下述關(guān)系成立θ·=DR(nmn0-1)---(5)]]>式中θ是散度角。焦距f由f＝R/(1-n0/nm)給出，最大透鏡垂度由D2/2R給出。這些等式建立了近軸拋物線陣列中不同參數(shù)之間的關(guān)系。例如，如果曲率半徑隨機(jī)地在R和R+ΔR的范圍中均勻分布，直徑固定在常數(shù)值D(delta函數(shù)概率分布)，然后焦距在ΔR/(1-n0/nm)范圍中變化，也呈均勻分布。但最大垂度不以更淺的微透鏡的支配而顯示均勻分布。如果近軸近似不成立，確定各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系必須進(jìn)行精確的光線跟蹤，在該情況下，等式(5)變成n0sinθ=nmsin[arctans·-arcsin(n0nmsinarctans·)]---(6)]]>式中加點(diǎn)s指垂度剖面的第一導(dǎo)數(shù)。等式(6)對(duì)于垂度剖面的任何形式成立，不僅限于拋物線。
如上所述，可以通過(guò)多種不同的方法隨機(jī)化微透鏡陣列。甚至在簡(jiǎn)單的一維拋物線微透鏡陣列的情況下也有各種導(dǎo)致獨(dú)特的陣列性能的方法。更重要的是，被隨機(jī)化的設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇以及隨機(jī)化的形式直接影響經(jīng)散射的強(qiáng)度的函數(shù)形式。作為一種說(shuō)明，再次考慮一維拋物線陣列的情況，其中n0＝1，nm＝ns＝1.46(見(jiàn)圖2)。
作為第一實(shí)例，考慮帶有最大散射角5度，直徑D＝100微米，焦距f＝573微米的陣列。所選擇的隨機(jī)化參數(shù)為帶有Δf＝±0.1微米的變化和均勻PDF的焦距。也就是說(shuō)，該陣列接近規(guī)則。圖3顯示了散射圖樣(對(duì)于633nm和442nm的兩個(gè)波長(zhǎng)值)，顯示相當(dāng)強(qiáng)烈的強(qiáng)度變化。
作為第二實(shí)例，考慮帶有直徑D＝100微米和焦距f＝430微米的陣列。所選擇的隨機(jī)化參數(shù)為帶有在5-10度范圍內(nèi)的均勻PDF的散度角。圖4顯示散射圖樣。注意散射圖樣的均勻化以及向更大角度更寬地下降的獨(dú)特的強(qiáng)度剖面。
作為第三實(shí)例，考慮帶有直徑D＝100微米和焦距f＝573微米的陣列。所選擇的隨機(jī)化參數(shù)為帶有在5-10度范圍內(nèi)的Gaussian PDF的散度角。圖5顯示散射圖樣。注意和圖3的近似規(guī)則陣列比較的散射圖樣的均勻化以及可比較的向更大角度的強(qiáng)度下降。
作為第四實(shí)例，考慮帶有固定焦距單有變化直徑和最大垂度的陣列，因此目標(biāo)散度角為5度。最大隨機(jī)化符合5-10微米范圍中的均勻PDF。圖6顯示散射圖樣。該特定實(shí)例在±3.5度范圍內(nèi)達(dá)到顯著的均勻化以及向大角度的尖銳的強(qiáng)度下降。
本發(fā)明的方法的上述說(shuō)明雖然著重于具體的實(shí)例但并不是限制性的并能應(yīng)用到任意的微透鏡剖面，該微透鏡剖面的限定參數(shù)能一次一個(gè)或同時(shí)符合任意的概率分布函數(shù)。通過(guò)該過(guò)程，微透鏡陣列22被隨機(jī)化，使強(qiáng)度成形并使散射圖樣達(dá)到均勻化。相似的過(guò)程可應(yīng)用到帶有一般垂度剖面的微透鏡陣列22。
(ii)微透鏡邊界微透鏡邊界確定集中由陣列在遠(yuǎn)離陣列的位置散射的大多數(shù)光的區(qū)域的形狀。例如，帶有方孔的微透鏡在遠(yuǎn)場(chǎng)中的方形區(qū)域上散射光。取決于透鏡的光度，實(shí)際的散射區(qū)域可以是變形的方形。例如，如果光度沿兩個(gè)垂直的方向獨(dú)特，散射形狀將是長(zhǎng)方形。作為一種規(guī)則，沿增加光度的方向傳播的光線在遠(yuǎn)離陣列的更大區(qū)域上分布。該規(guī)則提供了確定和任意邊界的微透鏡陣列和沿不同方向的可變光度相關(guān)的變形的數(shù)量的手段。
如上所述，在散射區(qū)域(強(qiáng)度剖面)中分布光的方法由微透鏡垂度剖面在其邊界及其隨機(jī)化中確定。例如，為了獲得均勻的光分布，通常必須確保相同數(shù)量的光線射向遠(yuǎn)場(chǎng)中的任何散射區(qū)域。
為了避免任何光束直接通過(guò)襯底傳播，其整個(gè)表面區(qū)域必須由微透鏡或微透鏡的一部分的具有聚焦光度的區(qū)域占據(jù)。如果微透鏡邊界允許對(duì)襯底表面區(qū)域的完全覆蓋，散射區(qū)域自然地顯示出微透鏡邊界的對(duì)稱性(再次解釋由于變化光度引起的可能變形)方形微透鏡散射成方形區(qū)域，長(zhǎng)方形微透鏡散射成長(zhǎng)方形區(qū)域，六邊形微透鏡散射成六邊形區(qū)域。但是，不很明顯的是，可在散射圖樣中獲得諸如圓形的不能完全填滿襯底的表面區(qū)域的形狀(非填滿形狀)。圖7A和7B顯示了用微透鏡邊界圓40覆蓋襯底表面44的實(shí)例。注意，完全覆蓋表面44需要除了圓以外的幾個(gè)其他形狀。
通常，必須用兩個(gè)或更多不同的形狀覆蓋襯底的陣列表面44。圖7A和7B顯示通過(guò)規(guī)則陣列42和46的圓覆蓋的情況，其中至少要求兩個(gè)獨(dú)特的形狀覆蓋表面44。也可以是邊界圓40的隨機(jī)堆疊，但要求更大數(shù)量的獨(dú)特形狀覆蓋表面44。相似的推斷可以推廣到任何形狀，但似乎很清楚的是，除了幾個(gè)諸如方形，長(zhǎng)方形和六邊形的特定情況外，襯底表面44的覆蓋不能用單微透鏡邊界形狀獲得。
本發(fā)明在任意散射形狀中提供產(chǎn)生發(fā)光能量的任意分布的手段，不受到單微透鏡形狀是否覆蓋襯底表面44的約束。尤其是，本發(fā)明提供了能在任意散射形狀中分布發(fā)光能量的微透鏡陣列。為了說(shuō)明該方法敘述了產(chǎn)生均勻圓散射的手段，但是相似的過(guò)程可以用于任何其他形狀或不同的強(qiáng)度剖面。
考慮微透鏡的圓邊界40位于參照球參照框架(x，y，z)的規(guī)則方形柵上的情況，諸如圖13中顯示的情況?，F(xiàn)在將平面分解成大量完全覆蓋襯底表面的單元，諸如想象中的方單元52的陣列。每個(gè)方單元52包含邊界圓和其他形狀。根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)這樣的單元52可以以這樣的方式分別處理，當(dāng)進(jìn)行整個(gè)過(guò)程時(shí)，襯底表面44的每一點(diǎn)都將指定到一個(gè)微透鏡垂度剖面。沒(méi)有一種單獨(dú)的方法選擇單元52，任何方法都能成立，只要考慮到整個(gè)襯底表面44即可。對(duì)于規(guī)則柵上的邊界圓，圖8顯示了一種可能的單元選擇(即方形單元52)。在給定的單元52中，具有帶有所要求散射形狀(圓52)的區(qū)域和不符合所要求形狀的標(biāo)以區(qū)域1到區(qū)域8的其他區(qū)域(它們不是圓)。
“一致邊界”被定義為自然地將光散射成給定形狀的微透鏡邊界。例如，方形邊界將光散射成方形區(qū)域，因此方形是方散射器的一致邊界，圓形邊界將光散射成圓形區(qū)域，因此圓形是圓散射器的一致邊界，其他任何形狀都是相似的情況。如果邊界形狀不自然地產(chǎn)生所要求的形狀，就叫做“不一致邊界”。再一次，參考圖8，因?yàn)橐髨A散射形狀，圓就是一致邊界。但是，邊界圓40不能完全覆蓋襯底的表面44。因此，在襯底表面44上將有除圓以外的其他邊界形狀(例如區(qū)域1到區(qū)域8)。這些區(qū)域不自然地將光散射成圓形的散射區(qū)域，因此被考慮為不一致區(qū)域。
假如不一致區(qū)域的形狀不自然地產(chǎn)生所要求的散射形狀，不一致區(qū)域的問(wèn)題就在于怎樣定義仍提供所要求的能量分布散射的垂度函數(shù)。本發(fā)明以下述的方法處理不一致區(qū)域中垂度剖面的定義問(wèn)題。參考圖8和9，通過(guò)選擇諸如區(qū)域1的一定的不一致區(qū)域進(jìn)行工作而開(kāi)始該過(guò)程?，F(xiàn)在選擇一個(gè)定位帶有一致邊界形狀54(本情況下是圓)的想象中的微透鏡單元的隨機(jī)中心點(diǎn)56。中心點(diǎn)56和想象中的圓54的直徑必須使圓54完全覆蓋所選擇的區(qū)域1。垂度剖面也必須使結(jié)果的散度角將發(fā)光能量引向遠(yuǎn)離陣列的所要求的散射區(qū)域。最后的步驟涉及僅從和區(qū)域1重疊的想象中的圓形微透鏡保留垂度剖面的部分。然后為所有其他的不一致區(qū)域2到區(qū)域8重復(fù)同樣的過(guò)程。
圖10A-D和圖11A-D分別顯示填滿和不填滿形狀的其他實(shí)例。對(duì)于任何這些邊界形狀或任何其他形狀，和上述應(yīng)用到圓微透鏡的一個(gè)實(shí)例類(lèi)似的過(guò)程也可應(yīng)用于定義不一致區(qū)域中的垂度函數(shù)。強(qiáng)度均勻性(或其他所需要的強(qiáng)度分布)通過(guò)其部分將定義不一致區(qū)域中的垂度的想象中的邊界透鏡元件的隨機(jī)取中和確定尺寸的隨機(jī)化過(guò)程獲得。當(dāng)大量元件被輸入光束照亮?xí)r，該陣列有效的行為就好象該平面被完全用適當(dāng)?shù)倪吔缣顫M，散射圖樣呈現(xiàn)所要求的形狀。這個(gè)事實(shí)由圓散射器的情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明。
微透鏡陣列根據(jù)上述方法產(chǎn)生，透鏡剖面由下式敘述(i)--s(x,y)=(x-x0)2+(y-y0)22R---(7)]]>式中(x，y)指給定微透鏡的本地坐標(biāo)框架的Cartesian坐標(biāo)，(x0，y0)指微透鏡的中心，R是曲率半徑。和圖7A相似，透鏡被配置方柵上的圓形邊界。對(duì)于最大效率和允許100％的填充因子，微透鏡根據(jù)由Geoffrey B.Gretton，G.Michael Morris和Tasso R.M.Sales申請(qǐng)于2001年7月30日，題為“MicrolensArrays Having High Focusing Efficiency”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/918257號(hào)的原理制造，該申請(qǐng)通過(guò)引用而結(jié)合在本文中。圖12中顯示了由白光干涉儀(ZygoNewView 5000)測(cè)量的結(jié)果表面剖面的三維圖形。圖13顯示了理論微透鏡陣列的圖解，白色外框指出典型的單元52，其中如圖9所示，一致和不一致區(qū)域可被識(shí)別。微透鏡陣列54由下列參數(shù)表征工作波長(zhǎng)193nm一致圓微透鏡的直徑300微米散度角(最大值一半處的全寬度)4.8度折射率1.56
曲率半徑用均勻的PDF隨機(jī)選擇，因此由等式(3)給出的垂度剖面的散度角在4.8°±0.5°的范圍內(nèi)。中心值(x0，y0)也用均勻的PDF隨機(jī)選擇。
結(jié)果的散射圖樣用633nm波長(zhǎng)和5mm直徑的相干輸入光束測(cè)量，在圖14A中成像，在圖14B中畫(huà)成曲線。注意，強(qiáng)度剖面的均勻性以及零級(jí)或圖像贗像的缺少，甚至要注意設(shè)計(jì)和工作波長(zhǎng)上的差異。實(shí)際上，隨機(jī)微透鏡均勻器的特征在于其寬帶能力。
圖15A到17B分別顯示了方，長(zhǎng)方和環(huán)形圖樣的散射圖樣的其他實(shí)例。設(shè)計(jì)參數(shù)也在圖中指出。對(duì)于方形和環(huán)形圖樣，垂度剖面由等式(7)敘述。對(duì)于環(huán)形圖樣，垂度剖面函數(shù)采取下列形式 式中c表示曲率半徑，κ為圓錐常數(shù)。曲率和圓錐常數(shù)用均勻的PDF隨機(jī)選擇，因此散度角在5°±0.5°的范圍內(nèi)。中心值(x0，y0)也用均勻的PDF隨機(jī)選擇。
上述強(qiáng)度曲線說(shuō)明隨機(jī)微透鏡陣列的一些光束成像能力。輸入光束是Gaussian型的；但輸出光束可以以從如圓漫射圖樣的情況的變平坦的Gaussian剖面到平的，方的和長(zhǎng)方的廣泛不同的方式成形。
再一次地，本發(fā)明的上述方法雖然集中于具體的實(shí)例但不限于此并可應(yīng)用于微透鏡邊界的形狀和很一般形式的散射器。如上所述的相似的過(guò)程可以應(yīng)用到一般的微透鏡陣列。
(iii)空間分布和定義微透鏡陣列相關(guān)的其他成分是微透鏡的相對(duì)空間分布。假定一定的微透鏡邊界，總是有提供最大襯底覆蓋并留下一些(最小)不一致邊界的區(qū)域的一致形狀的堆疊構(gòu)型。這樣的覆蓋戰(zhàn)略總體上顯示了規(guī)則的周期性的性質(zhì)。圖7A和7B顯示了用圓覆蓋的兩個(gè)實(shí)例，后者的配置提供了用一致形狀的最大覆蓋。在兩種情況下都有可重復(fù)的一致的和不一致的圖樣形狀。
在一些情況下，規(guī)則陣列的存在可以被接受，但在諸如投影屏的其他情況下，結(jié)構(gòu)的規(guī)則圖樣可導(dǎo)致諸如波紋或假頻的邊緣效應(yīng)。在這樣的情況下，最好在陣列中以非周期性的形式設(shè)置微結(jié)構(gòu)。但是，假定隨機(jī)配置必然導(dǎo)致不一致形狀的被增加的區(qū)域，怎樣用所要求的一致形狀隨機(jī)地覆蓋襯底的平面以及仍保持所要求的散射形狀和強(qiáng)度分布并不明顯。本發(fā)明通過(guò)引入用一致形狀的隨機(jī)配置產(chǎn)生所要求的散射形狀和強(qiáng)度分布的方法提供解決該問(wèn)題的手段。
用于說(shuō)明性的目的，考慮一種解釋該方法后面的思想的圓散射圖樣。圖18顯示了圓的可能的隨機(jī)堆疊構(gòu)型。每個(gè)邊界圓60的直徑根據(jù)一些PDF變化，通常是均勻的但也可以大體呈現(xiàn)任意的形式。每個(gè)邊界圓60的中心也在僅允許周邊相交的限制下隨機(jī)地分布在襯底表面64上。為了在不一致區(qū)域62上定義垂度，一個(gè)各種形狀的想象中的柵66被構(gòu)造成完全覆蓋該平面，如圖19A和19B所示，該柵通常呈現(xiàn)方的或長(zhǎng)方的形式。每個(gè)想象中的拼貼部分68或70用和如圖9所示的所敘述的圓的規(guī)則配置相似的過(guò)程處理。即，對(duì)于所給定的拼貼68或70中的每個(gè)不一致區(qū)域62，一個(gè)想象中的圓以這樣的方式取中，其在考慮中和不一致區(qū)域62相交。該想象中的圓顯示在遠(yuǎn)離陣列的所要求的散射區(qū)域中散射光的直徑和垂度。和不一致區(qū)域62相交的想象中的圓的垂度的部分被保留。當(dāng)該過(guò)程在大量不一致區(qū)域62上重復(fù)時(shí)獲得所要求的散射形狀和強(qiáng)度剖面。為邊界圓60敘述的同樣的過(guò)程可應(yīng)用于任何其他的隨機(jī)設(shè)置在襯底表面64上的邊界形狀。
另外，也可以有隨機(jī)化空間分布的更簡(jiǎn)化的方法。這些方法開(kāi)拓了一致形狀(例如60)當(dāng)其覆蓋平面時(shí)僅需要在平均上被保持的發(fā)現(xiàn)。該方法意味著只有一致形狀的部分必須覆蓋襯底的平面，只要在平均上一致形狀的所有部分被采用。一個(gè)實(shí)例被提供來(lái)再次將圓用作一致形狀說(shuō)明該思想。首先，想象中的拼貼被施加到帶有規(guī)定尺寸的方形72的襯底平面(圖20的平面)。然后每個(gè)方形72被分成有變化尺寸的四個(gè)長(zhǎng)方形部分74A-D，如圖20所示。在所給定方形72的每個(gè)長(zhǎng)方形部分74A-D中，用等于長(zhǎng)方形部分74A-D發(fā)最大尺寸的直徑定義一致的形狀。這個(gè)過(guò)程對(duì)每個(gè)長(zhǎng)方形部分74A-D重復(fù)。然后不一致區(qū)域的垂度通過(guò)和結(jié)合圖9敘述相似的過(guò)程定義。圖21顯示了這樣的陣列的一個(gè)實(shí)例。圖中指出顯示一致區(qū)域的拼貼單元72。考慮到要做到一致形狀必須僅在平均上保持，對(duì)于微透鏡邊界的任何其他可能的配置應(yīng)用相似的過(guò)程。
對(duì)于這一點(diǎn)，隨機(jī)微透鏡陣列已經(jīng)被考慮散射光進(jìn)入簡(jiǎn)單連接的區(qū)域，即在其中沒(méi)有“孔洞”的區(qū)域，如由圖22A中的形狀所示例的一樣。本發(fā)明的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)提供了產(chǎn)生呈現(xiàn)多重連接形狀(其中帶有如圖22B顯示的孔洞)的散射圖樣的手段，隔離的簡(jiǎn)單連接形狀(圖22C)的設(shè)定，或隔離的多重連接形狀(圖22D)的設(shè)定。
下文敘述產(chǎn)生多重連接散射圖樣的手段。對(duì)于該目的，本發(fā)明通過(guò)添加和在微透鏡的本地參照框架中定義的極角θ成比例的角成分引入給定透鏡的垂度函數(shù)的新穎概括。在其最簡(jiǎn)單的形式中，等式(1)中的函數(shù)Θ被定義為Θ(θ)=pθλ2π(nm-n0)---(9)]]>式中p被稱為負(fù)荷數(shù)。根據(jù)上述等式定義的表面剖面也被認(rèn)知為相奇點(diǎn)，因?yàn)樵讦龋?處波前相位不確定，使場(chǎng)消失。因而，微透鏡垂度函數(shù)的定義中相奇點(diǎn)的存在保證散射圖樣中空白的存在。圖23顯示了這樣的角垂度函數(shù)的圖解說(shuō)明。為了達(dá)到總體的光束成形能力，給定微透鏡的垂度必須以下列形式定義s(x,y)=f(x,y)+ΣkpkΘ(θ-θk)---(10)]]>式中f(x，y)指垂度函數(shù)的Cartesian成分，相似于等式(3)顯示的相應(yīng)部分，Θ(θ-θk)指對(duì)于帶有規(guī)定原點(diǎn)θk的垂度的角成分。系數(shù)pk給出每個(gè)相奇點(diǎn)的強(qiáng)度。
作為實(shí)例，考慮如圖24A所示的輸入光束被轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)離陣列的四個(gè)分離的光束的四極圖樣的產(chǎn)生。在四極的每個(gè)個(gè)別的象限上散射圖樣的形狀可以呈現(xiàn)任意的形式。圖24B和24C分別顯示圓四極和長(zhǎng)方四極的實(shí)例。垂度函數(shù)呈現(xiàn)等式(10)給出的形式。圖25描繪了陣列的一個(gè)部分的頂視圖，圖中微透鏡邊界為長(zhǎng)方形。圖26顯示了在用等于633nm波長(zhǎng)發(fā)光下所制造的元件的散射圖樣。圖27描繪了經(jīng)計(jì)算的理論閃射剖面。
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化對(duì)于垂度函數(shù)的角成分的應(yīng)用，所提供的微透鏡的另一個(gè)實(shí)例產(chǎn)生如圖28所示的目標(biāo)散射圖樣。這樣的散射分布不能用常規(guī)的微透鏡陣列容易地實(shí)施，但對(duì)于垂度的角成分方面幾乎不發(fā)生困難。實(shí)際的垂度函數(shù)由下式給出s(x,y)=(x-x0)2+(y-y0)22R+Θ(θ)---(11)]]>式中角成分涉及由下式定義的六個(gè)獨(dú)特的函數(shù)成分Θ(θ)=arctan(y-y0-D/4x-x0-D/4)+arctan(x+x0-D/4y-y0-D/4)+arctan(y-y0x-x0)+arctan(x+x0y-y0)]]>+arctan(y-y0+D/4x-x0+D/4)+arctan(x+x0+D/4y-y0+D/4)---(12)]]>式中方微透鏡邊界的尺寸D等于200微米。圖29顯示垂度。圖30顯示遠(yuǎn)離陣列的模擬散射圖樣。該模擬的散射器假定材料在193nm的波長(zhǎng)具有1.6的折射率，等于4度的全散度角。
上述實(shí)例用以說(shuō)明通過(guò)將常規(guī)的微透鏡垂度剖面和角成分(相奇點(diǎn))相結(jié)合得到的光束成形能力。通常，和隨機(jī)微透鏡陣列的結(jié)合相奇點(diǎn)的小心設(shè)置提供了產(chǎn)生任意的多重連接的散射形狀的手段。
向垂度函數(shù)添加角成分允許產(chǎn)生多重連接的散射圖樣。但是有其他的方法產(chǎn)生多重連接的散射圖樣，如現(xiàn)在通過(guò)再次使用四極的實(shí)例敘述的那樣，每個(gè)象限由分離的圓構(gòu)成。開(kāi)始點(diǎn)是考慮帶有圓孔的陣列，該陣列產(chǎn)生正常地覆蓋包含該四極的區(qū)域的散射圖樣，如圖31所示。接著，在大陣列中的每個(gè)微透鏡的部分被隔離，產(chǎn)生該四極的一致形狀，圖31中由大陣列的每個(gè)圓微透鏡單元中的四個(gè)經(jīng)選擇的區(qū)域指出。通過(guò)其本身，該四個(gè)區(qū)域產(chǎn)生四極圖樣，因此構(gòu)成一致形狀。每個(gè)微透鏡單位單元的剩余區(qū)域成為不一致區(qū)域，該區(qū)域需要具有其被定義成產(chǎn)生所要求的散射形狀的垂度。
圖32A和32B顯示怎樣進(jìn)行這一步，其中一個(gè)單位單元已經(jīng)被定位。如圖32B所示，僅有一致形狀被保留，其余的不一致區(qū)域被分成如圖所示的幾個(gè)區(qū)域。選擇區(qū)域的具體形式不重要，在該具體的實(shí)例中，四個(gè)區(qū)域和四極一致形狀的每個(gè)象限相關(guān)。為了簡(jiǎn)便圖32B僅顯示四個(gè)區(qū)域。在參考的程序中，垂度函數(shù)僅被指定到區(qū)域1，但相似的過(guò)程應(yīng)該被應(yīng)用到該單元的所有剩余的15個(gè)區(qū)域。相似于前述向不一致區(qū)域指定垂度的方法，產(chǎn)生一組想象的一致形狀并隨機(jī)地但以這樣的方式定位，其某個(gè)部分在考慮下完全覆蓋該區(qū)域，在本情況下是區(qū)域1，如圖33所示。想象的一組一致形狀的剖面和深度使光線被轉(zhuǎn)移到所要求的散射區(qū)域。想象的垂度和區(qū)域1的相交定義其垂度。然后同樣的過(guò)程和整個(gè)陣列相似地重復(fù)到單元中所有的不一致區(qū)域。
上述過(guò)程已經(jīng)通過(guò)制造產(chǎn)生四極圖樣的微透鏡陣列實(shí)驗(yàn)性地得到證實(shí)，該四極圖樣帶有從中心偏離約5度的圓成分。圖34顯示微透鏡陣列82的圖解說(shuō)明。白輪廓指出包含4個(gè)一致形狀和所有16個(gè)不一致形狀的單位單元84。圖35顯示入射波長(zhǎng)633nm的結(jié)果的經(jīng)測(cè)量的散射圖樣，圖36顯示理論的預(yù)言圖樣。
上述對(duì)于圓說(shuō)明的過(guò)程可相似地應(yīng)用到遠(yuǎn)場(chǎng)中任何需要的形狀或分布中。該過(guò)程總體上識(shí)別一致形狀組，定義其垂度，識(shí)別不一致形狀，建立產(chǎn)生所要求的散度角和強(qiáng)度分布的想象的一致形狀，隨機(jī)地以這樣的方式取中一致形狀，其某個(gè)部分在考慮下和不一致形狀相交，在考慮下由于其相交的想象部分指定區(qū)域的形狀，以及將該過(guò)程重復(fù)到陣列中的所有不一致形狀。該方法可容易地?cái)U(kuò)展到更復(fù)雜的散射圖樣。圖37顯示了將輸入光束散射成6×6空間隔離的光束陣列的微透鏡陣列。
復(fù)雜的散射圖樣的進(jìn)一步的實(shí)例顯示，一致形狀可以構(gòu)成一組獨(dú)特的形狀。對(duì)于該具體實(shí)例，散射器顯示三個(gè)獨(dú)特的形狀(圓，方和長(zhǎng)方)。圖38A-38C顯示在一個(gè)更大的想象中的圓透鏡96中帶有所要求的一致形狀90，92和94的單元88以及不一致形狀98，100和102的可能的構(gòu)型。向不一致形狀102的垂度指定也被在區(qū)域1中指出。相似的過(guò)程為單元中所有不一致形狀重復(fù)，然后重復(fù)到覆蓋陣列的所有單元。
在遠(yuǎn)離陣列的散射區(qū)域上控制工分布的進(jìn)一步的方法應(yīng)用傾斜的微透鏡單元，如圖39所示。傾斜可通過(guò)如下修改垂度函數(shù)stilt(x，y)引入stilt(x，y)＝s(x，y)+(x-x0)cosφx+(y-y0)cosφy(13)式中s(x，y)指沒(méi)有傾斜的垂度函數(shù)，x和y分別表示沿x和y的傾斜角。相似于先前的敘述，傾斜可以根據(jù)微透鏡邊界是否表示一致或不一致形狀被隨機(jī)化并被指定到一些片斷或所有微透鏡或其各個(gè)部分。允許微透鏡傾斜的優(yōu)點(diǎn)包括進(jìn)一步控制直接影響遠(yuǎn)離陣列的散射圖樣的每一個(gè)微透鏡的聚焦分布，進(jìn)一步控制直接影響散射強(qiáng)度剖面的光線方向。
為了增加向隨機(jī)微透鏡陣列的進(jìn)一步的設(shè)計(jì)靈活性，本發(fā)明的另一個(gè)方面考慮在襯底104的任何一面設(shè)置兩個(gè)隨機(jī)微透鏡陣列106和108的構(gòu)型，如圖40所示。另一個(gè)可能性是將在一面的隨機(jī)微透鏡陣列和在另一面的諸如經(jīng)研磨的漫射器，粗糙化的表面，全息曝光的圖樣，衍射圖樣，光柵，偏振表面，透鏡或透鏡陣列衍射元件的獨(dú)特的漫射原因相結(jié)合，如圖41所示。對(duì)于在兩面帶有結(jié)構(gòu)的襯底，可以有一個(gè)用于最佳性能的優(yōu)選面。該方法提供了設(shè)計(jì)參數(shù)的經(jīng)增加的數(shù)量。該方法也提供了增強(qiáng)陣列的均勻化性能的手段，因?yàn)殡m然其也有減小分辨率的趨勢(shì)，但漫射元件的順序總體上提供了比單漫射元件更平滑的強(qiáng)度變化。在某些情況下，如果單面的陣列表現(xiàn)出緊公差容限或困難的釋放剖面，通過(guò)提供了用來(lái)產(chǎn)生更多可制造的微透鏡陣列的附加的設(shè)計(jì)自由度，兩面的方法在制造方面可以更有利。
用于本發(fā)明的微透鏡單元的一個(gè)重要考慮是最大垂度或深度。在諸如制造或包裝的某些環(huán)境下，理想的是使微透鏡陣列不超過(guò)一定的深度。如果通過(guò)采用前述原理產(chǎn)生的陣列具有超過(guò)最大可接受值的整個(gè)深度，就可能需要修改設(shè)計(jì)和減小深度。達(dá)到這一點(diǎn)的簡(jiǎn)單方法包括改變微透鏡單元的尺寸，諸如減小直徑。如果不可能進(jìn)行這種或類(lèi)似的方法或沒(méi)有產(chǎn)生要求的深度減小，就需要另一種深度減小方法。本發(fā)明如下所述提供了產(chǎn)生帶有等于或小于最大可接受值的深度的等效陣列的手段。
該替代的深度減小方法背后的基本原理是將陣列中的一些或全部微透鏡轉(zhuǎn)變成等效衍射微透鏡。衍射微透鏡的基本原理簡(jiǎn)單理解如下。由給定的光線通過(guò)衍射元件經(jīng)歷的相位延遲通常為2π的許多倍。由于電磁輻射的振蕩性質(zhì)，光線的狀態(tài)在其通過(guò)2π周期后與其橫越2π的2πM單位后的狀態(tài)相同，其中M是任意整數(shù)。衍射透鏡可以被看作為一個(gè)折射透鏡，從該衍射透鏡已經(jīng)去除了不必要的2π相位的延遲。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，留下一個(gè)精確地用作折射透鏡(在一個(gè)特定波長(zhǎng))但薄得多的透鏡。該過(guò)程在圖42中顯示。等效于2π相位延遲的物理厚度等于λ/Δn，其中λ是波長(zhǎng)，Δn是折射率變化。因此，最薄可能的衍射微透鏡有具λ/Δn的厚度。
將陣列中的每個(gè)折射微透鏡元件110轉(zhuǎn)變到等效的衍射元件112的總體方法如下。使r定義和根據(jù)本發(fā)明的原理設(shè)計(jì)的折射微透鏡110相關(guān)的相位延遲，d是由于等效衍射微透鏡112引起的相位延遲。在折射相位上發(fā)揮作用的所謂的衍射算符ΔM導(dǎo)致衍射相位，使d＝ΔM{r}。因此，衍射算符在折射微透鏡相位上的給定點(diǎn)的作用是將相位延遲移動(dòng)2πM單位。假定折射透鏡110的垂度函數(shù)s(x，y)，第一步是通過(guò)下述關(guān)系轉(zhuǎn)變相位延遲φr=2πλΔns(x,y)---(14)]]>式中Δn指入射和透射媒介之間的折射率變化，λ是在λmin和λmax之間隨機(jī)選擇的波長(zhǎng)值，λmin和λmax分別表示工作光譜中波長(zhǎng)的最小和最大值。
取決于制造能力和性能要求，然后必須定義M值的范圍(Mmin和Mmax)，通過(guò)該M值具體定義衍射算符ΔM。這樣的參數(shù)M選擇進(jìn)行以后，可最好以隨機(jī)的方式通過(guò)應(yīng)用衍射算符計(jì)算衍射相位延遲如下 一旦確定衍射相位延遲，衍射等效微透鏡的物理垂度s0(x，y)可從下式計(jì)算 注意，因?yàn)棣{r}的最大值等于2πM，sd的最大值等于λM/Δn。作為折射和衍射微透鏡深度解之間的比較說(shuō)明，表1顯示保持20微米以下的最大垂度所需要的折射最大垂度以及衍射設(shè)計(jì)。也指出了M的相應(yīng)值和衍射微透鏡的最小區(qū)域間隔。比較適用于在633nm的波長(zhǎng)上直徑等于100微米時(shí)的拋物線表面剖面。如表1所示，衍射解甚至對(duì)于非常大的散度角也允許低垂度的設(shè)計(jì)。作為一個(gè)可能的例外，最小特征明顯地朝向大角度變得更小。
表1在散度角Δθ上發(fā)散光的折射和衍射解的最大透鏡垂度(sagmax)。衍射設(shè)計(jì)使最大垂度保持低于20微米。微透鏡假定為拋物線型，有直徑100微米的圓形和633nm的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)。

對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變化而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于根據(jù)指定的強(qiáng)度剖面在所要求的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中成形光束的光學(xué)裝置，包括光學(xué)襯底；在該襯底上分布的微透鏡陣列；每個(gè)微透鏡被一組參數(shù)值限定在陣列中，該組參數(shù)值總體上和限定陣列中的其他微透鏡的同一組參數(shù)的值不同；該參數(shù)包括相應(yīng)于微透鏡的表面形狀的垂度剖面，相應(yīng)于微透鏡的邊界的邊界剖面，和相應(yīng)于陣列中的微透鏡的相對(duì)位置的空間分布；垂度剖面在陣列的微透鏡之間變化以均勻化光束的強(qiáng)度剖面；和邊界剖面在非規(guī)則空間分布中的微透鏡之間變化以在所要求的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中應(yīng)用指定的強(qiáng)度剖面。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其中垂度剖面在陣列的微透鏡之間根據(jù)概率分布函數(shù)變化。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，其中垂度剖面由一個(gè)或多個(gè)在允許范圍內(nèi)滿足概率分布函數(shù)的隨機(jī)變量定義。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，其中垂度剖面的多個(gè)隨機(jī)變量中的至少一些變量和不同的概率分布函數(shù)相關(guān)。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，其中隨機(jī)變量包括曲率半徑，圓錐常數(shù)和數(shù)學(xué)上表示垂度剖面的垂度函數(shù)的非球面系數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其中至少一些微透鏡的邊界剖面定義一致邊界，一致邊界將光束的均勻獲能部分散射成匹配成形的遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，其中一致邊界具有多邊形的形狀。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，其中一致邊界具有彎曲的形狀。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，其中其他微透鏡的邊界剖面定義不一致邊界，不一致邊界將光束的均勻獲能部分散射成不匹配不一致邊界的形狀的遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，其中不一致邊界具有彎曲的形狀。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，其中帶有一致邊界的微透鏡在空間分布中設(shè)置以將保留的帶有不一致邊界的微透鏡的干涉區(qū)域減至最小。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，其中帶有不一致邊界的微透鏡填滿襯底上帶有一致邊界的微透鏡之間的空間。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，其中帶有一致邊界的微透鏡和帶有不一致邊界的微透鏡顯示聚焦光度。
14.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，其中至少一個(gè)微透鏡的邊界剖面定義一致邊界的一部分，其他微透鏡的邊界剖面定義同一個(gè)一致邊界的其他部分。
15.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，其中帶有一致邊界的微透鏡具有根據(jù)概率分布函數(shù)的不同的一致邊界的隨機(jī)設(shè)置。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，其中不同的一致邊界的尺寸在有限的范圍內(nèi)變化。
17.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，其中光束的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣是具有和帶有一致邊界的微透鏡的平均形狀匹配的形狀的簡(jiǎn)單連接區(qū)域。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其中垂度剖面由垂度函數(shù)定義，垂度函數(shù)含有在遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中產(chǎn)生空白的至少一個(gè)相奇點(diǎn)。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，其中相奇點(diǎn)向作為多重連接的區(qū)域形成的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣的產(chǎn)生作出貢獻(xiàn)。
20.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，其中帶有一致邊界的微透鏡和帶有不一致邊界的微透鏡一起分組并相分隔以產(chǎn)生光束的空間隔離的部分。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，其中微透鏡設(shè)置成形成光束的至少四個(gè)空間隔離的部分。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其中襯底是具有相對(duì)的第一和第二側(cè)面的透射襯底，微透鏡陣列位于襯底的第一面，漫射元件位于襯底的第二面。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，其中漫射元件是粗糙化的表面，全息曝光的圖樣，衍射圖樣，光柵，偏振表面，透鏡，透鏡陣列中之一。
24.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其中至少一些微透鏡是衍射微透鏡以減小相對(duì)于襯底的深度尺度。
25.一種在所要求的散射圖樣中均勻化發(fā)光光束的發(fā)光能量的光學(xué)裝置，包括分解成多個(gè)部分的襯底；和由一組參數(shù)的特定值定義的微透鏡相關(guān)的各個(gè)部分；該組參數(shù)包括定義各個(gè)微透鏡的表面的垂度剖面，定義各個(gè)微透鏡的邊界的微透鏡邊界剖面，和在襯底上定位各個(gè)微透鏡的空間分布；和兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)的值根據(jù)概率分布函數(shù)在微透鏡之間的允許范圍內(nèi)隨機(jī)化以在所要求的散射圖樣中均勻化發(fā)光光束的發(fā)光能量。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，其中垂度剖面根據(jù)概率分布函數(shù)隨機(jī)化以產(chǎn)生發(fā)光光束的所要求的經(jīng)散射的強(qiáng)度圖樣。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，其中垂度剖面由在允許范圍內(nèi)滿足概率分布函數(shù)的隨機(jī)變量定義。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，其中垂度剖面的每個(gè)隨機(jī)變量和不同的概率分布函數(shù)相關(guān)。
29.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，其中隨機(jī)分布函數(shù)是均勻的概率分布函數(shù)。
30.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，其中隨機(jī)分布函數(shù)是Gaussian概率分布函數(shù)。
31.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，其中須經(jīng)隨機(jī)化的微透鏡的參數(shù)包括微透鏡直徑，散度角和焦點(diǎn)位置。
32.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，其中至少一些微透鏡的邊界剖面定義定義一致邊界，一致邊界將光束的均勻獲能部分散射成匹配成形的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，其中一致邊界具有多邊形的形狀。
34.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，其中一致邊界具有光滑的彎曲形狀。
35.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，其中其他微透鏡的邊界剖面定義不一致邊界，不一致邊界將光束的均勻獲能部分散射成不匹配不一致邊界的形狀的遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣。
36.如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，其中不一致邊界具有分段彎曲的形狀。
37.如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，其中帶有不一致邊界的微透鏡填滿襯底上帶有一致邊界的微透鏡之間的空間。
38.如權(quán)利要求37所述的裝置，其特征在于，其中帶有一致邊界的微透鏡和帶有不一致邊界的微透鏡顯示聚焦光度。
39.如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，其中至少一個(gè)微透鏡的邊界剖面定義一致邊界的一部分，其他微透鏡的邊界剖面定義同一個(gè)一致邊界的其他部分。
40.如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，其中帶有一致邊界的微透鏡具有不同的一致邊界的隨機(jī)設(shè)置。
41.如權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于，其中不同的一致邊界的尺寸發(fā)生變化。
42.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，其中垂度剖面由垂度函數(shù)定義，垂度函數(shù)含有在遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中產(chǎn)生空白的至少一個(gè)相奇點(diǎn)。
43.如權(quán)利要求42所述的裝置，其特征在于，其中相奇點(diǎn)向散射圖樣中的多重連接的散射形狀的產(chǎn)生作出貢獻(xiàn)。
44.如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，其中帶有一致邊界的微透鏡和帶有不一致邊界的微透鏡一起分組并相分隔以產(chǎn)生光束的空間隔離的部分。
45.如權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于，其中微透鏡設(shè)置成形成光束的至少四個(gè)空間隔離的部分。
46.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，其中至少一些微透鏡是衍射微透鏡以減小相對(duì)于襯底的深度尺度。
47.一種在遠(yuǎn)場(chǎng)成形光束的方法包括下列步驟通過(guò)由一組參數(shù)定義的微透鏡陣列傳輸具有初始強(qiáng)度剖面的光束；根據(jù)概率分布函數(shù)在用于個(gè)別成形光束的不同部分的微透鏡之間隨機(jī)地變化該組參數(shù)的兩個(gè)或多個(gè)值；和重新組合光束的不同部分，因此由微透鏡施加在光束上的隨機(jī)變化產(chǎn)生遠(yuǎn)場(chǎng)中的光束的更均勻的強(qiáng)度剖面。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其特征在于，其中微透鏡的參數(shù)包括相應(yīng)于各個(gè)微透鏡的表面形狀的垂度剖面，相應(yīng)于各個(gè)微透鏡的邊界的邊界剖面，和相應(yīng)于陣列中的各個(gè)微透鏡的相對(duì)位置的空間分布，隨機(jī)變化的步驟包括隨機(jī)變化垂度剖面，邊界剖面和空間分布的兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)的值。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于，其中垂度剖面由多個(gè)變量定義，多個(gè)垂度剖面變量的至少兩個(gè)變量在允許的范圍內(nèi)根據(jù)概率分布函數(shù)隨機(jī)變化。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其特征在于，其中垂度剖面變量包括曲率半徑，圓錐常數(shù)和數(shù)學(xué)上表示垂度剖面的垂度函數(shù)的非球面系數(shù)。
51.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于，其中邊界剖面至少部分由直徑定義，邊界剖面的直徑在微透鏡之間根據(jù)概率分布函數(shù)隨機(jī)變化。
52.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于，其中邊界剖面的值在微透鏡之間變化，因此至少一些微透鏡具有一致邊界，一致邊界將光束的均勻獲能部分散射成匹配成形的遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣，另一些微透鏡具有不一致邊界，不一致邊界將光束的均勻獲能部分散射成不匹配不一致邊界的形狀的遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣。
53.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，其中該方法包括向由具有一致邊界的微透鏡散射的光束的部分和由具有不一致邊界的微透鏡散射的光束的部分應(yīng)用聚焦光度的步驟。
54.如權(quán)利要求53所述的方法，其特征在于，其中該方法包括將帶有一致邊界的微透鏡設(shè)置成空間分布，將帶有不一致邊界的微透鏡的其余區(qū)域減至最小的步驟。
55.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，其中該方法包括將帶有一致邊界的微透鏡和帶有不一致邊界的微透鏡分組并相分隔設(shè)置以產(chǎn)生光束的空間隔離的部分的步驟。
56.如權(quán)利要求47所述的方法，其特征在于，其中垂度剖面由含有至少一個(gè)用于在遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中產(chǎn)生空白的相奇點(diǎn)的垂度函數(shù)定義。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其特征在于，其中相奇點(diǎn)向散射圖樣中多重連接的散射形狀的產(chǎn)生作出貢獻(xiàn)。
58.一種用于成形光束的光學(xué)裝置，包括光學(xué)襯底；該襯底上分布的微透鏡陣列；具有將光束的均勻獲能部分散射成匹配成形的遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣的一致邊界的第一組微透鏡；第一組微透鏡具有根據(jù)垂度函數(shù)定義的表面；具有不一致邊界的第二組微透鏡，不一致邊界將光束的均勻獲能部分散射成不匹配不一致邊界的形狀的遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣；和第二組微透鏡具有根據(jù)基于想象中的一致邊界的相似的垂度函數(shù)定義的表面，該表面與一致和不一致邊界的區(qū)域重疊。
59.如權(quán)利要求58所述的裝置，其特征在于，其中第二組微透鏡的表面由相應(yīng)于想象中的一致邊界中的區(qū)域和第二組微透鏡的不一致邊界中的區(qū)域的相交的相似的垂度函數(shù)的各個(gè)部分定義。
60.如權(quán)利要求58所述的裝置，其特征在于，其中一致邊界和想象中的一致邊界具有第一形狀，不一致邊界具有第二形狀。
61.如權(quán)利要求58所述的裝置，其特征在于，其中第一和第二組微透鏡由顯示聚焦光度的垂度剖面定義。
62.如權(quán)利要求58所述的裝置，其特征在于，其中第一和第二組微透鏡中微透鏡之間垂度函數(shù)的值在允許的范圍中隨機(jī)變化以產(chǎn)生光束的更均勻的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布。
63.如權(quán)利要求58所述的裝置，其特征在于，其中垂度函數(shù)的值根據(jù)概率分布函數(shù)在第一和第二組微透鏡的微透鏡之間變化。
64.如權(quán)利要求58所述的裝置，其特征在于，其中具有一致邊界的第一組微透鏡包括集中顯示一致邊界的部分微透鏡。
65.一種優(yōu)化用于成形光束的微透鏡陣列的方法，包括下列步驟識(shí)別具有將光束的均勻獲能部分散射成匹配成形的遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣的一致邊界的第一組微透鏡；根據(jù)垂度函數(shù)敘述帶有一致邊界的微透鏡的表面；識(shí)別具有不一致邊界的第二組微透鏡，不一致邊界將光束的均勻獲能部分散射成不匹配不一致邊界的形狀的遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣；根據(jù)垂度函數(shù)敘述帶有不一致邊界的微透鏡的表面；在允許的范圍內(nèi)變化第一和第二組微透鏡的微透鏡之間的垂度函數(shù)的值以產(chǎn)生光束的更均勻的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于，其中敘述帶有不一致邊界的微透鏡的表面的步驟包括產(chǎn)生和不一致邊界重疊的想象中的一致邊界形狀，用垂度函數(shù)敘述想象中的一致邊界形狀，和通過(guò)敘述想象中的一致形狀的垂度函數(shù)敘述不一致邊界中和想象中的一致形狀相交的區(qū)域。
67.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于，其中不一致邊界由一致邊界包圍的靠近區(qū)域定義。
68.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于，其中敘述的步驟包括向由具有一致邊界的的微透鏡散射的光束的部分(a)和由具有不一致邊界的微透鏡散射的光束的部分(b)應(yīng)用聚焦光度。
69.如權(quán)利要求68所述的方法，其特征在于，其中變化垂度函數(shù)值的步驟包括根據(jù)概率分布函數(shù)變化該值。
70.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于，其中敘述微透鏡表面的步驟包括將本地坐標(biāo)系統(tǒng)和陣列的各個(gè)微透鏡相聯(lián)系，用于獨(dú)立于其他微透鏡向各個(gè)微透鏡的垂度函數(shù)指定函數(shù)值。
71.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于，該方法包括將球坐標(biāo)系統(tǒng)和襯底相聯(lián)系，用于互相之間定位各個(gè)微透鏡的進(jìn)一步的步驟。
72.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于，其中變化垂度函數(shù)值的步驟包括垂度深度上的限制。
73.如權(quán)利要求72所述的方法，其特征在于，其中至少一些微透鏡被轉(zhuǎn)變成等效的衍射微透鏡。
全文摘要
微透鏡陣列通過(guò)微透鏡(10)元件定義，該微透鏡元件根據(jù)概率分布函數(shù)而互相不同，用于成形在所要求的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣中具有指定強(qiáng)度剖面的光束。這些差異包括在相應(yīng)于微透鏡的表面形狀(60)的垂度剖面中的隨機(jī)變化，相應(yīng)于微透鏡的邊界的邊界剖面(46)，以及相應(yīng)于陣列中微透鏡的相對(duì)位置的空間分布。垂度剖面變化可用于均勻化光束的強(qiáng)度剖面。不規(guī)則空間分布中的邊界剖面變化可以用于在所要求的散射圖樣中應(yīng)用光束的指定的強(qiáng)度剖面。
文檔編號(hào)G02B27/09GK1688907SQ03824473
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2003年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月20日
發(fā)明者T·R·M·塞爾斯 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司