用于控制光的光学装置的制作方法

1.本公开涉及一种用于控制光的光学装置，包括
[0002]-具有边界表面和接触该边界表面的边界区的基板，
[0003]-形成在基板内用于引导光束的波导，以及
[0004]-光学结构，
[0005]
其中，波导朝向基板的边界表面弯曲，以将光束导向光学结构，其中，边界区至少部分地布置在波导与光学结构之间的光路中。


背景技术：

[0006]
wo2007/046100a2展示了一种用于将照明光馈送到无源显示面板的背光组件。
[0007]
此外，已知使用在基板中形成的波导来分配来自外部光源的光。ep 3599541a1展示了这样一种光学装置，其中借助直接激光写入在基板中形成的波导在朝向基板表面弯曲并终止于基板内的输出之前延伸穿过基板。在一个实施例中，波导足够急剧地弯曲，使得光基本上垂直于表面从波导发射。因此，由波导发射的光在基板-空气边界所形成的表面处的全内反射不会造成问题。在另一个实施例中，波导可以将光以较小的角度导向表面。在基板中提供了楔形形式的光学结构，该光学结构反射光以使光基本垂直地到达基板的相对表面。以此方式，可避免在另一实施例中必需的会导致光损失增加的急剧弯曲。此外，考虑到波导的最小弯曲半径，可以减小基板的厚度。
[0008]
然而，在上述装置中，基板中的例如在波导的在弯曲之前的笔直部分中发射的且也可能由于光耦合到波导中而产生的杂散光到达光学结构并与有用光一起发射。因此，它降低了光学装置提供的光的质量。因此，在基板外部提供光学结构将是有利的。
[0009]
不必将光学结构设置为基板的一部分或在基板内部也将是有利的，因为可以更容易且更精确地提供单独的光学结构。


技术实现要素：

[0010]
本公开的目的是解决或减轻现有技术中的至少一个或多个问题。特别地，本公开将提供一种光学装置，该光学装置提供的光的质量提高，其中更特别地，更少的杂散光将与有用光一起发射。
[0011]
本公开提出一种如开篇所述的光学装置，其中提供接触结构，接触结构在边界表面接触边界区，其中接触结构的折射率低于基板在边界区中的折射率。
[0012]
杂散光至少包括在波导弯曲之前或在波导终止之前沿着弯曲从波导散射的光。有用光被定义为耦合到波导中、由波导引导并由波导导向光学结构的光。在波导内传播过程中损失的光具有类似于在波导内传播的光的角度分布。因此，至少从波导在弯曲之前散射的杂散光以比有用光更小的角度到达边界表面。由于接触结构的折射率低于基板在边界区中的折射率，因此在边界区接触的边界表面处发生全内反射。因此，比有用光更高比例的杂散光将被全内反射，因此可以防止在边界区中边界表面处从基板发射，并且也可以防止到
达光学结构。同时，相比于边界区处的边界表面仅仅是基板-空气边界的情况，更高比例的有用光能够通过边界表面并到达光学结构。因此，可以减少或消除由光学装置发出的噪声。
[0013]
通常，杂散光源自沿所需光束路径的光学损耗。导致杂散光的另一个因素是不完全耦合到波导中的光(例如来自外部光源)。这种非耦合光将在基板中传播。通常，这种光与波导的小平面的发射角具有相似的角度，因为这是实现良好耦合性能(模式匹配)的要求。作为一阶近似，因此可以说起源于耦合点的杂散光与波导本身的发射相同(如果它终止于此)。因此，可以假设由耦合和传播产生的杂散光的角度分布是相似的。单模高斯光束的发射半角为例如约4
°
，用于红光、绿光和蓝光。波导本身引入的损耗通常为0.1db/cm，但在波导的弯曲部分可能更高。
[0014]
波导可以向边界表面弯曲1
°
至90
°
之间，任选地弯曲8
°
至90
°
之间，例如12
°
。任选地，波导以介于1
°
至90
°
之间的角度向边界表面发射光，任选地以介于8
°
至90
°
之间的角度向边界表面发射光，例如以12
°
的角度向边界表面发射光(从边界表面测量)。
[0015]
接触结构的折射率低于边界区的折射率是指对于从100nm至1625nm的范围内的至少一个波长，或对于所述范围内的所有波长，或至少对于主折射率，接触结构的折射率低于边界区的折射率。任选地，它适用于从380nm到750nm范围内的至少一个波长，或适用于所述范围内的所有波长，进一步任选地适用于450nm、520nm和638nm中的至少一个的波长。通常，在本公开中对折射率(包括折射率差、折射率比和临界角)的提及是指这些是在从100nm到1625nm的范围内的至少一个波长，任选地这些是380nm至750nm的范围内的至少一个波长，进一步任选地为450nm、520nm和638nm中至少一个的波长或至少适用于主折射率。在本公开中对折射率(包括折射率差、折射率比和临界角)的提及是指在20℃的测量。任选地，对折射率(包括折射率差、折射率比和临界角)的提及适用于从0
°
c到70℃的温度范围内的测量，或从-40℃到85℃的温度范围内的测量，或从-55℃到125℃的温度范围内的测量。毛坯光学玻璃的折射率任选地根据iso 12123:2018(“光学和光子学-毛坯光学玻璃规范(optics and photonics—specification of raw optical glass)”)测量，塑料的折射率可根据iso 489:1999(“塑料-折射率的测定(plastics—determination of refractive index)”)测量，非毛坯光学玻璃的折射率可根据iso 21395-1:2020(即iso 12123:2018不适用之处)测量。接触结构的折射率尤其大于空气的折射率。
[0016]
接触结构的折射率与边界区的折射率的比率任选地小于0.9995，进一步任选地小于0.999，进一步任选地小于0.998，进一步任选地小于0.996。接触结构的折射率与边界区的折射率的比率任选地大于2/3，任选地大于0.7，进一步任选地大于0.8，进一步任选地大于0.9，进一步任选地大于0.95。接触结构的折射率与基板在边界区中的折射率的折射率差任选地小于0.5，进一步任选地小于0.1，进一步任选地小于0.02。接触结构的折射率与基板在边界区中的折射率的折射率差任选地大于0.0002，进一步任选地大于0.001，进一步任选地小于0.005。
[0017]
临界角是产生全反射的最小入射角。对于从折射率为n1的“内部”介质(即基板)入射到折射率为n2的“外部”介质(即接触结构)的光波，临界角由θc＝arcsin(n2/n1)给出，其中临界角是从边界的法线测量的，因为n2《n1而被定义。边界区接触的边界表面处的临界角任选地小于89.5
°
，进一步任选地小于88
°
，进一步任选地小于85
°
。较低的临界角允许较高比例的杂散光在边界表面处反射并因此被限制在基板内。边界区接触的边界表面处的临界
角任选地大于10
°
，进一步任选地大于45
°
，进一步任选地大于70
°
，进一步任选地大于78
°
。较高的临界角允许更多有用光通过与边界区接触的边界表面，从而到达光学结构。因此，更高的临界角允许波导以更小的角度将光导向边界表面，从而减小波导向边界表面的所需弯曲半径。有用光和杂散光之间的角度差越大，二者之间的分离就越好。
[0018]
在典型的实施例中，杂散光可以以4
°
的角度从波导散射。即，如果波导在弯曲之前平行于边界表面延伸，则在弯曲之前散射的杂散光以4
°
的角度(从边界表面测量的，或从边界表面的法线测量为86
°
)到达边界表面。同样典型地，波导可以向边界表面弯曲12
°
(从边界表面测量的，或者从边界表面的法线测量为78
°
)。因此，考虑到从波导发出的光的传播，有用光以12
°
的角度、或8
°
至16
°
之间的角度到达边界表面。因此，例如在这个典型的实施例中，如果临界角在86
°
至78
°
之间，特别是在86
°
至82
°
之间是有利的。
[0019]
任选地，基板是透明的。任选地，基板包括玻璃，特别是硼硅酸盐玻璃。任选地，基板是corning eagle xg(r)，它是一种碱土硼铝硅酸盐玻璃类型，折射率为约1.5(在可见光范围内)，特别是折射率在450nm处为1.5185，在520nm处为1.5134，在638nm处为1.5080。然后(特别是在上述典型实施例中)，有利的是，接触结构的折射率在450nm处为1.5105，在520nm处为1.5054，在638nm处为1.5000。接触结构任选地包括树脂和/或聚合物。任选地，接触结构包括uv纳米压印聚合物。纳米压印可实现高表面质量和廉价的大规模生产。众所周知，可以调整聚合物的折射率以满足纳米压印结构的特定需求。
[0020]
边界区可以但不一定覆盖整个边界表面。任选地，基板的折射率是均匀的，即任选地，边界区和基板的其余部分具有相同的折射率。任选地，边界表面至少在与边界区接触的区域中基本上是平面的。任选地，边界表面是第一边界表面，并且基板包括与第一边界表面相对的第二边界表面。任选地，第二边界表面基本平行于第一边界表面。对基板的边界表面的提及是指基板的第一边界表面。任选地，基板具有平板的形式。任选地，基板垂直于边界表面的延伸至少是基板在平行于边界表面的方向上的延伸的十分之一。任选地，第二边界表面是基板-空气边界。任选地，基板在第二边界表面处接触材料(例如空气)，该材料的折射率低于基板在接触所述材料的第二边界区中的折射率。因此，杂散光可以在基板的两侧反射，因此被限制在基板内。所述材料的折射率与第二边界区的折射率的比率任选地小于0.9，进一步任选地小于0.8，进一步任选地小于0.7。因此，实际上所有杂散光都可以在第二边界表面处进行全内反射。第二边界表面处的折射率差可以小于第一边界表面处的折射率差，因为不需要以小角度发射有用光。可替代地，第二边界表面可以与吸收性材料接触。
[0021]
边界区至少部分地布置在波导和光学结构之间的光路中意味着从波导向光学结构发射的光束穿过边界区。边界区至少部分布置在波导和光学结构之间的光路中指的是对于从100nm到1625nm的范围内的至少一个波长，任选地对于从380nm至750nm的范围内的至少一个波长，进一步任选地对于450nm、520nm和638nm中的至少一个的波长的情况。作为至少部分地布置在波导和光学结构之间的光路中的替代或补充，边界区可以在几何上至少部分地布置在波导和光学结构之间。波导可以将光束导向光学结构，使得光束至少在波导和基板中的边界表面之间自由传播，和/或至少通过边界区自由传播。
[0022]
特别地，光学结构与边界表面相邻。接触结构可以由光学结构提供。即，接触结构可以是光学结构的一部分。接触结构和光学结构的其余部分(如果它们是一体的，即形成为一体)或者接触结构和光学结构(如果它们不是一体的)可以具有相同的折射率。
[0023]
任选地，波导在边界表面处的发射角下引导光束，并且接触结构的折射率与基板在边界区中的折射率的折射率差使得边界表面在基板侧的临界角大于发射角，其中发射角和临界角是从边界表面的法线测量的。因此，由波导发射的有用光的较大部分能够离开基板并到达光学结构。任选地，边界表面在基板侧的临界角比发射角大至少1
°
，进一步任选地至少2
°
，进一步任选地至少4
°
。因此，考虑到从波导发射的光束的传播，甚至更大部分的有用光可以通过边界表面。特别地，发射角使用光束的光束质心来定义。
[0024]
波导任选地通过直接激光写入，特别是飞秒直接激光写入，形成在基板内。
[0025]
任选地，接触结构的折射率与基板在边界区中的折射率的折射率差使得边界表面在基板侧的临界角小于波导与基板的边界在波导侧的临界角，其中边界表面的临界角是从边界表面的法线测量的，并且波导的边界的临界角是从波导的边界的法线测量的。通常，杂散光以大于波导内部的临界角的角度从波导散射。这种杂散光会在接触结构接触的边界表面处发生全内反射(只要杂散光的角度大于边界表面的临界角)。
[0026]
任选地，接触结构的折射率与基板在边界区中的折射率的折射率差在0.0001至0.1之间。
[0027]
任选地，接触结构具有与光学结构的材料不同的折射率。特别地，接触结构可以用在光学结构和基板之间，例如作为胶，用于将光学结构粘附在基板上。接触结构可以是层，其厚度任选地可以小于100μm。
[0028]
任选地，光学结构包括反射界面，用于反射由波导导向光学结构的光束，特别是朝向基板的边界表面反射，其中反射界面任选地由反射涂层提供，例如，银。因此，波导可以在边界表面处以小角度引导光束并且只需要小的弯曲角度。反射界面允许将光束反射回基板，使得它可以以基本上任意定义的角度在相对侧(特别是在第二边界表面处)离开基板。特别地，光束可以基本上垂直地从基板(特别是在第二边界表面处)发射。此外，反射界面可以对光束进行整形。反射界面用于将由波导导向光学结构的光束以与基板的边界表面的法线的角度任选地小于45
°
、进一步任选地小于30
°
、进一步任选地小于15
°
朝向边界表面反射。特别地，反射界面被布置成使得光束的入射角致使光束以与基板的边界表面的法线的角度任选地小于45
°
、进一步任选地小于30
°
、进一步任选地小于15
°
朝向边界表面反射。反射界面特别地由光学结构的边界表面提供，特别是背离基板的边界表面。即，光束进入光学结构并且反射回光学结构的相对边界表面。任选地，至少80％的光束(从能量的角度)在反射界面处被反射(特别是在期望的方向范围内)。可替代地，反射界面也可用于沿远离边界表面的方向反射光，特别是如果与下文提到的透射界面结合使用。
[0029]
任选地，该光学结构包括透射界面，该透射界面被布置成使得导向该光学结构的光束从该透射界面发射。透射界面任选地不同于结构的边界表面，特别是如果光学结构包括接触结构。透射界面特别地由光学结构的边界表面提供，特别是背离基板的边界表面。任选地，透射界面可以用于使穿过透射界面传输的光束折射，使得光束在与基板的边界表面的法线的角度下发射，该角度任选地小于45
°
，进一步任选地小于30
°
，进一步任选地小于15
°
，进一步任选地基本上垂直于边界表面。因此，波导可以在边界表面处以小角度引导光束并且只需要小的弯曲角度。透射界面允许在基本上任意定义的角度下发射光束，该角度例如基本上垂直于边界表面。任选地，至少80％的光束(从能量的角度)在透射界面处传输(特别是在期望的方向范围内)。透射界面可以作为替代或与反射界面结合使用。可以提供
反射界面，使得通过透射界面传输的光照射在反射界面上。这里，反射界面可以例如用于反射通过透射界面传输的光束，使得它垂直于边界表面从光学装置发射。
[0030]
任选地，光学结构包括光学整形单元，并且波导被配置为将光束导向光学整形单元，其中光学整形单元被配置为减小导向它的光束的光束发散。光学整形单元可以由反射界面和/或透射界面提供。光束发散沿光束的至少一个轴减小。光束发散减小意味着光束发散角减小。光束发散角是衡量光束宽度或光束直径随着与光束腰位置距离的增加而增加的量度，并在iso11146-1(第一版，2005-01-15)中给出定义，特别是在上述文献的第3.15节，用于无散光和简单散光光束；对于一般散光光束，iso11146-2和iso11146-3的相应定义适用。任选地，光束的两个主轴的光束发散角都减小。对于光束的至少一个轴，任选地两个/所有轴，光束发散角减小任选地至少1
°
，进一步任选地至少10
°
，进一步任选地至少20
°
。任选地，发散角被减小使得从光学整形单元发射的光束具有小于10
°
、进一步任选地小于3
°
、进一步任选地小于1
°
的发散半角。光学整形单元例如是微镜或衍射光学元件。
[0031]
任选地，光学装置包括形成在基板内的初级波导，用于接收来自外部光源的光束，其中初级波导连接或耦合到波导。如果初级波导连接到波导，则它们可以形成为单个波导。特别地，初级波导从基板的侧面延伸，其中初级波导在侧面接收来自外部光源的光束。如上所述，与初级波导不完全耦合的光是杂散光的另一个来源。这种非耦合光将在基板中传播。任选地，初级波导在基板中基本上笔直地至少延伸到波导。任选地，波导在弯曲之前在基板中基本上笔直地延伸。初级波导和波导之间的耦合例如可以通过倏逝耦合来实现。
[0032]
任选地，光学装置包括外部光源。外部光源任选地是相干光源，进一步任选地是激光器，进一步任选地是激光二极管。
[0033]
任选地，初级波导包括用于接收来自外部光源的光束的界面，并且初级波导从界面基本平行于边界表面延伸。因此，由于耦合到初级波导中以及因此耦合到波导中而引起的杂散光的较高比例将在边界表面反射。
[0034]
任选地，波导是第一次级波导，并且光学装置还包括形成在基板内用于引导光束的至少第二次级波导，其中初级波导耦合到第二次级波导，并且第二次级波导朝向基板的边界表面弯曲以便在与第一次级波导不同的位置处将光束导向光学结构。这样，光可以从外部光源分布到多个点。然后可以使用光学装置来照亮例如作为背光单元的更大区域。特别地，边界区也至少部分地布置在第二次级波导和光学结构之间的光路中。
[0035]
任选地，光学整形单元是第一光学整形单元，并且光学结构包括至少第二光学整形单元，并且第二次级波导将光束导向第二光学整形单元，其中第二光学整形单元配置成减小被导向它的光束的光束发散。通过将不同波导中的光束导向相应的光学整形单元，它们各自的入射角被明确定义，因此，光学整形单元可以精确地整形相应光束的特性。这是不可能的，如果光杂乱地分布在大的板状基板中，其中光不会以明确定义的方式照射光学元件，特别是不会以明确定义的角度照射光学元件。以这种方式，所提出的光学装置可以提供多个准直光束，而不必有目的地丢弃光束的一部分并因此降低亮度和浪费能量。利用这些光束，可以照亮小点(例如显示器的各个子像素)。因此，当用于显示器时，可以提供波导和子像素的一对一关系；即，离开相应次级波导并被引导至相应光学整形单元的光束仅照亮单个子像素，反之亦然，每个子像素由从单个次级波导到达相应光学整形单元的光束照亮。此外，该光学装置提供了提供源自同一外部光源的另外的准直光束的可能性，因为另外的
次级波导可以从初级波导分支出来。即，光学装置可以包括形成在基板内用于引导光束的另外的次级波导，其中初级波导还耦合到另外的次级波导并且另外的次级波导朝向基板的边界表面弯曲以将光束导向光学结构。任选地，该光学装置包括另外的光学整形单元，其中每个另外的次级波导将光束导向相应的另外的光学整形单元，并且另外的光学整形单元配置为减小被导向每个相应的另外的光学整形单元的光束的光束发散。任选地，光学装置包括至少10个、进一步任选地至少100个、进一步任选地至少1000个另外的次级波导。任选地，该光学装置包括至少10个、进一步任选地至少100个、进一步任选地至少1000个另外的光学整形单元。光学整形单元也可以在多个子像素和它们各自相关联的次级波导之间共用，即多于一个另外的次级波导可以将光导向例如第一或第二光学整形单元(从与第一/第二次级波导不同的方向)。通常，第一波导可以直接或间接地接收来自外部光源的光束，例如，通过一个或多个额外的中间波导和/或一个或多个额外的中间光耦合器。
[0036]
每个光学整形单元可以由反射界面和/或透射界面提供。任选地，每个光学整形单元包括反射镜，特别是凹面镜和/或微镜。任选地，第一光学整形单元和/或第二光学整形单元和/或每个另外的光学整形单元准直和/或重新聚焦相应的光束。
[0037]
任选地，该光学装置包括形成在基板内的至少另外的初级波导，用于接收来自至少另外的外部光源的光束，其中另外的初级波导连接到或耦合到形成在基板内的用于引导光束的至少另外的波导，其中另外的波导朝向基板的边界表面弯曲以将光束导向光学结构。因此，来自不同外部光源的光，例如不同颜色的光，可以由光学装置分布。本公开中在初级波导的上下文中提到的任选特征也可以应用于至少一个另外的初级波导。本公开中在波导的上下文中提到的任选特征也可以适用于至少一个另外的波导。特别地，另外的波导可以是另一个次级波导，并且可以提供另一组另外的次级波导，每个另外的次级波导耦合到另外的初级波导并且每个另外的次级波导将光束导向另一组另外的光学整形单元中的相应一个。特别地，边界区至少部分地布置在另外的波导和光学结构之间的光路中。
[0038]
本公开还涉及一种包括如本文所述的光学装置的背光单元。利用本公开，可以将来自外部光源的光分布到许多像素(例如，超过1000个像素)。
[0039]
本公开还涉及一种包括如本文所述的光学装置的显示面板。显示面板任选地是lcd。
[0040]
本公开进一步涉及包括如本文所述的光学装置的y-tritter。
附图说明
[0041]
举例来说，结合附图中所示的一些选择的实施例进一步解释本公开。然而，这些实施例不应被认为是对本公开的限制。
[0042]
图1示意性地示出了具有反射界面的光学装置的第一实施例。
[0043]
图2示意性地示出了具有透射界面的光学装置的第二实施例。
[0044]
图3示出了全内反射对杂散光和有用光的s和p偏振分量的影响。
[0045]
图4a示出了没有杂散光消除的仿真。
[0046]
图4b示出了具有杂散光消除的仿真。
[0047]
图5示意性地示出了光学装置的第三实施例的俯视图。
[0048]
图6示意性地示出了根据图5的光学装置的第三实施例的剖视图。
[0049]
图7示意性地示出了光学装置的第四实施例的侧视图。
具体实施方式
[0050]
图1示意性地示出了光学装置1的第一实施例。该光学装置包括具有边界表面3和光学结构6的基板2。光学装置1包括形成在基板2内的初级波导4，初级波导4用于接收来自外部光源(不是光学装置1的一部分)的光束。初级波导4包括用于接收来自外部光源的光束的界面19，并且初级波导4从界面19基本上平行于边界表面3延伸。光学装置1包括波导5，在下文称为第一次级波导5，第一次级波导5形成在基板2内，用于引导光束，其中初级波导4耦合到第一次级波导5。第一次级波导5向基板2的边界表面3弯曲，用于将光束导向光学结构6。第一次级波导5以例如12
°
的发射角发射光。基板2的接触边界表面3的边界区7部分地布置在第一次级波导5和光学结构6之间的光路中。提供在边界表面3处接触边界区7的接触结构8。在该实施例中，接触结构8被设置为光学结构6的一部分。
[0051]
杂散光尤其会由于光不完全耦合到初级波导4中、从第一次级波导5在弯曲之前散射的光、以及从其他波导(下面提到)散射的光而引起。由于不完全耦合而散射的光和从波导散射的光都可以假设具有与波导在波导的小平面处的发射角类似的角度，例如大约4
°
。由于不完全耦合到初级波导4中而引起的杂散光通过虚线9示意性地示出。
[0052]
接触结构8(以及该实施例中的光学结构6)具有折射率，其低于基板2在边界区7中的折射率(以及该实施例中基板2本身)。因此，全内反射在边界表面3处以临界角发生。接触结构8的折射率和基板2在边界区7中的折射率使得临界角介于由不完全耦合引起的或来自第一次级波导4(或下面提到的其他波导)在弯曲之前的杂散光的角度与第一次级波导4的发射角之间。因此，杂散光被全内反射并且不到达光学结构6，而由第一次级波导5发射的有用光穿过边界表面3并到达光学结构6。
[0053]
光学结构6包括反射界面10，反射界面10用于将由第一次级波导5导向光学结构6的光束朝向基板2的边界表面3反射。具体地，光被反射使得它基本上垂直地指向边界表面3。基板2具有平板的形式并且边界表面3是第一边界表面，其中基板包括第二边界表面11，第二边界表面11与第一边界表面3相对并且基本上平行于第一边界表面3。被反射界面10反射的光从第二边界表面11、基本上正交于第二边界表面11从光学装置1发射。
[0054]
光学装置1包括光学整形单元12，第一次级波导5配置为将光束导向光学整形单元12。在本实施例中，光学整形单元12为由反射界面10提供的反射镜。光学整形单元12可以被配置为减小被导向光学整形单元12的光束的光束发散。因此，光学装置1可以提供聚焦的或甚至准直的光束。
[0055]
光学装置1还包括与基板2一起形成的第二次级波导13和另外的次级波导14，分别用于引导光束。初级波导4耦合到第二次级波导13和每个另外的次级波导14。第二次级波导13和另外的次级波导14中的每一个朝向基板2的边界表面3弯曲以分别在不同的位置将光束导向光学结构6。光学整形单元12是第一光学整形单元，并且光学结构1还包括第二光学整形单元15和另外的光学整形单元16。第二次级波导13将光束导向第二光学整形单元15。另外的光学整形单元16中的每一个对应于另外的次级波导14中的一个，并且另外的次级波导14中的每一个将光束导向另外的光学整形单元16中的相应一个。第二光学整形单元15和另外的光学整形单元16也是反射镜，并且基本上由反射界面10提供。第二光学整形单元15
和另外的光学整形单元16可以被配置为减小被导向相应光学整形单元15、16的光束的光束发散并反射它们，以使光束基本垂直于第一边界表面3穿过基板2，并且基本上垂直于第二边界表面11从光学装置1发射。
[0056]
基板2的接触边界表面3的边界区7也至少部分地布置在第二次级波导13和光学结构6之间的光路中以及另外的次级波导14和光学结构6之间的光路中。
[0057]
因此，光学装置1可以提供多个垂直光束，这些光束被聚焦，或者甚至准直。光学装置1可以用在显示面板的背光单元中，其中每个光束可以照射一个(子)像素。为此，液晶显示器堆叠17可以布置成与第二边界表面11相邻。
[0058]
图2示意性地示出了光学装置1的第二实施例。第二实施例类似于第一实施例。因此，与第一实施例的上下文中相似的元件和起到相似功能的元件由相同的附图标记指示，并且仅指出不同之处。
[0059]
在该实施例中，光学结构1包括不同于第一边界表面3的透射界面18。由第一、第二和另外的次级波导5、13、14引导的光束通过透射界面18传输。透射界面18是光学结构和空气之间的边界表面，导致全内反射的显著临界角。由于光束不应该被全内反射，透射界面被构造成使得光束以比它们照射在第一边界表面3上的角度更小的角度照射到透射界面18上。因此，光束以介于70
°
至110
°
之间的角度照射到透射界面18上。
[0060]
光学结构6还包括反射界面10。通过透射界面18传输的光照射到反射界面10上并被反射，使得它垂直于第一边界表面3(就光束中心而言)从光学装置1发射。因此，在第二实施例中，与第一实施例相比，光束沿相反方向从光学装置1发射。因此，与第一实施例相比，液晶显示堆叠17也设置在相反侧。反射界面10可以通过光学结构6在其背离第一边界表面3的面上的部分涂层来实现，而透射界面18的部分未被涂层。
[0061]
每个光束被导向的反射界面10的部分和/或透射界面18的部分可以形成相应的第一、第二和另外的光学整形单元12、15、16，光学整形单元减少被导向它的相应光束的光束发散。为此，反射界面10和/或透射界面18的相应部分例如可以是弯曲的。
[0062]
图3示出了全内反射对杂散光和有用光的s和p偏振光的影响，杂散光垂直于第一边界表面3以开口半角为4.35
°
发射，有用光以相对于第一边界表面3测量的角度为12
°
且开口半角为4.35
°
由第一、第二和另外的次级波导5、13、14之一发射。假定基板2在边界区7中的折射率为1.5185(对于450nm的波长)、1.5134(对于520nm)和1.5080(对于638nm——在图中所有颜色都重叠)，横坐标表示基板2在边界区中的折射率与接触结构8的折射率的折射率差。纵坐标表示在第一边界表面3发生全内反射的有用光及杂散光的光束功率的百分比。可以看出，在折射率差例如为0.008的情况下，有用光和杂散光可以被有效分离。
[0063]
应该注意的是，图3是近似值，因为用于图3的半角锥体并未完全代表高斯光束的物理特性，而是仅包含86％的光束功率。因此，可希望通过调整次级波导的发射角度来产生更高的角度差。
[0064]
图4a和图4b分别示出了zemax opticstudio(r)的仿真。在基板2右侧的小平面处，杂散光源位于0
°
至4.35
°
的开口半角处。在图4a中，接触结构(不可见)的折射率大于基板的折射率。在图4b中，使用了接触结构(不可见)，其折射率低于基板的折射率。在这两种情况下，接触结构与第一边界表面3接触。接触结构是光学结构的一部分，其包括微镜。可以看出，在图4a中，杂散光到达微镜，因此在第二边界表面11处离开光学装置1。另一方面，在图
4b中，所有杂散光发生全内反射并且在左侧的小平面处离开基板2，在左侧的小平面处它可以被吸收。
[0065]
图5示意性地示出了光学装置1的第三实施例的俯视图，图6示意性地示出了光学装置1的第三实施例在垂直于图5的页面平面的截面中的剖视图。
[0066]
光学装置1的这个实施例特别可用作y-tritter，例如用于头戴式扫描激光显示器。目前，这些显示器使用相互间隔很近(》300μm)的rgb激光二极管和扫描镜将图像投射到眼睛中。这些显示器中遇到的一个问题是较大的激光二极管间距会降低图像质量，因此应使发射点尽可能靠近。通常，这可以使用ep 3599541 a1中描述的技术来完成。然而，这种方法面临本公开中已经描述的障碍：杂散光/噪声。由于激光二极管会不完全地耦合到波导中(实际上高达80％)，因此很大一部分光会以不希望的方式射出tritter，从而降低图像质量。该问题可以通过本公开中提到的光学装置1，特别是根据第三实施例和第四实施例的光学装置1来解决。
[0067]
第三实施例的光学装置1包括基板2，基板2具有第一边界表面3和接触第一边界表面3的边界区7。此外，基板包括光学结构6。光学装置1包括第一外部光源20、第二外部光源21和第三外部光源22。提供用于接收来自第一外部光源20的光束的第一初级波导4、用于接收来自第二外部光源21的光束的第二初级波导23(即，另外的初级波导)，以及用于接收来自第三外部光源22的光束的第三初级波导24(即，其他另外的初级波导)。第一、第二和第三初级波导4、23、24分别形成在基板内。第一初级波导4连接到第一(次级)波导5。它们特别地形成为单个波导。第二初级波导23连接到第二(次级)波导25(即，另外的波导)。它们特别地形成为单个波导。第三初级波导24连接到第三(次级)波导26(即，其他另外的波导)。它们特别地形成为单个波导。
[0068]
第一、第二和第三波导5、25、26中的每一个都朝向基板2的边界表面3弯曲，以将光束导向光学结构6。边界区7至少部分地布置在第一波导5与光学结构6、第二波导25与光学结构6、第三波导26与光学结构6之间的光路中。光学结构6包括在边界表面3处与边界区7接触的接触结构8。接触结构8的折射率低于基板2在边界区7中的折射率。因此，杂散光9将不会到达光学结构6并在右侧的面处离开基板2。
[0069]
如图5中可见，第一、第二和第三波导5、25、26彼此更靠近，因此光学装置1产生三个窄间隔的光束。第一波导5将光束导向光学结构6的光学整形单元12，第二波导25和第三波导26分别将光束导向光学结构6的相应的另外的光学整形单元。光学整形结构12配置成减小被导向它们的光束的光束发散。光学整形结构12由光学结构6的反射界面10形成。因此，光束从基板2的与第一边界表面3相对的第二边界表面11发射。
[0070]
图7示意性地示出了光学装置1的第四实施例。第四实施例类似于第三实施例。因此，与第三实施例的上下文中相似的元件和起相似功能的元件由相同的附图标记指示，并且仅指出不同之处。
[0071]
第四实施例与第三实施例的不同之处在于提供了透射界面18而不是反射界面10。因此，光束沿相反方向从光学装置1发射。

技术特征：
1.用于控制光的光学装置(1)，包括-基板(2)，其具有边界表面(3)和接触所述边界表面(3)的边界区(7)，-波导(5)，其形成在所述基板(2)内，用于引导光束，以及-光学结构(6)，其中所述波导(5)朝向所述基板(2)的所述边界表面(3)弯曲以将所述光束导向所述光学结构(6)，其中所述边界区(7)至少部分地布置在所述波导(5)与所述光学结构(6)之间的光路中，其特征在于提供在所述边界表面(3)处接触所述边界区(7)的接触结构(8)，其中所述接触结构(8)的折射率低于所述基板(2)在所述边界区(7)中的折射率。2.根据权利要求1所述的光学装置(1)，其中，所述波导(5)在所述边界表面(3)处的发射角下引导所述光束，并且所述接触结构(8)的折射率与所述基板(2)在所述边界区(7)中的折射率的折射率差使得所述边界表面(3)在所述基板(2)侧的临界角大于所述发射角，其中所述发射角和所述临界角是从所述边界表面(3)的法线测量的。3.根据前述权利要求中的任一项所述的光学装置(1)，其中所述接触结构(8)的折射率与所述基板(2)在所述边界区(7)中的折射率的折射率差使得所述边界表面(3)在所述基板(2)侧的临界角小于所述波导(5)与所述基板(2)的边界在所述波导(5)侧的临界角，其中所述边界表面(3)的临界角是从所述边界表面(3)的法线测量的，并且所述波导(5)的边界的临界角是从所述波导(5)的边界的法线测量的。4.根据前述权利要求中的任一项所述的光学装置(1)，其中所述接触结构(8)的折射率与所述基板(2)在所述边界区(7)中的折射率的折射率差在0.0001至0.1之间。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学装置(1)，其中所述接触结构(8)具有与所述光学结构(6)的材料不同的折射率。6.根据前述权利要求中的任一项所述的光学装置(1)，其中，所述光学结构(6)包括反射界面(10)，用于反射由所述波导(5)导向所述光学结构(6)的光束，特别是朝向所述基板(2)的所述边界表面(3)反射，其中所述反射界面(10)任选地由反射涂层提供。7.根据前述权利要求中的任一项所述的光学装置(1)，其中，所述光学结构(6)包括与所述基板(2)的所述边界表面(3)不同的透射界面(18)，所述透射界面(18)布置成使得被导向所述光学结构(6)处的光束从所述透射界面(18)发射。8.根据前述权利要求中的任一项所述的光学装置(1)，其中，所述光学结构(6)包括光学整形单元(12)，并且所述波导(5)配置为将所述光束导向所述光学整形单元(12)，其中所述光学整形单元(12)配置为减小被导向所述光学整形单元(12)的所述光束的光束发散。9.根据前述权利要求中的任一项所述的光学装置(1)，包括形成在所述基板(2)内的初级波导(4)，用于接收来自外部光源的光束，其中所述初级波导(4)连接或耦合到所述波导(5)。10.根据权利要求9所述的光学装置(1)，包括所述外部光源。11.根据权利要求9或10所述的光学装置(1)，其中所述初级波导(4)包括用于接收来自所述外部光源的光束的界面(19)，并且所述初级波导(4)从所述界面(19)基本上平行于所述边界表面(3)延伸。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的光学装置(1)，其中，所述波导(5)是第一次级波导(5)，并且所述光学装置(1)进一步包括至少第二次级波导(13)，所述第二次级波导(13)形成在所述基板(2)内，用于引导光束，其中所述初级波导(4)耦合到所述第二次级波导(13)，并且所述第二次级波导(13)朝向所述基板(2)的所述边界表面(3)弯曲，用于在与所述第一次级波导(5)不同的位置处将所述光束导向所述光学结构(6)。13.根据权利要求8和12所述的光学装置(1)，其中所述光学整形单元(12)是第一光学整形单元(12)，并且所述光学结构(6)包括至少第二光学整形单元(15)，并且所述第二次级波导(13)将光束导向所述第二光学整形单元(15)，其中所述第二光学整形单元(15)配置为减小被导向所述第二光学整形单元(15)的光束的光束发散。14.根据权利要求9至13中的任一项所述的光学装置(1)，包括形成在所述基板(2)内的至少另外的初级波导(23、24)，用于接收来自至少另外的外部光源(21、22)的光束，其中所述另外的初级波导(23、24)连接到或耦合到形成在所述基板(2)内的用于引导光束的至少另外的波导，其中所述另外的波导朝向所述基板(2)的所述边界表面弯曲，用于将光束导向所述光学结构(6)。15.背光单元，包括根据权利要求1至14中的任一项所述的光学装置(1)。

技术总结
用于控制光的光学装置(1)，包括：-基板(2)，其具有边界表面(3)和接触所述边界表面(3)的边界区(7)，-波导(5)，其形成在基板(2)内，用于引导光束，以及-光学结构(6)，其中波导(5)朝向基板(2)的边界表面(3)弯曲以将光束导向光学结构(6)，其中边界区(7)至少部分地布置在波导(5)与光学结构(6)之间的光路中，其中，提供在边界表面(3)处接触边界区(7)的接触结构(8)，其中接触结构(8)的折射率低于基板(2)在边界区(7)中的折射率。在边界区(7)中的折射率。在边界区(7)中的折射率。


技术研发人员：J
受保护的技术使用者：维特拉布股份有限公司
技术研发日：2022.02.01
技术公布日：2023/8/1