Оптический элемент для трансформации потока светового излучения и оптический преобразователь на его основе (варианты)

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к классу оптических преобразователей. Оптический элемент (ОЭ) 1 для трансформации потока светового излучения включает трехслойный преобразующий модуль (ПМ) и отражатель 2 излучения. Профиля функциональных слоев (ФС) 4, 8 ПМ имеют форму клиньев с углами при одной из вершин их оснований 5, 10, близкими или равными 45 или 90^o. Промежуточный ФС 6 сопряжен с гранью 7 наружного ФС 4 и выполнен толщиной, соизмеримой с длиной волны трансформируемого излучения. Сопряжение ФС 8 с промежуточным ФС 6 осуществлено по грани 9. Отражатель 2 сформирован на грани 11 ФС 8. ФС пространственно ориентированы так, что сформированный ими трехслойный ПМ имеет форму четырехгранной призмы, основаниями которой являются основания 5 и 10 ФС 4 и 8. Параметры и пространственная ориентация структур отражателя 2 выбраны из условия обеспечения переотражения излучения по направлению к основанию 5 или 10, соответствующему ФС 4 или 8. Приводятся варианты выполнения оптических преобразователей на основе по меньшей мере двух ОЭ, идентичных вышеописанному ОЭ 1. Согласно этим вариантам все ПМ с расположенными на них отражателями 2 образуют общую сборку. Согласно первому варианту данная сборка формируется посредством параллельного сопряжения ПМ по граням так, что основания одноименных ФС 4, 8 расположены в одной плоскости и все ФС 6 параллельны один другому. В этом случае на гранях 17 ПМ сформировано покрытие из материала с показателями преломления, не превышающими показатель ФС 6. Согласно второму варианту сборка формируется последовательным сопряжением ПМ по основаниям разноименных ФС 4, 8 так, что ФС 6 смежных ПМ пространственно ориентированы один относительно другого под углом, близким или равным 90^o. В результате появляется возможность одновременно осуществлять как коллимацию рассеянного (диффузного) излучения и сведения этого излучения в ограниченный телесный угол, так и диффузию направленного светового пучка (а также в качестве средств поляризации светового потока). 3 с. и 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к классу оптических преобразователей, способных одновременно осуществлять как коллимацию рассеянного (диффузного) излучения и сведения этого излучения в ограниченный телесный угол, так и диффузию направленного светового пучка, и может быть преимущественно использовано в качестве основного функционального средства системы подсветки экранов (например, жидкокристаллических дисплеев, далее - ЖК-дисплеев) устройств визуального отображения информации, а также в иных областях техники.

В устройствах визуального отображения информации существует потребность в оптическом преобразователе, способном как к диффузии направленного светового пучка, так и концентрации рассеянного (диффузного) потока светового излучения в ограниченной зоне пространства, чтобы обеспечить повышение яркости наблюдаемого на экране изображения в ограниченной зоне наблюдения. Такой преобразователь с высокой степенью эффективности может быть использован, например, в оптических системах подсветки дисплеев с плоским экраном, типа ЖК-дисплеев.

С одной стороны, функция такого преобразователя состоит в трансформации структурированного (направленного) потока (пучка) светового излучения от источника концентрированного излучения (например, от лампы накаливания) в однородный диффузный поток излучения, падающий на экран дисплея. При этом обеспечиваются достаточно однородное (равномерное) освещение экрана дисплея и соответственно достаточные (для визуального восприятия изображения) яркость и контрастность в относительно широких пределах углов обзора.

С другой стороны, если (в связи со специфическим функциональным назначением конкретного оптического устройства) заранее предусматривается, что для визуального восприятия изображения или его части может быть использован более узкий диапазон углов обзора (например, в условиях слабой рассеянной подсветки всего экрана в сумеречном или даже ночном освещении), может оказаться более выгодным концентрировать естественный рассеянный (диффузный) поток светового излучения в заданный узкий диапазон выходных углов.

Так, в мобильных телефонах, электронных записных книжках, наручных часах и т. п. очень важно снизить уровень энергопотребления, а в ряде случаев и улучшить сохранность данных посредством концентрации потока светового излучения исключительно в зону зрения пользователя.

Из уровня техники известно, что концентрация рассеянного потока светового излучения может быть осуществлена различными методами посредством использования соответствующих конструктивных средств реализации этих методов.

Например, известно применение пленок, усиливающих яркость изображения, производимых компанией Minnesota Mining and Manufacturing Co. Излучающая поверхность этих известных пленок сформирована в виде объединенного общим основанием последовательного набора призматических структур (элементов) с параллельными друг другу ребрами, имеющими равные углы при вершинах (US N 5528720, G 02 B 6/26, 1996 г.).

При входе потока излучения (светового пучка) через основание такой призматической структуры и последующем преломлении на соответствующей боковой грани выходящие световые лучи отклоняются ближе в сторону нормали к основанию призматической структуры, вследствие чего и реализуется концентрирующая (входящий световой поток в ограниченный угол обзора) функция известной пленки. При этом потери, неизбежно возникающие вследствие отражения части входящего светового потока от боковых граней призматических структур, частично компенсируются за счет последовательного переотражения (рециклинга) отраженных лучей света внутри призматической структуры снова на ее соответствующую боковую грань.

Рассматриваемая известная пленка, однако, не способна реализовать диффундирующую функцию, т.е. трансформацию направленного потока светового излучения в диффузный поток. Для реализации такой функции известный оптический элемент (пленка) должен обязательно использоваться с отдельным диффузором, что в значительной мере ограничивает функциональные возможности и область промышленного использования такого оптического средства трансформации потока светового излучения.

Более современной альтернативой рассмотренного выше средства трансформации потока светового излучения является голограммный оптический элемент, записанный таким образом, что обеспечивается функция диффузии падающего на него направленного потока светового излучения (светового пучка) в ограниченный угол обзора. В частности, в патенте N 5418631 (US) приводится описание конструктивных особенностей такого рода трехмерной голограммы для использования в устройстве подсветки с освещенным краем, а в патенте N 5471327 (US) раскрыты конструктивные особенности средства трансформации потока светового излучения в виде голограммы, направленно диффундирующей поток излучения (световой пучок) из линейной светоизлучающей структуры.

Как и в предыдущем случае, рассматриваемые известные из уровня техники средства трансформации потока светового излучения в виде голограмм не способны одновременно реализовать как диффундирующую функцию (т.е. трансформацию направленного потока светового излучения в диффузный поток), так и обратную ей функцию, т.е. функцию концентрации диффузного потока излучения в концентрированный в пределах ограниченного пространства (угла обзора) световой пучок. А это в значительной мере ограничивает функциональные возможности и область промышленного использования таких оптических средств трансформации потока светового излучения.

Из уровня техники известны также оптические средства (пленки), способные к одновременному осуществлению как функции концентрации диффузного потока светового излучения, так и функции диффузии направленного потока излучения (светового пучка). В предпочтительном конструктивном исполнении такие оптические средства включают оптически прозрачный пленочный слой, имеющий плоскую (со стороны падающего на пленку потока диффузного излучения) входную поверхность и структурированную выходную поверхность в виде множества структур конусообразного профиля, ориентированных перпендикулярно выходной поверхности оптического средства (пленки). Поток излучения выходит из упомянутых профильных структур хотя и не коллимированным, но достаточно сконцентрированным вблизи нормали (US N 5861990, G 02 B 13/14, 1999 г.).

К недостаткам данного известного из уровня техники оптического средства для трансформации потока светового излучения можно отнести то, что коэффициент концентрации падающего потока излучения у него (как, впрочем, и у всех вышерассмотренных известных оптических средств) сравнительно мал, и выигрыш в яркости предназначенного для визуального восприятия изображения наблюдается лишь в сравнении с Ламбертовым диффузором при подсветке источником направленного света. Кроме того, такие оптические средства трансформации потока излучения устройства не дают рассматриваемого эффекта концентрации при работе с естественным рассеянным светом.

Известны устройства подсветки дисплеев, сформированные на основе пары конструктивно идентичных сопряженных по соответствующим наклонным граням клинообразных оптических элементов с входными (световоспринимающими) поверхностями, функцию которых выполняют поверхности оснований клинообразных элементов, и выходными (светоизлучающими) поверхностями, функцию которых выполняют соответствующие боковые грани упомянутых клинообразных элементов (US N 5202950, G 02 B 6/00, 1993 г.).

К недостаткам рассматриваемого известного из уровня техники технического решения следует отнести то, что площадь поперечного сечения светового пучка на выходе из фоклина увеличивается относительно входного зрачка по крайней мере во столько раз, во сколько уменьшается угол обзора, поэтому оно не может быть использовано для обеспечения повышения яркости визуально воспринимаемого пользователем, например, с экрана ЖК-дисплея изображения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленным объектам изобретения является оптический элемент (который функционально можно рассматривать и как преобразователь) для трансформации потока светового излучения, включающий трехслойный преобразующий модуль, каждый функциональный слой которого выполнен из оптически прозрачного для упомянутого излучения материала, а также отражатель излучения со структурированной поверхностью. Профиль первого наружного функционального слоя упомянутого модуля в плоскости распространения трансформируемого потока излучения имеет форму клина (в технике именуемого "фоклином" - фокальным клином). Промежуточный функциональный слой сопряжен с соответствующей наклоненной к основанию под меньшим углом боковой гранью первого наружного функционального слоя и выполнен толщиной, соизмеримой с длиной волны трансформируемого излучения. Второй наружный функциональный слой одной из своих боковых граней сопряжен с соответствующей поверхностью промежуточного функционального слоя. Отражатель со структурированной поверхностью сформирован на одной из граней второго наружного функционального слоя, которая расположена оппозитно промежуточному функциональному слою и не сопряжена с последним. При этом показатели преломления материалов упомянутых первого, второго и промежуточного функциональных слоев удовлетворяют следующему условию: n₂≥n₁>n₃, где n₂ - показатель преломления материала второго наружного функционального слоя; n₁ - показатель преломления материала первого наружного функционального слоя; n₃ - показатель преломления материала промежуточного функционального слоя.

В рассматриваемом техническом решении предусматривается также вариант выполнения оптического преобразователя, согласно которому последний формируется в виде сборки (пакета) сопряженных по соответствующим поверхностям и определенным образом ориентированных друг относительно друга одиночных оптических элементов (US N 5303322, фиг.2В, фиг.10, фиг.11, G 02 B 6/26, 1994 г.).

В данном известном техническом решении обеспечивается коллимация падающего на основание фоклина рассеянного (диффузного) излучения или цилиндрической световой волны от линейного источника излучения в относительно узкий диапазон углов обзора со стороны его соответствующей боковой поверхности (грани).

Лучи света распространяются в материале фоклина с показателем преломления n₁, последовательно отражаясь от поверхностей его боковых граней в направлении вершины профиля фоклина до тех пор, пока угол падения не становится равным или несколько меньшим угла полного внутреннего отражения, после чего проникает в пограничную с боковой поверхностью фоклина среду (т.е. в промежуточный и далее во второй функциональные слои). Коэффициент пропускания, однако, в этих условиях незначителен, и большая часть падающего светового потока продолжает переотражаться с постепенным уменьшением углов падения. Вследствие этого через боковую поверхность (грань) фоклина выходит уже целый спектр пространственных частот.

Для устранения этого недостатка в рассматриваемом прототипе промежуточная среда (т.е. промежуточный функциональный слой) с показателем n₃ преломления выполняется в виде слоя, толщина которого соизмерима с длиной волны трансформируемого (падающего) потока излучения, а показатель n₂ преломления материала второй среды (второго наружного функционального слоя), граничащей с промежуточной средой, берется равным или несколько большим показателя n₁ преломления материала первой среды (первого функционального наружного слоя). В этом случае уже более половины всей энергии входит во вторую среду уже при первом достижении световым лучом критического угла падения и практически большая часть световых лучей, входящих в фоклин через его основание, выходит через его соответствующую боковую поверхность (грань) в виде относительно узкого пучка лучей, ширина которого в плоскости, перпендикулярной ребру при вершине профиля фоклина, пропорциональна удвоенному значению угла j при упомянутой вершине профиля фоклина.

К недостаткам рассматриваемого известного из уровня техники технического решения следует отнести то, что площадь поперечного сечения светового пучка на выходе из фоклина увеличивается относительно входного зрачка по крайней мере во столько раз, во сколько уменьшается угол обзора, поэтому оно не может быть использовано для обеспечения повышения яркости визуально воспринимаемого пользователем, например, с экрана ЖК-дисплея изображения.

В основу заявленных объектов изобретения была положена задача создания такого унифицированного оптического элемента для обратимой трансформации потока светового излучения, а также оптических преобразователей на его основе, в которых для улучшения визуального восприятия пользователем генерируемого на экране изображения (в частности, для повышения яркости и контрастности этого изображения) обеспечивалась возможность использования как направленного потока светового излучения путем его трансформации в диффузный поток подсветки, так и диффузного потока излучения (преимущественно естественного света) путем его концентрации в заданном, функционально ограниченном диапазоне углов обзора воспринимаемого пользователем изображения.

Решение поставленной задачи обеспечивается посредством того, что - в отношении объекта изобретения "Оптический элемент для трансформации потока светового излучения": в оптическом элементе для трансформации потока светового излучения, включающем трехслойный преобразующий модуль, каждый функциональный слой которого выполнен из оптически прозрачного для упомянутого излучения материала, а также отражатель излучения со структурированной поверхностью, в котором профиль первого наружного функционального слоя упомянутого модуля в плоскости распространения трансформируемого потока излучения имеет форму клина (например, с углом при одной из вершин его основания, близким или равным 45^o или 90^o); промежуточный функциональный слой сопряжен с одной из наклоненных к основанию упомянутого клинового профиля боковых граней первого наружного функционального слоя и выполнен толщиной, соизмеримой с длиной волны трансформируемого излучения; второй наружный функциональный слой одной из своих боковых граней сопряжен с поверхностью промежуточного функционального слоя; отражатель со структурированной поверхностью сформирован на одной из граней второго наружного функционального слоя, которая расположена оппозитно промежуточному функциональному слою и не сопряжена с последним, при этом показатели преломления материалов упомянутых первого, второго и промежуточного функциональных слоев удовлетворяют следующему условию: n₂≥n₁>n₃, где n₂ - показатель преломления материала второго наружного функционального слоя; n₁ - показатель преломления материала первого наружного функционального слоя;
n₃ - показатель преломления материала промежуточного функционального слоя,
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ соответствующий профиль второго наружного функционального слоя в упомянутой плоскости распространения трансформируемого потока излучения выполнен близким или идентичным по форме ранее упомянутому профилю первого наружного функционального слоя; сопряжение второго наружного функционального слоя с поверхностью промежуточного функционального слоя осуществлено по грани, наклоненной к основанию упомянутого второго функционального слоя; функциональные слои пространственно ориентированы один относительно другого таким образом, что сформированный ими трехслойный преобразующий модуль имеет форму четырехгранной призмы, основаниями которой являются основания наружных функциональных слоев, а параметры и пространственная ориентация функциональных элементов структурированной поверхности отражателя выбраны из условия обеспечения переотражения потока излучения, падающего на нее со стороны основания одного из наружных функциональных слоев, по направлению к основанию соответственно другого наружного функционального слоя.

В ряде случаев целесообразно функциональные элементы структурированной поверхности отражателя выполнять в виде последовательности параллельных призматических структур треугольного профиля, плоскости оснований которых ориентированы вдоль плоскости распространения трансформируемого потока излучения перпендикулярно, по меньшей мере, одному из оснований сформированного функциональными слоями трехслойного преобразующего модуля.

Для дальнейшего повышения яркости генерируемого на экране изображения (посредством осуществления подсветки экрана коллимированным в процессе трансформации потоком излучения) целесообразно оптический элемент снабжать дополнительным оптически прозрачным функциональным слоем, который выполнен в виде последовательности параллельных призматических структур с углом при наиболее удаленных от соответствующего основания преобразующего модуля вершинах, равным удвоенному, минимальному по величине, углу при соответствующей вершине профиля второго функционального слоя, пространство между которыми заполнено диэлектрическим материалом; упомянутый дополнительный функциональный слой в этом случае должен быть расположен на выходной поверхности коллимированного в процессе трансформации потока излучения, функцию которой выполняет поверхность основания второго, сопряженного с отражателем, функционального слоя, при этом показатели преломления материалов дополнительного функционального слоя и диэлектрического материала заполнителя, а также углы при упомянутых вершинах второго функционального слоя и призматических структур должны быть связаны следующим соотношением:
n₄ · cos(2j) = n₅ · cosj,
где n₄ - показатель преломления материала дополнительного функционального слоя;
(2j) - угол при упомянутых вершинах призматических структур дополнительного функционального слоя;
n₅ - показатель преломления диэлектрического материала заполнителя;
j - угол при упомянутой вершине профиля второго функционального слоя.

Для дальнейшего расширения функциональных возможностей посредством использования патентуемого оптического элемента и в качестве поляризатора потока светового излучения промежуточный функциональный слой должен быть выполнен в виде поляризационного светоделительного покрытия, пропускающего при углах, близких к критическому, P-поляризованную составляющую трансформируемого потока излучения, а на расположенной оппозитно упомянутому функциональному слою грани первого функционального слоя необходимо сформировать четвертьволновой фазосдвигающий слой, функционально являющийся средством преобразования отраженной от поляризационного светоделительного покрытия S-поляризованной составляющей трансформируемого потока излучения в P-поляризованную составляющую.

В отношении объекта изобретения "Оптический преобразователь потока светового излучения" (вариант 1 по п.5 формулы изобретения):
в оптическом преобразователе потока светового излучения, включающем, по меньшей мере, два оптических элемента, один из которых сформирован в виде трехслойного преобразующего модуля, функциональные слои которого выполнены из оптически прозрачного для упомянутого излучения материала, а также отражатель излучения со структурированной поверхностью, в котором профиль первого наружного функционального слоя упомянутого модуля в плоскости распространения трансформируемого потока излучения имеет форму клина (преимущественно с углом при одной из вершин его основания, близким или равным 45^o или 90^o); промежуточный функциональный слой сопряжен с одной из наклоненных к основанию упомянутого клинового профиля боковых граней первого наружного функционального слоя и выполнен толщиной, соизмеримой с длиной волны трансформируемого излучения; второй наружный функциональный слой одной из своих боковых граней сопряжен с поверхностью промежуточного функционального слоя; отражатель со структурированной поверхностью сформирован на одной из граней второго наружного функционального слоя, которая расположена оппозитно промежуточному функциональному слою и не сопряжена с последним, при этом показатели преломления материалов упомянутых первого, второго и промежуточного функциональных слоев удовлетворяют следующему условию:
n₂ ≥ n₁ > n₃,
где n₂ - показатель преломления материала второго наружного функционального слоя;
n₁ - показатель преломления материала первого наружного функционального слоя;
n₃ - показатель преломления материала промежуточного функционального слоя,
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ все оптические элементы выполнены конструктивно идентичными, соответствующий профиль второго наружного функционального слоя каждого преобразующего модуля в плоскости распространения трансформируемого потока излучения выполнен близким или идентичным по форме ранее упомянутому профилю первого наружного функционального слоя; сопряжение второго наружного функционального слоя с поверхностью промежуточного функционального слоя в каждом преобразующем модуле осуществлено по грани, наклоненной к основанию упомянутого второго функционального слоя; функциональные слои в упомянутых модулях пространственно ориентированы один относительно другого таким образом, что сформированный ими трехслойный преобразующий модуль имеет форму четырехгранной призмы, основаниями которой являются основания наружных функциональных слоев; параметры и пространственная ориентация функциональных элементов структурированной поверхности отражателя в каждом оптическом элементе выбраны из условия обеспечения переотражения потока излучения, падающего на эту поверхность со стороны основания одного из наружных функциональных слоев, по направлению к основанию соответственно другого наружного функционального слоя этого же преобразующего модуля; все преобразующие модули с расположенными на их соответствующих гранях отражателями образуют общую сборку посредством параллельного сопряжения этих модулей по боковым граням таким образом, что основания одноименных наружных функциональных слоев расположены а одной плоскости и все промежуточные функциональные слои параллельны один другому, при этом на тех гранях преобразующих модулей, которые сопряжены со структурированными поверхностями отражателей смежных преобразующих модулей, сформировано покрытие из материала с показателем преломления, не превышающим показатель преломления материала промежуточного функционального слоя.

Целесообразно функциональные элементы структурированной поверхности отражателей выполнять в виде последовательности параллельных призматических структур треугольного профиля, плоскости оснований которых ориентированы вдоль плоскости распространения трансформируемого потока излучения перпендикулярно, по меньшей мере, одному из оснований сформированного соответствующими функциональными слоями трехслойного преобразующего модуля.

Для дальнейшего повышения яркости генерируемого на экране изображения (посредством осуществления подсветки экрана коллимированным в процессе трансформации потоком излучения) целесообразно каждый оптический элемент преобразователя снабжать дополнительным оптически прозрачным функциональным слоем, который может быть выполнен в виде последовательности параллельных призматических структур с углом при наиболее удаленных от основания соответствующего преобразующего модуля вершинах, равным удвоенному, минимальному по величине, углу при вершине профиля второго функционального слоя этого модуля, пространство между которыми заполнено диэлектрическим материалом, в этом случав упомянутый дополнительный функциональный слой располагают на выходной поверхности коллимированного в процессе трансформации потока излучения, функцию которой выполняет поверхность основания второго, сопряженного с отражателем, функционального слоя, при этом показатели преломления материалов дополнительного функционального слоя и диэлектрического материала заполнителя, а также углы при упомянутых вершинах второго функционального слоя и призматических структур связаны следующим соотношением:
n₄ · cos(2j) = n₅ · cosj,
где n₄ - показатель преломления материала дополнительного функционального слоя;
(2j) - угол при упомянутых вершинах призматических структур дополнительного функционального слоя;
n₅ - показатель преломления диэлектрического материала заполнителя;
j - угол при упомянутой вершине профиля второго функционального слоя.

Для дальнейшего расширения функциональных возможностей посредством использования патентуемого оптического преобразователя и в качестве поляризатора потока светового излучения промежуточный функциональный слой каждого преобразующего модуля должен быть выполнен в виде поляризационного светоделительного покрытия, пропускающего при углах, близких к критическому, P-поляризованную составляющую трансформируемого потока излучения, а на расположенной оппозитно упомянутому функциональному слою грани первого функционального слоя каждого преобразующего модуля должен быть сформирован четверть-волновой фазосдвигающий слой, функционально являющийся средством преобразования отраженной от поляризационного светоделительного покрытия S-поляриэованной составляющей трансформируемого потока излучения в P-поляризованную составляющую.

В отношении объекта изобретения "Оптический преобразователь потока светового излучения" (вариант 2 по п.9 формулы изобретения):
в оптическом преобразователе потока светового излучения, включающем, по меньшей мере, два оптических элемента, один из которых сформирован в виде трехслойного преобразующего модуля, функциональные слои которого выполнены из оптически прозрачного для упомянутого излучения материала, а также отражатель излучения со структурированной поверхностью, в котором профиль первого наружного функционального слоя упомянутого модуля в плоскости распространения трансформируемого потока излучения имеет форму клина (преимущественно с углом при одной из вершин его основания, близким или равным 45^o или 90^o); промежуточный функциональный слой сопряжен с одной из наклоненных к основанию упомянутого клинового профиля боковых граней первого наружного функционального слоя и выполнен толщиной, соизмеримой с длиной волны трансформируемого излучения; второй наружный функциональный слой одной из своих боковых граней сопряжен с поверхностью промежуточного функционального слоя; отражатель со структурированной поверхностью сформирован на одной из граней второго наружного функционального слоя, которая расположена оппозитно промежуточному функциональному слою и не сопряжена с последним, при этом показатели преломления материалов упомянутых первого, второго и промежуточного функциональных слоев удовлетворяют следующему условию:
n₂ ≥ n₁ > n₃,
где n₂ - показатель преломления материала второго наружного функционального слоя;
n₁ - показатель преломления материала первого наружного функционального слоя;
n₃ - показатель преломления материала промежуточного функционального слоя,
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ все оптические элементы выполнены конструктивно идентичными, соответствующий профиль второго наружного функционального слоя каждого преобразующего модуля в упомянутой плоскости распространения трансформируемого потока излучения выполнен близким или идентичным по форме ранее упомянутому профилю первого наружного функционального слоя; сопряжение второго наружного функционального слоя с поверхностью промежуточного функционального слоя в каждом преобразующем модуле осуществлено по грани, наклоненной к основанию упомянутого второго функционального слоя; функциональные слои пространственно ориентированы один относительно другого таким образом, что сформированный ими трехслойный преобразующий модуль имеет форму четырехгранной призмы, основаниями которой являются основания наружных функциональных слоев; параметры и пространственная ориентация функциональных элементов структурированной поверхности отражателя в каждом оптическом элементе выбраны из условия обеспечения переотражения потока излучения, падающего на эту поверхность со стороны основания одного из наружных функциональных слоев, по направлению к основанию соответственно другого наружного функционального слоя этого же преобразующего модуля; все преобразующие модули с расположенными на их соответствующих гранях отражателями образуют общую сборку посредством последовательного сопряжения этих модулей по основаниям разноименных наружных функциональных слоев таким образом, что промежуточные функциональные слои смежных модулей пространственно ориентированы один относительно другого под углом, близким или равным 90^o.

Целесообразно функциональные элементы структурированной поверхности отражателей выполнять в виде последовательности параллельных призматических структур треугольного профиля, плоскости оснований которых ориентированы вдоль плоскости распространения трансформируемого потока излучения перпендикулярно, по меньшей мере, одному из оснований сформированного соответствующими функциональными слоями трехслойного преобразующего модуля.

Для дальнейшего повышения яркости генерируемого на экране изображения (посредством осуществления подсветки экрана коллимированным в процессе трансформации потоком излучения) целесообразно каждый оптический элемент преобразователя снабжать дополнительным оптически прозрачным функциональным слоем, который может быть выполнен в виде последовательности параллельных призматических структур с углом при наиболее удаленных от основания соответствующего преобразующего модуля вершинах, равным удвоенному, минимальному по величине, углу при вершине профиля второго функционального слоя этого модуля, пространство между которыми заполнено диэлектрическим материалом. В этом случае упомянутый дополнительный функциональный слой располагают на выходной поверхности коллимированного в процессе трансформации потока излучения, функцию которой выполняет поверхность основания второго, сопряженного с отражателем, функционального слоя. При этом показатели преломления материалов дополнительного функционального слоя и диэлектрического материала заполнителя, а также углы при упомянутых вершинах второго функционального слоя и призматических структур связаны следующим соотношением:
n₄ · cos(2j) = n₅ · cosj,
где n₄ - показатель преломления материала дополнительного функционального слоя;
(2j) - угол при упомянутых вершинах призматических структур дополнительного функционального слоя;
n₅ - показатель преломления диэлектрического материала заполнителя;
j - угол при упомянутой вершине профиля второго функционального слоя.

Для дальнейшего расширения функциональных возможностей посредством использования патентуемого оптического преобразователя и в качестве поляризатора потока светового излучения промежуточный функциональный слой каждого преобразующего модуля должен быть выполнен в виде поляризационного светоделительного покрытия, пропускающего при углах, близких к критическому, P-поляризованную составляющую трансформируемого потока излучения, а на расположенной оппозитно упомянутому функциональному слою грани первого функционального слоя каждого преобразующего модуля должен быть сформирован четверть-волновой фазосдвигающий слой, функционально являющийся средством преобразования отраженной от поляризационного светоделительного покрытия S-поляризованной составляющей трансформируемого потока излучения в P-поляризованную составляющую.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленных объектов изобретения, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности существенных признаков аналог, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков заявленных объектов, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленные объекты изобретения соответствуют критерию патентоспособности НОВИЗНА по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленных объектов изобретения требованию критерия патентоспособности ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ заявитель провел дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленных объектов изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.

В частности, в заявленных объектах изобретения не предусматриваются следующие преобразования известного объекта-прототипа:
- дополнение известного объекта каким-либо известным признаком, присоединенным к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
- замена какого-либо признака известного объекта другим известным признаком для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какого-либо признака известного объекта с одновременным исключением обусловленной наличием этим признаком функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных признаков в известном объекте для усиления технического результата, обусловленного наличием в объекте именно таких признаков;
- выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создание объекта, состоящего из известных признаков, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами признаков этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленные объекты изобретения соответствует требованию критерия патентоспособности ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ по действующему законодательству.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленных объектов изобретения следующей совокупности условий:
- объекты, воплощающие заявленное изобретение при его осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно в области оптических преобразователей светового излучения;
- для заявленных объектов изобретения в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке и/или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объекты, воплощающие заявленное изобретение при его осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ по действующему законодательству.

Изобретение поясняется графическими материалами.

Фиг. 1 - общий вид (принципиальная схема) патентуемого в соответствии с п. 1 формулы изобретения оптического элемента с графической иллюстрацией процесса трансформации потока рассеянного (диффузного) электромагнитного излучения светового диапазона частот (т.е. инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазона) внутри оптического элемента, в основе которого (т.е. процесса трансформации) лежит эффект полного внутреннего отражения на границе раздела двух разнородных оптически прозрачных сред.

Фиг. 2 - общий вид патентуемого оптического элемента с улучшенными (в соответствии с п.3 формулы) выходными параметрами и расширенными (в соответствии с п.4 формулы) функциональными возможностями.

Фиг.3 - выноска I по фиг.1 или фиг.2.

Фиг. 4 - выноска II по фиг. 2.

Фиг. 5 - общий вид (принципиальная схема) патентуемого в соответствии с п. 5 формулы изобретения варианта исполнения оптического преобразователя, обеспечивающего согласно изобретению трансформацию (преобразование) потока светового излучения в одной плоскости (согласно фиг. 5 - в плоскости листа или изображения общего вида).

Фиг. 6 - вид А по фиг. 5.

Фиг. 7 - общий вид (принципиальная схема) патентуемого в соответствии с п. 9 формулы изобретения варианта исполнения оптического преобразователя, обеспечивающего согласно изобретению трансформацию (преобразование) пространственного потока светового излучения (т.е. обеспечивающего, например, концентрацию всего потока входящего рассеянного /диффузного/ излучения в пределах заданного ограниченного телесного угла на выходе преобразователя).

Фиг.8 - вид В по фиг.7.

Фиг.9 и Фиг. 10 - графическая иллюстрация способа изготовления оптических элементов в серийном или массовом производстве.

Конструктивные особенности патентуемых объектов изобретения состоят в следующем.

Оптический элемент 1 для трансформации потока светового излучения (объект по п.1 формулы изобретения на примере вариантов исполнения по фиг.1 и фиг.2) включает:
- трехслойный преобразующий модуль, каждый функциональный слой которого выполнен из оптически прозрачного для упомянутого излучения материала;
- отражатель 2 трансформируемого потока светового излучения со структурированной поверхностью 3.

Профиль первого наружного функционального слоя 4 упомянутого модуля в плоскости распространения трансформируемого потока излучения (т.е. плоскости чертежа) имеет форму клина преимущественно с углом при одной из вершин его основания 5, близким или равным 90^o или близким или равным 45^o.

Промежуточный функциональный слой 6 (согласно фиг.1 и фиг. 2) сопряжен с наклоненной к основанию 5 под меньшим углом боковой гранью 7 первого наружного функционального слоя 4 и выполнен толщиной, соизмеримой с длиной волны трансформируемого излучения (т. е. излучения светового диапазона частот, включающего излучения инфракрасного, видимого и ультрафиолетового волнового диапазона /диапазона длин волн/).

Второй наружный функциональный слой 8 одной из своих боковых граней сопряжен с соответствующей поверхностью промежуточного функционального слоя 6. А именно: сопряжение второго наружного функционального слоя 8 с обращенной к нему поверхностью промежуточного функционального слоя 6 осуществлено по грани 9 (упомянутого слоя 8), наклоненной (согласно фиг.1 и фиг. 2) к основанию 10 этого функционального слоя 8 под меньшим углом. При этом соответствующий профиль второго функционального слоя 8 (в упомянутой плоскости распространения трансформируемого потока излучения) выполнен близким или идентичным по форме ранее упомянутой форме профиля первого наружного функционального слоя 4.

Отражатель 2 с пространственно структурированной (ниже конструктивно - геометрически раскрытой) поверхностью 3 сформирован на грани 11 второго наружного функционального слоя 8. Грань 11 функционального слоя 8 расположена практически оппозитно промежуточному функциональному слою 6 и при этом не находится с ним (т.е. слоем 6) в каком-либо механическом взаимодействии (в непосредственном контакте).

Конструкторско-технологическое НОУ-ХАУ в части достижения максимального уровня эффективности решения поставленной задачи посредством оптимизации параметров геометрии формирования структурированной поверхности 3 отражателя 2 в настоящей заявке не раскрывается, поскольку они (параметры) не являются предметом настоящего изобретения и выявлены на основе известных из уровня техники знаний путем их оптимизации применительно к конкретным, в частности, заявленным объектам техники.

Совершенно очевидно, что отражатель 2 может быть сформирован двумя способами (сообразно технологическим возможностям изготовителя патентуемого оптического элемента 1 и оптического преобразователя на его основе):
- за одно целое со вторым наружным функциональным слоем 8 посредством формирования соответствующих отражающих функциональных элементов (структур 12) непосредственно на поверхности /т.е. грани 11/ функционального слоя 8, что является оптимальным с точки зрения упрощения конструкции и улучшения выходных характеристик патентуемого объекта изобретения (однако это повышает себестоимость объекта ввиду усложнения технологического цикла формирования пространственно отличающихся структур на двух поверхностях /гранях/ второго функционального слоя 8);
- в качестве отдельного функционального слоя (т.е. отражателя 2, как это изображено на представленных фигурах графических материалов), соответствующим образом (способом) соединенного (сопряженного) с поверхностью грани 11 второго наружного функционального элемента 8.

Функциональные слои 4, 6 и 8 оптического элемента 1 пространственно ориентированы один относительно другого таким образом, что сформированный ими трехслойный преобразующий модуль имеет форму четырехгранной призмы, основаниями (а также входными и выходными поверхностями применительно к потоку излучения) которой функционально являются основания наружных функциональных слоев 4 и 8. Для рассматриваемых вариантов исполнения углы при вершинах сформированного преобразующего модуля близки или равны 90^o.

Для обеспечения решения поставленной (согласно настоящему изобретению) задачи абсолютные показатели n₁, n₂ и n₃ преломления материалов упомянутых первого, второго и промежуточного функциональных слоев 4, 8 и 6 соответственно, преобразующего модуля патентуемого оптического элемента 1 удовлетворяют условию n₂ ≥ n₁ > n₃.

Кроме того, параметры и пространственная ориентация функциональных элементов (структур 12) структурированной поверхности 3 отражателя 2 выбраны из условия обеспечения переотражения потока излучения, падающего на нее (т.е. поверхность 3) со стороны основания (5 или 10 в зависимости от вида преобразуемого потока излучения, т.е. диффузного /рассеянного/ или направленного /коллимированного/ потока) одного из наружных функциональных слоев (4 или 8 соответственно), по направлению к основанию соответственно другого наружного функционального слоя.

Функциональные элементы (структуры 12) структурированной поверхности 3 отражателя 2 могут быть выполнены, например, в виде последовательности параллельных (по ребрам) призматических структур треугольного профиля, плоскости оснований которых ориентированы вдоль плоскости распространения трансформируемого потока излучения (т.е. вдоль плоскости чертежа, фиг.1) перпендикулярно, по меньшей мере, одному из оснований 5 или 10 сформированного функциональными слоями 4, 6 и 8 трехслойного преобразующего модуля.

Кроме того, отражатель 2 может быть сформирован в виде голограммного оптического средства, отражающие структуры которого сформированы с возможностью переотражения падающего трансформируемого потока излучения в соответствующем (вышеуказанном) направлении.

Оптический элемент 1 может быть снабжен дополнительным оптически прозрачным функциональным слоем 14, который выполнен в виде последовательности параллельных призматических структур 15 с углом 2j при наиболее удаленных (от соответствующего основания преобразующего модуля) вершинах, равным удвоенному, минимальному по величине, углу j при вершине профиля второго функционального слоя 8. В пространстве между структурами 15 размещен оптически прозрачный заполнитель 16. Упомянутый дополнительный функциональный слой 14 расположен на выходной поверхности коллимированного (в процессе трансформации) потока излучения, функцию которой в рассматриваемом случае выполняет поверхность основания 19 второго, сопряженного с отражателем 2, функционального слоя 8. При этом показатели преломления n₄ и n₅ материалов дополнительного функционального слоя 14 и материала заполнителя 16 соответственно, а также углы j и 2j при упомянутых вершинах второго функционального слоя 8 и призматических структур 15 слоя 14 связаны следующим соотношением:
n₄ · cos(2j) = n₅ · cosj.

Такое конструктивное выполнение патентуемого оптического элемента обеспечивает дополнительное повышение яркости (освещенности) визуально воспринимаемого пользователем изображения. С физической точки зрения это объясняется следующим. При выполнении указанного условия лучи, падающие на основание пленки дополнительного функционального слоя 14 (сформированной посредством призматических структур 15) параллельно боковым граням призматических структур 15, после преломления на границе раздела указанных структур 15 и заполнителя 16 выходят из функционального слоя 14 по нормали к нему, т. е. образуют на выходе более узкий телесный угол.

Кроме того, в оптическом элементе 1 промежуточный функциональный слой 6 может быть выполнен в виде поляризационного светоделительного покрытия, пропускающего при углах, близких к критическому, P-поляризованную составляющую трансформируемого потока излучения. В этом случае на расположенной оппозитно упомянутому функциональному слою 6 грани 17 первого функционального слоя 4 должен быть сформирован четвертьволновой фазосдвигающий слой 18, функционально являющийся средством преобразования отраженной от поляризационного светоделительного покрытия (т.е. в данном случае слоя 6) S-поляризованной составляющей трансформируемого потока излучения в P-поляризованную составляющую.

Рассматриваемые поляризационное светоделительное покрытие (функцию которого может выполнять, например, слой 6) и четвертьволновой фазосдвигающий слой 18 могут быть сформированы любым известным из уровня техники способом (например, как это изложено в описании к патенту US N 5594830), который в настоящей заявке подробно не раскрывается, поскольку способы формирования упомянутых, широко известных из уровня техники покрытий не относятся к патентуемым в данной заявке объектам изобретения.

Такое конструктивное выполнение патентуемого оптического элемента 1 расширяет его функциональные возможности за счет его использования дополнительно к основной функции (т.е., в качестве средства концентрации рассеянного /диффузного/ излучения или в качестве диффузионного /рассеивающего/ средства, в случае преобразования направленного /коллимированного/ излучения) еще и в качестве средства поляризации трансформируемого рассеянного (диффузного) потока светового излучения.

Оптический преобразователь потока светового излучения согласно первому варианту его исполнения (в соответствии с п.5 формулы изобретения) включает, по меньшей мере, два конструктивно и геометрически идентичных оптических элемента 1, каждый из которых сформирован конструктивно и геометрически идентичным вышерассмотренному оптическому элементу 1 по п.1 формулы изобретения (т. е. в виде трехслойного преобразующего модуля, функциональные слои 4, 6 и 8 которого выполнены из оптически прозрачного для упомянутого излучения материала, а также отражателя 2 излучения со структурированной поверхностью 3). При этом все оптические элементы 1 в данном варианте исполнения оптического преобразователя образуют общую сборку посредством параллельного сопряжения этих оптических элементов 1 (или, что эквивалентно, преобразующих модулей) по соответствующим боковым граням таким образом, что группа оснований 5 и группа оснований 10 одноименных наружных функциональных слоев 4 и 8 соответственно расположены в одной (соответственно индивидуальной для каждой из упомянутых групп) плоскости и все промежуточные функциональные слои 6 в сформированном таким образом оптическом преобразователе расположены параллельно один другому. Кроме того, согласно данному варианту исполнения оптического преобразователя на тех гранях 17 преобразующих модулей (или, что эквивалентно, функциональных слоев 1), которые сопряжены со структурированными поверхностями 3 отражателей 2 смежных с ними преобразующих модулей, сформировано покрытие 19 из материала с показателем преломления, не превышающим показатель преломления n₃ материала функционального слоя 6.

Функциональные элементы (структуры 12) структурированной поверхности 3 отражателей 2 в рассматриваемом варианте исполнения оптического преобразователя могут быть выполнены, например, в виде последовательности параллельных призматических структур треугольного профиля, плоскости оснований которых ориентированы вдоль плоскости распространения трансформируемого потока излучения перпендикулярно, по меньшей мере, одному из оснований сформированного соответствующими функциональными слоями 4, 6 и 8 трехслойного преобразующего модуля.

Кроме того, отражатель 2 может быть сформирован в виде голограммного оптического средства, отражающие структуры которого сформированы с возможностью переотражения падающего трансформируемого потока излучения в соответствующем (вышеуказанном) направлении.

Помимо этого, каждый оптический элемент 1 рассматриваемого варианта исполнения оптического преобразователя может быть снабжен дополнительным оптически прозрачным функциональным слоем 14, который выполнен в виде последовательности параллельных призматических структур 15 с углом 2j при наиболее удаленных (от основания 10 соответствующего преобразующего модуля или соответственно функционального слоя 8) вершинах, равным удвоенному, минимальному по величине, углу j при вершине профиля второго функционального слоя 8 этого модуля. В пространстве между упомянутыми структурами 15 размещен заполнитель 16 из оптически прозрачного для трансформируемого потока излучения материала. Упомянутый дополнительный функциональный слой 14 расположен на выходной поверхности коллимированного (в процессе трансформации) потока излучения, функцию которой в рассматриваемом случае выполняет группа поверхностей оснований вторых, сопряженных с отражателями 2, функциональных слоев 8. В рассматриваемом случае показатели преломления n₄ и n₅ материалов дополнительного функционального слоя 14 и материала заполнителя 16 соответственно, а также углы j и 2j при упомянутых вершинах вторых функциональных слоев 8 и призматических структур 15 слоя 14 должны быть связаны следующим соотношением:
n₄ · cos(2j) = n₅ · cosj.

Такое конструктивное выполнение патентуемого оптического преобразователя обеспечивает дополнительное повышение яркости (освещенности) визуально воспринимаемого пользователем изображения. С физической точки зрения этот эффект пояснен ранее.

Кроме того, в каждом оптическом элементе 1 рассматриваемого оптического преобразователя промежуточный функциональный слой 6 может быть выполнен в виде поляризационного светоделительного покрытия, пропускающего при углах, близких к критическому, P-поляризованную составляющую трансформируемого потока излучения. В этом случае на расположенной оппозитно упомянутому функциональному слою 6 грани 17 первого функционального слоя 4 каждого оптического элемента 1 должен быть сформирован четвертьволновой фазосдвигающий слой 18, функционально являющийся средством преобразования отраженной от поляризационного светоделительного покрытия (т.е. в данном случае слоя 6) S-поляризованной составляющей трансформируемого потока излучения в P-поляризованную составляющую.

Рассматриваемые поляризационное светоделительное покрытие (функцию которого может выполнять, например, слой 6) и четвертьволновой фазосдвигающий слой 18 могут быть сформированы ранее указанным способом.

Такое конструктивное выполнение патентуемого оптического преобразователя расширяет его функциональные возможности за счет его использования дополнительно к основной функции (т.е. в качестве средства концентрации рассеянного /диффузного/ излучения или в качестве диффузионного /рассеивающего/ средства в случае преобразования направленного /коллимированного/ излучения) еще и в качестве средства поляризации трансформируемого рассеянного (диффузного) потока светового излучения.

Совершенно очевидно, что вышерассмотренные оптический элемент 1 и сформированный (в соответствии с п.5 формулы изобретения) на его основе вариант исполнения оптического преобразователя способны осуществлять трансформацию (в частности, коллимацию и диффузию), а также поляризацию потока излучения исключительно в одной плоскости, в частности в плоскости изображения соответствующих устройств на фигурах графических материалов.

Вариант исполнения патентуемого в соответствии с п.9 формулы изобретения оптического преобразователя отличается от варианта исполнения оптического преобразователя по п.5 формулы тем, что все формирующие этот второй вариант исполнения (т. е. вариант по п.9 формулы) оптические элементы 1 (или, что эквивалентно, преобразующие модули с расположенными на их соответствующих гранях отражателями 2) образуют общую сборку посредством последовательного сопряжения этих оптических элементов 1 по основаниям 5 и 10 разноименных наружных функциональных слоев 4 и 8 соответственно таким образом, что промежуточные функциональные слои 6 смежных оптических элементов 1 пространственно ориентированы один относительно другого под углом, близким или равным 90^o.

Наиболее эффективным является обеспечивать описанную выше сборку оптических элементов 1 из соответствующих сборок, сформированных в соответствии с вариантом конструктивного исполнения оптического преобразователя по п.5 формулы изобретения.

Такое конструктивное выполнение оптического преобразователя позволяет обеспечить трансформацию (в частности, коллимацию и диффузию), а также поляризацию пространственного потока излучения, что существенно расширяет функциональные возможности преобразователя и соответственно области его использования.

Совершенно очевидно, что:
- функциональные элементы (структуры 12) структурированной поверхности 3 отражателей 2 в рассматриваемом (согласно п.9 формулы) варианте исполнения оптического преобразователя (как и в предыдущих случаях) могут быть выполнены, например, в виде последовательности параллельных призматических структур треугольного профиля или в виде голограммного оптического средства, отражающие структуры которого сформированы с возможностью переотражения падающего трансформируемого потока излучения в соответствующем (вышеуказанном) направлении,
- каждый оптический элемент 1 рассматриваемого варианта исполнения оптического преобразователя может быть снабжен дополнительным оптически прозрачным функциональным слоем 14, который выполнен в виде последовательности параллельных призматических структур 15 с углом 2j при наиболее удаленных (от основания 10 соответствующего преобразующего модуля или соответственно функционального слоя 8) вершинах, равным удвоенному, минимальному по величине, углу j при вершине профиля второго функционального слоя 8 этого модуля; при этом в пространстве между упомянутыми структурами 15 должен быть размещен заполнитель 16 из оптически прозрачного для трансформируемого потока излучения материала; упомянутый дополнительный функциональный слой 14 должен быть расположен на выходных поверхностях коллимированного (в процессе трансформации) потока излучения, функции которых в рассматриваемом случае выполняют поверхности оснований 10 вторых, сопряженных с отражателями 2, функциональных слоев 8; кроме того, в рассматриваемом случае (как и в предыдущих) показатели преломления n₄ и n₅ материалов дополнительного функционального слоя 14 и материала заполнителя 16 соответственно, а также углы j и 2j при упомянутых вершинах вторых функциональных слоев 8 и призматических структур 15 слоя 14 должны быть связаны следующим соотношением:
n₄ · cos(2j) = n₅ · cosj;
- в каждом оптическом элементе 1 рассматриваемого оптического преобразователя промежуточный функциональный слой 6 может быть выполнен в виде поляризационного светоделительного покрытия, пропускающего при углах, близких к
критическому, P-поляризованную составляющую трансформируемого потока излучения; в этом случае на расположенной оппозитно упомянутому функциональному слою 6 грани 17 первого функционального слоя 4 каждого оптического элемента 1 должен быть сформирован четвертьволновой фазосдвигающий слой 18, функционально являющийся средством преобразования отраженной от поляризационного светоделительного покрытия (т.е. в данном случае слоя 6) S-поляриэованной составляющей трансформируемого потока излучения в P-поляризованную составляющую.

Конкретное выполнение вышеописанных дополнительных признаков данного рассматриваемого варианта исполнения оптического преобразователя, а также присущие им свойства аналогичны выполнению и свойствам идентичных признаков, которые подробно раскрыты выше при описании патентуемых объектов изобретения по п.1 и п.5 формулы изобретения, в связи с чем в настоящем разделе не требуют дополнительного разъяснения.

С физической точки зрения процесс трансформации (в том числе и поляризации) потока светового излучения во всех трех патентуемых объектах изобретения идентичен и осуществляется следующим образом.

Во-первых, следует отметить, что в основу рассматриваемого процесса трансформации (преобразования) потока светового излучения положен широко известный эффект полного внутреннего отражения на границе раздела двух разнородных сред. Полное внутреннее отражение электромагнитного излучения (в частности, светового), генерируемого источником, осуществляется в тех случаях, когда угол падения i светового луча равен или превосходит некоторый предельный (критический) угол i_кр. При i > i_кр преломление во вторую (оптически менее плотную) среду прекращается. Величина предельного (критического) угла i_кр падения электромагнитного излучения определяется из условия
i_кр = arcsin 1/n = arcsin (n₃/n₁)
где n - относительный показатель преломления сред;
n₁ - абсолютный показатель преломления первой, оптически более плотной, среды;
n₃ - абсолютный показатель преломления второй, оптически менее плотной, среды.

При полном внутреннем отражении электромагнитная энергия, излучаемая источником света, полностью возвращается в оптически более плотную среду. Поле во вторую, оптически менее плотную, среду проникает лишь на характерное расстояние порядка длины падающей волны, и его амплитуда экспоненциально затухает с удалением от границы раздела. В связи с этим, в частности, согласно изобретению и предусматривается ограничение в отношении минимальной толщины промежуточного функционального слоя 6. В частности, при выполнении промежуточного функционального слоя 6 толщиной порядка длины волны падающего излучения будет происходить следующее.

При углах падения i светового луча (на границу раздела сред), больших критического угла i_кр, неоднородная волна, образующаяся вблизи границы раздела, в значительной степени затухает в пределах толщины функционального слоя 6. Поэтому большая часть энергии световой волны будет переотражаться внутри наружного функционального слоя 4 (т.е. внутри фоклина), до тех пор, пока угол падения i светового луча не станет меньше критического угла i_кр. Далее вступают в силу законы Френеля, и при указанных выше соотношениях показателей преломления (n₂, n₁, n₃) материалов соответствующих функциональных слоев (а именно: n₂ ≥ n₁ > n₃) благодаря многократному переотражению потока излучения внутри функционального слоя 4 большая часть энергии излучения проникнет в функциональный слой 8, как только угол падения i станет меньше критического угла i_кр (т.е. при условии i < i_кр).

Следует также отметить, что коэффициент отражения при полном внутреннем отражении практически с высокой степенью точности равен единице. Кроме того, этот коэффициент не зависит от длины волны падающего излучения (при условии, что для этой длины волны полное внутреннее отражение вообще имеет место).

Предлагаемое изобретение, по существу, обеспечивает как преобразование углового пространственного спектра рассеянного (диффузного) потока излучения с целью его концентрации в более узкий диапазон углов обзора (и соответственно пропорционального повышению яркости наблюдаемого изображения в соответствующих устройствах в пределах указанного диапазона углов), так и обратный процесс преобразования, например коллимированного потока излучения в диффузный поток.

Схема распространения (в процессе преобразования с учетом эффекта полного внутреннего отражения), в частности, потока рассеянного (диффузного) излучения в коллимированный поток графически проиллюстрированы на фиг.1, в связи с чем дополнительных пояснений не требует. При этом, учитывая принцип обратимости хода световых лучей, данную фигуру 1 можно рассматривать и как иллюстрацию преобразования коллимированного потока светового излучения (входящего со стороны основания 10 функционального слоя 8) в рассеянный (диффузный) поток, выходящий со стороны основания 5. В этом случае необходимо лишь изменить обозначенное стрелками направление распространения лучей на противоположное.

Представленные на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 5 и фиг. 6 оптические элементы 1 и оптический преобразователь (как ранее указывалось) концентрируют (в рассматриваемых случаях коллимируют) световые лучи, рассеянные в вертикальной плоскости (т.е. в плоскости изображений на указанных чертежах). Для получения аналогичного эффекта коллимации и в горизонтальной плоскости смежные оптические элементы в оптическом преобразователе необходимо развернуть на 90^o. Скрещенные таким образом оптические элементы 1, размещенные по ходу лучей друг за другом (фиг.7 и фиг.8), концентрируют (коллимируют) весь рассеянный (диффузный) поток излучения (входящий со стороны основания 5) в пределах ограниченного телесного угла на выходе (т.е. через основание 10) преобразователя, повышая тем самым яркость наблюдаемого (в сконцентрированном потоке) изображения, например, на экране ЖК-дисплея пропорционально квадрату отношения входной и выходной апертур. Экспериментальные исследования подтверждают, что даже с учетом существующих в оптических элементах 1 (и соответственно в сформированных на их основе оптических преобразователях) потерь на отражение, рассеяние и поглощение света яркость визуально воспринимаемого в рассматриваемом потоке излучения изображения в ограниченной области углов обзора может быть увеличена, по крайней мере, на порядок.

В соответствии с изобретением патентуемые объекты могут быть функционально использованы не только для коллимации (концентрации) или диффузии проходящего через них потока излучения, но и в качестве поляризаторов этого потока излучения. Это достигается, например, благодаря использованию в рассматриваемых оптических элементах 1 в качестве промежуточного функционального слоя 6 поляризационного светоделительного покрытия, пропускающего при углах, близких к критическому, P-поляризованную составляющую, а также четвертьволнового фазосдвигающего слоя 18, нанесенного на нижнюю боковую грань 17 первого функционального слоя 4 (фоклина), который (т.е. слой 18) обеспечивает преобразование отраженной от поляризационного покрытия (т.е. слоя 6) S-поляризованной составляющей в P-поляризованную, в дальнейшем также проходящую через поляризационное светоделительное покрытие.

Таким образом, все рассеянное излучение на выходе оптического элемента 1 (или, что эквивалентно, оптического преобразователя на его основе) становится линейно поляризованным практически без потерь. При наличии таких свойств у скрещенных (согласно варианту исполнения по п.9 формулы изобретения) оптических элементов 1 (см. фиг.7 и фиг. 8) или их соответствующих (см.фиг. 5 и фиг. 6) сборок они фактически могут выполнять роль скрещенных поляризаторов в традиционных жидкокристаллических дисплеях. Следовательно, поместив между такими скрещенными сборками оптических элементов 1 ЖК-модуль (жидкокристаллический модуль), можно получить высокоэффективный жидкокристаллический дисплей, работающий от естественного рассеянного света даже в условиях сравнительно малых интенсивностей светового потока (например, в сумерки).

Ясно также, что наблюдать такое изображение (т.е. изображение, визуально воспринимаемое в сконцентрированном /коллимированном/ потоке излучения) можно только в пределах относительно узкой зоны обзора, и если размеры ЖК-дисплея достаточно велики, то целесообразно для сведения лучей в глаз наблюдателя применять концентрирующее устройство (например, линзу Френеля) на выходе оптического элемента 1 или оптического преобразователя на его основе либо делать выходные поверхности преобразователей цилиндрическими с общим центром кривизны на расстоянии наилучшего восприятия изображения с экрана дисплея.

Используемый в патентуемых оптическом элементе 1 и в различных вариантах оптических преобразователей преобразующий модуль промышленно может быть реализован следующим способом.

В отличие от известных из уровня техники способов изготовления усиливающих (или рассеивающих) свет пленок с глубоким рельефом целесообразно реализовывать сборку преобразующих модулей из последовательного набора отдельных функциональных элементов (т.е. слоев 4 и 8). Набор таких функциональных элементов может быть выполнен из необходимого материала в виде лент 20 и 21, профиль сечения которых соответствует последовательно повторяемому по длине этих лент профилю сечения первого и второго функциональных слоев 4 и 8 преобразующих модулей оптических элементов 1. При толщине отдельного функционального слоя 4 или 8 от 0,1 до 0,4 мм и клиновидности на уровне 0,1-0,2 длина упомянутых слоев 4 или 8 не превышает 4 мм и на длине ленты в 400 мм может быть размещено не менее 100 таких функциональных слоев. Две такие ленты с одинаковым (ответным) клиновидным рельефом на одной из сторон из материалов с необходимыми показателями преломления (n₁ и n₂) отличаются только тем, что на одной из них (ленте 21) сформирована структурированная поверхность 3 в виде светоотражательных структур 12. Для упрощения дальнейшей обработки на лентах 20 и 21 делаются сквозные просечки с шагом, соответствующим шагу рельефа функциональных элементов (т.е. слоев 4 и 8), и длиной, несколько большей ширины формируемых из этих элементов преобразующих модулей. Обработанные вышеописанным образом ленты 20 и 21 (пленки) склеивают друг с другом попарно (совмещая профили функциональных слоев) посредством адгезива с необходимым показателем преломления n₃. Далее, при необходимости сформированную таким образом последовательность оптических элементов 1 собирают в пакеты (сборки) необходимой высоты и осуществляют разрезку (по пунктирным линиям 22 и 23), получая отдельные оптические преобразователи. Затем, при необходимости полируют выходную поверхность (основание 10 второго функционального слоя 8) преобразуемого светового потока. Легко заметить, что предложенный способ изготовления оптических элементов 1 и преобразователей на их основе не требует получения высокоточных глубоких рельефов (соотношение глубина/шаг 10/20) и может быть промышленно реализован на серийном технологическом оборудовании.

Таким образом, заявленные объекты изобретения могут быть промышленно реализованы в области оптического приборостроения, в частности, в качестве оптических преобразователей, способных одновременно осуществлять как коллимацию рассеянного (диффузного) излучения и сведения этого излучения в ограниченный телесный угол, так и диффузию направленного светового пучка (а также в качестве средств поляризации светового потока), и могут быть преимущественно использованы как основное средство системы подсветки экранов (например, ЖК-дисплеев) устройств визуального отображения информации, а также в иных областях техники.

Формула изобретения

1. Оптический элемент для трансформации потока светового излучения, включающий трехслойный преобразующий модуль, каждый функциональный слой которого выполнен из оптически прозрачного для упомянутого излучения материала, а также отражатель излучения со структурированной поверхностью; профиль первого наружного функционального слоя упомянутого модуля в плоскости распространения трансформируемого потока излучения имеет форму клина; промежуточный функциональный слой сопряжен с одной из наклонных к основанию упомянутого клинового профиля боковых граней первого наружного функционального слоя и выполнен с толщиной, соизмеримой с длиной волны трансформируемого излучения; второй наружный функциональный слой одной из своих боковых граней сопряжен с поверхностью промежуточного функционального слоя; отражатель со структурированной поверхностью сформирован на одной из граней второго наружного функционального слоя, которая расположена оппозитно промежуточному функциональному слою и не сопряжена с последним, при этом показатели преломления материалов упомянутых первого, второго и промежуточного функциональных слоев удовлетворяют следующему условию:
n₂ ≥ n₁ > n₃,
где n₂ - показатель преломления материала второго наружного функционального слоя;
n₁ - показатель преломления материала первого наружного функционального слоя;
n₃ - показатель преломления материала промежуточного функционального слоя,
отличающийся тем, что соответствующий профиль второго наружного функционального слоя в упомянутой плоскости распространения трансформируемого потока излучения выполнен близким или идентичным по форме ранее упомянутому профилю первого наружного функционального слоя; сопряжение второго наружного функционального слоя с поверхностью промежуточного функционального слоя осуществлено по грани, наклоненной к основанию упомянутого второго функционального слоя; функциональные слои пространственно ориентированы один относительно другого таким образом, что сформированный ими трехслойный преобразующий модуль имеет форму четырехгранной призмы, основаниями которой являются основания наружных функциональных слоев, а параметры и пространственная ориентация функциональных элементов структурированной поверхности отражателя выбраны из условия обеспечения переотражения потока излучения, падающего на нее со стороны основания одного из наружных функциональных слоев, по направлению к основанию, соответственно, другого наружного функционального слоя.

2. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что функциональные элементы структурированной поверхности отражателя выполнены в виде последовательности параллельных призматических структур треугольного профиля, плоскости оснований которых ориентированы вдоль плоскости распространения трансформируемого потока излучения перпендикулярно, по меньшей мере, одному из оснований сформированного функциональными слоями трехслойного преобразующего модуля.

3. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным оптически прозрачным функциональным слоем, который выполнен в виде последовательности параллельных призматических структур с углом при наиболее удаленных от соответствующего основания преобразующего модуля вершинах, равным удвоенному, минимальному по величине, углу при вершине профиля второго функционального слоя, пространство между которыми заполнено диэлектрическим материалом; упомянутый дополнительный функциональный слой расположен на выходной поверхности коллимированного в процессе трансформации потока излучения, функцию которой выполняет поверхность основания второго, сопряженного с отражателем, функционального слоя, при этом показатели преломления материалов дополнительного функционального слоя и диэлектрического материала заполнителя, а также углы при упомянутых вершинах второго функционального слоя и призматических структур связаны следующим соотношением:
n₄ · cos(2j) = n₅ · cosj,
где n₄ - показатель преломления материала дополнительного функционального слоя;
(2j) - угол при упомянутых вершинах призматических структур дополнительного функционального слоя;
n₅ - показатель преломления диэлектрического материала заполнителя;
j - угол при упомянутой вершине профиля второго функционального слоя.

4. Оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что промежуточный функциональный слой выполнен в виде поляризационного светоделительного покрытия, пропускающего при углах, близких к критическому, Р-поляризованную составляющую трансформируемого потока излучения, а на расположенной оппозитно упомянутому функциональному слою грани первого функционального слоя сформирован четвертьволновой фазосдвигающий слой, функционально являющийся средством преобразования отраженной от поляризационного светоделительного покрытия S-поляризованной составляющей трансформируемого потока излучения в P-поляризованную составляющую.

5. Оптический преобразователь потока светового излучения, включающий, по меньшей мере, два оптических элемента, один из которых сформирован в виде трехслойного преобразующего модуля, функциональные слои которого выполнены из оптически прозрачного для упомянутого излучения материала, а также отражатель излучения со структурированной поверхностью; профиль первого наружного функционального слоя упомянутого модуля в плоскости распространения трансформируемого потока излучения имеет форму клина; промежуточный функциональный слой сопряжен с одной из наклоненных к основанию упомянутого клинового профиля боковых граней первого наружного функционального слоя и выполнен с толщиной, соизмеримой с длиной волны трансформируемого излучения; второй наружный функциональный слой одной из своих боковых граней сопряжен с поверхностью промежуточного функционального слоя; отражатель со структурированной поверхностью сформирован на одной из граней второго наружного функционального слоя, которая расположена оппозитно промежуточному функциональному слою и не сопряжена с последним, при этом показатели преломления материалов упомянутых первого, второго и промежуточного функциональных слоев удовлетворяют следующему условию:
n₂ ≥ n₁ > n₃,
где n₂ - показатель преломления материала второго наружного функционального слоя;
n₁ - показатель преломления материала первого наружного функционального слоя;
n₃ - показатель преломления материала промежуточного функционального слоя,
отличающийся тем, что все оптические элементы выполнены конструктивно идентичными, соответствующий профиль второго наружного функционального слоя каждого преобразующего модуля в упомянутой плоскости распространения трансформируемого потока излучения выполнен близким или идентичным по форме ранее упомянутому профилю первого наружного функционального слоя; сопряжение второго наружного функционального слоя с поверхностью промежуточного функционального слоя в каждом преобразующем модуле осуществлено по грани, наклоненной к основанию упомянутого второго функционального слоя; функциональные слои в упомянутых модулях пространственно ориентированы один относительно другого таким образом, что сформированный ими трехслойный преобразующий модуль имеет форму четырехгранной призмы, основаниями которой являются основания наружных функциональных слоев; параметры и пространственная ориентация функциональных элементов структурированной поверхности отражателя в каждом оптическом элементе выбраны из условия обеспечения переотражения потока излучения, падающего на эту поверхность со стороны основания одного из наружных функциональных слоев, по направлению к основанию, соответственно, другого наружного функционального слоя этого же преобразующего модуля; все преобразующие модули с расположенными на их соответствующих гранях отражателями образуют общую сборку посредством параллельного сопряжения этих модулей по боковым граням таким образом, что основания одноименных наружных функциональных слоев расположены в одной плоскости и все промежуточные функциональные слои параллельны один другому, при этом на тех гранях преобразующих модулей, которые сопряжены со структурированными поверхностями отражателей смежных преобразующих модулей, сформировано покрытие из материала с показателем преломления, не превышающим показатель преломления материала промежуточного функционального слоя.

6. Оптический преобразователь по п.5, отличающийся тем, что функциональные элементы структурированной поверхности отражателей выполнены в виде последовательности параллельных призматических структур треугольного профиля, плоскости оснований которых ориентированы вдоль плоскости распространения трансформируемого потока излучения перпендикулярно, по меньшей мере, одному из оснований сформированного соответствующими функциональными слоями трехслойного преобразующего модуля.

7. Оптический преобразователь по п.5, отличающийся тем, что каждый оптический элемент снабжен дополнительным оптически прозрачным функциональным слоем, который выполнен в виде последовательности параллельных призматических структур с углом при наиболее удаленных от основания соответствующего преобразующего модуля вершинах, равным удвоенному, минимальному по величине, углу при вершине профиля второго функционального слоя этого модуля, пространство между которыми заполнено диэлектрическим материалом; упомянутый дополнительный функциональный слой расположен на выходной поверхности коллимированного в процессе трансформации потока излучения, функцию которой выполняет поверхность основания второго, сопряженного с отражателем, функционального слоя, при этом показатели преломления материалов дополнительного функционального слоя и диэлектрического материала заполнителя, а также углы при упомянутых вершинах второго функционального слоя и призматических структур связаны следующим соотношением:
n₄ · cos(2j) = n₅ · cosj,
где n₄ - показатель преломления материала дополнительного функционального слоя;
(2j) - угол при упомянутых вершинах призматических структур дополнительного функционального слоя;
n₅ - показатель преломления диэлектрического материала заполнителя;
j - угол при упомянутой вершине профиля второго функционального слоя.

8. Оптический преобразователь по п.5, отличающийся тем, что промежуточный функциональный слой каждого преобразующего модуля выполнен в виде поляризационного светоделительного покрытия, пропускающего при углах, близких к критическому, Р-поляризованную составляющую трансформируемого потока излучения, а на расположенной оппозитно упомянутому функциональному слою грани первого функционального слоя каждого преобразующего модуля сформирован четвертьволновой фазосдвигающий слой, функционально являющийся средством преобразования отраженной от поляризационного светоделительного покрытия S-поляризованной составляющей трансформируемого потока излучения в Р-поляризованную составляющую.

9. Оптический преобразователь потока светового излучения, включающий, по меньшей мере, два оптических элемента, один из которых сформирован в виде трехслойного преобразующего модуля, функциональные слои которого выполнены из оптически прозрачного для упомянутого излучения материала, а также отражатель излучения со структурированной поверхностью; профиль первого наружного функционального слоя упомянутого модуля в плоскости распространения трансформируемого потока излучения имеет форму клина; промежуточный функциональный слой сопряжен с одной из наклоненных к основанию упомянутого клинового профиля боковых граней первого наружного функционального слоя и выполнен с толщиной, соизмеримой с длиной волны трансформируемого излучения; второй наружный функциональный слой одной из своих боковых граней сопряжен с поверхностью промежуточного функционального слоя; отражатель со структурированной поверхностью сформирован на одной из граней второго наружного функционального слоя, которая расположена оппозитно промежуточному функциональному слою и не сопряжена с последним, при этом показатели преломления материалов упомянутых первого, второго и промежуточного функциональных слоев удовлетворяют следующему условию:
n₂ ≥ n₁ > n₃,
где n₂ - показатель преломления материала второго наружного функционального слоя;
n₁ - показатель преломления материала первого наружного функционального слоя;
n₃ - показатель преломления материала промежуточного функционального слоя,
отличающийся тем, что все оптические элементы выполнены конструктивно идентичными, соответствующий профиль второго наружного функционального слоя каждого преобразующего модуля в упомянутой плоскости распространения трансформируемого потока излучения выполнен близким или идентичным по форме ранее упомянутому профилю первого наружного функционального слоя; сопряжение второго наружного функционального слоя с поверхностью промежуточного функционального слоя в каждом преобразующем модуле осуществлено по грани, наклоненной к основанию упомянутого второго функционального слоя; функциональные слои в упомянутых модулях пространственно ориентированы один относительно другого таким образом, что сформированный ими трехслойный преобразующий модуль имеет форму четырехгранной призмы, основаниями которой являются основания наружных функциональных слоев; параметры и пространственная ориентация функциональных элементов структурированной поверхности отражателя в каждом оптическом элементе выбраны из условия обеспечения переотражения потока излучения, падающего на эту поверхность со стороны основания одного из наружных функциональных слоев, по направлению к основанию, соответственно, другого наружного функционального слоя этого же преобразующего модуля; все преобразующие модули с расположенными на их соответствующих гранях отражателями образуют общую сборку посредством последовательного сопряжения этих модулей по основаниям разноименных наружных функциональных слоев таким образом, что промежуточные функциональные слои смежных модулей пространственно ориентированы один относительно другого под углом, близким или равным 90^o.

10. Оптический преобразователь по п.9, отличающийся тем, что функциональные элементы структурированной поверхности отражателей выполнены в виде последовательности параллельных призматических структур треугольного профиля, плоскости оснований которых ориентированы вдоль плоскости распространения трансформируемого потока излучения перпендикулярно, по меньшей мере, одному из оснований сформированного соответствующими функциональными слоями трехслойного преобразующего модуля.

11. Оптический преобразователь по п. 9, отличающийся тем, что каждый оптический элемент снабжен дополнительным оптически прозрачным функциональным слоем, который выполнен в виде последовательности параллельных призматических структур с углом при вершинах, наиболее удаленных от основания соответствующего преобразующего модуля, равным удвоенному, минимальному по величине углу при вершине профиля второго функционального слоя этого модуля, пространство между которыми заполнено диэлектрическим материалом; упомянутый дополнительный функциональный слой расположен на выходной поверхности коллимированного в процессе трансформации потока излучения, функцию которой выполняет поверхность основания второго, сопряженного с отражателем, функционального слоя, при этом показатели преломления материалов дополнительного функционального слоя и диэлектрического материала заполнителя, а также углы при упомянутых вершинах второго функционального слоя и призматических структур связаны следующим соотношением:
n₄ · cos(2j) = n₅ · cosj,
где n₄ - показатель преломления материала дополнительного функционального слоя;
(2j) - угол при упомянутых вершинах призматических структур дополнительного функционального слоя;
n₅ - показатель преломления диэлектрического материала заполнителя;
j - угол при упомянутой вершине профиля второго функционального слоя.

12. Оптический преобразователь по п.9, отличающийся тем, что промежуточный функциональный слой каждого преобразующего модуля выполнен в виде поляризационного светоделительного покрытия, пропускающего при углах, близких к критическому, Р-поляризованную составляющую трансформируемого потока излучения, а на расположенной оппозитно упомянутому функциональному слою грани первого функционального слоя каждого преобразующего модуля сформирован четвертьволновой фазосдвигающий слой, функционально являющийся средством преобразования отраженной от поляризационного светоделительного покрытия S-поляризованной составляющей трансформируемого потока излучения в Р-поляризованную составляющую.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 14.05.2007

Извещение опубликовано: 27.07.2008        БИ: 21/2008

---