聚光用的光学元件和针对聚光用的光学元件的制造方法与流程

本发明涉及一种聚光用的光学元件。同样，本发明涉及一种光谱仪和一种移动设备。此外，本发明涉及一种针对聚光用的光学元件的制造方法。

背景技术：

在us9,316,540b1中作为一种实施方式说明了一种光谱仪，该光谱仪作为光入射光学器件/正面光学器件具有光聚集的透镜和光圈。在所述光入射光学器件/正面光学器件的后面布置了扩散器。

技术实现要素：

本发明提供一种具有权利要求1的特征的聚光用的光学元件、一种具有权利要求9的特征的光谱仪、一种具有权利要求10的特征的移动设备以及一种具有权利要求11的特征的针对聚光用的光学元件的制造方法。

本发明能够将扩散器集成到聚光用的光学元件中。所述按本发明的光学元件由此能够附加地履行扩散器的功能，由此能够节省依照传统附加地需要的扩散器。因此，借助于本发明能够实现具有聚光用的光学元件的光学装置，其中借助于所述聚光用的光学元件能够产生扩散光，尽管相应的光学装置没有传统的扩散器。由于借助于本发明而无缺点地取消传统的扩散器，相应的光学装置能够成本比较低廉地、比较容易地和/或用较小的结构空间需求来制造。本发明由此使相应的光学装置的微型化变得容易。

借助于本发明提供的光学元件能够被称为扩散器-聚集器。它能够用在许多方面。

在所述光学元件的一种有利的实施方式中，所述光透射体在第一侧面上具有一带有第一面积的光采集面并且在第二侧面上具有一带有比第一面积小的第二面积的光出射面。所述光学元件由此能够有利地用于将通过光入射开口入射的光聚集到较小的布置在光出射开口的后面的输入口径、像比如光谱仪的输入口径上。

此外，能够定义至少一条从光采集面延伸到光出射面的并且与光透射体相交的中心纵轴线，其中所述光透射体的扩散性分布能够关于中心纵轴线旋转对称。由此，所述光透射体具有各向异性的扩散性分布，所述各向异性的扩散性分布不仅有利地用于产生扩散光而且有利地用于聚集所产生的扩散光。

所述带有第一扩散性的第一部分区域能够附加地处于光出射面上并且具有变化的层厚度，所述层厚度在所述中心纵轴线处最小并且在至少一个反射性的部分表面处最大，而所述带有至少第二扩散性的第二部分区域则处于光采集面上并且具有变化的层厚度，所述层厚度在所述中心纵轴线处最大并且在所述至少一个反射性的部分表面处最小。如下面要详细解释的那样，这样的光透射体能够比较容易地制成。

作为可选的改进方案，所述光透射体的第二部分区域能够具有层压结构，该层压结构由围绕着中心纵轴线伸展的、带有不同的扩散性的层压层所构成。这样的光透射体也能够比较容易地制成。

优选所述光透射体至少部分地由至少一种针对预先给定的波长范围透射的母体材料形成，所述母体材料与将预先给定的波长范围散射的颗粒和/或气泡相混合，所述颗粒和/或气泡作为至少一种针对预先给定的波长范围扩散的介质来形成。比如，所述光透射体能够具有用作至少一种针对预先给定的波长范围透射的母体材料的pdms、pmma和/或su8和/或作为将预先给定的波长范围散射的颗粒的聚苯乙烯颗粒和/或二氧化钛颗粒、二氧化硅颗粒、密胺树脂颗粒。由此，能够将成本低廉的并且能够容易地处理的材料用于制造所述光透射体。

在所述光学元件的另一种有利的实施方式中，所述光透射体至少部分地由至少一种作为至少一种针对预先给定的波长范围扩散的介质的、多孔的材料形成。所述局部的扩散性在这种情况下可以容易地借助于在所述多孔的材料中构造的气孔的变化的气孔大小来改变。

前面所描述的优点比如在具有这样的光学元件的光谱仪中来实现。如下面要详细解释的那样，大量不同的光谱仪类型能够配备有相应的光学元件。由此，本发明能够用在许多方面。

一种具有相应的光学元件和/或这样的光谱仪的移动设备经常也具有上面所描述的优点。因为本发明使光学装置的微型化变得容易，本发明也为移动设备/可携带的设备、像比如移动电话或智能手机的微型化作贡献。此外，本发明使配备有按本发明的光学元件的光学装置/光谱仪的、在相应的移动设备/可携带的设备中的集成变得容易。

此外，相应的针对聚光用的光学元件的制造方法的实施也实现上面已经解释的优点。要明确指出，所述制造方法能够按照所述光学元件的上面所解释的实施方式来改进。

附图说明

下面借助于附图对本发明的另外的特征和优点进行解释。其中：

图1示出了聚光用的光学元件的第一种实施方式的示意图；

图2示出了聚光用的光学元件的第二种实施方式的示意图；

图3示出了光谱仪的第一种实施方式的示意图；

图4示出了光谱仪的第二种实施方式的示意图；并且

图5a到5f示出了用于解释针对聚光用的光学元件的制造方法的一种实施方式的示意性的横截面。

具体实施方式

下面所使用的概念“扩散性”应该是指一种用于光如何“定向地”在由所述光透射的、由至少一种扩散的介质（非定向的）构成的本体中传播。所述扩散性直接与所述透射的光的两个散射事件之间的中等的自由的行程长度成比例。各个光子的定向的光速保持未受散射事件的影响。

图1示出了所述聚光用的光学元件的第一种实施方式的示意图。

所述在图1中示意性地示出的光学元件10被设计用于使处于预先给定的波长范围内的光聚集。所述相应的波长范围比如能够是光谱、400nm（纳米）到1100nm（纳米）的波长范围、780nm（纳米）到1100nm（纳米）的波长范围、1100nm（纳米）到2500nm（纳米）的波长范围、400nm（纳米）到2500nm（纳米）的波长范围或者780nm（纳米）到2500nm（纳米）的波长范围。但是，这里所列举的波长范围只应该示例性地来解释。

所述光学元件10包括保持套筒12，该保持套筒如此成形，使得光通流体积被所述保持套筒12的至少一个反射性的部分表面12a所包围。“保持套筒12”优选应该是指“稳定性的”保持套筒12。所述保持套筒12的、至少一个将光通流体积包围的反射性的部分表面12a也能够被解释为“反射性的侧壁”。比如所述保持套筒12能够（完全）由至少一种反射（预先给定的波长范围）的材料、比如尤其是金属、半导体、塑料（比如ptfe/聚四氟乙烯或者spectralon和/或陶瓷（比如accuratusaccuflect）来形成。同样，所述至少一个反射（预先给定的波长范围）的层能够被施加到所述保持套筒12的至少一个反射性的部分表面12a上。所述至少一个反射（预先给定的波长范围）的层尤其能够是由多个反射（预先给定的波长范围）的层构成的层叠或者是布拉格镜。

所述光学元件10具有光透射体14，所述光通流体积至少部分地/完全地用所述光透射体来填充。所述光透射体14至少针对预先给定的波长范围是透射的。所述光透射体14尤其能够至少针对预先给定的波长范围是透明的。所述光透射体14附加地至少部分地由至少一种针对预先给定的波长范围的扩散的介质来形成，其中所述光透射体14具有至少一个带有（至少）一种第一扩散性d1的第一部分区域16a和带有（至少）一种与第一扩散性d1有别的第二扩散性d2的第二部分区域16b。由于所述光透射体14由至少一种（针对预先给定的波长范围）扩散的介质构成，所述光学元件10有利地适合用于产生具有（基本上）均匀的角度分布的扩散光。所述光学元件10由此适合用在大量的、需要尽可能均匀的强度及角度分布的光学系统中。同时，所述光学元件10由于在其光透射体14的至少两个部分区域16a和16b中的不同的扩散性d1和d2而能够有利地用于使处于预先给定的波长范围内的光聚集。它尤其适合用于将处于预先给定的波长范围内的光从较大的表面聚集到较小的表面上并且尽管如此使其输出角分布均匀。所述光学元件10因此能够被称为扩散器-聚集器。

相对于光学透镜，所述能够称为扩散器-聚集器的光学元件10以该光学元件10的同时极小的结构高度提供其“光采集效率”的提高。优选所述保持套筒12/光透射体14如此成形，使得所述光通流体积/光透射体14在第一侧面上具有一带有第一面积的光入射开口/光采集面18并且在第二侧面上具有一带有比第一面积小的第二面积的光出射开口/光出射面20。所述光入射开口/光采集面18与所述光出射开口/光出射面20之间的、能够称为光学元件10的结构高度的间距比如能够小于所述光入射开口/光采集面18的最大伸展度和/或所述光出射开口/光出射面20的最大的伸展度。尤其所述光入射开口/光采集面18与所述光出射开口/光出射面20之间的间距能够小于光入射开口/光采集面18的最大伸展度的一半和/或小于所述光出射开口/光出射面20的最大伸展度的一半。

所述开口/表面18和20比如能够是圆形的、椭圆形的、正方形的和/或矩形的。所述光通流体积/光透射体14由此能够具有截锥形的或者棱锥形的几何形状。所述开口/表面18和20同样能够受到一般的多边形导线的限制。所述光入射开口/光采集面18的第一面积比如能够在15mm²（平方毫米）与50mm²（平方毫米）之间。所述光出射开口/光出射面20的第二面积比如能够在3mm²（平方毫米）到50mm²（平方毫米）之间。比如，由所述第一面积除以所述第二面积构成的商能够在2到8的范围内。

所述光学元件10由于其较小的结构高度、其较小的开口/表面18和20以及其作为扩散器-聚集器的资格而能够实现用其来装备的光学装置的极其紧凑的构造。另外，所述光学元件10的有利的特性使用其来装备的光学装置的微型化变得容易。所述能用作扩散器-聚集器的光学元件10比如能够用于（微型化的）光谱仪的输入口径。

在图1的实施例中，所述光透射体14具有由仅仅两个带有不同的扩散性d1和d2的部分区域16a和16b构成的层结构。此外，对于所述光学元件10来说，能够定义从光入射开口/光采集面18延伸到光出射开口/光出射面20的并且与光透射体14相交的中心纵轴线22，其中所述光透射体14的扩散性分布关于中心纵轴线22旋转对称。所述带有第一扩散性d1的第一部分区域16a处于光出射面20上并且因此能够被称为所述光透射体14的出射区域16a。所述出射区域16a具有（垂直于光出射面20定向的）变化的层厚度，其中所述出射区域16a的层厚度在所述中心纵轴线22处最小（比如趋向于零）并且在至少一个反射性的部分表面12a处最大。所述带有第二扩散性d2的第二部分区域16b（其处于光采集面18上并且是能够称为光透射体14的入射区域16b），相应地同样具有（垂直于光采集面18定向的）变化的层厚度。所述光透射体14的入射区域16b的（垂直于光采集面18定向的）变化的层厚度在所述中心纵轴线22处最大并且在所述保持套筒12的至少一个反射性的部分表面12a处变得最小（比如等于零）。

对于所述在图1中示出的光透射体14来说，所述第二扩散性d2大于所述第一扩散性d1。图1的光透射体14由此具有各向异性的取决于方向的扩散性分布，其引起通过光透射体14来透射的光从较大的光采集面28到较小的光出射面20上并且可能到布置在其后面的输入口径上的聚集。所述光学元件10因此能够较好地用作扩散器-聚集器。在传统的扩散器中惯常使用的扩散的介质通常具有各向同性的扩散性/扩散性分布。光传播因此在传统的扩散器中通常朝所有方向“一样快地”进行。

为了确定/调节所述光透射体14中的扩散性分布/（局部的）扩散性d1和d2，能够利用随机布置的散射中心，所述散射中心引起通过光透射体14透射的光的多次散射并且引起其传播方向的随机化。（所述散射中心也能够被解释为“介电的散射器”）。所述（局部的）扩散性d1或者d2（由于其与两个散射事件之间的中等的自由的行程长度的比例性）而与随机布置在光透射体14中的散射中心的局部的聚集c1和c2成反比。在图1的实施例中，所述带有第一扩散性d1的第一部分区域16a具有随机布置的散射中心的局部的第一聚集度c1，该第一聚集度大于所述带有第二扩散性d2的第二部分区域166的随机布置的散射中心的局部的第二聚集度c2。

优选所述光透射体14至少部分地由至少一种针对预先给定的波长范围透射的/透明的母体材料所构成，所述母体材料与将预先给定的波长范围散射的颗粒和/或气泡/或空气泡（作为散射中心）相混合，（作为至少一种针对预先给定的波长范围扩散的介质）来形成。（如上面已经提到的那样，在这种情况中，所述光透射体14的至少两个部分区域16a和16b具有散射性的颗粒和/或气泡的不同的聚集度c1和c2）。所述光透射体14的至少两个部分区域16a和16b能够要么由至少一种相同的母体材料形成要么由不同的母体材料形成。）比如，能够将pdms（聚二甲基硅氧烷）、pmma（聚甲基丙烯酸甲酯）和/或su8（microchemcorp.公司的光刻胶）用作至少一种针对预先给定的波长范围透射的/透明的母体材料。所述光透射体14比如能够具有用作将预先给定的波长范围散射的颗粒的聚苯乙烯颗粒和/或二氧化钛颗粒（tio2）、二氧化硅颗粒（sio2）、密胺树脂颗粒（mf）。由此，能够将成本低廉的并且能够容易加工的材料用于形成所述光透射体14。

作为替代方案，所述光透射体14也能够至少部分地由至少一种多孔的材料（作为至少一种针对预先给定的波长范围扩散的介质）来形成。比如，硅能够用作所述至少一种多孔的材料。在这种情况下，所述光透射体14的至少两个部分区域16a和16b具有气孔的不同的聚集度c1和c2和/或有别的中等的气孔直径。所述光透射体14的至少两个部分区域16a和16b能够要么由至少一种相同的多孔的材料形成要么由不同的多孔的材料形成。

所述光学元件10的上面所描述的组件能够布置/构造在针对预先给定的波长范围透射的/透明的基片24上。但是，所述光学元件10也能够在没有基片24的情况下存在。

图2示出了聚光用的光学元件的第二种实施方式的示意图。

在图2中示意性地示出的光透射体14具有上面已经描述的带有第二扩散性d2的入射区域16b，其中所述入射区域16b处于光采集面18上并且具有（垂直于光采集面18定向的）变化的层厚度，该层厚度在中心纵轴线22处最大并且在保持套筒12的至少一个反射性的部分表面12a处变得最小（比如趋向于零）。但是，与前面所描述的实施方式不同的是，图2的光透射体14的出射区域16c到16f具有层压结构，所述层压结构由围绕着中心纵轴线22伸展的、带有不同的扩散性d3到d6的层压层16c到16f所构成。（所述由层压层16c到16f形成的出射区域16c到16f再度具有（垂直于光出射面20定向的）变化的层厚度，该层厚度在所述中心纵轴线22处变得最小（比如趋向于零）并且在至少一个反射性的部分表面12a处最大。）所述层压层16c到16f的扩散性d3到d6能够如此构造，使得具有比第二扩散性d2低的扩散性d4的层压层16d分别处于两个分别具有比第二扩散性d2高的扩散性d3和d5的层压层16c和16e之间，并且具有比第二扩散性d2高的扩散性d5的层压层16e分别处于两个分别具有比第二扩散性d2低的扩散性d4和d6的层压层16d和16f之间。简化地讲，所述扩散性d3和d5和/或所述扩散性d4和d6能够分别相同。处于出射区域16c到16f的中心处的“较高的”扩散性d3的图示仅仅是示例性的；作为替代方案，“较低的”扩散性也能够构造在中心处。相应地，要么所述局部的聚集度c3和c5能够小于所述局部的聚集度c2并且所述局部的聚集度c4和c6能够大于所述局部的聚集度c2，要么所述局部的聚集度c3和c5能够大于所述局部的聚集度c2并且所述局部的聚集度c4和c6能够小于所述局部的聚集度c2。

沿着层压层16c到16f的光传播由此优选相对于垂直于层压层16c到16f的光传播来进行。因此，所述层压层16c到16f的相对于光出射面20的中心的定向引起通过光透射体14扩散的光的光聚集。因此，图2的光学元件也较好地适合用作扩散器-聚集器。

关于图2的光学元件10的另外的特征，要参照前述实施方式。

在取代如借助于前述实施例所解释的那样的光透射体14的层结构的情况下，所述光透射体14也能够比如借助于散射中心的局部的聚集度的逐渐的变化而具有局部的扩散性的逐渐的变化。

图3示出了光谱仪的第一种实施方式的示意图。

在图3中示意性地示出的光谱仪示例性地是静止的傅里叶变换光谱仪。作为输入口径，所述光谱仪具有作为扩散器-聚集器来构造的光学元件10。但是，作为替代方案，这样的光学元件也能够用在光谱仪/微型光谱仪的光路中。

在与所述光学元件10/其光透射体14的光出射面20相邻的地方安置了偏光器30，该偏光器使从光透射体14中出射的光以相对于图面的45°的角度）偏振。在所述偏光器30的后面布置了由两个不同定向的双重折射的晶体所构成的萨瓦特元件32（savart-element），所述晶体将偏振的光分裂为（相对于图面）平行地/水平地偏振的光束和（相对于图面）垂直地/竖直地偏振的光束。这两股光束按偏振和入射角而通过从所述萨瓦特元件32的两个双重折射的晶体穿过不一样长的光程。所述两股光束之间的光学的行程长度差由此取决于从光学元件10中出射的光的入射角。随后，另一个偏振器34又将所述两股光束投影到一起（以相对于图面的45°的角度），以便所述两股光束的光能够彼此干涉。随后，透镜系统36将所有具有相同的入射角的光束投影到探测器阵列38的相同的探测区域上。按相位差，所述光建设性地或者破坏性地进行干涉。由此，借助于探测器阵列38来获得2d干涉图样，由所述2d干涉图样借助于傅里叶变换能够确定光谱。

图3的光谱仪配备有光学元件10，这保证均匀地照亮布置在光学元件10后面的光谱仪组件30到36。由于出射到较大的光采集面18上的光聚集到明显更小的光出射面20上而能够制造具有较小的体积的“光线强的”光谱仪。

图4示出了光谱仪的第二种实施方式的示意图。

借助于图4示出的光谱仪类型作为输入口径具有作为扩散器-聚集器来构造的光学元件10。对于这种光谱仪类型来说，作为替代方案，所述光学元件10也能够用在光路中。

入射的光首先借助于所述光学元件10在强度和角度方面进行均匀分布。从所述光学元件10中出射的光以可选的方式借助于带通滤波器40来进行滤波。在所述（可选的）带通滤波器40的后面布置了取决于角度的滤波元件42、像比如法布里-珀罗-滤波器42。随后借助于透镜44将从所述取决于角度的滤波元件42中出射的光如此投影到探测器阵列46上，使得不同的入射角或者波长入射到所述探测器阵列46的不同的探测区域上。

在图4的实施方式中，所述光学元件10也能够实现尽可能均匀的强度及角度分布。

所有上面所描述的光谱仪由于其配备有光学元件10而具有紧凑的结构方式。在接下来的构件的尺寸保持相同的情况下，通过所述光采集面18的扩大能够采集更多的光。作为替代方案，也能够通过光出射面20（相对于光采集面18）的缩小在没有值得一提的附加成本的情况下将相应的光谱仪减小到最低限度。

所有上面所描述的光学元件和光谱仪由于其较小的尺寸而较好地适合用在移动设备、像比如移动电话或智能手机中。

图5a到5f示出了示意性的横截面，所述横截面用于对针对聚光用的光学元件的制造方法的一种实施方式进行解释。

在实施这里所描述的制造方法时，首先使所述后来的光学元件的保持套筒12如此成形，使得光通流体积被所述保持套筒12的至少一个反射性的部分表面12a所包围。为此，使套筒材料50、像比如半导体材料（硅）、金属和/或塑料沉积在基片24上（参见图5a）。优选作为基片24来使用针对为了进行聚光而预先给定的波长范围透射的/透明的基片24。在这种情况下，能够省去所述基片24的后来的移除。

图5b示出了对由套筒材料50构成的保持套筒12进行结构化（herausstrukturieren）的情况。所述套筒材料50的结构化比如能够借助于各向异性的蚀刻过程来进行。

也能够取代在图5a和5b中示出的方法步骤而借助于注塑、旋转夹紧（drehverspannung）、冲压法、铣削、3d打印或者灰度平板印刷来制造所述保持套筒12。作为替代方案，也能够取用晶片件并且将其以各向异性的方式结构化成大量保持套筒12的所期望的形状。

在所述保持套筒12的、至少一个将光通流体积包围的反射性的部分表面12a的反射性还不够的情况下，还能够附加地（尤其通过回流过程）对所述至少一个部分表面12a进行平滑处理和/或（比如通过施加至少一个反射层的方式）对所述至少一个部分表面进行镜面化处理。

借助于另外的方法步骤来如此形成后来的光学元件10的光透射体14，使得所述光透射体14至少针对预先给定的波长范围是透射的。在此，至少部分地用光透射体14来填充所述光通流体积。至少部分地由至少一种针对预先给定的波长范围扩散的介质来如此形成所述光透射体14，使得所述光透射体14具有至少一个带有（至少）一种第一扩散性d1的第一部分区域16a和带有（至少）一种与第一扩散性d1有别的第二扩散性d2的第二部分区域16b。在这里所描述的实施方式中，所述光透射体14示例性地仅仅构造有两个带有总共两种不同的扩散性d1和d2的部分区域16a和16b。但是，这里所描述的制造方法的可实施性不局限于这样的光透射体14。

在这里所描述的实施方式中，首先如在图5c中示意性地示出的那样将具有用作散射中心的散射性的颗粒的、（局部的）第一聚集度c1的母体材料（比如pdms）填入到后来的光通流体积中。所述散射性的颗粒比如能够是二氧化钛颗粒。

图5d示出了冲压过程，借助于该冲压过程使所述光透射体14的后来的第一部分区域16a具有其上面已经描述的形状。所述冲压过程能够容易地并且可靠地借助于由纳米印记光刻已知的技术来实施。图5e示出了所成形的带有第一扩散性d1的第一部分区域16a在移去用于冲压的冲头52之后的情况。

在另一个借助于图5f示意性地示出的方法步骤中，将相同的、但是具有散射性的颗粒的与第一聚集度c1有别的第二聚集度c2的母体材料填入到所述光通流体积的还未被填满的剩余部分中。借助于刮板54，能够用于获得通过这种方式来制成的光透射体14的光滑的光采集面18。而后必要时能够移除所述基片24。

上面所解释的方法步骤也能够在晶片级上来实施。在所述借助于图5a到5f示意性地示出的制造方法的一种改进方案中，能够实施多个冲压步骤，以用于产生在图2中示出的片式结构。

上面所描述的将散射性的颗粒用作随机分布的散射中心的情况只应该示例性地来理解。所述光透射体14中的散射中心的（局部的）聚集度c1或者c2比如能够借助于所期望的光传播的蒙特卡罗模拟来确定。由所述光采集面18的第一面积除以所述光出射面20的第二面积所形成的商越大并且所述光采集面18与所述光出射面20之间的间距越小，则强烈的扩散性对比就越有利。