光学微细结构光学器件及其应用

目前屏幕的菲涅尔节距主要为 0.1-0.5mm 不等，凸透镜节距主要为 0.2-0.8mm。 漫反射屏幕的则是直接在屏幕主体亚克力（PMMA)成型过程中中直接添加一种扩散微粒，扩 散微粒是各种球形，当光线穿过屏幕时候，内部的扩散微粒对光进行调制和引导。
菲涅尔透镜应用背投影系统中，扩散屏幕前面，可以显著提高四周亮度，提高整体显 示亮度均匀性。
微细结构光学器件是博大而精深的光学领域中极为微小的部分。微细结构光学器件在 光学领域犹如沧海一粟,就如这些微细结构光学器件所具有的光学结构尺寸一样微小，其微 细程度若以长度单位来表示，通常是微米甚至纳米。如果说毫米(mm)我们还能以肉眼可见 的话，而微米是毫米的千分之一，基本上人的肉眼不易看出。
微细结构光学器件是指表面具有微细透镜结构，对光进行调整利用的光学器件；其包 含以下三个方面的含义：
柱状透镜(Lenticular Lens)技术是实现裸眼 3D 显示的一种技术方式.
之所以它的亮度不会受到影响，是因为柱状透镜不会阻挡背光，因此画面亮度能够得 到很好地保障。目前市场上的柱状透镜型裸眼 3D 产品的图像越来越多，但当人们沉浸过“身 临其境”感后，头晕目眩的感觉也令人倍感不安。并没有实现其 给观众带来更精美画面和 更愉快视觉体验。究其原因很大程度上是因为柱状透镜制造精度不够，无法实现其设计初 始的理想效果。
左图示： (侧面轮廓) 连续表面非球面透镜 坍塌成相等的能量菲 涅尔透镜。
凸透镜的应用最广泛的就是放大镜，这是一种能量透镜（非成像类）。而我们照相机和 显微镜上最重要的一种光学透镜则是属于透镜中精度较高的一种——成像透镜，其表面常 常会设计成非球面，非球面透镜更加成像性能。
棱镜是由透明材料制成的多面体，是重要的光学元件。光线入射出射的平面叫侧面， 与侧面垂直的平面叫主截面．根据主截面的形状可分成三棱镜、直角棱镜、五角棱镜等。 所有棱镜的折射面和反射面统称工作面，两工作面的交线称为棱，垂直棱的截面称为主截 面。棱镜在光学中起着许多各不相同的作用，棱镜的组合可以用作分束器、起偏器等，或 使像的方向、光束传播方向发生改变的功能。
背光模组中几大关键部件---导光板、扩散膜、棱镜片(增光膜)等，通常称为“功能光 学膜材料”。其技术实质是大型微细结构光学元件，即利用光学微细结构和散射微粒等，实 现对光能的重新分布，达到设定的使用目的。
（三）菲涅耳透镜 一旦光学系统中需要较大尺寸透镜，通常采用菲涅尔透镜。透镜直径超过 3 或 4 英寸
典型产品 液晶显示增亮膜
光学投影屏幕
3D 印刷光栅 3D 显示膜 太阳能用聚光膜/片 反光膜 照明用扩散膜
结构特点
应用领域
棱镜结构
液晶显示
微透镜阵列
柱状透镜结构和菲涅耳透镜结构组 投影显示
合
柱状透镜
印刷包装
柱状透镜
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光学显示
菲涅耳透镜
太阳能利用
三棱锥结构
交通标识
微透镜阵列
光电照明
（一） 光学型背投影屏幕 投影屏幕根据投影机位置分为背投影和正投影，而无论是正投影还是背投影屏幕，技
还有一种菲涅耳透镜聚焦光线形成一条直线的，被称之为线性菲涅耳透镜。 随着全世界对能源枯竭的担忧，越来越多国家开始寻求太阳能作为新能源利用的一个 重要方向。人们不断探索太阳能光热利用和光伏发电技术，圆形菲涅尔透镜是聚光太阳能 系统（CPV)中重要的光学部件之一。 CPV 系统模组主要由太阳能电池、高聚光镜面菲涅尔透镜等光学聚光元件、太阳光追踪器 组成。CPV 技术通过透镜或镜面将接收到的太阳能，然后将太阳能量聚焦于 1/10 至 1/1000 甚至更小的接收面（效率极高的较小电池芯片上）。应用菲涅尔透镜的作用就是将光线从相 对较大的区域面积转换成相当小的面积上，这种透镜也被称做集光器或聚光器。有效地减 少了光电池中半导体材料的用量，大大节约了成本。比传统平板光伏（FPV)发电效率提高 30％以上。 。
柱状透镜(Lenticular Lens)光栅也叫立体光栅是裸眼立体显示的基础材料之一，我们
人眼看到的都是立体物体。人有两只眼，两只眼有一定距离，这就造成物体的影象在两眼
中有一些差异。而立体光栅材料来做立体画， 就是原自于视差立体法，即利用人的双眼视
差和会聚所构成的深度感实现
人意识
中的立
体感。
因仔此细理查论看上图讲，，可只以有从 上帮略助为理不解同！的观点取得
两个以 景物的
一组图像方可合成出立
体图
图 1 片。两幅图片合成立体图片情况
光栅成像 所谓光栅立体成像，指原本是平面的画面，经过画面表面光栅板的折射后，使画面中的物 体在人的双眼中呈现出立体感或变化效果。立体感是利用人类双眼的视差，通过左眼视图 与右眼视图的差异，在人脑中合成为一幅立体图像。 光栅立体画面与一般平面画面（平面写真输出或印刷输出）的差别是：立体成像画面的表 面裱有光栅。光栅由透明塑料制成，表面压有柱面折射棱线。光栅的作用，就是将画面中 物体的左视图与右视图区分开来，使人眼看到立体成像。也就是说光栅印刷所实现的深度 立体感是通过透镜结构来实现的。
微细结构光学器件及其应用
文： 何凤英
也许光自人类诞生以来，就一直让我们的生活充满光彩。即使人类的科技如何发达， 我们依然无法离开光的世界。
人类通过光来观察世界，万物从阳光中获取能量，光的作用在我们的生活中显得既普 遍又基本。光正以崭新的姿态影响着我们的生活，这种影响在几十年前是无法想象的。光 正渐渐成为一切技术的核心。人们对光的各种利用探索不断应用在生活方方面面，小到人 们日常生活方面的照明领域、电子显示、包装印刷，到模拟仿真、太阳能利用到国防科技 等，随着生活水平的提高,光的利用仍然呈现巨大潜力。
菲涅耳透镜即是以其名字命名。菲涅耳透镜作用和凸透镜一样，但外观上做了些改变，其 正面看其象一个飞镖盘，由一环一环的同心园组成。 从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹 槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度是变化的，
菲涅耳透镜和凸透镜一样具有望远和会聚光线的作用。和凸透镜相比，菲涅耳透镜外观是 平面的，厚度一般 1-4cm，可以采用塑料成型，比较轻薄。而凸透镜因其球体表面，通常采 用玻璃材料，比较厚重，适合较小尺寸。
微透镜类型 菲涅耳透镜 Fresnel Lens
结构示意图
柱状透镜 Lenticular Lens
棱镜结构 Prism
反射结构
Retroflective
（
Cubic
Corner）
微透镜阵列 Micro Lens Array
介绍完一些典型的微细光学结构透镜后，我们再来说说微细结构光学器件，也就是以 上这些透镜结构一些具体应用实例。
（CPV 聚光光伏发电系统） （线型菲涅耳聚热发电示意图）
早期菲涅耳透镜采用光学级 PMMA 材料，透光率高达 92%，略低于玻璃，常温下可以拥有二
十年的寿命而户外环境适应能力略显不足。如今一种新型的复合材料（SOG) 玻璃硅胶透镜 以较高的透光率和耐候性正在逐渐进入市场。 （三）3D 印刷光栅膜
菲涅尔透镜作为聚光光伏系统中重要的光学器件，其性能优劣直 接影响着 CPV 系统的聚光 率的高低。从光学效果上来讲，要求有尽量高的光线透过率、能量汇聚率及较高的聚光倍 数；从耐候性能上来说，因为在户外使用，要求能抵挡外界环境的侵蚀，以及具有较强的 抗冻耐热能力，保证在户外长时间正常工作，满足太阳能聚光发电（CPV)和聚热系统（TPV) 中高能量高温需求。
柱状透镜（Lenticular Lens) 则是透镜表面为圆柱纵截面状一种透镜（Lenticular Lens) 。
很多透镜组合在一起就形成了微透镜阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能， 而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成单个传统光学元件无法完成的功 能，并能构成许多新型的光学系统。微透镜阵列的通光孔径及深度为微米级。 复眼透镜是由一系列小透镜组合形成，是一种典型的微透镜阵列，复眼（Compound eye） 由多数小眼组成。复眼中的小眼面一般呈六角形。小眼面的数目、大小和形状在各种昆虫 中变异很大，雄性介壳虫的复眼仅由数个圆形小眼组成。家蝇的复眼由 4000 个小眼组成， 蝶、蛾类的复眼有 28000 个小眼。 复眼透镜在微显示器及投影显示领域有广阔的应用前景。
(二）液晶显示光学膜 由于液晶面板本身不具有发光特性，必须借助背光模组提供充足的亮度及分布均匀的光源， 使其能够正常显示影像，其基本原理是将常用的点或线光源，透过将有效光转化成高亮度 且均匀的光源，背光模组(Back light Module)是液晶显示的重要组成部件之一，成为仅次 于彩色滤光片之 LCD 面板第二大关键零组件。
3D 显示也就是立体显示，通俗的讲，立体图象就是利用人们两眼视觉差别和光学折射 原理在一个平面内使人们可直接看到一幅三维立体图。进入信息化时代以来，显示技术发 展是我们日常生活中不可缺少的组成部分。 3D 显示是当前最受欢迎的显示技术，这已成不 争的事实。技术发展的目标就是把好的东西带给人类，并使之一切更加容易、更加简单、 更加便捷，因此，无须佩戴眼镜，画质更加高清的裸眼 3D 是未来显示技术发展的必然趋势。
我们生活中最简单最熟悉的透镜就是凸透镜，凸透镜是中央较厚，边缘较薄，类似一 个球体表面，凸透镜有会聚作用故又称聚光透镜，较厚的凸透镜则有望远、会聚等作用， 这与透镜的厚度有关。
19 世纪末，法国物理学家奥古斯汀.菲涅尔（Augustin.Fresnel)从凸透镜基础上发明 了菲涅尔透镜(Fresnel Lense)。其工作原理是透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如： 透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。另外一种理解就是，透镜连 续表面部分“坍陷”到一个平面上。如下图：
1）光学器件，其本身无法单独发挥作用，须配合光的一定条件才能使用； 2）对光进行调整利用，是指其本身并不产生光能，只是对现有光能的调整和利用； 3）其发挥作用的本质其表面有一个或多个光学透镜，这些透镜尺寸很微小，在微米级 以下，面形精度可达亚微米级，表面粗糙度可达纳米级。
下面我们就介绍一些带有微细透镜结构的光学器件以及应用。比较常见光学透镜有凸 透镜、棱镜、柱面镜等。
术关键都是解决光线的散射（ Scatter ）、反射（ Reflect） 、和折射（Refract），光学 型背投影屏幕则是利用微细光学结构对光进行折射与反射，对光线进行调剂，从而达到更 好的投影效果：即提高屏幕亮度和色彩饱和度。因此还具有节能减排的意义。
光学型背投影屏幕按照微细结构的不同，又可分为菲涅尔光学屏幕和漫反射光学屏幕； 菲涅尔透镜光学屏幕，就是在屏幕的前后表面都具有微细光学结构纹路，对着投影机 的表面具有同心圆的菲涅尔透镜纹路，对着观众的表面具有双凸（柱状）透镜的竖条纹路， 两边不同的纹路对投影机的光学进行优化，从而大大增加了屏幕的增益。菲涅尔光学屏幕 的特性和屏幕的双凸透镜节距、菲涅尔透镜槽距等有着密切的关系。菲涅尔光学透镜屏幕 的原理如下图示。
（76mm 或 100mm）时，玻璃透镜的制造成本就相当可观。如果是应用在显示系统中，还需 要考虑的因素，就是透镜重量和所占空间都不能过大。而菲涅尔透镜可以做出很平薄，用 塑料材料，体积轻，成本低廉。
还有一菲涅尔透镜也应用在光引擎中，校准透过 LCD 面板的光线，使光线聚焦后通过 投影透镜。不足之处是增加了透镜成本，重影现象，菲涅尔环，莫尔条纹等。另外，双折 射控制在偏光敏感的应用中也十分重要。
增亮膜是一种光学膜片，其主要材料是 PET，表面有微细棱镜结构 。其工作原理是利 用微细棱镜结构，将透过的光线，由发散光聚拢成一定的角度，从而增加了正面视角范围 的亮度，减小了可视视角， 也叫增光膜或棱镜片，是液晶显示背光模组关键部件之一。
棱镜片制造方法是在一层 PET 基膜上，通过 UV 涂布工艺，涂覆一层棱镜结构. 因为其 发挥主要作用的棱镜结构十分关键。棱镜结构的设计有很多种 ,见下图。
(未完待续) 何凤英 Louise_he@163.com 电话：一三零 8802 0219 .