СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СПЕКЛ-ДИФФУЗОРА Российский патент 2005 года по МПК G02B5/02 G03B21/56 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а более конкретно к рассеивателям света и проекционным экранам.

Существуют различные виды рассеивателей света и проекционных экранов, назначение которых состоит в рассеянии падающего на них света в определенном телесном угле. Один из видов рассеивателей света и проекционных экранов образуют спекл-диффузоры [1]. Спекл-диффузор представляет собой рассеиватель света, у которого показатель преломления или рельеф или оба эти параметра описываются распределением интенсивности рассеянного пучка когерентного света. Распределение интенсивности такого светового пучка имеет пятнистую структуру, пятна которой называются спеклами. Известно несколько способов изготовления спекл-диффузоров. Известен способ, согласно которому на светочувствительной среде регистрируется распределение интенсивности когерентного света, рассеянного, например, матовым стеклом [2]. Затем светочувствительная среда подвергается обработке, приводящей к изменению ее показателя преломления, рельефа в соответствии с локальным распределением интенсивности света. Известны способы, согласно которым сначала путем экспонирования светочувствительной среды рассеянным пучком когерентного света и последующей ее обработки изготавливается матрица, имеющая рельеф спекл-диффузора. Затем с помощью этой матрицы на пластичной среде выдавливается рельеф спекл-диффузора [3], либо рельеф копируется с матрицы при отверждении нанесенного на матрицу слоя эпоксидной смолы [4]. Известен способ, согласно которому сначала путем экспонирования светочувствительной среды рассеянным пучком когерентного света изготавливается маска, пропускание которой описывается распределением интенсивности рассеянного когерентного света [4]. Затем маска контактно копируется на светочувствительную среду при ее освещении некогерентным светом. Известен способ изготовления, при котором, исходя из заданной индикатрисы рассеяния спекл-диффузора, рассчитывается на компьютере его микроструктура, которая затем формируется путем поточечного экспонирования светочувствительной среды. Рассмотренные известные способы мало пригодны для изготовления спекл-диффузоров больших размеров, имеющих размер по диагонали около или свыше одного метра, необходимых при создании проекционных экранов. Так, процесс экспонирования светочувствительной среды пучком когерентного света, рассеянным матовым стеклом и освещающим всю ее площадь, при больших размерах светочувствительной среды и матового стекла подвержен влиянию вибраций и воздушных потоков, смазывающих регистрируемое распределение интенсивности света. Трудно обеспечить необходимую равномерность освещенности светочувствительной среды на ее краях и особенно в углах. Способ, состоящий в расчете микроструктуры спекл-диффузора и в последующем поточечном экспонировании светочувствительной среды, при больших размерах спекл-диффузора малопроизводителен.

Известен способ изготовления спекл-диффузора большого размера, наиболее близкий по технической сущности к предложенному, согласно которому изображение маски, пропускание которой описывается распределением интенсивности рассеянного когерентного света, проецируется объективом на светочувствительную среду [4]. Изображением этой маски экспонируются различные участки светочувствительной среды, расположенные таким образом, что они покрывают всю поверхность светочувствительной среды. Данный метод требует высокой точности перемещения стола, на котором расположена светочувствительная среда, относительно проекционного объектива. Если величина перемещения больше размера изображения маски, то между двумя смежными экспонированными участками светочувствительной среды возникает щель, где экспозиция среды отсутствует. Через такие участки спекл-диффузора свет пройдет не рассеиваясь. Если величина перемещения меньше размера изображения маски, то два смежных экспонированных участка светочувствительной среды накладываются друг на друга. В области наложения величина экспозиции в два раза превышает экспозицию на остальной площади светочувствительной среды, что приводит к переэкспозиции светочувствительной среды и к появлению света, проходящего через спекл-диффузор без рассеяния. У объектива, проецирующего изображение маски, должна отсутствовать аберрация дисторсии, которая искажает форму изображения маски, что приводит либо к наложению смежных экспонируемых участков светочувствительной среды, либо к возникновению между ними щели. Недостаток этого способа состоит в том, что поскольку перемещение стола со светочувствительной средой на большое расстояние, примерно равное размеру светочувствительной средой, осуществляется с некоторой погрешностью, а проекционный объектив имеет некоторую дисторсию, то у спекл-диффузора всегда будет иметь место либо наложение смежных экспонируемых участков, либо образование между ними щели, что делает индикатрису рассеяния на данных участках отличной от индикатрисы рассеяния на остальной площади спекл-диффузора. Для уменьшения площади этих участков необходимо использовать более точное и поэтому более дорогое оборудование.

Цель настоящего изобретения состоит в изготовлении спекл-диффузора, индикатриса рассеяния которого постоянна по всей площади спекл-диффузора, и в снижении стоимости изготовления спекл-диффузора. Поставленная цель достигается тем, что экспонируемые участки светочувствительной среды накладываются друг на друга таким образом, что суммарная экспозиция в любой точке светочувствительной среды равна заданному значению. Для получения постоянной экспозиции на всей площади светочувствительной среды экспонируемый участок имеет две области: центральную, в пределах которой экспозиция постоянна и равна заданному значению, и периферийную, расположенную вокруг центральной области. Величина экспозиции в пределах периферийной области линейно уменьшается от заданного значения экспозиции на внутренней границе периферийной области, совпадающей с границей центральной области, до нуля на внешней границе периферийной области, совпадающей с границей экспонируемого участка. Экспонируемые участки имеют такую форму и размеры и располагаются таким образом, что периферийные области смежных экспонируемых участков накладываются друг на друга. Данное распределение экспозиции в пределах экспонируемых участков приводит к небольшому отклонению экспозиции светочувствительной среды от заданного значения при небольшой погрешности взаимного расположения экспонируемых участков или небольшом изменении их формы. Если светочувствительная среда имеет плоскую поверхность, то все экспонируемые участки идентичны и имеют форму шестиугольника. Центральная область экспонируемого участка, где экспозиция постоянна и равна заданному значению, имеет форму прямоугольника. Периферийную область экспонируемого участка образует часть участка, не входящая в центральную область. Четыре стороны экспонируемого участка параллельны сторонам центральной области и расположены на одинаковом расстоянии от них. Концы двух из этих четырех сторон совпадают в одной точке, концы двух других из этих четырех сторон совпадают в другой точке. Четыре других конца данных четырех сторон находятся в точках пересечения прямых линий, на которых лежат данные четыре стороны, с прямыми линиями, на которых лежат стороны прямоугольника, ограничивающего внутреннюю область экспонируемого участка. Остальные две стороны экспонируемого участка образованы двумя отрезками прямых линий, замыкающими периметр экспонируемого участка. Экспонируемые участки располагаются таким образом, что их границы накладываются на границы внутренней области смежных участков. При выполнении данных условий периферийные области смежных экспонируемых участков накладываются друг на друга.

При изготовлении спекл-диффузора большого размера сферической формы экспонируемые участки светочувствительной среды имеют форму сферического шестиугольника. Четыре стороны экспонируемого участка лежат на меридианах и параллелях сферы, концы двух из этих четырех сторон совпадают в одной точке, концы двух других из этих четырех сторон совпадают в другой точке. Четыре других конца данных четырех сторон экспонируемого участка находятся в точках пересечения меридианов и параллелей, на которых лежат данные четыре стороны, с меридианами и параллелями, на которых лежат стороны сферического четырехугольника, образующего центральную область экспонируемого участка. Остальные две стороны экспонируемого участка образованы двумя дугами больших кругов, замыкающими периметр экспонируемого участка. Экспонируемые участки, расположенные на одних и тех же параллелях, имеют одинаковые размеры и распределения экспозиции. Экспонируемые участки имеют такие размеры и располагаются таким образом, что их границы накладываются на границы внутренних областей смежных участков. При выполнении данных условий периферийные области смежных экспонируемых участков накладываются друг на друга.

Фиг.1. Экспонируемый участок светочувствительной среды при плоской форме ее поверхности и график распределения экспозиции Е в сечении АА участка.

Фиг.2. Взаимное расположение четырех экспонируемых участков на плоской поверхности светочувствительной среды.

Фиг.3. Составной экспонированный участок плоской светочувствительной среды, возникающий после последовательного экспонирования четырех ее участков.

Фиг.4. Экспонируемый участок светочувствительной среды при сферической форме ее поверхности.

Фиг.5. Взаимное расположение четырех экспонируемых участков на поверхности светочувствительной среды сферической формы.

Фиг.6. Составной экспонированный участок светочувствительной среды при сферической форме ее поверхности, возникающий после последовательного экспонирования четырех ее участков.

Экспонируемый участок поверхности светочувствительной среды при плоской форме ее поверхности представлен на фиг.1, где 1 - центральная область экспонируемого участка, 2 - периферийная область. На этой же фигуре представлен график распределения экспозиции Е в сечении АА экспонируемого участка, где Е₀ - заданное значение экспозиции. На фиг.2 представлено взаимное расположение четырех экспонируемых участков на плоской поверхности светочувствительной среды. Экспонируемые участки перекрываются своими периферийными областями. При этом в зонах 3 перекрываются две периферийные области, в зонах 4 - три периферийные области. Суммарная экспозиция в тех точках зон 3, через которые можно провести прямые линии, пересекающие центральные области 1 экспонируемых участков, такая, как и в центральных областях, и равна заданному значению Е₀. Это следует из того, что сумма линейных зависимостей экспозиции от координат на поверхности светочувствительной среды представляет собой линейную функцию координат. Если эта линейная функция координат равна значению Е₀ в двух разных точках, то она равна этому же значению и на отрезке прямой, соединяющем эти точки. В зонах 4 суммарная экспозиция равна Е₀, поскольку в каждой из этих двух зон экспозиция есть линейная функция координат, принимающая значение Е₀ на границах зон. На фиг.3 представлен составной экспонированный участок светочувствительной среды, возникающий после последовательного экспонирования четырех рассмотренных участков. В центральной области 5 этого составного участка экспозиция равна заданному значению Е₀, в окружающей его периферийной области 6 экспозиция линейно уменьшается от Е₀ до нуля на границе участка. Располагая аналогичным образом дополнительные экспонируемые участки, можно получить экспозицию, равную Е₀, на плоской светочувствительной среде любых размеров. Существенно, что небольшие погрешности взаимного расположения экспонируемых участков и их формы вызывают небольшое отклонение экспозиции от заданного значения. Это отклонение тем меньше, чем больше ширина периферийной области 2 (фиг.1) экспонируемых участков. Благодаря этому индикатриса рассеяния спекл-диффузора, полученного данным способом, мало чувствительна к погрешностям взаимного расположения и формы экспонируемых участков.

Экспонируемый участок светочувствительной среды при сферической форме ее поверхности в случае, когда нижняя сторона участка находится вблизи экватора сферы, представлен на фиг.4, где 1 - центральная область экспонируемого участка, 2 - периферийная область. Экспонируемый участок представляет собой сферический шестиугольник, ограниченный двумя меридианами 7, 10, двумя параллелями сферы 9, 12 и двумя дугами 8, 11 больших кругов. Центральная область 1 экспонируемого участка, где экспозиция равна заданному значению Е₀, представляет собой сферический четырехугольник, ограниченный двумя меридианами и двумя параллелями. Область 2 - периферийная область, где экспозиция линейно уменьшается от значения Е₀ на границе с центральной областью до нуля на границе экспонируемого участка. Конец дуги 9 находится в точке, лежащей на том меридиане, на котором лежит левая боковая сторона центральной области 1. Конец дуги 7 находится в точке, лежащей на той параллели, на которой лежит верхняя сторона центральной области 1. Аналогичным образом определяется положение концов дуг 10, 12 в нижнем правом угле экспонируемого участка. На фиг.4 представлено взаимное расположение четырех экспонируемых участков на сферической поверхности светочувствительной среды. В зонах 3 накладываются две периферийные области, в зонах 4 - три периферийные области. Суммарная экспозиция в тех точках зон 3, через которые можно провести дуги больших кругов, пересекающие центральные области 1 экспонируемых участков, такая же, как и в центральных областях участков и равна заданному значению Е₀. В зонах 4 экспозиция равна заданному значению Е₀, поскольку она равна этому значению на границах этих зон. Располагая аналогичным образом дополнительные экспонируемые участки, можно получить заданное значение экспозиции Е₀ на всей поверхности сферы, кроме двух областей в окрестности двух полюсов сферы. На фиг.6 представлен составной экспонированный участок светочувствительной среды сферической формы, возникающий после последовательного экспонирования четырех рассмотренных участков. В области 5 этого составного участка экспозиция равна заданному значению Е₀, в окружающей его периферийной области 6 экспозиция линейно уменьшается от Е₀ до нуля на границе участка.

Рассмотренные распределения экспозиции экспонируемых участков светочувствительной среды могут быть получены путем установки светофильтра с переменным пропусканием вплотную к светочувствительной среде при освещении среды рассеянным когерентным светом, или путем установки такого светофильтра вплотную к маске, пропускание которой описывается распределением интенсивности рассеянного когерентного света и изображение которой проецируется на светочувствительную среду.

Источники информации

1. Патент США №5609939 от 11 марта 1997, МКИ G 03 B 21/60.

2. Патент США №4336978 от 29 июня 1982, МКИ G 02 B 5/02.

3. Патент США №5534386 от 9 июля 1996, МКИ G 03 H 1/32.

4. Патент США №6303276 В1 от 16 октября 2001, МКИ G 03 H 1/32.

Способ состоит в последовательном экспонировании участков светочувствительной среды картиной спеклов и в последующей обработке светочувствительной среды. Экспонируемые участки светочувствительной среды состоят из центральной и окружающей ее периферийной областей и накладываются друг на друга своими периферийными областями. При этом экспозиция в центральной области равна заданному значению, экспозиция в периферийной области линейно уменьшается от заданного значения на ее границе с центральной областью до нуля на границе экспонируемого участка. Форма, размеры и взаимное расположение экспонируемых участков таковы, что после окончания процесса экспонирования экспозиция на всей поверхности светочувствительной среды постоянна и равна заданному значению. Обеспечивается постоянство индикатрисы рассеяния по всей площади спекл-диффузора при больших размерах спекл-диффузора. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ изготовления спекл-диффузора, состоящий в последовательном экспонировании участков светочувствительной среды рассеянным когерентным светом или изображением, распределение интенсивности в котором соответствует распределению интенсивности рассеянного когерентного света, и в последующей обработке светочувствительной среды, изменяющей ее показатель преломления, рельеф поверхности в соответствии с величиной локальной экспозиции, отличающийся тем, что экспонируемые участки светочувствительной среды, состоящие из центральной и окружающей ее периферийной областей, накладываются друг на друга своими периферийными областями, при этом экспозиция в центральной области равна заданному значению, экспозиция в периферийной области линейно уменьшается от заданного значения на ее границе с центральной областью до нуля на границе экспонируемого участка, причем форма, размеры и взаимное расположение экспонируемых участков таковы, что после окончания процесса экспонирования экспозиция на всей поверхности светочувствительной среды постоянна и равна заданному значению.2. Способ изготовления спекл-диффузора по п.1, отличающийся тем, что при плоской форме поверхности светочувствительной среды экспонируемые участки имеют форму шестиугольника, четыре стороны которого параллельны сторонам центральной области, имеющей форму прямоугольника, и расположены на одинаковом расстоянии от них, концы двух из этих четырех сторон совпадают в одной точке, концы двух других из этих четырех сторон совпадают в другой точке, четыре других конца данных четырех сторон находятся в точках пересечения прямых линий, на которых лежат данные четыре стороны с прямыми линиями, на которых лежат стороны прямоугольника, ограничивающего центральную область экспонируемого участка, остальные две стороны экспонируемого участка, образованы двумя отрезками прямых линий, замыкающими периметр экспонируемого участка, экспонируемые участки располагаются таким образом, что их границы накладываются на границы внутренних областей смежных участков.3. Способ изготовления спекл-диффузора по п.1, отличающийся тем, что при сферической форме поверхности светочувствительной среды экспонируемые участки имеют форму сферического шестиугольника, четыре стороны которого лежат на меридианах и параллелях сферы, концы двух из этих четырех сторон совпадают в одной точке, концы двух других из этих четырех сторон совпадают в другой точке, четыре других конца данных четырех сторон находятся в точках пересечения меридианов и параллелей, на которых лежат данные четыре стороны, с меридианами и параллелями, на которых лежат стороны сферического четырехугольника, ограничивающего центральную область экспонируемого участка, остальные две стороны экспонируемого участка образованы двумя дугами больших кругов, замыкающими периметр экспонируемого участка, экспонируемые участки имеют такие размеры и располагаются таким образом, что их границы накладываются на границы внутренних областей смежных участков.