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DE102005049715B3 - Digital image sensor illumination arrangement, has diffuser screen whose distance from light emitting surface, thickness and strewing angle are measured so that intensity bled-off curve of beam cuts with specific intensity value - Google Patents

Digital image sensor illumination arrangement, has diffuser screen whose distance from light emitting surface, thickness and strewing angle are measured so that intensity bled-off curve of beam cuts with specific intensity value Download PDF

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DE102005049715B3 DE102005049715A DE102005049715A DE102005049715B3 DE 102005049715 B3 DE102005049715 B3 DE 102005049715B3 DE 102005049715 A DE102005049715 A DE 102005049715A DE 102005049715 A DE102005049715 A DE 102005049715A DE 102005049715 B3 DE102005049715 B3 DE 102005049715B3
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Abstract

The arrangement has a diffuser screen (3), which is provided for overlaying the light beam from a light source (1). The screen is arranged at a distance from a light emitting surface (9). The distance of the screen from the light emitting surface, thickness and strewing angle are measured such that the intensity bled-off curve of the overlying light beam of the neighboring integrator bars (2) cuts with intensity value of 50 percentage of the output intensity.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur homogenen Ausleuchtung einer Ebene, bei der mehrere Lichtbündel aus mehreren Lichtquellen jeweils einen Integratorstab passieren, wobei die Lichtquellen und die Integratorstäbe matrixförmig angeordnet sind, und Lichtaustrittsflächen der Integratorstäbe einen Abstand voneinander haben und diese dadurch durch nicht Licht leitende Bereiche voneinander getrennt sind sowie bei der in einem Abstand von der Lichtaustrittsfläche der Integratorstäbe eine Einrichtung zur Überlagerung der Lichtbündel angeordnet ist.The The invention relates to an arrangement for the homogeneous illumination of a Level at which several light bundles pass one integrator rod from each of several light sources, wherein the light sources and the integrator rods are arranged in a matrix, and light exit surfaces of the integrator rods have a distance from each other and thereby by not light conductive areas are separated from each other as well as in one Distance from the light exit surface the integrator bars a device for overlaying the light beam is arranged.

Anwendung findet die erfindungsgemäße Anordnung insbesondere zur Ausleuchtung digitaler Bildgeber, wie diese beispielsweise in DE 103 41 625 A1 beschrieben ist.Application of the arrangement according to the invention is particularly for the illumination of digital imagers, as this example in DE 103 41 625 A1 is described.

Bekannt ist die Verwendung von so genannten Integratorstäben zur Homogenisierung der Ausleuchtung in Beleuchtungsanordnungen von digitalen Projektoren, wie diese beispielsweise in DE 103 21 019 A1 beschrieben sind. Durch Mehrfachreflexionen an den Längsseiten der Integratorstäbe erfolgt in Abhängigkeit von der Länge des Stabes eine Durchmischung des am Eingangsquerschnitt eingekoppelten Lichtes. Die Stäbe haben vorzugsweise rechteckigen Querschnitt und können als Voll- oder Hohlstab aufgebaut werden. Im ersten Fall wirkt die Totalreflexion an den Längsseiten des Stabes, während im zweiten Fall die Längsseiten innen verspiegelt sein müssen. Eine spezielle Ausführungsform sind Integratorstäbe mit variablem Querschnitt. Das Licht wird in einen kleineren Eintrittsquerschnitt eingekoppelt und tritt aus einem größeren Austrittsquerschnitt wieder aus. Die Form ähnelt einer schlanken Pyramide. Diese Stäbe erlauben neben der Homogenisierung der Beleuchtungsintensität auch die Anpassung von Beleuchtungsapertur und Feldgröße an den jeweiligen Modulator.The use of so-called integrator rods for homogenizing the illumination in lighting arrangements of digital projectors is known, as for example in US Pat DE 103 21 019 A1 are described. Due to multiple reflections on the longitudinal sides of the integrator rods, a mixing of the light coupled in at the input cross section occurs as a function of the length of the rod. The rods preferably have a rectangular cross-section and can be constructed as a solid or hollow rod. In the first case, the total reflection acts on the longitudinal sides of the rod, while in the second case, the longitudinal sides must be mirrored inside. A particular embodiment is integrator rods of variable cross section. The light is coupled into a smaller inlet cross section and emerges from a larger outlet cross section again. The shape resembles a slender pyramid. In addition to the homogenization of the illumination intensity, these rods also allow the adaptation of illumination aperture and field size to the respective modulator.

Um großflächige Modulatoren auszuleuchten, werden gemäß US 6,318,863 B1 Integratorstäbe mehrfach angeordnet. Jeder einzelne Integratorstab ist mit einer Lichtquelle kombiniert und beleuchtet einen Teil des Modulators. Die aus den einzelnen Integratorstäben austretenden Lichtanteile werden in einem Fall von einen weiteren Lichtleiter aufgenommen und zum Lichtmodulator geleitet. In einem anderen Fall erfolgt die Strahlformung nach den einzelnen Integratorstäben durch zwei Linsenarrays. Diese Beispiele erfordern vergleichsweise viel Bauraum und sind fertigungstechnisch aufwendig.To illuminate large-area modulators, according to US 6,318,863 B1 Integrator rods arranged several times. Each individual integrator bar is combined with a light source and illuminates a portion of the modulator. The light components emerging from the individual integrator bars are in one case picked up by another light guide and directed to the light modulator. In another case, beam shaping takes place after the individual integrator bars through two lens arrays. These examples require comparatively much space and are expensive to produce.

In EP 1 418 765 A1 und in WO 2005/096096 A1 werden Beleuchtungsanordnungen für Projektionssysteme beschrieben, bei denen in einer Ausführungsform Licht mehrerer Lichtquellen einem einzigen Integratorstab zugeführt wird, um ein Display gleichmäßig auszuleuchten. In einer anderen Ausführungsform wird Licht einer Vielzahl von Lichtquellen jeweils einer Vielzahl von Integratorstäben zugeführt, wobei dann am Lichtaustritt der Integratorstäbe die Lichtanteile räumlich vereinigt werden, womit ohne weitere Maßnahmen eine gleichmäßige Ausleuchtung des Displays erreicht werden soll.In EP 1 418 765 A1 and WO 2005/096096 A1 describes illumination arrangements for projection systems in which, in one embodiment, light from a plurality of light sources is fed to a single integrator bar in order to illuminate a display uniformly. In another embodiment, light from a plurality of light sources is in each case fed to a multiplicity of integrator rods, the light components then being spatially combined at the light exit of the integrator rods, so that a uniform illumination of the display is to be achieved without further measures.

In DE 100 13 254 A1 wird in einem Beleuchtungsstrahlengang für ein Untersuchungssystem nur eine Streuscheibe zur Homogenisierung der Beleuchtung eingesetzt. Eine gleichmäßige Ausleuchtung eines vergleichsweise großflächigen Displays gelingt mit dieser Anordnung nicht.In DE 100 13 254 A1 For example, in an illumination beam path for an examination system, only one lens is used to homogenize the illumination. A uniform illumination of a comparatively large display does not succeed with this arrangement.

Die Erfindung soll das Problem lösen, den Aufwand bei der Herstellung von Integrator-Arrays zu verringern. Deren Einsatz in Anordnungen zur Ausleuchtung einer Ebene soll mit geringerem Aufwand und Platz sparend zu einer gleichmäßigeren Ausleuchtung einer Ebene führen.The Invention is intended to solve the problem to reduce the effort in the production of integrator arrays. Their use in arrangements for illuminating a plane should with less effort and space-saving to a more even Illumination of a plane lead.

Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.The solution the object succeeds according to the invention with the characterizing features of claim 1.

Die Unteransprüche 2 bis 4 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruches.The under claims 2 to 4 are advantageous embodiments of the main claim.

Erfindungsgemäß ist die Einrichtung zur Überlagerung der Lichtbündel, die in Lichtausbreitungsrichtung gesehen nach den Lichtaustrittsflächen der Integratorstäbe angeordnet ist, eine Streuscheibe, deren Abstand a von der Lichtaustrittsfläche, Dicke d und Streuwinkel ψ so bemessen sind, dass sich die Intensitätsrandabfallkurven der sich überlagernden Lichtbündel zweier benachbarter Integratorstäbe bei Intensitätswerten von 50% der Ausgangsintensität schneiden.According to the invention Device for overlay the light bundle, in the light propagation direction after the light exit surfaces of the integrator rods is arranged, a diffusing screen whose distance a from the light exit surface, thickness d and scattering angle ψ like this are dimensioned that the intensity edge decay curves of the overlapping light beam two adjacent integrator bars at intensity values of 50% of the initial intensity to cut.

Dabei kann die Toleranz der Intensitätsrandabfallkurven bis etwa + –2,5% betragen, da Abweichungen erst ab etwa größer 5% vom menschlichen Auge sichtbar wahrgenommen werden.there can the tolerance of intensity edge decay curves to about + -2.5% Be as deviations only from about greater than 5% of the human eye be perceived visibly.

Die Lichtquellen sind vorzugsweise LED's oder Laserdioden. Es werden sowohl einzelne Bauelemente als auch Arrays dieser Lichtquellen eingesetzt. Es können aber auch andere miniaturisierte Strahlungsquellen Anwendung finden, z.B. Festkörperlaser oder Halogenlampen.The Light sources are preferably LEDs or laser diodes. It will be both individual components as well as arrays of these light sources used. It can but also other miniaturized radiation sources find application, e.g. Solid-state lasers or halogen lamps.

Insbesondere bei der Verwendung von Lasern ist vorgesehen, dass die Streuscheibe rechtwinklig zur optischen Achse oszillierend oder drehbar bewegbar ist, um störende Speckel zu vermeiden.In particular, when using lasers, it is provided that the lens is oscillating or rotatable at right angles to the optical axis is movable to avoid disturbing speckles.

Vorzugsweise liegt der Abstand b der Lichtaustrittsflächen zweier Integratorstäbe im Bereich zwischen 0,1 mm bis 0,5 mm, die Streuscheibe steht in dem Abstand a im Bereich zwischen 0,1 mm bis 1 mm vor den Lichtaustrittsflächen und die Streuscheibe hat eine Dicke d im Bereich zwischen 0,3 mm bis 2,0 mm sowie einen Streuwinkel ψ im Bereich zwischen 10° und 40° (Halbwertswinkel). Die angegebenen Grenzen der Werte können jedoch auch kleiner oder größer bemessen sein, wobei im Einzelfall die Grundgedanken der Erfindung verwirklicht sind und die Funktionsfähigkeit der Erfindung gegeben ist.Preferably the distance b of the light exit surfaces of two integrator bars is in the range between 0.1 mm to 0.5 mm, the lens is in the distance a in the range between 0.1 mm to 1 mm in front of the light exit surfaces and the diffuser has a thickness d in the range between 0.3 mm to 2.0 mm and a scattering angle ψ im Range between 10 ° and 40 ° (half-value angle). However, the specified limits of the values can also be smaller or bigger be, in individual cases, the principles of the invention are realized and the functionality the invention is given.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:The The invention will be described below with reference to exemplary embodiments. Show it:

1: Anordnung zur Beleuchtung eines digitalen Bildgebers 1 : Arrangement for illuminating a digital imager

2: Ausschnitt aus 1, welcher einen Überlappungsbereich innerhalb einer Streuscheibe zeigt 2 : Extract from 1 which shows an overlap area within a lens

3: Darstellung eines Integrator-Arrays 3 : Representation of an integrator array

4: Bild der Ausleuchtung unmittelbar an der Lichtaustrittsfläche des Integratorarrays 4 : Image of the illumination directly at the light exit surface of the integrator array

5: Bild der Ausleuchtung nach der Streuscheibe 5 : Picture of the illumination after the lens

1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Beleuchtung eines digitalen Bildgebers 4, der im Beispiel die Ebene darstellt, die möglichst homogen ausgeleuchtet werden soll. Dargestellt ist der Lichtweg für eine Farbe. Einer arrayförmigen Anordnung von sechs einzelnen Lichtquellen 1 im Format 2 × 3 folgt eine gleichartige arrayförmige Anordnung von 2 × 3 einzelnen Integratorstäben 2. Die einzelnen Integratorstäbe 2 öffnen sich im Beispiel konisch zu einer Lichtaustrittsfläche 9 hin. Je nach Art und Größe der verwendeten Lichtquellen und digitalen Bildgeber, müssen die Querschnitte der Lichteintrittsflächen 8 und die Lichtaustrittsflächen 9 der einzelnen Integratorstäbe angepasst sein. Ziel ist, dass die Lichtaustrittsfläche 9 einen rechteckförmigen Querschnitt hat, von dem aus der ebenfalls rechteckförmige digitale Bildgeber 4 beleuchtet wird. Weiterhin ist zwischen den Lichtaustrittsflächen der Integratorstäbe und dem digitalen Bildgeber 4 eine Streuscheibe 3 angeordnet. Mittels einer Projektionsoptik 5 wird das vom Bildgeber erzeugte Bild auf einer Projektionsfläche abgebildet. 1 schematically shows an arrangement for illuminating a digital imager 4 , which in the example represents the level that should be illuminated as homogeneously as possible. Shown is the light path for a color. An arrayed arrangement of six individual light sources 1 in the format 2 × 3 follows a similar array-shaped arrangement of 2 × 3 individual Integratorstäben 2 , The individual integrator bars 2 open in the example conically to a light exit surface 9 out. Depending on the type and size of the light sources used and digital imagers, the cross sections of the light entry surfaces must 8th and the light exit surfaces 9 be adapted to the individual integrator bars. The goal is that the light exit surface 9 has a rectangular cross-section, from which the also rectangular digital imager 4 is illuminated. Furthermore, between the light exit surfaces of the integrator rods and the digital imager 4 a diffuser 3 arranged. By means of a projection optics 5 the image generated by the imager is imaged on a projection surface.

Um zu erreichen, dass sich die Intensitäten benachbarter Integratorstäbe 2 im Übergangsbereich bei Einsatz der Streuscheibe 3 zum Mittelwert eines einzelnen Integratorstabes überlagern, sind erfindungsgemäß die Ränder benachbarter Integratorstäbe soweit voneinander entfernt, dass sich die Intensitätsrandabfallkurven beider Bündel bei 50% schneiden. Dabei müssen die Intensitätswerte nicht exakt jeweils 50% betragen, sondern können bis etwa 5% vom Idealwert abweichen, ohne dass Intensitätsunterschiede im Bild sichtbar werden. Vorzugsweise sollte die Abweichung aber kleiner als 1% sein.To achieve that the intensities of adjacent integrator rods 2 in the transition area when using the lens 3 superimpose the average value of a single integrator bar, according to the invention the edges of adjacent integrator bars so far apart that intersect the intensity drop curves of both bundles at 50%. The intensity values do not have to be exactly 50% each, but can deviate from the ideal value to about 5% without any visible differences in the intensity of the image. Preferably, however, the deviation should be less than 1%.

Das heißt, zwischen benachbarten Integratorstäben ist ein Spalt mit der Breite b vorgesehen, wie dies in 2 deutlicher gezeigt ist. In der Lichtaustrittsfläche 9 der Integratorstäbe 2 ergibt sich demzufolge ein Intensitätsverlauf, der ein dunkles Raster gemäß 4 als Negativbild zeigt.That is, a gap having the width b is provided between adjacent integrator bars as shown in FIG 2 is shown more clearly. In the light exit area 9 the integrator bars 2 Consequently, there is an intensity curve, which is a dark grid according to 4 as a negative picture shows.

Aufgrund der Wahl eines Abstandes a zwischen den Lichtaustrittsflächen 9 der Integratorstäbe 2 wird ein definierter Überlagerungsbereich 10 im Bereich der Streuscheibe geschaffen. Die 2 zeigt, dass der Verlauf der Lichtbündel innerhalb der Streuscheibe nur in einem Teilbereich der Dicke der Streuscheibe einen Überlagerungsbereich 10 hat.Due to the choice of a distance a between the light exit surfaces 9 the integrator bars 2 becomes a defined overlay area 10 created in the area of the lens. The 2 shows that the course of the light bundles within the lens only in a portion of the thickness of the lens a superposition area 10 Has.

Bei einer Dimensionierung der Breite b des Spaltes zwischen den Lichtaustrittsflächen 9 der Integratorstäbe 2 und der Streuscheibe 3, der Dicke der Streuscheibe d und des Streuwinkels ψ ergibt sich hinter der Streuscheibe 3 eine homogene Intensitätsverteilung, wie dies in 5 gezeigt ist.When dimensioning the width b of the gap between the light exit surfaces 9 the integrator bars 2 and the diffuser 3 , the thickness of the lens d and the scattering angle ψ results behind the lens 3 a homogeneous intensity distribution, as in 5 is shown.

Die Dimensionierung erfolgt mit Hilfe eines handelsüblichen Optik-Rechenprogrammes. Dabei sind vorzugsweise die Breite b des Spaltes sowie Position und Eigenschaften der Streuscheibe als variable Parameter a, ψ in die Optimierung der Beleuchtungsanordnung einbezogen. Der Randabstand der einzelnen Integratoren ist durch technologische Grenzen bei der Herstellung des Integratorarrays vorgegeben.The Dimensioning takes place with the aid of a commercially available optical computer program. In this case, preferably the width b of the gap and position and properties of the lens as variable parameters a, ψ in the Optimization of the lighting arrangement included. The edge distance of the individual integrators is by technological limits predetermined the production of the integrator array.

Der Lösung des Problems liegen Modelle zugrunde, die mit dem Optik-Design Programm "zemax" im nichtsequentiellen Modus erzeugt werden. Es wurden Modelle erzeugt, für deren exakte Lösung die bestimmenden Parameter (Spaltbreite b, Position a und Eigenschaften ψ der Streuscheibe) in einer entsprechend formulierten Merrit-Funktion in die Optimierung der Beleuchtungsanordnung einbezogen wurden.Of the solution The problem is based on models that come with the optics design program "zemax" in non-sequential Mode are generated. Models have been created for which exact solution the determining parameters (gap width b, position a and properties ψ of the lens) in a suitably formulated merit function in the optimization the lighting arrangement were included.

Im vorliegenden Fall hat der Abstand b eine Spaltbreite von 0,2 mm. Die Streuscheibe 3 steht 0,3 mm hinter der Integratoraustrittsfläche 9, hat eine Dicke d von 1 mm und einen Streuwinkel ψ von 25°.In the present case, the distance b has a gap width of 0.2 mm. The diffuser 3 is 0.3 mm behind the integrator exit surface 9 , has a thickness d of 1 mm and a scattering angle ψ of 25 °.

Die Integratorstäbe 2 können einzeln gefertigt und dann in einer Arrayförmigen Anordnung gefasst werden. Ein Vorteil der beschriebenen Lösung ergibt sich bei Integrator-Arrays 7, wenn die Integratorstäbe 2 in einem Stück gefertigt werden. Eine ideal scharfe Kante bei derart kleinen Winkeln, wie sie zwischen den einzelnen Integratoren auftreten würde, die keinen Randabstand voneinander haben, lässt sich weder an einem Teil selbst, noch an einer Negativform (Spritzguss) exakt und zuverlässig herstellen. Der Versuch führt zu mehr oder weniger unregelmäßig auslaufenden Kanten und in der Anwendung zu einem ungleichmäßigen Intensitätsverlauf über das auszuleuchtende Feld. Eine abschließende Randfläche von einigen zehntel Millimetern Breite an Stelle der Kante ist im Fertigungsprozess wesentlich günstiger beherrschbar. 3 zeigt ein derartiges Integratorarray in einer perspektivischen Darstellung.The integrator bars 2 can individually gefer and then taken in an arrayed arrangement. An advantage of the solution described results in integrator arrays 7 when the integrator bars 2 be made in one piece. An ideal sharp edge at such small angles as would occur between the individual integrators, which have no edge distance from each other, can not be exactly and reliably produced on a part itself or on a negative mold (injection molding). The experiment results in more or less irregularly tapering edges and in the application to an uneven intensity profile over the field to be illuminated. A final edge area of a few tenths of a millimeter width in place of the edge is much cheaper manageable in the manufacturing process. 3 shows such an integrator array in a perspective view.

11
Lichtquellelight source
22
Integratorstabintegrator rod
33
Streuscheibediffuser
44
digitaler Bildgeberdigital imager
55
Projektionsoptikprojection optics
66
Projektionsflächeprojection
77
Integrator-ArrayIntegrator array
88th
LichteintrittsflächeLight entry surface
99
LichtaustrittsflächeLight-emitting surface
1010
Überlappungsbereich innerhalb der Streuscheibeoverlap area inside the lens
aa
Abstand Lichtaustrittsfläche – Streuscheibedistance Light exit surface - diffuser
bb
Abstand zwischen zwei Integratorstäbendistance between two integrator bars
dd
Dicke der Streuscheibethickness the diffuser
YY
Streuwinkel der Streuscheibescattering angle the diffuser

Claims (4)

Anordnung zur homogenen Ausleuchtung einer Ebene, bei der mehrere Lichtbündel aus mehreren Lichtquellen (1) jeweils einen Integratorstab (2) passieren, wobei die Lichtquellen (1) und die Integratorstäbe (2) matrixförmig angeordnet sind, und Lichtaustrittsflächen (9) der Integratorstäbe (2) einen Abstand (b) voneinander haben und diese dadurch durch nicht Licht leitende Bereiche voneinander getrennt sind sowie bei der in einem Abstand (a) von der Lichtaustrittsfläche (9) der Integratorstäbe (2) eine Einrichtung zur Überlagerung der Lichtbündel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Überlagerung der Lichtbündel eine Streuscheibe (3) ist, deren Abstand (a) von der Lichtaustrittsfläche (9), Dicke (d) und Streuwinkel (ψ) so bemessen sind, dass sich die Intensitätsrandabfallkurven der sich überlagernden Lichtbündel zweier benachbarter Integratorstäbe (2' und 2'') bei Intensitätswerten von 50% der Ausgangsintensität schneiden.Arrangement for homogeneously illuminating a plane in which a plurality of light beams from a plurality of light sources ( 1 ) each have an integrator rod ( 2 ), the light sources ( 1 ) and the integrator rods ( 2 ) are arranged in matrix form, and light exit surfaces ( 9 ) of the integrator rods ( 2 ) have a distance (b) from each other and these are separated from each other by non-light-conducting areas and in which at a distance (a) from the light exit surface ( 9 ) of the integrator rods ( 2 ) a device for superimposing the light bundles is arranged, characterized in that the device for superimposing the light bundles comprises a diffuser ( 3 ) whose distance (a) from the light exit surface ( 9 ), Thickness (d) and scattering angle (ψ) are dimensioned such that the intensity edge decay curves of the overlapping light bundles of two adjacent integrator rods ( 2 ' and 2 '' ) at intensity values of 50% of the output intensity. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (1) LED's oder Laserdioden sind.Arrangement according to claim 1, characterized in that the light sources ( 1 ) LEDs or laser diodes are. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuscheibe (3) rechtwinklig zur optischen Achse oszillierend oder drehbar bewegbar ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the lens ( 3 ) is perpendicular to the optical axis oscillating or rotatable. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (b) der Lichtaustrittsflächen (9) zweier Integratorstäbe (2', 2'') im Bereich zwischen 0,1 mm bis 0,5 mm liegt, die Streuscheibe (3) in dem Abstand (a) im Bereich zwischen 0,1 mm bis 1 mm vor den Lichtaustrittsflächen (9) steht und die Streuscheibe eine Dicke (d) im Bereich zwischen 0,3 mm bis 2,0 mm sowie einen Streuwinkel (ψ) im Bereich zwischen 10° und 40° hat.Arrangement according to claim 1, characterized in that the distance (b) of the light exit surfaces ( 9 ) of two integrator rods ( 2 ' . 2 '' ) in the range between 0.1 mm to 0.5 mm, the lens ( 3 ) in the distance (a) in the range between 0.1 mm to 1 mm in front of the light exit surfaces ( 9 ) and the diffuser has a thickness (d) in the range between 0.3 mm to 2.0 mm and a scattering angle (ψ) in the range between 10 ° and 40 °.
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