照明設(shè)備、透鏡、系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有微小尺寸的刻面（facet)的照明設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于使光均勻的常規(guī)技術(shù)使用陣列化的微透鏡、衍射漫射器、毛玻璃漫射器和全 息生成的（holographically -generated)漫射器。微透鏡陣列通過(guò)創(chuàng)建重疊的光發(fā)散錐 體的陣列使光均勻。每個(gè)錐體源自相應(yīng)的微透鏡并且發(fā)散到透鏡的焦點(diǎn)之外。在常規(guī)的陣 列中，各個(gè)透鏡彼此相同。通過(guò)用磨料對(duì)玻璃進(jìn)行研磨以生成玻璃表面中的光散射結(jié)構(gòu)來(lái) 形成毛玻璃漫射器。
[0003] 微透鏡陣列、毛玻璃漫射器和全息漫射器都具有不能控制均勻化的發(fā)散光的角擴(kuò) 展的缺點(diǎn)。光一般具有在期望的角域（angular region)上相當(dāng)均勻的角擴(kuò)展，但是角域的 邊界是模糊的。利用常規(guī)的漫射器方法，在期望的角擴(kuò)展的邊緣處的能量滾降（roll-off) 能夠很好地延伸到該域之外。
[0004] 衍射漫射器可被用來(lái)控制輸出光的角擴(kuò)展，但是這樣的漫射器在它們能夠給予輸 出光的擴(kuò)展的量的方面受限制。由于針對(duì)可見(jiàn)或其以下的短波長(zhǎng)源的制作限制、以及針 對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的物理方面的限制，最大的角擴(kuò)展受限制。另外，以其傳統(tǒng)的二元形式 (binary form)使用的衍射漫射器可包能括大量背景能量，并且圖案必須是關(guān)于光軸對(duì)稱(chēng) 的。
[0005] 為了克服這些常規(guī)設(shè)備的所述缺點(diǎn)，US20070223095公開(kāi)了具有由多個(gè)光學(xué)元件 形成的多個(gè)正方形刻面的光學(xué)設(shè)備。這些刻面被用來(lái)在預(yù)定的相應(yīng)方向上定向入射光束的 部分。這些刻面在二維陣列中彼此相鄰地形成。這些刻面在陣列中的位置關(guān)于對(duì)應(yīng)的光束 部分的方向是隨機(jī)的。已知的照明設(shè)備的缺點(diǎn)是其具有相對(duì)差的性能和/或其是相對(duì)大 的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有改進(jìn)的性能的如在開(kāi)始段落中描述的類(lèi)型的照明 設(shè)備。本發(fā)明的另一目的是提供做出改進(jìn)的照明設(shè)備的方法。該目的是通過(guò)包括至少4個(gè) 光學(xué)設(shè)備的如在開(kāi)始段落中描述的類(lèi)型的照明設(shè)備來(lái)達(dá)成，每個(gè)光學(xué)設(shè)備具有相關(guān)聯(lián)的光 源，并且每個(gè)光學(xué)設(shè)備包括具有多個(gè)微小尺寸的刻面的第一表面，每個(gè)刻面具有相應(yīng)的取 向，所述多個(gè)刻面具有平行于所有所述相應(yīng)的取向的平均取向的法線(xiàn)矢量延伸的光軸，光 學(xué)設(shè)備被分成超過(guò)至少兩個(gè)光學(xué)設(shè)備的集合，光學(xué)設(shè)備的集合被設(shè)計(jì)成在操作期間相互發(fā) 出不同的圖案，并且不同集合的光學(xué)設(shè)備以相互交替的方式布置。照明設(shè)備包括包含同樣 地布置的多個(gè)刻面的光學(xué)設(shè)備的第一集合，以及包含同樣地布置的多個(gè)刻面的類(lèi)似光學(xué)設(shè) 備的第二集合，然而，第二集合的光學(xué)設(shè)備不同于其它集合的光學(xué)設(shè)備。兩個(gè)集合都是混合 式布置，即以交替的、互相交叉的方式或其它配置中的類(lèi)似布置，并且第一集合和第二集合 中的光學(xué)設(shè)備的數(shù)目之比例如是1:2或1: 3。LED及相關(guān)聯(lián)的光學(xué)設(shè)備的兩個(gè)組合的這種 基本上相互交叉(或者或多或少交替的）的布置特別適用于發(fā)光體中，從而使得其能夠發(fā)出 窄光束（點(diǎn)狀的)、寬光束(泛光）（例如，蝙蝠翼狀的光束)、或者窄光束和寬光束的組合。然 而，所有操作狀況下的發(fā)光體具有實(shí)際上恒定的外觀并且以均勻的方式從其整個(gè)光發(fā)射窗 發(fā)射光。照明設(shè)備可以很好地包括3、4、5或高達(dá)10個(gè)集合的但是基本上不同的光學(xué)設(shè)備， 所有光學(xué)設(shè)備都交替地布置。LED及它們相應(yīng)的相關(guān)聯(lián)的光學(xué)設(shè)備的數(shù)目共計(jì)例如25、50 或100個(gè)LED以及一個(gè)照明設(shè)備上25、50或100個(gè)基本上同樣的光學(xué)設(shè)備。由于光學(xué)設(shè)備 的集合的交替布置的緣故，照明設(shè)備是相對(duì)緊湊的。
[0007] 在這一點(diǎn)上，緊湊地布置意味著在刻面的組內(nèi)，刻面不是廣泛地布置的而是在一 起被緊密地布置為一個(gè)，例如，其中至少50%的刻面由同一組的刻面完全地環(huán)繞或鄰接，或 者例如其中刻面的組具有表面S和周界P，并且P與V S的比值至多是6。在這一點(diǎn)上，相 鄰意味著在刻面的組內(nèi)，基本上組中的所有刻面經(jīng)由它們的組的刻面直接連接到彼此。
[0008] 光學(xué)設(shè)備由刻面的組的分片式（tiled)陣列形成，其中每個(gè)組具有多個(gè)刻面，例如 (偽）隨機(jī)布置的刻面，可通過(guò)單獨(dú)匹配由一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)組的貢獻(xiàn)發(fā)出的子圖案來(lái)形成圖 案?？堂媸峭ㄟ^(guò)具有具體的取向的刻面表面可確定的，刻面表面由周界約束，并且一般地以 非連續(xù)的方式鄰接相鄰刻面，即相鄰刻面表面的取向是不同的。由于相鄰刻面表面相互不 同的取向的緣故，在它們的周界處連接相鄰刻面的過(guò)渡表面可具有顯著的高度。所述過(guò)渡 表面可能不是優(yōu)選地形成的，并且因此可能不是完美地陡峭地延伸，然而，這些過(guò)渡表面將 不被認(rèn)為是分離的刻面。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的實(shí)施例的特征在于每個(gè)刻面組與相應(yīng)的 子圖案相關(guān)聯(lián)，其中在光學(xué)設(shè)備的操作期間，光學(xué)設(shè)備上的刻面組的相對(duì)位置基本上等同 于所顯示的圖案中的子圖案的相對(duì)位置。在本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備中，光線(xiàn)的重定向是按組方 式（groups-wise)完成的，而不是在預(yù)定的相應(yīng)方向中隨機(jī)地重定向入射光束的光線(xiàn)。在 一種描述光學(xué)設(shè)備的光線(xiàn)的所述重定向的原理的方式中，將考慮具有垂直于光軸的χ-y軸 的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)，其中χ=〇及y=〇處于光軸上，并且朝下游看，即在從光源朝向所顯示的 圖案的方向上沿著光軸。入射到具有所述第一組光軸（并且該組例如位于光學(xué)設(shè)備的坐標(biāo) 系統(tǒng)的第一象限中）的第一組刻面上的光線(xiàn)將主要(例如，至少75%)在所述第一組光軸的方 向上被(偽）隨機(jī)地重定向到所顯示的圖案的對(duì)應(yīng)的第一象限，余下的25%可被(偽）隨機(jī)地 投影在其它象限中的一個(gè)或多個(gè)中。類(lèi)似的推論適用于分別位于第二、第三和第四象限中 的第二、第三和第四組刻面，第二、第三和第四組刻面分別沿著它們相應(yīng)的組光軸將光線(xiàn)重 定向到所顯示的圖案的第二、第三和第四象限。如果所顯示的圖案要求通過(guò)光學(xué)設(shè)備在相 對(duì)于光軸相對(duì)大的角度之上的光擴(kuò)展（比如在具有大的頂角的錐體之上的擴(kuò)展)，則每個(gè)象 限和組光學(xué)可以仍被進(jìn)一步細(xì)分為例如兩半或者四個(gè)子象限，每個(gè)子象限具有其相應(yīng)的相 關(guān)聯(lián)的刻面的組光學(xué)。然后，可維持光學(xué)設(shè)備中的子象限和所顯示的圖案之間的類(lèi)似關(guān)系。 因而，光束的相對(duì)大(或甚至過(guò)大）的折射被抵消或者甚至被避免，并且相比于完全隨機(jī)布 置的刻面，刻面的傾斜可被減小。這樣，由于所述刻面表面上的光線(xiàn)的入射角的平均更加靠 近所述刻面表面的法線(xiàn)，所以在刻面表面處發(fā)生較少的反射，光學(xué)設(shè)備的效率得以改進(jìn)。為 了進(jìn)一步減少光學(xué)設(shè)備對(duì)光的非期望的反射，如由點(diǎn)狀光源發(fā)出的光的方向關(guān)于所述發(fā)出 的光入射到其上的刻面組的組光軸是處于相對(duì)小的角度。換言之，平均來(lái)說(shuō)，似乎光在穿過(guò) 本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備之前和之后比通過(guò)已知光學(xué)設(shè)備傳播的光的情形稍微更多地在同一方 向上傳播。此外，每個(gè)刻面具有周界邊緣，每個(gè)刻面通過(guò)周界邊緣鄰接其相鄰刻面，所述周 界邊緣是針對(duì)所顯示的圖案的變形的源。作為上面提到的發(fā)明的技術(shù)特征的結(jié)果，由周界 邊緣引起的所顯示的圖案/圖像的變形被減少，因?yàn)橹芙邕吘壍钠骄叨鹊陀诓痪哂兴?組光學(xué)分割而是具有完全隨機(jī)化的刻面取向的已知光學(xué)設(shè)備中的周界邊緣的平均高度，因 此改進(jìn)了圖像的質(zhì)量。
[0009] 當(dāng)與刻面組相關(guān)聯(lián)的圖像的部分將通過(guò)所述刻面組以期望的分辨率/清晰度構(gòu) 造時(shí)，光學(xué)設(shè)備的實(shí)施例的特征在于包括在刻面組中的刻面的數(shù)目至少是100。包括在組 中的刻面的期望最小數(shù)目取決于由所述組構(gòu)造的圖像的部分的尺寸、復(fù)雜性和期望的清晰 度，因此組中的刻面的所述數(shù)目可以容易地共達(dá)1000或者甚至10000。
[0010] 光學(xué)設(shè)備的實(shí)施例的特征在于至少第一和第二刻面組基本上具有相同的尺寸和/ 或相同的形狀。這樣，能夠獲得組中的光學(xué)設(shè)備的第一表面的相對(duì)簡(jiǎn)單的分割?？蛇x地，所 述組通過(guò)小的間隔相互分離，或者組形成超級(jí)結(jié)構(gòu)，例如其中每個(gè)組形成第一表面的超級(jí) 刻面。此外，相對(duì)于光的重分布/重定向，具有基本上相同尺寸和/或形狀的組的光學(xué)設(shè)備 更加均衡。在這一點(diǎn)上，當(dāng)?shù)谝豢堂娼M中的刻面的相應(yīng)數(shù)目與第二刻面組中的刻面的相應(yīng) 數(shù)目在1:1至1:10的范圍中時(shí)，其似乎是利好的。此外，當(dāng)所述組通過(guò)間隔分離時(shí)，它們 相對(duì)簡(jiǎn)單地彼此可區(qū)分，因而能夠?qū)崿F(xiàn)具體組的容易的操縱/校正。如果刻面組在光學(xué)設(shè) 備上不是直接可區(qū)分或可確定的，則(事實(shí)上）將第一表面上的多個(gè)刻面分成刻面組的方法 要考慮一個(gè)所選刻面，優(yōu)選地不是處于第一表面的邊界處的刻面。至少能夠在相鄰/鄰接 的刻面之上以三步到達(dá)的所有刻面或者在距所述所選一個(gè)刻面〈=3*平均刻面尺寸的距離 內(nèi)的所有刻面被認(rèn)為是所述刻面組的部分。該方法自動(dòng)地致使刻面組被緊湊地布置并且具 有或多或少相同的尺寸和形狀。注意，對(duì)于組光軸以及所述組光軸之間的角度β的確定而 言，刻面不能是多于一個(gè)的刻面組的部分。
[0011] 光學(xué)設(shè)備的實(shí)施例的特征在于基本上組內(nèi)的每個(gè)刻面具有關(guān)于相應(yīng)組光軸的傾 斜角at，其中所述傾斜角CI t在由以下等式確定的范圍內(nèi)： a t〈= 〇· 8 * a c，優(yōu)選地 a t〈= 〇· 6 * a c， 其中α。= arcsin(n2/nl)并且α。是針對(duì)全內(nèi)反射的臨界角，其中Ii1是較高的折射 率并且η2是較低的折射率。
[0012] 特別地，該標(biāo)準(zhǔn)在折射光學(xué)設(shè)備上可適用，但是在某種程度上，也在反射光學(xué)設(shè)備