光学设备、透镜、照明设备、系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及包括具有多个微小尺寸刻面的第一表面的光学设备，每一个刻面具有 相应取向，所述多个刻面具有平行于所有所述相应取向的平均取向的法向矢量延伸的光 轴。
【背景技术】
[0002] 用于使光均匀的常规技术利用阵列化的微透镜、衍射漫射器、毛玻璃漫射器和全 息生成漫射器。微透镜阵列通过创建重叠的光发散锥体的阵列使光均匀。每个锥体源自相 应的微透镜并且发散到透镜的焦斑之外。在常规的阵列中，各个透镜彼此相同。通过利用 研磨材料对玻璃进行打磨以生成玻璃表面中的光散射结构来形成毛玻璃漫射器。
[0003] 微透镜阵列、毛玻璃漫射器和全息漫射器都具有不能控制均匀化的发散光的角扩 展的缺点。光一般具有在期望的角域之上相当均一的角扩展，但是角域的边界是模糊的。利 用常规的漫射器方法，在期望的角扩展的边缘处的能量滚降（roll-off)能够良好地延伸到 该区域之外。
[0004] 衍射漫射器可以被用来控制输出光的角扩展，但是这样的漫射器在它们能够给予 输出光的扩展的量的方面受限制。由于针对可见或其以下的短波长源的制作限制、以及针 对较长波长的结构的物理方面中的限制，最大角扩展受限制。另外，以其传统二元形式使用 的衍射漫射器可以包括大量背景能量，并且图案必须是关于光轴对称的。
[0005] 为了克服这些常规设备的所述缺点，US20070223095公开了具有由多个光学元件 形成的多个方形刻面的光学设备。刻面被用来在预定的相应方向上定向入射光束的部分。 刻面在二维阵列中彼此相邻地形成。刻面在阵列中的位置关于对应光束部分的方向是随机 的。该已知光学设备的缺点在于其由于再现相对低的图像质量而具有相对欠佳的性能。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种具有改进的性能的如在开头段落中所描述的类型的光 学设备。本发明的另一目的是提供制作改进的光学设备的方法。该目的通过如在开头段落 中描述的类型的光学设备来实现，其中多个刻面还包括至少第一和第二刻面组，每一个组 由至少二十五个紧凑布置的邻近刻面中的相应数目个形成，在光学设备的操作期间，每一 个刻面组被布置成构成相应相互相同的整个图案，相应刻面组中的每一个刻面被布置成显 示所述相应整个图案的子图案，并且相应整个图案相互叠加。叠加的图像的重叠不需要是 100%。然而，然后存在小的相互位移/偏移S，有目的地这样做以抵消所显示的图像的暗 区和亮区处的阶梯式边缘的可见性。该偏移可以在一个方向上，但是也可以在更多的方向 上进行并且导致边缘更流畅/平滑，S的幅度当然取决于所显示的图像的复杂性和/或细 节，但是一般地每个刻面的叠加的图像的重叠大约为50%至95%，例如80%。
[0007] 在这一点上，紧凑地布置意味着在刻面的组内，刻面不是广泛布置的而是在一起 被紧密地布置为一个，例如，其中至少50%的刻面由相同组的刻面完全地环绕或邻接，或者 例如其中刻面的组具有表面S和周界P，并且P与V S的比值至多为6。在这一点上，邻近 意味着在刻面的组内，基本上组中的所有刻面经由它们的组中的刻面直接连接到彼此。
[0008] 光学设备由刻面的组的平铺式（tiled)阵列形成，其中每个组具有多个刻面，例如 (伪）随机布置的刻面，图案可以通过单独匹配由一个或多个相应组的贡献发出的子图案来 形成。刻面通过具有特定取向的刻面表面可确定，刻面表面由周界划界，并且一般以非连续 的方式邻接相邻刻面，即相邻刻面表面的取向不同。由于相邻刻面表面的相互不同的取向， 在它们的周界处连接相邻刻面的过渡表面可以具有显著的高度。所述过渡表面可能不会完 美地形成，并且因此可能不会完美地陡直延伸，然而，这些过渡表面不被视为分离的刻面。 根据本发明的光学设备的实施例的特征在于每个刻面组与相应的子图案相关联，其中在光 学设备的操作期间，光学设备上的刻面组的相对位置基本上等于所显示的图案中的子图案 的相对位置。在本发明的光学设备中，光线的重定向是按组方式完成的，而不是在预定的相 应方向上随机地重定向入射光束的光线。在描述光学设备的光线的所述重定向的原理的一 种方式中，考虑具有垂直于光轴的χ-y轴的笛卡尔坐标系统，其中χ=〇和y=〇在光轴上，并 且望向下游，即在从光源朝向所显示的图案的方向上沿着光轴。入射在具有所述第一组光 轴并且该组例如位于光学设备的坐标系统的第一象限中的第一刻面组上的光线将主要(例 如，至少75%)在所述第一组光轴的方向上被(伪)随机地重定向到所显示的图案的对应第一 象限，其余25%可以被(伪）随机地投影在其它象限中的一个或多个中。类似的推论适用于 分别位于第二、第三和第四象限中的第二、第三和第四刻面组，其分别沿着它们相应的组光 轴将光线分别重定向到所显示的图案的第二、第三和第四象限。如果所显示的图案要求通 过光学设备在相对于光轴的相对大角度之上的光扩展（比如在具有大顶角的锥体之上的扩 展)，则每个象限和组光学可以被进一步子划分成例如两半或者四个子象限，每个子象限具 有其相应的相关联的刻面组光学。然后，可以维持光学设备中的子象限和所显示的图案之 间的类似关系。因而，光束的相对大(或甚至过大)折射被抵消或者甚至被避免，并且相比于 完全随机布置的刻面，刻面的倾斜可以减小。因此，由于在刻面表面处发生较少的反射，光 学设备的效率得以改进，这是因为所述刻面表面上的光线的入射角平均起来更加靠近所述 刻面表面的法向。为了进一步减少光学设备对光的非期望的反射，如由点状光源发出的光 的方向处于与所述发出的光入射在其上的刻面组的组光轴的相对小角度处。换言之，平均 来说，看起来光在穿过本发明的光学设备之前和之后比通过已知光学设备传播的光的情况 在某种程度上更多地在相同方向上传播。另外，每个刻面具有周界边缘，每个刻面通过周界 边缘邻接其相邻刻面，所述周界边缘是针对所显示的图案的变形的源。作为上面提到的发 明技术特征的结果，由周界边缘引起的所显示的图案/图像的变形减少，因为周界边缘的 平均高度低于不具有所述组光学分割而是具有完全随机化的刻面取向的已知光学设备中 的周界边缘，因此改进了图像的质量。
[0009] 当与刻面组相关联的图像的部分通过所述刻面组以期望的分辨率/细节构建时， 光学设备的实施例的特征在于包括在刻面组中的刻面的数目至少为1〇〇。包括在组中的刻 面的期望最小数目取决于由所述组构建的图像的部分的尺寸、复杂性和期望的细节，因此 组中的刻面的所述数目可以容易地共达1000或者甚至10000。
[0010] 光学设备的实施例的特征在于至少第一和第二刻面组基本上具有相同的尺寸和/ 或相同的形状。这样，使得能够获得组中的光学设备的第一表面的相对简单的分割。可选 地，所述组通过小间隔相互分离，或者组形成超结构，例如其中每个组形成第一表面的超刻 面。此外，相对于光的重分布/重定向，具有基本上相同尺寸和/或形状的组的光学设备更 加均衡。在这一点上，当第一刻面组中的刻面的相应数目与第二刻面组中的刻面的相应数 目在1:1至1:10的范围中时，其似乎是有利的。此外，当所述组通过间隔分离时，它们相对 简单地彼此可区分，因而使得能够实现特定组的容易的操纵/校正。如果刻面组在光学设 备上不是直接可区分或可确定的，则(事实上）将第一表面上的多个刻面划分成刻面组的方 法要考虑一个所选刻面，优选地不在第一表面的边界处。至少能够在相邻/邻接的刻面之 上以三步到达的所有刻面或者在距所述所选一个刻面〈=3*平均刻面尺寸的距离内的所有 刻面被视为所述刻面组的部分。该方法自动地致使刻面组被紧凑地布置并且具有或多或少 相同的尺寸和形状。注意，对于组光轴以及所述组光轴之间的角度β的确定而言，刻面不 能是多于一个的刻面组的部分。
[0011] 光学设备的实施例的特征在于基本上组内的每个刻面具有关于相应组光轴的倾 斜角at，其中所述倾斜角CI t在由以下等式确定的范围内： at〈= 0.8 * (!。，优选地 at〈= 0.6 * ac， 其中a。= arcsin(n2/nl)并且a。是针对全内反射的临界角，其中Ii1是较高折射率 并且巧是较低折射率。
[0012] 特别地，该准则在折射光学设备上适用，但是在某种程度上，也在反射光学设备上 适用。将倾斜角的上限范围仅限制到显著低于a。（g卩，小于0.8*a。)的角度将具有以下效 果：相比于没有倾斜角中的所述限制的已知类似光学设备，周界边缘具有针对其最大高度 的绝对较低上限。这一般将导致周界边缘的平均较低高度并且因此导致周界边缘表面与刻 面表面的较低比值以及因此导致优于已知光学设备的光学设备的改进的性能。此外，以高 于针对TIR的临界角的角度入射在表面上的光束总是被部分地反射和部分地透射。因此， 由于在本发明的光学设备中，刻面一般比已知光学设备中的刻面更加横向于入射光束进行 取向，因此更少的光将被反射并且更多的光将被透射，因而提高了优于已知光学设备的发 明光学设备的效率。此外，如果光学设备的特征在于 at〈= 0.6* a。，则刻面相对于光轴的 倾斜因而被限制到相对低值，然而，该倾斜仍足以在期望的方向上对源自发出平行射束的 光源的光进行重定向。通过该措施