具有3維外觀的衍射照明裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明整體涉及照明裝置，尤其適用于包含光導和衍射元件以將導模光從光導中耦合出來的照明裝置。本發明還涉及相關聯的制品、系統和方法。
【背景技術】
[0002]使用光導來使來自邊緣安裝的離散CCFL或LED光源的光在光導的擴展區域上方分散的擴展區域照明裝置是已知的。液晶顯示器(LCD)中使用的側光式背光源是此類照明裝置的主要示例。通常，重要的是使得此類照明裝置具有隨著擴展區域輸出表面上的位置的變化而保持均勻、或至少緩慢變化的顏色和亮度。通常，還重要的是使得此類照明裝置發出實質上白色的光，使得液晶面板的濾波作用可產生范圍從藍色到紅色的全彩像素和圖片。
[0003]為了從光導中提取出導模光，側光式背光源常常將光導的主表面配置成具有漫射涂料或其它散射材料的印刷圖案，或配置成具有例如結構化表面，如各個面被設計成通過折射或反射來改變光的方向的一系列溝槽或棱鏡所提供的。在主表面上使用衍射溝槽或棱鏡來將導模光從光導中提取出來并不是普遍的，因為衍射具有強大的波長依賴性，這種強大的波長依賴性可容易產生高度著色的外觀，而高度著色的外觀在大多數的最終用途應用中是不可接受的。
【發明內容】
[0004]我們已開發出一系列新型擴展區域照明裝置，這些擴展區域照明裝置使用光導的主表面上的衍射表面特征來從擴展的光導提取光。來自一個或多個離散光源的光被注入到光導中，并且衍射表面特征與注入的光相交以將導模光從光導中耦合出來。所耦合出的光產生外觀形狀隨著察看位置而改變的一個或多個帶。這些帶可以是對應于離散光源的亮帶、或與沿光導的側表面延伸的任選不均一反射結構相關聯的暗帶。多個帶可形成隨著察看位置而改變的亮或暗的圖案，從至少一些察看位置來看帶的圖案具有3維外觀。照明裝置可被用作用于一般照明或裝飾性照明的照明設備。這些裝置中使用的衍射表面特征可針對傳播通過光導的非導模光提供低光學失真，以允許通過光導來察看對象。
[0005]本文中尤其描述照明裝置，諸如包括光導和離散光源的照明設備。光導包括第一主表面，第一主表面具有適于將導模光從光導中耦合出來的衍射表面特征。離散光源被設置成將光注入到光導中。衍射表面特征中的至少一些在平面圖中是不直的，并且光源和衍射表面特征受到調控，以產生與不直的衍射表面特征相交的帶。
[0006]帶可為亮帶，并且帶的外觀可隨著觀察者相對于照明裝置的察看位置的變化而改變。帶可從第一察看位置處的直的形狀改變為在第二察看位置處的彎曲形狀。離散光源可為設置成將光注入到光導中的多個光源之一，并且所述帶可為對應于多個光源的多個帶之一，這些帶中的每一個帶與不直的衍射表面特征相交。多個帶可形成隨著觀察者相對于照明裝置的察看位置的變化而改變的圖案，從察看位置中的至少一些來看帶的圖案具有3維外觀。
[0007]在平面圖中，光導可具有非多邊形形狀和彎曲的側表面。離散光源可被設置成使光穿過彎曲的側表面注入到光導中。離散光源可為被設置成使光穿過彎曲的側表面注入到光導中的多個光源之一，并且帶可為對應于多個光源的多個帶之一，這些帶中的每一個帶與不直的衍射表面特征相交。不直的衍射表面特征可限定彎曲的路徑，彎曲的路徑與彎曲的側表面實質上不相交并且相匹配。非多邊形形狀可為圓形或卵形的。
[0008]不直的衍射表面特征可限定彎曲的路徑，彎曲的路徑形成螺旋或一系列同心圓或卵形。光導可表現出通過光導察看對象的低失真。
[0009]本發明還公開了包括光導、第一光源和非均一反射結構的照明裝置。光導包括第一主表面和至少一個側表面，第一主表面具有適于從光導中耦合出光的衍射表面特征。第一光源被設置成將光注入到光導中。不均一反射結構沿至少一個側表面延伸，不均一反射結構提供沿至少一個側表面的主要部分的第一反射率和在至少一個側表面的局部區域處的不同于第一反射率的第二反射率。衍射表面特征中的至少一些在平面圖中是不直的，并且光源、衍射表面特征和反射結構受到調控，以產生與不直的衍射表面特征相交的帶。
[0010]對于可見光，第一反射率可為至少50%，并且第二反射率可小于第一反射率，以使得帶為暗帶。不均一反射結構可包括被設置在至少一個側表面的主要部分上的反射材料，至少一個側表面的局部區域中不含反射材料。不均一反射結構可包括金屬夾持器，并且局部區域處的第二反射率可對應于由金屬夾持器承載的非照明的第二光源。在平面圖中，光導可具有非多邊形形狀，并且至少一個側表面可以是彎曲的并圍繞光導的完整周邊延伸。局部區域可為彼此間隔開的并具有小于第一反射率的反射率的多個局部區域之一，并且帶可為對應于多個局部區域的多個暗帶之一，這些暗帶中的每一個暗帶與不直的衍射表面特征相交。多個暗帶可形成隨著觀察者相對于照明設備的察看位置的變化而改變的圖案，從察看位置中的至少一些來看暗帶的圖案具有3維外觀。
[0011]本發明還公開了包括第一光導和第二光導及第一離散光源和第二離散光源的系統。第一光導包括第一主表面，第一主表面具有適于將導模光從第一光導中稱合出來的第一衍射表面特征。第二光導包括第二主表面，第二主表面具有適于將導模光從第二光導中耦合出來的第二衍射表面特征。第一離散光源被設置成將光注入到第一光導中，并且第二離散光源被設置成將光注入到第二光導中。第一衍射表面特征中的至少一些在平面圖中是不直的，并且第一光源和第一衍射表面特征受到調控，以產生與不直的第一衍射表面特征相交的第一帶。此外，第二衍射表面特征中的至少一些在平面圖中是不直的，并且第二光源和第二衍射表面特征受到調控，以產生與不直的第二衍射表面特征相交的第二帶。
[0012]還討論了相關的方法、系統和制品。
[0013]本申請的這些和其它方面根據以下詳細描述將顯而易見。然而，在任何情況下都不應將以上概述理解為是對要求保護的主題的限制，要求保護的主題僅僅由所附權利要求書限定，權利要求書在審查期間可以進行修改。
【附圖說明】
[0014]圖1為利用光導主表面上的衍射表面特征的照明裝置的示意性側視圖或剖面圖；
[0015]圖2為光導的示意性側視圖或剖面圖，其中離散光源將光注入到光導中并且衍射表面特征將導模光從光導中耦合出來；
[0016]圖3為使用線性衍射表面特征從光導提取出來的光的集成光功率密度的強度對極角的曲線圖；
[0017]圖4為可用于從光導進行光提取的復制型衍射表面的顯微圖；
[0018]圖5為使用如圖4所示衍射表面結構的照明裝置的隨著極角和方位角的變化所測量的強度的錐光圖；
[0019]圖5a為針對圖5的錐光圖沿特定基準平面所測量的輝度對極角的曲線圖；
[0020]圖6為具有不對稱或閃耀式衍射表面結構的光導的示意性側視圖或剖面圖；
[0021]圖7為針對圖6的表面結構計算出的提取效率的曲線圖；
[0022]圖8為包括呈堆疊或分層布置的多個光導的照明裝置的示意性側視圖或剖面圖；
[0023]圖9為包括被設置在光導的對置的主表面上并針對不同的著色光源進行調控的不同衍射表面特征的照明裝置的示意性透視圖；
[0024]圖10和圖11為具有衍射表面特征的光導的示意性側視圖或剖面圖,衍射表面特征包括具有不同間距的表面特征組；
[0025]圖12a為照明裝置的表現出與離散光源相關聯的亮帶的一部分的示意性前視圖或平面圖；
[0026]圖12b為圖12a的照明裝置部分的示意性斜視圖，其中該裝置是從傾斜角度進行察看的，這使得亮帶的形狀產生改變；
[0027]圖12c為遇到各種衍射表面特征的導模光線的示意性前視圖或平面圖；
[0028]圖12d為在笛卡爾坐標系和極坐標系背景下具有極角Θ和方位角的觀察方向或矢量的示意圖；
[0029]圖13a為照明裝置的表現出與不均一反射結構相關聯的暗帶的一部分的示意性前視圖或平面圖；
[0030]圖13b為圖13a的照明裝置部分的示意性斜視圖，其中該裝置是從傾斜角度進行察看的，這使得暗帶的形狀產生改變；
[0031]圖14為具有形成為螺旋的衍射表面結構的光導的示意性前視圖或平面圖；
[0032]圖14a為圖14的光導的細節；
[0033]圖15a為利用離散光源以及光導的照明裝置的示意性前視圖或平面圖，光導具有形成螺旋或同心圓的衍射表面結構；
[0034]圖15b為圖15a的照明裝置的示意性斜視圖，其中該裝置是從傾斜角度進行察看的，這使得帶的形狀相對于它們在圖15a中的形狀產生改變；
[0035]圖15c為圖15a和圖15b的照明裝置的示意性斜視圖，其中該裝置是從比圖15b的角度更傾斜的角度進行察看的，從而使得帶的形狀相對于它們在圖15a和圖15b中的形狀產生進一步的改變；
[0036]圖16為照明裝置的一部分的示意性前視圖、平面圖或剖面圖，照明裝置包括光導、設置成將光注入到光導中的離散光源、和支撐結構；
[0037]圖17為具有相等曲率的衍射表面結構的平坦餅形光導的示意性前視圖或平面圖；
[0038]圖18為包括一組平坦餅形光導和離散光源的照明裝置的示意性前視圖或平面圖；
[0039]圖19a為使用具有彎曲衍射表面結構的圓形光導構造的照明裝置的照片，該照明裝置是從傾斜視角拍攝的，其中環境光是打開的并且照明裝置的離散光源是關閉的；
[0040]圖19b為從相同傾斜視角拍攝的圖19a的照明裝置的照片，但是其中環境光是關閉的并且照明裝置的離散光源是打開的；
[0041]圖19c為以略微更傾斜的視角的圖19b的照明裝置的照片，并且其中該照明裝置的表面上的所選擇的小區域或光點被標識和標記出；
[0042]圖19d為圖19c的所選擇光點的CIE色度坐標的曲線圖；
[0043]圖20a為用于測量由圖19b的照明裝置來照明的表面的光學特性的設置的示意圖；
[0044]圖20b為如圖20a所指出的所選擇光點的CIE色度坐標的曲線圖；
[0045]圖21為具有螺旋形衍射表面特征的衍射膜的示意性前視圖或平面圖，該圖示出如何將膜細分成矩形片；
[0046]圖22a為使用圖21的膜片中的一個制成的照明裝置的示意性側視圖或剖面圖；
[0047]圖22b為圖22a的照明裝置的示意性前視圖或平面圖，其中線性組的離散光源是沿光導的副邊緣定位；
[0048]圖22c為類似于圖22b的示意性前視圖或平面圖，但是其中該線性組的離散光源是沿光導的主邊緣定位；并且
[0049]圖23a-圖 23c、圖 24a_ 圖 24c、圖 25a_ 圖 25c、圖 26a_ 圖 26b 和圖 27a_ 圖 27c 為使用矩形光導、線性組的離散光源及類似于圖21所示那些中的一些的衍射表面特征制成的照明裝置的照片。
[0050]在附圖中，類似參考數字指示類似元件。
【具體實施方式】
[0051]我們已經發現，照明裝置(諸如照明設備)可使用擴展區域光導、衍射表面特征和離散光源來制成以提供裝置中的通用照明，這種通用照明還可由于包括具有3維外觀的一個或多個帶的視覺外觀而為美觀的，例如，這些帶可隨著察看幾何形狀(viewinggeometry)(察看位置和/或察看視角)的變化而改變形狀，和/或多個帶可形成從至少一些察看位置來看具有3維外觀的圖案。形狀上的改變通常與這些帶中的一個或多個的曲率改變(例如，從直的改變為彎曲的或反之亦然，或從平緩彎曲的改變為更強烈地彎曲的或反之亦然)相關聯。
[0052]圖1以示意性側視圖或剖面圖示出示例性照明裝置110。照明裝置110包括擴展區域光導112和離散光源114a、114b。照明裝置110可以任何期望的配置來安裝，但是在這種情況下，其被示出為例如在房間或建筑物的頂篷中或其附近，物理地安裝在用戶120上方。裝置110可在諸如桌面或地板的表面122上提供實質上白色的光照明。然而，當用戶120直視裝置110時，該用戶可看到橫跨裝置110的發射區域的各色的圖案。該用戶還有利地看到在該裝置的發射區域中的具有3維外觀的一個或多個帶。給定的帶是從所述離散光源中的一個發射的光與光導的一個或兩個主表面上的衍射表面特征相交的結果。另選地，給定的帶可為沿光導的側表面延伸的非均一反射結構中的具有高反射率或低反射率的局部區域所反射或吸收的光的交互作用的結果。除了該裝置的發射區域中的各色的圖案和帶之外，用戶120還可通過光導112以小光學失真或無光學失真來觀察對象，諸如對象124。此類對象所發射或反射的光能夠作為非導模光傳播通過光導，僅少量的光被衍射表面特征偏轉。
[0053]光導112沿在圖1中示出為笛卡爾坐標系的X軸和y軸的兩個平面內方向延伸，使得光導具有對置的主表面112a、112b及側表面112c、112d。衍射表面特征113設置在光導112的主表面中的至少一個上,諸如如圖所不的表面112a、或在其它實施例中表面112b、或表面112a和112b兩者上。在任何情況下，衍射表面特征受到調控以通過衍射將導模光從光導中耦合出來。圖中將導模光示出為光116，并且將從光導發射的所耦合出來的光示出為光117a、117b。光117a在用戶120或表面122的總體方向上穿過表面112a，并且光117b在遠離用戶120或表面122的總體方向上穿過表面112b。在一些情況下，可將照明裝置110安裝成使得光117b提供對房間的間接照明，例如，通過從頂篷或從另一個反射構件反射來將光117b重新定向回到該房間中。
[0054]就這一點而言，可將反射膜或反射層施加到表面112b的全部或一部分，或可將它定位在表面112b附近，以便將光117b重新定向，使得其從表面112a發出。反射膜可以漫射方式、鏡面反射方式、或半鏡面反射方式來反射光，并且可隨著波長的變化而均勻或不均勻地反射光，并且它可隨著偏振的變化而均勻或不均勻地反射垂直入射光。反射膜例如可為或可包括:白色涂料或任何其它顏色的涂料；高反射率鏡膜，例如，帶有金屬涂層(諸如鋁、銀、鎳等)的膜、或非金屬鏡膜諸如3M? Vikuit? ESR;具有有機(例如聚合物的)或無機組分光學層的多層光學膜，這些光學層帶有的層厚度輪廓受到調控，以在一些或所有可見光譜范圍內以垂直入射角度或另一個期望的入射角度來反射光；帶有漫射涂層的ESR膜；具有光滑表面的白色反射器；帶有刷制金屬表面的反射器，包括帶有金屬涂層的膜，該膜的表面被粗糙化以提供半鏡面或漫射反射率；帶有結構化表面的反射器；微空腔化(miCTocavitatecOPET膜；3M?光增強膜；和/或反射性偏振膜，包括但不限于Vikuiti?漫反射性偏振膜(DRPF)、Vikuiti ?雙倍增亮膜(DBEF)、Vikuiti "*雙倍增亮膜II(DBEF II)、和在一些或所有的可見光譜范圍內對具有不同偏振的垂直入射光具有不同的反射率但對這種垂直入射光具有大于50%的平均反射率的多層光學膜。還可參見以下文獻中所公開的光學膜:US 2008/0037127(韋伯(Weber))，“Wide Angle MirrorSystem(廣角反射鏡系統)” ;US 2010/0165660 (韋伯等人)，“Backlight and DisplaySystem Using Same (背光源及使用背光源的顯示系統)” ;US 2010/0238686 (韋伯等人)，“Recycling Backlights With Sem1-Specular Components (具有半鏡面部件的循環背光源)，，;US2011/0222295 (韋伯等人)，“Multilayer Optical Film with Output Confinementin Both Polar and Azimuthal Direct1ns and Related Construct1ns (在極方向和方位角方向上均具有輸出限制的多層光學膜及相關構造)”;US 2011/0279997(韋伯等人)，“Reflective Film Combinat1ns with Output Confinement in Both Polar andAzimuthal Direct1ns and Related Construct1ns (在極方向和方位角方向上均具有輸出限制的反射膜組合及相關構造)” ；W0 2008/144644(韋伯等人)，“Sem1-SpecularComponents in Hollow Cavity Light Recycling Backlights (中空光循環腔背光源中的半鏡面部件)”；和 WO 2008/144656 (韋伯等人)，“Light Recycling Hollow Cavity TypeDisplay Backlight (中空光循環腔型顯示背光源)”。
[0055]光導112可為物理上厚或薄的，但其優選為厚至足以支撐大量導模，并且此外厚至足以有效地耦合到離散光源的發射區域。光導例如可具有在從0.2到20mm或從2到1mm范圍內的物理厚度。厚度可為恒定且均勻的，或其可隨著位置的變化而改變，如同漸縮的或楔形光導。如果是漸縮的，那么光導可僅沿一個平面內方向例如X軸或I軸漸縮，或它可沿兩個主要平面內方向漸縮。
[0056]忽略與例如衍射表面結構相關聯的小幅度表面變化，光導可以是實質上平坦的或平面的。然而，在一些情況下，光導可為不平坦