光學設備、透鏡、照明設備、系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及包括具有多個微小尺寸刻面的第一表面的光學設備，每一個刻面具有 相應取向，所述多個刻面具有平行于所有所述相應取向的平均取向的法向矢量延伸的光 軸。
【背景技術】
[0002] 用于使光均勻的常規技術利用陣列化的微透鏡、衍射漫射器、毛玻璃漫射器和全 息生成漫射器。微透鏡陣列通過創建重疊的光發散錐體的陣列使光均勻。每個錐體源自相 應的微透鏡并且發散到透鏡的焦斑之外。在常規的陣列中，各個透鏡彼此相同。通過利用 研磨材料對玻璃進行打磨以生成玻璃表面中的光散射結構來形成毛玻璃漫射器。
[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散光的角擴 展的缺點。光一般具有在期望的角域之上相當均一的角擴展，但是角域的邊界是模糊的。利 用常規的漫射器方法，在期望的角擴展的邊緣處的能量滾降（roll-off)能夠良好地延伸到 該區域之外。
[0004] 衍射漫射器可以被用來控制輸出光的角擴展，但是這樣的漫射器在它們能夠給予 輸出光的擴展的量的方面受限制。由于針對可見或其以下的短波長源的制作限制、以及針 對較長波長的結構的物理方面中的限制，最大角擴展受限制。另外，以其傳統二元形式使用 的衍射漫射器可以包括大量背景能量，并且圖案必須是關于光軸對稱的。
[0005] 為了克服這些常規設備的所述缺點，US20070223095公開了具有由多個光學元件 形成的多個方形刻面的光學設備。刻面被用來在預定的相應方向上定向入射光束的部分。 刻面在二維陣列中彼此相鄰地形成。刻面在陣列中的位置關于對應光束部分的方向是隨機 的。該已知光學設備的缺點在于其由于再現相對低的圖像質量而具有相對欠佳的性能。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種具有改進的性能的如在開頭段落中所描述的類型的光 學設備。本發明的另一目的是提供制作改進的光學設備的方法。該目的通過如在開頭段落 中描述的類型的光學設備來實現，其中多個刻面還包括至少第一和第二刻面組，每一個組 由至少二十五個緊湊布置的鄰近刻面中的相應數目個形成，在光學設備的操作期間，每一 個刻面組被布置成構成相應相互相同的整個圖案，相應刻面組中的每一個刻面被布置成顯 示所述相應整個圖案的子圖案，并且相應整個圖案相互疊加。疊加的圖像的重疊不需要是 100%。然而，然后存在小的相互位移/偏移S，有目的地這樣做以抵消所顯示的圖像的暗 區和亮區處的階梯式邊緣的可見性。該偏移可以在一個方向上，但是也可以在更多的方向 上進行并且導致邊緣更流暢/平滑，S的幅度當然取決于所顯示的圖像的復雜性和/或細 節，但是一般地每個刻面的疊加的圖像的重疊大約為50%至95%，例如80%。
[0007] 在這一點上，緊湊地布置意味著在刻面的組內，刻面不是廣泛布置的而是在一起 被緊密地布置為一個，例如，其中至少50%的刻面由相同組的刻面完全地環繞或鄰接，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的比值至多為6。在這一點上，鄰近 意味著在刻面的組內，基本上組中的所有刻面經由它們的組中的刻面直接連接到彼此。
[0008] 光學設備由刻面的組的平鋪式（tiled)陣列形成，其中每個組具有多個刻面，例如 (偽）隨機布置的刻面，圖案可以通過單獨匹配由一個或多個相應組的貢獻發出的子圖案來 形成。刻面通過具有特定取向的刻面表面可確定，刻面表面由周界劃界，并且一般以非連續 的方式鄰接相鄰刻面，即相鄰刻面表面的取向不同。由于相鄰刻面表面的相互不同的取向， 在它們的周界處連接相鄰刻面的過渡表面可以具有顯著的高度。所述過渡表面可能不會完 美地形成，并且因此可能不會完美地陡直延伸，然而，這些過渡表面不被視為分離的刻面。 根據本發明的光學設備的實施例的特征在于每個刻面組與相應的子圖案相關聯，其中在光 學設備的操作期間，光學設備上的刻面組的相對位置基本上等于所顯示的圖案中的子圖案 的相對位置。在本發明的光學設備中，光線的重定向是按組方式完成的，而不是在預定的相 應方向上隨機地重定向入射光束的光線。在描述光學設備的光線的所述重定向的原理的一 種方式中，考慮具有垂直于光軸的χ-y軸的笛卡爾坐標系統，其中χ=〇和y=〇在光軸上，并 且望向下游，即在從光源朝向所顯示的圖案的方向上沿著光軸。入射在具有所述第一組光 軸并且該組例如位于光學設備的坐標系統的第一象限中的第一刻面組上的光線將主要(例 如，至少75%)在所述第一組光軸的方向上被(偽)隨機地重定向到所顯示的圖案的對應第一 象限，其余25%可以被(偽）隨機地投影在其它象限中的一個或多個中。類似的推論適用于 分別位于第二、第三和第四象限中的第二、第三和第四刻面組，其分別沿著它們相應的組光 軸將光線分別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 過光學設備在相對于光軸的相對大角度之上的光擴展（比如在具有大頂角的錐體之上的擴 展)，則每個象限和組光學可以被進一步子劃分成例如兩半或者四個子象限，每個子象限具 有其相應的相關聯的刻面組光學。然后，可以維持光學設備中的子象限和所顯示的圖案之 間的類似關系。因而，光束的相對大(或甚至過大)折射被抵消或者甚至被避免，并且相比于 完全隨機布置的刻面，刻面的傾斜可以減小。因此，由于在刻面表面處發生較少的反射，光 學設備的效率得以改進，這是因為所述刻面表面上的光線的入射角平均起來更加靠近所述 刻面表面的法向。為了進一步減少光學設備對光的非期望的反射，如由點狀光源發出的光 的方向處于與所述發出的光入射在其上的刻面組的組光軸的相對小角度處。換言之，平均 來說，看起來光在穿過本發明的光學設備之前和之后比通過已知光學設備傳播的光的情況 在某種程度上更多地在相同方向上傳播。另外，每個刻面具有周界邊緣，每個刻面通過周界 邊緣鄰接其相鄰刻面，所述周界邊緣是針對所顯示的圖案的變形的源。作為上面提到的發 明技術特征的結果，由周界邊緣引起的所顯示的圖案/圖像的變形減少，因為周界邊緣的 平均高度低于不具有所述組光學分割而是具有完全隨機化的刻面取向的已知光學設備中 的周界邊緣，因此改進了圖像的質量。
[0009] 當與刻面組相關聯的圖像的部分通過所述刻面組以期望的分辨率/細節構建時， 光學設備的實施例的特征在于包括在刻面組中的刻面的數目至少為1〇〇。包括在組中的刻 面的期望最小數目取決于由所述組構建的圖像的部分的尺寸、復雜性和期望的細節，因此 組中的刻面的所述數目可以容易地共達1000或者甚至10000。
[0010] 光學設備的實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，使得能夠獲得組中的光學設備的第一表面的相對簡單的分割。可選 地，所述組通過小間隔相互分離，或者組形成超結構，例如其中每個組形成第一表面的超刻 面。此外，相對于光的重分布/重定向，具有基本上相同尺寸和/或形狀的組的光學設備更 加均衡。在這一點上，當第一刻面組中的刻面的相應數目與第二刻面組中的刻面的相應數 目在1:1至1:10的范圍中時，其似乎是有利的。此外，當所述組通過間隔分離時，它們相對 簡單地彼此可區分，因而使得能夠實現特定組的容易的操縱/校正。如果刻面組在光學設 備上不是直接可區分或可確定的，則(事實上）將第一表面上的多個刻面劃分成刻面組的方 法要考慮一個所選刻面，優選地不在第一表面的邊界處。至少能夠在相鄰/鄰接的刻面之 上以三步到達的所有刻面或者在距所述所選一個刻面〈=3*平均刻面尺寸的距離內的所有 刻面被視為所述刻面組的部分。該方法自動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 能是多于一個的刻面組的部分。
[0011] 光學設備的實施例的特征在于基本上組內的每個刻面具有關于相應組光軸的傾 斜角at，其中所述傾斜角CI t在由以下等式確定的范圍內： at〈= 0.8 * (!。，優選地 at〈= 0.6 * ac， 其中a。= arcsin(n2/nl)并且a。是針對全內反射的臨界角，其中Ii1是較高折射率 并且巧是較低折射率。
[0012] 特別地，該準則在折射光學設備上適用，但是在某種程度上，也在反射光學設備上 適用。將傾斜角的上限范圍僅限制到顯著低于a。（g卩，小于0.8*a。)的角度將具有以下效 果：相比于沒有傾斜角中的所述限制的已知類似光學設備，周界邊緣具有針對其最大高度 的絕對較低上限。這一般將導致周界邊緣的平均較低高度并且因此導致周界邊緣表面與刻 面表面的較低比值以及因此導致優于已知光學設備的光學設備的改進的性能。此外，以高 于針對TIR的臨界角的角度入射在表面上的光束總是被部分地反射和部分地透射。因此， 由于在本發明的光學設備中，刻面一般比已知光學設備中的刻面更加橫向于入射光束進行 取向，因此更少的光將被反射并且更多的光將被透射，因而提高了優于已知光學設備的發 明光學設備的效率。此外，如果光學設備的特征在于 at〈= 0.6* a。，則刻面相對于光軸的 傾斜因而被限制到相對低值，然而，該傾斜仍足以在期望的方向上對源自發出平行射束的 光源的光進行重定向。通過該措施