照明設備、透鏡、系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及具有微小尺寸的刻面（facet)的照明設備。
【背景技術】
[0002] 用于使光均勻的常規技術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點之外。在常規的陣 列中，各個透鏡彼此相同。通過用磨料對玻璃進行研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（angular region)上相當均勻的角擴展，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) 能夠很好地延伸到該域之外。
[0004] 衍射漫射器可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的限制，最大的角擴展受限制。另外，以其傳統的二元形式 (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 形成的多個正方形刻面的光學設備。這些刻面被用來在預定的相應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于對應的光束 部分的方向是隨機的。已知的照明設備的缺點是其具有相對差的性能和/或其是相對大 的。
【發明內容】
[0006] 本發明的一個目的是提供具有改進的性能的如在開始段落中描述的類型的照明 設備。本發明的另一目的是提供做出改進的照明設備的方法。該目的是通過包括至少4個 光學設備的如在開始段落中描述的類型的照明設備來達成，每個光學設備具有相關聯的光 源，并且每個光學設備包括具有多個微小尺寸的刻面的第一表面，每個刻面具有相應的取 向，所述多個刻面具有平行于所有所述相應的取向的平均取向的法線矢量延伸的光軸，光 學設備被分成超過至少兩個光學設備的集合，光學設備的集合被設計成在操作期間相互發 出不同的圖案，并且不同集合的光學設備以相互交替的方式布置。照明設備包括包含同樣 地布置的多個刻面的光學設備的第一集合，以及包含同樣地布置的多個刻面的類似光學設 備的第二集合，然而，第二集合的光學設備不同于其它集合的光學設備。兩個集合都是混合 式布置，即以交替的、互相交叉的方式或其它配置中的類似布置，并且第一集合和第二集合 中的光學設備的數目之比例如是1:2或1: 3。LED及相關聯的光學設備的兩個組合的這種 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光體中，從而使得其能夠發出 窄光束（點狀的)、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光體具有實際上恒定的外觀并且以均勻的方式從其整個光發射窗 發射光。照明設備可以很好地包括3、4、5或高達10個集合的但是基本上不同的光學設備， 所有光學設備都交替地布置。LED及它們相應的相關聯的光學設備的數目共計例如25、50 或100個LED以及一個照明設備上25、50或100個基本上同樣的光學設備。由于光學設備 的集合的交替布置的緣故，照明設備是相對緊湊的。
[0007] 在這一點上，緊湊地布置意味著在刻面的組內，刻面不是廣泛地布置的而是在一 起被緊密地布置為一個，例如，其中至少50%的刻面由同一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的比值至多是6。在這一點上，相 鄰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的刻面直接連接到彼此。
[0008] 光學設備由刻面的組的分片式（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，可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圖 案。刻面是通過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渡表面可具有顯著的高度。所述過渡 表面可能不是優選地形成的，并且因此可能不是完美地陡峭地延伸，然而，這些過渡表面將 不被認為是分離的刻面。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同 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（groups-wise)完成的，而不是在預定的相應方向中隨機地重定向入射光束的光線。在 一種描述光學設備的光線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 的笛卡爾坐標系統，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設備的坐標 系統的第一象限中）的第一組刻面上的光線將主要(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的第一象限，余下的25%可被(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、第三和第四組刻面，第二、第三和第四組刻面分別沿著它們相應的組光軸將光線重 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 對于光軸相對大的角度之上的光擴展（比如在具有大的頂角的錐體之上的擴展)，則每個象 限和組光學可以仍被進一步細分為例如兩半或者四個子象限，每個子象限具有其相應的相 關聯的刻面的組光學。然后，可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）的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，刻面的傾斜可被減小。這樣，由于所述刻面表面上的光線的入射角的平均更加靠 近所述刻面表面的法線，所以在刻面表面處發生較少的反射，光學設備的效率得以改進。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關于所述發出 的光入射到其上的刻面組的組光軸是處于相對小的角度。換言之，平均來說，似乎光在穿過 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形稍微更多地在同一方 向上傳播。此外，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的技術特征的結果，由周界 邊緣引起的所顯示的圖案/圖像的變形被減少，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的平均高度，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將通過所述刻面組以期望的分辨率/清晰度構 造時，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是100。包括在組 中的刻面的期望最小數目取決于由所述組構造的圖像的部分的尺寸、復雜性和期望的清晰 度，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，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 述組通過小的間隔相互分離，或者組形成超級結構，例如其中每個組形成第一表面的超級 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，其似乎是利好的。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，因而能夠實現具體組的容易的操縱/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分成刻面組的方法 要考慮一個所選刻面，優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 內的所有刻面被認為是所述刻面組的部分。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： a t〈= 〇· 8 * a c，優選地 a t〈= 〇· 6 * a c， 其中α。= arcsin(n2/nl)并且α。是針對全內反射的臨界角，其中Ii1是較高的折射 率并且η2是較低的折射率。
[0012] 特別地，該標準在折射光學設備上可適用，但是在某種程度上，也在反射光學設備