具有3维外观的衍射照明装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及照明装置，尤其适用于包含光导和衍射元件以将导模光从光导中耦合出来的照明装置。本发明还涉及相关联的制品、系统和方法。
【背景技术】
[0002]使用光导来使来自边缘安装的离散CCFL或LED光源的光在光导的扩展区域上方分散的扩展区域照明装置是已知的。液晶显示器(LCD)中使用的侧光式背光源是此类照明装置的主要示例。通常，重要的是使得此类照明装置具有随着扩展区域输出表面上的位置的变化而保持均匀、或至少缓慢变化的颜色和亮度。通常，还重要的是使得此类照明装置发出实质上白色的光，使得液晶面板的滤波作用可产生范围从蓝色到红色的全彩像素和图片。
[0003]为了从光导中提取出导模光，侧光式背光源常常将光导的主表面配置成具有漫射涂料或其它散射材料的印刷图案，或配置成具有例如结构化表面，如各个面被设计成通过折射或反射来改变光的方向的一系列沟槽或棱镜所提供的。在主表面上使用衍射沟槽或棱镜来将导模光从光导中提取出来并不是普遍的，因为衍射具有强大的波长依赖性，这种强大的波长依赖性可容易产生高度着色的外观，而高度着色的外观在大多数的最终用途应用中是不可接受的。
【发明内容】
[0004]我们已开发出一系列新型扩展区域照明装置，这些扩展区域照明装置使用光导的主表面上的衍射表面特征来从扩展的光导提取光。来自一个或多个离散光源的光被注入到光导中，并且衍射表面特征与注入的光相交以将导模光从光导中耦合出来。所耦合出的光产生外观形状随着察看位置而改变的一个或多个带。这些带可以是对应于离散光源的亮带、或与沿光导的侧表面延伸的任选不均一反射结构相关联的暗带。多个带可形成随着察看位置而改变的亮或暗的图案，从至少一些察看位置来看带的图案具有3维外观。照明装置可被用作用于一般照明或装饰性照明的照明设备。这些装置中使用的衍射表面特征可针对传播通过光导的非导模光提供低光学失真，以允许通过光导来察看对象。
[0005]本文中尤其描述照明装置，诸如包括光导和离散光源的照明设备。光导包括第一主表面，第一主表面具有适于将导模光从光导中耦合出来的衍射表面特征。离散光源被设置成将光注入到光导中。衍射表面特征中的至少一些在平面图中是不直的，并且光源和衍射表面特征受到调控，以产生与不直的衍射表面特征相交的带。
[0006]带可为亮带，并且带的外观可随着观察者相对于照明装置的察看位置的变化而改变。带可从第一察看位置处的直的形状改变为在第二察看位置处的弯曲形状。离散光源可为设置成将光注入到光导中的多个光源之一，并且所述带可为对应于多个光源的多个带之一，这些带中的每一个带与不直的衍射表面特征相交。多个带可形成随着观察者相对于照明装置的察看位置的变化而改变的图案，从察看位置中的至少一些来看带的图案具有3维外观。
[0007]在平面图中，光导可具有非多边形形状和弯曲的侧表面。离散光源可被设置成使光穿过弯曲的侧表面注入到光导中。离散光源可为被设置成使光穿过弯曲的侧表面注入到光导中的多个光源之一，并且带可为对应于多个光源的多个带之一，这些带中的每一个带与不直的衍射表面特征相交。不直的衍射表面特征可限定弯曲的路径，弯曲的路径与弯曲的侧表面实质上不相交并且相匹配。非多边形形状可为圆形或卵形的。
[0008]不直的衍射表面特征可限定弯曲的路径，弯曲的路径形成螺旋或一系列同心圆或卵形。光导可表现出通过光导察看对象的低失真。
[0009]本发明还公开了包括光导、第一光源和非均一反射结构的照明装置。光导包括第一主表面和至少一个侧表面，第一主表面具有适于从光导中耦合出光的衍射表面特征。第一光源被设置成将光注入到光导中。不均一反射结构沿至少一个侧表面延伸，不均一反射结构提供沿至少一个侧表面的主要部分的第一反射率和在至少一个侧表面的局部区域处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图中是不直的，并且光源、衍射表面特征和反射结构受到调控，以产生与不直的衍射表面特征相交的带。
[0010]对于可见光，第一反射率可为至少50%，并且第二反射率可小于第一反射率，以使得带为暗带。不均一反射结构可包括被设置在至少一个侧表面的主要部分上的反射材料，至少一个侧表面的局部区域中不含反射材料。不均一反射结构可包括金属夹持器，并且局部区域处的第二反射率可对应于由金属夹持器承载的非照明的第二光源。在平面图中，光导可具有非多边形形状，并且至少一个侧表面可以是弯曲的并围绕光导的完整周边延伸。局部区域可为彼此间隔开的并具有小于第一反射率的反射率的多个局部区域之一，并且带可为对应于多个局部区域的多个暗带之一，这些暗带中的每一个暗带与不直的衍射表面特征相交。多个暗带可形成随着观察者相对于照明设备的察看位置的变化而改变的图案，从察看位置中的至少一些来看暗带的图案具有3维外观。
[0011]本发明还公开了包括第一光导和第二光导及第一离散光源和第二离散光源的系统。第一光导包括第一主表面，第一主表面具有适于将导模光从第一光导中稱合出来的第一衍射表面特征。第二光导包括第二主表面，第二主表面具有适于将导模光从第二光导中耦合出来的第二衍射表面特征。第一离散光源被设置成将光注入到第一光导中，并且第二离散光源被设置成将光注入到第二光导中。第一衍射表面特征中的至少一些在平面图中是不直的，并且第一光源和第一衍射表面特征受到调控，以产生与不直的第一衍射表面特征相交的第一带。此外，第二衍射表面特征中的至少一些在平面图中是不直的，并且第二光源和第二衍射表面特征受到调控，以产生与不直的第二衍射表面特征相交的第二带。
[0012]还讨论了相关的方法、系统和制品。
[0013]本申请的这些和其它方面根据以下详细描述将显而易见。然而，在任何情况下都不应将以上概述理解为是对要求保护的主题的限制，要求保护的主题仅仅由所附权利要求书限定，权利要求书在审查期间可以进行修改。
【附图说明】
[0014]图1为利用光导主表面上的衍射表面特征的照明装置的示意性侧视图或剖面图；
[0015]图2为光导的示意性侧视图或剖面图，其中离散光源将光注入到光导中并且衍射表面特征将导模光从光导中耦合出来；
[0016]图3为使用线性衍射表面特征从光导提取出来的光的集成光功率密度的强度对极角的曲线图；
[0017]图4为可用于从光导进行光提取的复制型衍射表面的显微图；
[0018]图5为使用如图4所示衍射表面结构的照明装置的随着极角和方位角的变化所测量的强度的锥光图；
[0019]图5a为针对图5的锥光图沿特定基准平面所测量的辉度对极角的曲线图；
[0020]图6为具有不对称或闪耀式衍射表面结构的光导的示意性侧视图或剖面图；
[0021]图7为针对图6的表面结构计算出的提取效率的曲线图；
[0022]图8为包括呈堆叠或分层布置的多个光导的照明装置的示意性侧视图或剖面图；
[0023]图9为包括被设置在光导的对置的主表面上并针对不同的着色光源进行调控的不同衍射表面特征的照明装置的示意性透视图；
[0024]图10和图11为具有衍射表面特征的光导的示意性侧视图或剖面图,衍射表面特征包括具有不同间距的表面特征组；
[0025]图12a为照明装置的表现出与离散光源相关联的亮带的一部分的示意性前视图或平面图；
[0026]图12b为图12a的照明装置部分的示意性斜视图，其中该装置是从倾斜角度进行察看的，这使得亮带的形状产生改变；
[0027]图12c为遇到各种衍射表面特征的导模光线的示意性前视图或平面图；
[0028]图12d为在笛卡尔坐标系和极坐标系背景下具有极角Θ和方位角的观察方向或矢量的示意图；
[0029]图13a为照明装置的表现出与不均一反射结构相关联的暗带的一部分的示意性前视图或平面图；
[0030]图13b为图13a的照明装置部分的示意性斜视图，其中该装置是从倾斜角度进行察看的，这使得暗带的形状产生改变；
[0031]图14为具有形成为螺旋的衍射表面结构的光导的示意性前视图或平面图；
[0032]图14a为图14的光导的细节；
[0033]图15a为利用离散光源以及光导的照明装置的示意性前视图或平面图，光导具有形成螺旋或同心圆的衍射表面结构；
[0034]图15b为图15a的照明装置的示意性斜视图，其中该装置是从倾斜角度进行察看的，这使得带的形状相对于它们在图15a中的形状产生改变；
[0035]图15c为图15a和图15b的照明装置的示意性斜视图，其中该装置是从比图15b的角度更倾斜的角度进行察看的，从而使得带的形状相对于它们在图15a和图15b中的形状产生进一步的改变；
[0036]图16为照明装置的一部分的示意性前视图、平面图或剖面图，照明装置包括光导、设置成将光注入到光导中的离散光源、和支撑结构；
[0037]图17为具有相等曲率的衍射表面结构的平坦饼形光导的示意性前视图或平面图；
[0038]图18为包括一组平坦饼形光导和离散光源的照明装置的示意性前视图或平面图；
[0039]图19a为使用具有弯曲衍射表面结构的圆形光导构造的照明装置的照片，该照明装置是从倾斜视角拍摄的，其中环境光是打开的并且照明装置的离散光源是关闭的；
[0040]图19b为从相同倾斜视角拍摄的图19a的照明装置的照片，但是其中环境光是关闭的并且照明装置的离散光源是打开的；
[0041]图19c为以略微更倾斜的视角的图19b的照明装置的照片，并且其中该照明装置的表面上的所选择的小区域或光点被标识和标记出；
[0042]图19d为图19c的所选择光点的CIE色度坐标的曲线图；
[0043]图20a为用于测量由图19b的照明装置来照明的表面的光学特性的设置的示意图；
[0044]图20b为如图20a所指出的所选择光点的CIE色度坐标的曲线图；
[0045]图21为具有螺旋形衍射表面特征的衍射膜的示意性前视图或平面图，该图示出如何将膜细分成矩形片；
[0046]图22a为使用图21的膜片中的一个制成的照明装置的示意性侧视图或剖面图；
[0047]图22b为图22a的照明装置的示意性前视图或平面图，其中线性组的离散光源是沿光导的副边缘定位；
[0048]图22c为类似于图22b的示意性前视图或平面图，但是其中该线性组的离散光源是沿光导的主边缘定位；并且
[0049]图23a-图 23c、图 24a_ 图 24c、图 25a_ 图 25c、图 26a_ 图 26b 和图 27a_ 图 27c 为使用矩形光导、线性组的离散光源及类似于图21所示那些中的一些的衍射表面特征制成的照明装置的照片。
[0050]在附图中，类似参考数字指示类似元件。
【具体实施方式】
[0051]我们已经发现，照明装置(诸如照明设备)可使用扩展区域光导、衍射表面特征和离散光源来制成以提供装置中的通用照明，这种通用照明还可由于包括具有3维外观的一个或多个带的视觉外观而为美观的，例如，这些带可随着察看几何形状(viewinggeometry)(察看位置和/或察看视角)的变化而改变形状，和/或多个带可形成从至少一些察看位置来看具有3维外观的图案。形状上的改变通常与这些带中的一个或多个的曲率改变(例如，从直的改变为弯曲的或反之亦然，或从平缓弯曲的改变为更强烈地弯曲的或反之亦然)相关联。
[0052]图1以示意性侧视图或剖面图示出示例性照明装置110。照明装置110包括扩展区域光导112和离散光源114a、114b。照明装置110可以任何期望的配置来安装，但是在这种情况下，其被示出为例如在房间或建筑物的顶篷中或其附近，物理地安装在用户120上方。装置110可在诸如桌面或地板的表面122上提供实质上白色的光照明。然而，当用户120直视装置110时，该用户可看到横跨装置110的发射区域的各色的图案。该用户还有利地看到在该装置的发射区域中的具有3维外观的一个或多个带。给定的带是从所述离散光源中的一个发射的光与光导的一个或两个主表面上的衍射表面特征相交的结果。另选地，给定的带可为沿光导的侧表面延伸的非均一反射结构中的具有高反射率或低反射率的局部区域所反射或吸收的光的交互作用的结果。除了该装置的发射区域中的各色的图案和带之外，用户120还可通过光导112以小光学失真或无光学失真来观察对象，诸如对象124。此类对象所发射或反射的光能够作为非导模光传播通过光导，仅少量的光被衍射表面特征偏转。
[0053]光导112沿在图1中示出为笛卡尔坐标系的X轴和y轴的两个平面内方向延伸，使得光导具有对置的主表面112a、112b及侧表面112c、112d。衍射表面特征113设置在光导112的主表面中的至少一个上,诸如如图所不的表面112a、或在其它实施例中表面112b、或表面112a和112b两者上。在任何情况下，衍射表面特征受到调控以通过衍射将导模光从光导中耦合出来。图中将导模光示出为光116，并且将从光导发射的所耦合出来的光示出为光117a、117b。光117a在用户120或表面122的总体方向上穿过表面112a，并且光117b在远离用户120或表面122的总体方向上穿过表面112b。在一些情况下，可将照明装置110安装成使得光117b提供对房间的间接照明，例如，通过从顶篷或从另一个反射构件反射来将光117b重新定向回到该房间中。
[0054]就这一点而言，可将反射膜或反射层施加到表面112b的全部或一部分，或可将它定位在表面112b附近，以便将光117b重新定向，使得其从表面112a发出。反射膜可以漫射方式、镜面反射方式、或半镜面反射方式来反射光，并且可随着波长的变化而均匀或不均匀地反射光，并且它可随着偏振的变化而均匀或不均匀地反射垂直入射光。反射膜例如可为或可包括:白色涂料或任何其它颜色的涂料；高反射率镜膜，例如，带有金属涂层(诸如铝、银、镍等)的膜、或非金属镜膜诸如3M? Vikuit? ESR;具有有机(例如聚合物的)或无机组分光学层的多层光学膜，这些光学层带有的层厚度轮廓受到调控，以在一些或所有可见光谱范围内以垂直入射角度或另一个期望的入射角度来反射光；带有漫射涂层的ESR膜；具有光滑表面的白色反射器；带有刷制金属表面的反射器，包括带有金属涂层的膜，该膜的表面被粗糙化以提供半镜面或漫射反射率；带有结构化表面的反射器；微空腔化(miCTocavitatecOPET膜；3M?光增强膜；和/或反射性偏振膜，包括但不限于Vikuiti?漫反射性偏振膜(DRPF)、Vikuiti ?双倍增亮膜(DBEF)、Vikuiti "*双倍增亮膜II(DBEF II)、和在一些或所有的可见光谱范围内对具有不同偏振的垂直入射光具有不同的反射率但对这种垂直入射光具有大于50%的平均反射率的多层光学膜。还可参见以下文献中所公开的光学膜:US 2008/0037127(韦伯(Weber))，“Wide Angle MirrorSystem(广角反射镜系统)” ;US 2010/0165660 (韦伯等人)，“Backlight and DisplaySystem Using Same (背光源及使用背光源的显示系统)” ;US 2010/0238686 (韦伯等人)，“Recycling Backlights With Sem1-Specular Components (具有半镜面部件的循环背光源)，，;US2011/0222295 (韦伯等人)，“Multilayer Optical Film with Output Confinementin Both Polar and Azimuthal Direct1ns and Related Construct1ns (在极方向和方位角方向上均具有输出限制的多层光学膜及相关构造)”;US 2011/0279997(韦伯等人)，“Reflective Film Combinat1ns with Output Confinement in Both Polar andAzimuthal Direct1ns and Related Construct1ns (在极方向和方位角方向上均具有输出限制的反射膜组合及相关构造)” ；W0 2008/144644(韦伯等人)，“Sem1-SpecularComponents in Hollow Cavity Light Recycling Backlights (中空光循环腔背光源中的半镜面部件)”；和 WO 2008/144656 (韦伯等人)，“Light Recycling Hollow Cavity TypeDisplay Backlight (中空光循环腔型显示背光源)”。
[0055]光导112可为物理上厚或薄的，但其优选为厚至足以支撑大量导模，并且此外厚至足以有效地耦合到离散光源的发射区域。光导例如可具有在从0.2到20mm或从2到1mm范围内的物理厚度。厚度可为恒定且均匀的，或其可随着位置的变化而改变，如同渐缩的或楔形光导。如果是渐缩的，那么光导可仅沿一个平面内方向例如X轴或I轴渐缩，或它可沿两个主要平面内方向渐缩。
[0056]忽略与例如衍射表面结构相关联的小幅度表面变化，光导可以是实质上平坦的或平面的。然而，在一些情况下，光导可为不平坦