照明设备、透镜、系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有微小尺寸的刻面（facet)的照明设备。
【背景技术】
[0002] 用于使光均匀的常规技术使用阵列化的微透镜、衍射漫射器、毛玻璃漫射器和全 息生成的（holographically -generated)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点之外。在常规的阵 列中，各个透镜彼此相同。通过用磨料对玻璃进行研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（angular region)上相当均匀的角扩展，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) 能够很好地延伸到该域之外。
[0004] 衍射漫射器可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的限制，最大的角扩展受限制。另外，以其传统的二元形式 (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 形成的多个正方形刻面的光学设备。这些刻面被用来在预定的相应方向上定向入射光束的 部分。这些刻面在二维阵列中彼此相邻地形成。这些刻面在阵列中的位置关于对应的光束 部分的方向是随机的。已知的照明设备的缺点是其具有相对差的性能和/或其是相对大 的。
【发明内容】
[0006] 本发明的一个目的是提供具有改进的性能的如在开始段落中描述的类型的照明 设备。本发明的另一目的是提供做出改进的照明设备的方法。该目的是通过包括至少4个 光学设备的如在开始段落中描述的类型的照明设备来达成，每个光学设备具有相关联的光 源，并且每个光学设备包括具有多个微小尺寸的刻面的第一表面，每个刻面具有相应的取 向，所述多个刻面具有平行于所有所述相应的取向的平均取向的法线矢量延伸的光轴，光 学设备被分成超过至少两个光学设备的集合，光学设备的集合被设计成在操作期间相互发 出不同的图案，并且不同集合的光学设备以相互交替的方式布置。照明设备包括包含同样 地布置的多个刻面的光学设备的第一集合，以及包含同样地布置的多个刻面的类似光学设 备的第二集合，然而，第二集合的光学设备不同于其它集合的光学设备。两个集合都是混合 式布置，即以交替的、互相交叉的方式或其它配置中的类似布置，并且第一集合和第二集合 中的光学设备的数目之比例如是1:2或1: 3。LED及相关联的光学设备的两个组合的这种 基本上相互交叉(或者或多或少交替的）的布置特别适用于发光体中，从而使得其能够发出 窄光束（点状的)、宽光束(泛光）（例如，蝙蝠翼状的光束)、或者窄光束和宽光束的组合。然 而，所有操作状况下的发光体具有实际上恒定的外观并且以均匀的方式从其整个光发射窗 发射光。照明设备可以很好地包括3、4、5或高达10个集合的但是基本上不同的光学设备， 所有光学设备都交替地布置。LED及它们相应的相关联的光学设备的数目共计例如25、50 或100个LED以及一个照明设备上25、50或100个基本上同样的光学设备。由于光学设备 的集合的交替布置的缘故，照明设备是相对紧凑的。
[0007] 在这一点上，紧凑地布置意味着在刻面的组内，刻面不是广泛地布置的而是在一 起被紧密地布置为一个，例如，其中至少50%的刻面由同一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的比值至多是6。在这一点上，相 邻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的刻面直接连接到彼此。
[0008] 光学设备由刻面的组的分片式（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，可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图 案。刻面是通过具有具体的取向的刻面表面可确定的，刻面表面由周界约束，并且一般地以 非连续的方式邻接相邻刻面，即相邻刻面表面的取向是不同的。由于相邻刻面表面相互不 同的取向的缘故，在它们的周界处连接相邻刻面的过渡表面可具有显著的高度。所述过渡 表面可能不是优选地形成的，并且因此可能不是完美地陡峭地延伸，然而，这些过渡表面将 不被认为是分离的刻面。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同 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（groups-wise)完成的，而不是在预定的相应方向中随机地重定向入射光束的光线。在 一种描述光学设备的光线的所述重定向的原理的方式中，将考虑具有垂直于光轴的χ-y轴 的笛卡尔坐标系统，其中χ=〇及y=〇处于光轴上，并且朝下游看，即在从光源朝向所显示的 图案的方向上沿着光轴。入射到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）的第一组刻面上的光线将主要(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的第一象限，余下的25%可被(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、第三和第四组刻面，第二、第三和第四组刻面分别沿着它们相应的组光轴将光线重 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 对于光轴相对大的角度之上的光扩展（比如在具有大的顶角的锥体之上的扩展)，则每个象 限和组光学可以仍被进一步细分为例如两半或者四个子象限，每个子象限具有其相应的相 关联的刻面的组光学。然后，可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）的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，刻面的倾斜可被减小。这样，由于所述刻面表面上的光线的入射角的平均更加靠 近所述刻面表面的法线，所以在刻面表面处发生较少的反射，光学设备的效率得以改进。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关于所述发出 的光入射到其上的刻面组的组光轴是处于相对小的角度。换言之，平均来说，似乎光在穿过 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形稍微更多地在同一方 向上传播。此外，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的技术特征的结果，由周界 边缘引起的所显示的图案/图像的变形被减少，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的平均高度，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将通过所述刻面组以期望的分辨率/清晰度构 造时，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是100。包括在组 中的刻面的期望最小数目取决于由所述组构造的图像的部分的尺寸、复杂性和期望的清晰 度，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，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 述组通过小的间隔相互分离，或者组形成超级结构，例如其中每个组形成第一表面的超级 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，其似乎是利好的。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，因而能够实现具体组的容易的操纵/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分成刻面组的方法 要考虑一个所选刻面，优选地不是处于第一表面的边界处的刻面。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 内的所有刻面被认为是所述刻面组的部分。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： a t〈= 〇· 8 * a c，优选地 a t〈= 〇· 6 * a c， 其中α。= arcsin(n2/nl)并且α。是针对全内反射的临界角，其中Ii1是较高的折射 率并且η2是较低的折射率。
[0012] 特别地，该标准在折射光学设备上可适用，但是在某种程度上，也在反射光学设备