专利名称：光学器件和光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学器件和一种包括该光学器件的光源。该器件可被用作光源的附件或用作光源的一部分，以便提高光源的区域照明均匀度。该器件和光源可使用在包括摄像机的设备中，如集成有照相机等装置的移动(“蜂窝式”)电话中。本发明也涉及一种这样的设备。然而，该器件和光源可使用在其它的设备中，如紧凑的手电筒和聚光灯中。
背景技术：
用于(数字或胶卷)照相机的闪光单元的公知类型的透镜结构有通常标准“圆形”透镜或具有圆形或矩形轮廓的菲涅耳型透镜。尽管这样的闪光单元的亮度可能相对较高，但是横跨整个照相机视场的照明均匀度可相对较低。这种差的照明均匀度对广角相片的影响尤其显著。这可导致视场边侧和角落的物象在相片上相对暗淡或者甚至看不见。
出现这种情况的部分原因是照相机视场是大致矩形形状，而光学成像却趋向于圆形。其它部分原因是由闪光单元的发射剖面或其它光源引起的。对于没有任何光学系统的各向同性光发射器，距光源固定距离的矩形平面角落处的光通量被设定成矩形平面的中心处光通量的COS3θ，这里的在光发射器处测的角度θ是矩形平面中心的法线与从光发射器倒矩形平面角落的线之间的角度。这里的角度θ的典型实例是大约37°，合成均匀度(角落通量与中心通量的比率)大约51％。对于发光二极管(LED)发射器等朗伯发射器，均匀度等于COS4θ，这里，角度θ特定实例是大约37°，均匀度大约42％。
通常，所公知的是，仅使用会聚光学元件可在较窄的视场获得良好照明均匀度。然而，对于较宽的视场，当光源的照明在高角度处衰退时，即在高角度处的光源照明变得显著差于中心处的照明时，就很难获得良好照明均匀度。对于老型的使用闪光灯泡的闪光灯而言，光源最通常的是模制成各向同性，照度随到平面的角度的衰退不会很快。然而，对于LED等表面光源，其最通常的是模制成朗伯光源，照度随角度的衰退很快，这导致难以在高角度处获得良好的均匀度。由于LED比闪光灯泡具有更好的功率特性，因此更易于使用在，例如，移动装置中。
另外，移动装置中的照相机不大可能具有机械变焦或可分离的透镜，使得这种移动照相机的固定视场区域被设定成通常使用的视场区域，典型的是70-75°或更大的对角视场区域。此外，对于照度平面稍微大于实际摄像区域是有用的，以便允许设计的自由性，事实上，闪光和照相机不大可能设置在装置的同一位置(同一倾斜线)上。
透镜通常设置在照相机闪光单元中以便提高照明亮度。这种布置提高视场的中心亮度。然而，该透镜的调焦特性是引导光线远离视场的边缘使光线朝向视场的中心，导致中心亮度增加，但是明显地降低了横跨整个视场的照明均匀度，特别是对于具有朗伯照明器的宽视场。
在本发明中，如果弧形表面形状的笛卡尔坐标(X，Y，Z)满足下面的公式(Z是公知的表面垂度)，则弧形透镜表面将被称作“球形”。
Z=R-R2-X2-Y2]]>这里R是表面的曲率半径。
“球形”表面定义如下Z=(X2+Y2)/R1+1-(1+k)(X2+Y2)/R2+ΣpAp(X2+Y2)p]]>这里R是中心处的曲率半径，K是圆锥常数，Ap是p＞1的整数高阶系数。
当用(nX2+mY2)代替上面公式里的(X2+Y2)，则上面的公式就定义了“非对称”表面，这里的n≠0，m≠0，n≠m。
当n或m中任一个为零时是“圆柱形”表面。
当描述表面的函数不同于上面的函数，而是两个不同的非球面的、圆柱形的或非对称的函数之和，或者它们的混合时是“变形”表面。
“平面”表面或“光学平坦表面”是当R无穷大时的球面。
除了特殊提到的类型外，本说明书中的参考透镜表面是上述类型表面中任一种类型。
专利文献US5615394公开了照相机闪光组件用变形透镜的使用。这种布置具有透镜组的至少一个表面，该透镜组的形状被改变成远离标准透镜形状，以便控制照度。这样的布置全部使用会聚元件，对于宽视场区域或朗伯LED光源存在问题。
专利文献US5160192公开了在闪光灯泡后的非对称椭球反射镜(布置两个相同的半椭球镜使得它们的轴线在具有构成间隙的平面镜的不同位置处)和菲涅耳聚光透镜的使用，以便提高照相机闪光单元的照明均匀度。这种布置具有的全是会聚元件，对于宽视场区域或朗伯LED光源同样存在问题。然而，后面安装的镜子对LED等表面发射器是没有作用的。而且，这种布置尺寸大，难以安装到移动装置中。
专利文献US4462063公开了围绕闪光灯泡的球面和非球面透镜组的使用以便提高照明均匀度。同样，使用的全是会聚元件，这对于宽视场区域或朗伯LED光源同样存在问题。这种布置是专用于灯泡的，尺寸大，难以安装到移动装置中。
专利文献US6088540公开了包括附加元件的布置，该附加元件利用两个表面，即利用全内反射(total internal reflection，TIR)的一个表通常会聚表面和一个菲涅耳形表面，以便改善调焦度(focussing power)。这种布置具有高亮度，但是照明均匀度差，而且会产生一个或多个可见的“亮点”。这种布置是专用于闪光灯的，需要线性容积源(linear volume source)和背面反射器。这种全内反射TIR元件被设计用来产生比以往角度更高的光线，基于这方面，它是会聚元件。
专利文献US5778264公开了用于加宽照明区域的镜子系统。然而，这种布置相对巨大，并且不方便或不适用于相对紧凑的便携式或移动式装置。这种布置具有大面积适配器(large area adapter)的形式，因此体积大，难以应用到小型移动装置中。进一步地，不能提高照明亮度。
专利文献US20020009297，US20010028792，US6496650，US6771898和欧洲专利EP0756195公开了用于改变闪光光束的焦距的各种技术。这些技术主要集中于响应照相机变焦来改变照明区域。专利文献US20020009297说明了用于改变光线发散的开关透镜系统。专利文献US20010028792，US6496650和US6771898同样说明了移动的会聚透镜系统。欧洲专利EP0756195说明了闪射两次以确定最佳照明参数，这些最佳照明参数被设定到闪光单元。所有这些布置都是对已有的全会聚光学系统设计的改进，所以仍存在前述固有问题。适当的闪光变焦技术上更复杂，并且难以应用到小型移动装置中。
专利文献GB1391677公开了包括会聚发射器和发散元件的光学器件，前述发散元件由四个扇形棱镜布置形成。
专利文献GB818,229公开了电影放映机，其具有带有聚光系统的光源。在该聚光系统内设置有圆柱形发散透镜，在圆柱形发散透镜之后是轴线平行的圆柱形会聚透镜。
专利文献US5,769,521公开了用于均化激光辐射的布置。该布置包括具有“偏心”形式的“双凸”透镜分段，其是光学会聚的，在其后是会聚的“聚光”透镜。
专利文献5,553,174公开了使激光器二极管的光束成圆形的布置。该布置包括准直透镜，在准直透镜之后是圆柱发散小型透镜。
专利文献WO97/38352公开了投影仪光源。发散透镜设置在会聚聚光透镜之前。发散透镜具有凹陷表面，外围区域的曲率低于中心区域的曲率。
专利文献GB1,144,182公开了用于均化激光器光束、同时保持光束准直的布置。该器件包括两个非球面透镜。第一个是从激光器光束的中心较大地发散以便于在第二个透镜上提供更均匀的照明。然后，第二透镜再准直光线。通过器件的所有光学路径具有相同光学长度以便保护入射光线波前形状。
专利文献US6,283,613公开了LED开销通信量信号(overhead trafficsignal)。在LED阵列中，每个LED被设置有圆锥反射器(其被称作菲涅耳“透镜”)，尽管后一个器件像是菲涅耳棱镜。但是这个器件的目的是有效地向下偏离光线。
专利文献JP2003-331612公开了一种LED车灯。每个LED设置在圆柱形反射器的一端。反射器的输出光线通过会聚的菲涅耳透镜和会聚透镜。
专利文献GB22258659公开了条形码读取器用光源。该光源包括一个或多个LED，该LED或每个LED设置在一个空间会聚透镜之后，该空间会聚透镜与具有圆柱曲率的透镜不同，不同之处在于器曲率是随距纵向轴线的距离变化的。在该空间会聚透镜之后是半圆柱形透镜，该半圆柱形透镜的曲率半径沿其纵向轴线变化。因此，两个透镜都是会聚的。
专利文献US4737896公开了一种LCD电视用背后照明。该背后照明包括位于会聚透镜的焦距的光源，因此，输出平行光束。这中光束被微棱镜阵列垂直地反射到“散射”表面，用于给LCD提供散射光。
专利文献US4,510,560公开了一种要在整个工作表面上提供均匀照明的表面光源。该文献的图16显示了平坦输出元件，该平坦输出元件具有微棱镜结构的内表面。在该平坦输出元件的下方是具有凹陷会聚镜的光源，以便反射光线使之远离输出表面。在该结构的下面是弧形反射结构，用于给微棱镜表面提供均匀照明，然后，该微棱镜表面再次引导输出光。紧靠光源的下面是反射结构中的孔。孔的边缘是凸出反射的，因此发散光线，以便把光线反射到输出表面的中心，从而充满小凹面镜引起的阴影。
专利文献2004/0131157公开了一种用于构成X线机器的LED光源。该LED光源具有整体的会聚透镜，其中一些实施例具有抛物面反射器或椭球反射器，这些抛物面反射器或椭球反射器同样是会聚的。该文献的图17显示了像是凹凸透镜，该文献的图18显示了发散透镜。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种光学器件，用于将来自光发射器的光线引导到空间的预定两维区域，前述光发射器相对于所述器件位于第一预定位置，前述空间的预定两维区域相对于所述器件位于第二预定位置，所述器件包括第一光学元件，用于将入射到其上的光线会聚向区域的内部，其特征在于，所述器件包括折射的第二光学元件，用于将入射到其上的光线朝外地发散向区域的至少一个外部，所述第二元件具有凹陷的多面表面，该多面表面包括具有底开口的倒置截顶金字塔形状的平面。
根据本发明的第二方面，提供一种光学器件，用于将来自光发射器的光线引导到空间的预定两维区域，前述光发射器相对于所述器件位于第一预定位置，前述空间的预定两维区域相对于所述器件位于第二预定位置，所述器件包括第一光学元件，用于将入射到其上的光线会聚向区域的内部，其特征在于，所述器件包括折射的第二光学元件，用于将入射到其上的光线朝外地发散向区域的至少一个外部，所述第二元件具有多面表面，该多面表面包括相邻接的扇形表面，这些扇形表面中的至少一些是凹陷的。
所述凹陷表面可以具有至少两个不同的曲率半径。
所述凹陷表面具有至少两个不同的曲率中心。
所述表面中的一些是凸的。
所述表面中的至少一个是平面。
所述表面中的至少一些是圆柱的。
根据本发明的第三方面，提供一种光学器件，用于将来自光发射器的光线引导到空间的预定两维区域，前述光发射器相对于所述器件位于第一预定位置，前述空间的预定两维区域相对于所述器件位于第二预定位置，所述器件包括第一光学元件，用于将入射到其上的光线会聚向区域的内部，其特征在于，所述器件包括折射的第二光学元件，用于将入射到其上的光线朝外地发散向区域的至少一个外部，所述第二元件具有被分成伸长部分的表面，该伸长部分设置在第一和第二发散部分之间。
所述伸长部分可以是发散的。所述伸长部分可以是圆柱形凹陷，该圆柱形凹陷具有与伸长部分的纵向基本平行的圆柱轴线。
所述伸长部分可以是平面。
第一和第二部分可以是圆柱形凹陷。所述第一和第二部分包括共同的圆柱表面。所述第一和第二部分具有与伸长部分的纵向基本垂直的圆柱轴线。
第一和第二部分可以包括槽的阵列，所述槽与伸长部分的纵向基本垂直地延伸。所述槽可以是基本邻接的或相连续的。所述槽可以具有大致三角形剖面。
第一和第二元件可以形成在单个折射材料上。所述第一和第二元件可以形成在单个折射材料的第一和第二表面上。作为替换，所述第一和第二元件可以形成在单个折射材料的共同表面上。所述第一和第二元件中的一个可以包括第一和第二元件中另一个的子结构。
所述第一和第二元件中的至少一个可以具有可控的可变光学性能，用于改变空间的预定两维区域的尺寸。所述第一和第二元件中的至少一个可以包括液晶透镜。作为替换，所述第一和第二元件中的至少一个可以包括折射率与光轴方位角可控的液晶层的轴线大致匹配的透镜。
根据本发明的四方面，提供一种光学器件，用于将来自光发射器的光线引导到空间的预定两维区域，前述光发射器相对于所述器件位于第一预定位置，前述空间的预定两维区域(15)相对于所述器件位于第二预定位置，所述器件包括第一光学元件，用于将入射到其上的光线会聚向区域的内部，其特征在于，所述器件包括反射的第二光学元件，用于通过第一光学元件将入射到其上的光线朝外地发散向区域的至少一个外部。
所述第二光学元件可以是镜面反射的。
所述第二光学元件可以包括外部地反射的大致圆环面的部分。
所述第一元件可以具有可控的可变光学性能，用于改变空间的预定两维区域的尺寸。所述第一元件可以包括液晶透镜。作为替换，所述第一元件可以包括折射率与光轴方位角可控的液晶层的轴线大致匹配的透镜。
第二元件可以被布置成将入射光线部分发散向区域的多个外部。
所述区域可以是大致矩形的。所述外部可以包括大致矩形区域的角落部分。
所述第一元件可以是调焦元件。
所述第一元件可以是折射元件。所述第一元件可以是凸表面。
所述第一元件可以包括全息光学元件。
根据本发明的第五方面，提供一种光源，所述光源包括前述第一至第四方面中任一所述的器件和至少一个光发射器。
所述第一元件可以设置在至少一个光发射器和第二元件之间的光路上。
所述至少一个光发射器可以包括朗伯发射器，例如，至少一个发光二级管。
所述光源可以包括照相机闪光单元。
根据本发明的第六个方面，提供一种设备，所述设备包括本发明第五方面的光源和照相机。
所述设备可以包括移动电话或蜂窝式电话或个人数字助理PDA。
因此，能够提供一种可使用于光源的器件，其不仅能够在期望的视场上提供良好的照明均匀度，而且在视场的中心具有良好的亮度，例如在距离光源一定距离的平面上。发散光学元件的使用增强了对更宽区域的照度控制，并且当在移动装置中使用时，便于例如，大致的朗伯光源的使用。能够提供没有移动部分的紧凑装置。这样的装置可较小且很亮，并可，例如可以成为移动装置整体的一部分，使得无需携带作为独立产品的适配器。
下面将参考附图和通过实例来更详细地说明本发明，附图如下图1是显示本发明的一套实施例的构思的图；图2是显示构成本发明第一实施例的光学器件和光源的图；图3是显示用于计算所示实施例的性能的特定实例的几何关系的图；图4是显示构成本发明第二实施例的光学器件和光源的图；图5是显示图4的光学器件的实例图；图6是显示构成本发明第三实施例的光学器件和光源的图；图7是显示图6的光学器件的详细图；图8是显示本发明的实施例的第一和第二元件是如何合成在单个表面内的；图9是显示构成本发明第四实施例的光学器件和光源的图；图10是显示光学器件的比较例的图；和图11是显示构成本发明第五实施例的光学器件和光源的图。
具体实施例方式
整个附图中相同标记表示相同部件。
图1左边显示了不同光源布置，图1右边给出使用有光源的照相机视场(field of view)内的对应照度分布(illumination distribution)的示例。在图1的顶部实例中，显示了没有任何光学元件的具有发光二极管(LED)发射器1形式的朗伯光源(Lambertian light source)，并在图1的2处显示了对应的照度分布。如上所述，通过垂直于照相机光轴的照相机视场平面内任意点的光通量与COS4θ成比例，这里的θ是穿过发射器的法线和穿过发射器1到平面内任意点的线之间的发射器1处的角度。
图1中间的示例显示了在LED发射器1前设置会聚透镜3的效果，并在4处显示了合成照度分布。在这种情况下，照相机视场平面内部的照度较大，但是外部的照度较低，因为透镜3有效地改变了光线的方向，使得光线远离外部而朝向内部。因此，对于更宽视场，照度分布(照明分布)的均匀度不如没有透镜3的照度分布的均匀度。
图1底部的示例显示了用于重新分配光线的额外的折射发散元件或“结构”5。虽然图示透镜3设置在发射器1和结构5之间，但是在替换布置中，结构5可设置在发射器1和透镜3之间。结构5被布置成让来自透镜3的一些光线通过而基本上无任何发散效果，但是会使来自透镜3的一部分光线向外发散以便将它们引导到照相机视场平面的外部。图6显示了合成照度分布。在这种情况下，对于没有任何光学元件的发射器而言，其内部较亮。但是对于具有光学元件的发射器而言，其外部要亮于分布2和4，使得照度分布基本上更均匀。
图1显示使用折射结构来部分地重新分配光线以便在照相机视场平面内提供更为均匀的照度。然而，可使用其它结构来实现这样的重新分配，以提出本发明的多套其它实施例。例如，可使用全息光学元件等衍射结构代替折射结构5和代替透镜3。同样，可使用重新分配光线的反射结构，如此布置的实例将在下文描述。
图2(a)显示了光学器件的立体图，图2(b)显示了光学器件的主视图。图2(c)显示了包括这样的器件的光源的侧视图，图2(d)显示了光源的照明性能表。光学器件由单个折射材料形成，如玻璃或模制透明塑料。但是，可替换地可由多个材料形成。光学器件具有构成会聚透镜3的后部和构成折射发散结构5的前部。透镜部分3由凸起的后“调焦”表面构成，该表面可以是球面的、非球面的、非对称的或变形的。器件的前表面是多面的，并具有底开口的切去顶部的倒金字塔的形状，形成了凹陷的多面表面。金字塔顶表面7是平坦的，并形成非发散部分的结构5使得来自透镜3的穿过该部分的光线基本不受发散结构5的影响。凹陷的表面进一步包括平坦表面8至11，这些平坦表面8至11相对表面7倾斜以便发散来自透镜3的光线，使之朝外地远离光学元件的光轴。
图2(a)和图2(b)显示的光学元件被显示作为图2(c)的光源的一部分，该光源还包括LED发射器或光源1。尽管光源1被显示靠近构成透镜3的调焦表面，可替换地，其可设置在光学器件的另一侧以便靠近发散结构5的凹陷表面。
图2(d)所显示的表说明了当用作具有图3所示的几何关系的照相机的闪光单元时光源实例的性能。图3说明了照度平面15(照明平面)，该照度平面宽1.72m、高1.29m。照度平面15表示距闪光单元1.5m距离的照相机视场。光学器件直径5.6mm、长2.5mm，并设置在LED光源的前面，LED光源直径为2mm。图3显示了在17处的照度平面的中心，和穿过闪光单元16的中心到平面15的中心17的法线18，闪光单元16直接指向照度平面15。通过平面15的每个点的光通量基本与COS4θ成比例，这里的θ是法线18与穿过平面15上的点和闪光单元16的中心的线之间的角度。平面15是矩形的使得在每个角落出现最低通量，例如在角落19处。20表示自角落19穿过闪光单元16中心的线，该线20与闪光单元16处的法线18之间形成37°角。图2的表(d)显示的百分比“均匀度(uniformity)”是最低通量的比率，例如平面15的角落19处的最低通量与平面15的中心17处的最高通量之间的比率。
如图2的表所示和以下的说明，仅具有LED光源1的均匀度是42％并且其亮度表示成一个单位。对于图1的中间显示的在发射器1的前面具有透镜3的实例，中心处的相对亮度是1.8，但是均匀度为8％。对于图2(c)显示的具有以下所描述的特性的实例，其相对亮度是1.3，均匀度是51％。因此提供了不仅具有良好的照明亮度而且具有改善的照明均匀度的光学器件和包括该光学器件的光源。
尽管已经显示元件3和5由单个折射材料的相应表面构成，但是它们也可由独立的元件形成。同样，尽管已经说明了单个会聚元件和单个发散元件，但是其任一个可包括形成在一个或多个折射材料上或内的多个独立元件。包括会聚和发散元件的光学器件可用作已有光源的附件。可替换地，光学器件可以是光源的一部分。进一步地，任一个或两个元件是可以分离的。
光学器件可用在照相机闪光单元中或与闪光单元一起使用，但是其可用于其他目的，例如使用于手电筒或聚光灯。
图4显示了不同于图2所示的光学器件，其不同之处在于发散结构5的多面凹陷表面包括八个圆扇形表面31至38。表面31至38中有几个本身是凹陷的以便形成发散结构5的光学发散子结构。这些凹陷表面有效地构成了透镜部分并可以是球面凹陷、非球面凹陷、变形凹陷或圆柱形凹陷。
表面31至38中的一些可以是平坦的以便提供结构5的既非发散又非会聚部分。凹陷表面可以被布置成具有一个或多个表面多组，其中多组表面具有不同曲率半径和/或不同曲率中心。表面31至38中的一些也可以是会聚的。
图5显示了图4所示类型的光学器件的表面31至38的类型实例。再次显示了具有剖切线的主视图，对应的剖切部分1至3显示在图中。部分1是水平平面，其表示表面33和37是共同凹陷球面或圆柱表面的分段。部分2是与部分1的平面成45°、并通过光学器件的轴线的平面。因此，这个部分的平面穿过表面32和36并与穿过表面34和38的等同平面具有相同的形状。部分2表示表面32和36是共同凹陷表面分段，其可以是球形的或圆柱形的。部分2的曲率半径小于部分1的曲率半径。
部分3是通过表面31和35的垂直平面。如该部分的图所示，表面31和35是共同凸起表面分段，例如其可以是圆形的或圆柱形的。因此，表面31和35可光学会聚并可使用在高度小于宽度的典型期望视场中。其余表面可光学会聚用于改善照明均匀度。如图4的表所示，这样的布置能够实现相对亮度1.4和均匀度54％。
图6显示的光学器件不同于图2所示的光学器件，其不同于之处在于结构5的凹陷或发散表面包括三部分的凹陷柱面透镜。具体地，表面具有位于上面部分41和下面部分42之间的中心部分40。
部分40包括圆柱凹陷表面的矩形部分，该表面的圆柱轴线水平地取向。部分41和42是共同圆柱凹陷表面部分，该表面的圆柱轴线垂直地取向。部分40的曲率半径不同于部分41和42的曲率半径。表面41-42可以不用全是圆柱形的。
图7显示了图6的光学器件的垂直和水平剖面。如图6(d)的表所示，图6(c)所示光源实现相对亮度1.3、均匀度65％。
图8显示如何将会聚和发散表面合成在一起形成具有同时执行会聚和发散光学功能的单个合成表面的两个实例。图8的上部分显示的对应于图2所示实施例，下部分显示的对应于图7所示实施例。
在图8的上部分中，金字塔发散表面被有效地分成相同的光学微结构并置于调焦表面的结构之上以便在光学器件的后面上形成合成的会聚和发散表面53。前表面54是平面以便不具有光焦度(optical power)。
后表面53具有中心部分53a，该中心部分53a与图2的表面3的对应部分具有相同形状，因为具有非发散表面7的合成没有任何功效。表面53的其他部分，如53b，表面的大致轮廓与表面3的对应部分相同，但是其具体结构具有与倾斜表面8-11中的一个对应的三角形脊，这可认为是在区域53b中设置微结构，该区域53b集成有倾斜表面的菲涅耳等同物。
图8的下部分显示了从图7的光学器件到具有合成的后表面55的等同器件的会聚。后表面55的形状表示调焦表面3的形状与发散部分40-42的形状的合成。合成的光学器件的侧视图显示在56处，俯视图显示在57处。前表面54仍是平面以便不具有光焦度。
图9显示的光学器件不同于图2所示的光学器件，其不同于之处在于发散元件5具有平的外表面54和具有三角形“亮度增强膜(BEF)”形式的槽形内表面，该内表面包括位于部分61和62之间的光学平坦部分和表面60。具体地，内表面的部分61和62具有形成在其中的垂直槽，该槽朝内指向并具有65处所示的等腰三角形。元件3和5由附接在一起的独立的单个折射材料形成，例如由具有比玻璃折射率低的光学粘合剂附接在一起，使得元件3的前平坦表面紧靠且有效地闭合槽66。因此，在形成元件3和5的玻璃内，槽形成伸长的具有三角形剖面的口袋。如上所述，这类似于增强显示亮度型的BEF结构。
元件5的后表面的光学平坦部分60不具有光焦度，相邻的部分61和62用作发散表面。因此，图9(c)处显示的光源实现了相对亮度1.3、均匀度65％。
在替换实施例中，和图2中的部分7和图6中的部分40一样，部分60可以被省略。
图10显示一种光学器件，该光学器件包括平凸型会聚透镜3和独立的发散元件5，该发散元件5具有彼此整体地形成的微透镜阵列的形式。微透镜阵列5被设置在透镜3和LED光源1之间。尽管所示微透镜阵列是相同的，但是这并不重要，也可使用非相同的微透镜阵列。微透镜阵列以后部阵列的微透镜的焦距被有效地隔离。因此，每个微透镜(如70)的焦点是在前部阵列的对应微光透镜(如71)的表面上(在微透镜阵列彼此相同的情况下，反之亦然)。
前和后微透镜阵列部分的细节显示在72和73处。微透镜具有矩形，并球面凸出。可替换地，微透镜阵列可在内侧形成折射介质，在该情况下，微透镜表面将是凹陷的。
这种布置实现相对亮度1.4、均匀度56％。
图11显示一种光学器件和光源，其中，如图11所示，会聚和调焦元件包括平凸透镜3，发散元件5包括相对光源1设置的反射体。反射体5有效地包括具有反射外表面的圆托(torus)部分。因此，反射体5绕光源的光轴100圆环地对称。在包含轴线100的每个平面内，反射体5还具有圆环弧形剖面。
优选地，反射体基本100％反射入射光线。优选地，反射体是镜面反射体。可替换地，反射体可以是特定的镜面、半反射和漫射反射体。
图示实施例实现相对亮度2.6、均匀度56％。
尽管前述折射、会聚和发散元件被显示为具有固定光学特性的玻璃和塑料透镜。但是，也可用“可变的”透镜表面(“variable”lens surface)替换一个和多个“固定的”透镜表面(“fixed”lens surface)以便提供可变的照明区域和“变焦”功能。这样的可变的布置对于照相机或其他具有可变视场的器件是有用的。例如，对于具有数字或光学变焦能力的照相机的情况，可设置可变的闪光单元，用于使照明区域手动地或自动地适应照相机视场。这样的布置不仅改善了较窄视场的照度而且改善了较宽视场的照度。
可通过接合如同一个或多个液晶透镜的一个或多个光学元件来形成这种可变的光源。例如，可用分级折射率(GRIN)透镜(graded refractiveindex lens)或静态取址的液晶透镜(modally addressed liquid crystallens)来代替一个或多个透镜或透镜表面。尽管连续表面比不连续表面更容易制造，但是可由适当的微观图或电气控制来控制这样的可变透镜。
在替换布置中，形成一个或多个透镜的玻璃或塑料可具有与液晶的一个轴线匹配的折射率。透镜表面设置有透明电极层，例如铟锡氧化物(ITO)。液晶层设置在该ITO电极和形成在光学平坦单片玻璃上的另一个ITO电极之间，通过变化施加在ITO电极之间的电场，可变化液晶导向(liquid crystal director direction)使得表面和空气之间的相对折射率可变化。这可允许控制可变透镜的光焦度，以便控制照明区域。此时，可使用偏振光发射器，这是适当的。
权利要求
1.一种光学器件，用于将来自光发射器(1)的光线引导到空间的预定两维区域(15)，前述光发射器(1)相对于所述器件位于第一预定位置，前述空间的预定两维区域(15)相对于所述器件位于第二预定位置，所述器件包括第一光学元件(3)，用于将入射到其上的光线会聚向区域(15)的内部(17)，其特征在于，所述器件包括折射的第二光学元件(5)，用于将入射到其上的光线朝外地发散向区域(15)的至少一个外部(19)，所述第二光学元件(5)具有凹陷的多面表面，该多面表面包括具有底开口倒置截顶金字塔形状的平面(7-11)。
2.一种光学器件，用于将来自光发射器(1)的光线引导到空间的预定两维区域(15)，前述光发射器(1)相对于所述器件位于第一预定位置，前述空间的预定两维区域(15)相对于所述器件位于第二预定位置，所述器件包括第一光学元件(3)，用于将入射到其上的光线会聚向区域(15)的内部(17)，其特征在于，所述器件包括折射的第二光学元件(5)，用于将入射到其上的光线朝外地发散向区域(15)的至少一个外部(19)，所述第二光学元件(5)具有多面表面，该多面表面包括多个相邻接的扇形表面(31-38)，这些扇形表面(31-38)中的至少一些(32-34，36-38)是凹陷的。
3.如权利要求2所述的器件，其特征在于所述凹陷表面(32-34，36-38)具有至少两个不同的曲率半径。
4.如权利要求2或3所述的器件，其特征在于所述凹陷表面(32-34，36-38)具有至少两个不同的曲率中心。
5.如权利要求2-4中任一项所述的器件，其特征在于所述表面中的一些(31，35)是凸的。
6.如权利要求2-5中任一项所述的器件，其特征在于所述表面中的至少一个是平面。
7.如权利要求2-6中任一项所述的器件，其特征在于所述表面(31-38)中的至少一些是圆柱形的。
8.一种光学器件，用于将来自光发射器(1)的光线引导到空间的预定两维区域(15)，前述光发射器(1)相对于所述器件位于第一预定位置，前述空间的预定两维区域(15)相对于所述器件位于第二预定位置，所述器件包括第一光学元件(3)，用于将入射到其上的光线会聚向区域(15)的内部(17)，其特征在于，所述器件包括折射的第二光学元件(5)，用于将入射到其上的光线朝外地发散向区域(15)的至少一个外部(19)，所述第二光学元件(5)具有被分成伸长部分(40，60)的表面，该伸长部分(40，60)设置在第一和第二发散部分(41，42，61，62)之间。
9.如权利要求8所述的器件，其特征在于所述伸长部分(40)是发散的。
10.如权利要求9所述的器件，其特征在于所述伸长部分(40)是圆柱形凹陷，该圆柱形凹陷具有与伸长部分(40)的纵向基本平行的圆柱轴线。
11.如权利要求8所述的器件，其特征在于所述伸长部分(60)是平面。
12.如权利要求8-11中任一项所述的器件，其特征在于第一和第二部分(41，42)是圆柱形凹陷。
13.如权利要求12所述的器件，其特征在于所述第一和第二部分(41，42)包括共同圆柱表面部分。
14.如权利要求13或14所述的器件，其特征在于所述第一和第二部分(41，42)具有与伸长部分(40)的纵向基本垂直的圆柱轴线。
15.如权利要求8-11中任一项所述的器件，其特征在于第一和第二部分(61，62)包括槽(66)的阵列，所述槽(66)与伸长部分(60)的纵向基本垂直地延伸。
16.如权利要求15所述的器件，其特征在于所述槽(66)是基本相连续或相邻接的。
17.如权利要求15或16所述的器件，其特征在于所述槽(66)具有大致三角形剖面。
18.如前述任一项权利要求所述的器件，其特征在于第一和第二元件(3，5)形成在单个折射材料上。
19.如权利要求18所述的器件，其特征在于所述第一和第二元件(3，5)形成在单个折射材料的第一和第二表面上。
20.如权利要求18所述的器件，其特征在于所述第一和第二元件(3，5)形成在单个折射材料的共同表面上。
21.如权利要求20所述的器件，其特征在于所述第一和第二元件(3，5)中的一个包括第一和第二元件(3，5)中另一个的子结构(53)。
22.如前述任一项权利要求所述的器件，其特征在于所述第一和第二元件(3，5)中的至少一个具有可控的可变光学性能，用于改变空间的预定两维区域(15)的尺寸。
23.如权利要求22所述的器件，其特征在于所述第一和第二元件(3，5)中的至少一个包括液晶透镜。
24.如权利要求22所述的器件，其特征在于所述第一和第二元件(3，5)中的至少一个包括折射率与光轴方位角可控的液晶层的轴线大致匹配的透镜。
25.一种光学器件，用于将来自光发射器(1)的光线引导到空间的预定两维区域(15)，前述光发射器(1)相对于所述器件位于第一预定位置，前述空间的预定两维区域(15)相对于所述器件位于第二预定位置，所述器件包括第一光学元件(3)，用于将入射到其上的光线会聚向区域(15)的内部(17)，其特征在于，所述器件包括反射的第二光学元件(5)，用于通过第一光学元件(3)将入射到其上的光线朝外地发散向区域(15)的至少一个外部(19)。
26.如权利要求25所述的器件，其特征在于所述第二光学元件(5)是镜面反射的。
27.如权利要求25或26所述的器件，其特征在于所述第二光学元件(5)包括外部反射的大致圆环面的部分。
28.如权利要求25-27中任一项所述的器件，其特征在于所述第一元件(3)具有可控的可变光学性能，用于改变空间的预定两维区域(15)的尺寸。
29.如权利要求28所述的器件，其特征在于所述第一元件(3)包括液晶透镜。
30.如权利要求28所述的器件，其特征在于所述第一元件(3)包括折射率与光轴方位角可控的液晶层的轴线大致匹配的透镜。
31.如前述任一项权利要求所述的器件，其特征在于第二光学元件(5)被布置成将入射光线部分发散向区域(15)的多个外部(19)。
32.如前述任一项权利要求所述的器件，其特征在于所述区域(15)是大致矩形的。
33.如权利要求32所述的器件，其特征在于所述外部(19)包括大致矩形区域(15)的角落部分。
34.如前述任一项权利要求所述的器件，其特征在于所述第一元件(3)是调焦元件。
35.如前述任一项权利要求所述的器件，其特征在于所述第一元件(3)是折射元件。
36.如权利要求35所述的器件，其特征在于所述第一元件(3)是凸表面。
37.如权利要求1-34中任一项所述的器件，其特征在于所述第一元件(3)包括全息光学元件。
38.一种光源，其特征在于所述光源包括前述权利要求中任一项所述的器件和至少一个光发射器(1)。
39.如权利要求38所述的光源，其特征在于所述第一元件(3)设置在所述至少一个光发射器(1)和第二元件(5)之间的光路上。
40.如权利要求38或39所述的光源，其特征在于所述至少一个光发射器(1)包括朗伯发射器。
41.如权利要求40所述的光源，其特征在于所述朗伯发射器包括至少一个发光二级管(1)。
42.如权利要求38-41中任一项所述的光源，其特征在于包括照相机闪光单元。
43.一种设备，其特征在于所述设备包括权利要求42所述的光源和照相机。
44.如权利要求43所述的设备，其特征在于包括移动电话或蜂窝式电话或个人数字助理PDA。
全文摘要
一种光学器件，当该光学器件被用作照相机闪光单元时，用于将来自光源(1)的光线引导到空间区域，例如照相机的视场区域。该器件包括第一光学元件(3)，其将来自光源(1)的光线会聚向要被照明的区域的内部。该器件还包括第二光学元件(5)，其将来自第一光学元件(3)的部分光线朝外地发散向要被照明的区域的外部，以便实现足够的中心照明，同时改善要被照明的整个区域的照明均匀度。在一实例中，第二光学元件(5)具有凹陷的多面表面，该多面表面包括具有倒置截顶金字塔形状的平面(7－11)。在另一实例中，第二光学元件(5)具有多面表面，该多面表面包括相邻的扇形表面(31－38)，这些扇形表面中的至少一些是凹陷的。在另一实例中，第二光学元件(5)具有被分成伸长部分(40，60)的表面，该伸长部分(40，60)设置在第一和第二发散部分(41，42，61，62)之间。在又一实例中，第二光学元件(5)是折射的，并通过第一光学元件(3)反射部分入射光。
文档编号G02B3/08GK101088283SQ20058004421
公开日2007年12月12日 申请日期2005年12月19日 优先权日2004年12月21日
发明者戴维·J·蒙哥马利, 格兰特·布希尔 申请人:夏普株式会社