光學(xué)設(shè)備、透鏡、照明設(shè)備、系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及包括具有多個(gè)微小尺寸刻面的第一表面的光學(xué)設(shè)備，每一個(gè)刻面具有 相應(yīng)取向，所述多個(gè)刻面具有平行于所有所述相應(yīng)取向的平均取向的法向矢量延伸的光 軸。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于使光均勻的常規(guī)技術(shù)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(chuàng)建重疊的光發(fā)散錐體的陣列使光均勻。每個(gè)錐體源自相 應(yīng)的微透鏡并且發(fā)散到透鏡的焦斑之外。在常規(guī)的陣列中，各個(gè)透鏡彼此相同。通過利用 研磨材料對(duì)玻璃進(jìn)行打磨以生成玻璃表面中的光散射結(jié)構(gòu)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(fā)散光的角擴(kuò) 展的缺點(diǎn)。光一般具有在期望的角域之上相當(dāng)均一的角擴(kuò)展，但是角域的邊界是模糊的。利 用常規(guī)的漫射器方法，在期望的角擴(kuò)展的邊緣處的能量滾降（roll-off)能夠良好地延伸到 該區(qū)域之外。
[0004] 衍射漫射器可以被用來控制輸出光的角擴(kuò)展，但是這樣的漫射器在它們能夠給予 輸出光的擴(kuò)展的量的方面受限制。由于針對(duì)可見或其以下的短波長源的制作限制、以及針 對(duì)較長波長的結(jié)構(gòu)的物理方面中的限制，最大角擴(kuò)展受限制。另外，以其傳統(tǒng)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(guān)于光軸對(duì)稱的。
[0005] 為了克服這些常規(guī)設(shè)備的所述缺點(diǎn)，US20070223095公開了具有由多個(gè)光學(xué)元件 形成的多個(gè)方形刻面的光學(xué)設(shè)備?？堂姹挥脕碓陬A(yù)定的相應(yīng)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?？堂嬖陉嚵兄械奈恢藐P(guān)于對(duì)應(yīng)光束部分的方向是隨機(jī) 的。這種已知的光學(xué)設(shè)備的缺點(diǎn)在于光學(xué)設(shè)備的標(biāo)識(shí)相對(duì)困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供具有改進(jìn)的性能的如在開頭段落中描述的類型的光學(xué)設(shè) 備。本發(fā)明的另一目的是提供制作改進(jìn)的光學(xué)設(shè)備的方法。該目的通過如在開頭段落中 描述的類型的光學(xué)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，其特征在于其包括形成多個(gè)刻面的刻面子集的有意義的 圖案，子集的刻面相互至少具有與相鄰刻面的基本上相等取向（相同傾斜角α和方位角 f)、類似顏色、類似標(biāo)記(磨砂、刮痕、有棱紋）表面、類似間隔中的一個(gè)。優(yōu)選地，子集在數(shù) 目上包括多個(gè)刻面中的1%至15%。因而，刻面的子集形成一種有意義的圖案，其還被稱為光 學(xué)設(shè)備的水?。▓D案)，其可以充當(dāng)標(biāo)識(shí)標(biāo)簽和/或提供關(guān)于光學(xué)設(shè)備的可容易讀取的信息。 可替換地或同時(shí)地，其可以服務(wù)于檢測并且因而阻止通過第三方的中國拷貝的制造。為此 目的，水印可以以不醒目的方式提供，例如通過將其限制成包括多個(gè)刻面中的至多5%。如果 子集的數(shù)目高于15%，則其不再是不醒目的并且更可能展現(xiàn)出光學(xué)設(shè)備的質(zhì)量的視覺降級(jí)。 如果子集的數(shù)目低于1%，則變得難以辨識(shí)水印并且檢測不太明顯，此外關(guān)于規(guī)避的風(fēng)險(xiǎn)增 加，因?yàn)椴辉僖笥糜谕哥R的基本上全新的設(shè)計(jì)并且僅相對(duì)低數(shù)目的刻面不得不被變更以 破壞水印。創(chuàng)建水印的可替換的方式是通過提供刻面之間的間隙或間隔，或者通過做出刻 面上的小刮痕、有棱紋的刻面、磨砂刻面或者通過為刻面著色，然而，不會(huì)對(duì)光學(xué)設(shè)備的性 能影響到(普通用戶）可察覺的程度。
[0007] 在這一點(diǎn)上，緊湊地布置意味著在刻面的組內(nèi)，刻面不是廣泛布置的而是在一起 被緊密地布置為一個(gè)，例如，其中至少50%的刻面由相同組的刻面完全地環(huán)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(diǎn)上，鄰近 意味著在刻面的組內(nèi)，基本上組中的所有刻面經(jīng)由它們的組中的刻面直接連接到彼此。
[0008] 光學(xué)設(shè)備由刻面的組的平鋪式（tiled)陣列形成，其中每個(gè)組具有多個(gè)刻面，例如 (偽）隨機(jī)布置的刻面，圖案可以通過單獨(dú)匹配由一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)組的貢獻(xiàn)發(fā)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(xù) 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(huì)完 美地形成，并且因此可能不會(huì)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(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的實(shí)施例的特征在于每個(gè)刻面組與相應(yīng)的子圖案相關(guān)聯(lián)，其中在光 學(xué)設(shè)備的操作期間，光學(xué)設(shè)備上的刻面組的相對(duì)位置基本上等于所顯示的圖案中的子圖案 的相對(duì)位置。在本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備中，光線的重定向是按組方式完成的，而不是在預(yù)定的相 應(yīng)方向上隨機(jī)地重定向入射光束的光線。在描述光學(xué)設(shè)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(biāo)系統(tǒng)，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(xué)設(shè)備的坐標(biāo)系統(tǒng)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(jī)地重定向到所顯示的圖案的對(duì)應(yīng)第一 象限，其余25%可以被(偽）隨機(jī)地投影在其它象限中的一個(gè)或多個(gè)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(yīng)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(xué)設(shè)備在相對(duì)于光軸的相對(duì)大角度之上的光擴(kuò)展（比如在具有大頂角的錐體之上的擴(kuò) 展)，則每個(gè)象限和組光學(xué)可以被進(jìn)一步子劃分成例如兩半或者四個(gè)子象限，每個(gè)子象限具 有其相應(yīng)的相關(guān)聯(lián)的刻面組光學(xué)。然后，可以維持光學(xué)設(shè)備中的子象限和所顯示的圖案之 間的類似關(guān)系。因而，光束的相對(duì)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(jī)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(fā)生較少的反射，光 學(xué)設(shè)備的效率得以改進(jìn)，這是因?yàn)樗隹堂姹砻嫔系墓饩€的入射角平均起來更加靠近所述 刻面表面的法向。為了進(jìn)一步減少光學(xué)設(shè)備對(duì)光的非期望的反射，如由點(diǎn)狀光源發(fā)出的光 的方向處于與所述發(fā)出的光入射在其上的刻面組的組光軸的相對(duì)小角度處。換言之，平均 來說，看起來光在穿過本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備之前和之后比通過已知光學(xué)設(shè)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(gè)刻面具有周界邊緣，每個(gè)刻面通過周界 邊緣鄰接其相鄰刻面，所述周界邊緣是針對(duì)所顯示的圖案的變形的源。作為上面提到的發(fā) 明技術(shù)特征的結(jié)果，由周界邊緣引起的所顯示的圖案/圖像的變形減少，因?yàn)橹芙邕吘壍?平均高度低于不具有所述組光學(xué)分割而是具有完全隨機(jī)化的刻面取向的已知光學(xué)設(shè)備中 的周界邊緣，因此改進(jìn)了圖像的質(zhì)量。
[0009] 當(dāng)與刻面組相關(guān)聯(lián)的圖像的部分通過所述刻面組以期望的分辨率/細(xì)節(jié)構(gòu)建時(shí)， 光學(xué)設(shè)備的實(shí)施例的特征在于包括在刻面組中的刻面的數(shù)目至少為100。包括在組中的刻 面的期望最小數(shù)目取決于由所述組構(gòu)建的圖像的部分的尺寸、復(fù)雜性和期望的細(xì)節(jié)，因此 組中的刻面的所述數(shù)目可以容易地共達(dá)1000或者甚至10000。
[001 0] 光學(xué)設(shè)備的實(shí)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(xué)設(shè)備的第一表面的相對(duì)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(jié)構(gòu)，例如其中每個(gè)組形成第一表面的超刻 面。此外，相對(duì)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(xué)設(shè)備更 加均衡。在這一點(diǎn)上，當(dāng)?shù)谝豢堂娼M中的刻面的相應(yīng)數(shù)目與第二刻面組中的刻面的相應(yīng)數(shù) 目在1:1至1:10的范圍中時(shí)，其似乎是有利的。此外，當(dāng)所述組通過間隔分離時(shí)，它們相對(duì) 簡單地彼此可區(qū)分，因而使得能夠?qū)崿F(xiàn)特定組的容易的操縱/校正。如果刻面組在光學(xué)設(shè) 備上不是直接可區(qū)分或可確定的，則（事實(shí)上）將第一表面上的多個(gè)刻面劃分成刻面組的方 法要考慮一個(gè)所選刻面，優(yōu)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(dá)的所有刻面或者在距所述所選一個(gè)刻面〈=3*平均刻面尺寸的距離內(nèi)的所有 刻面被視為所述刻面組的部分。該方法自動(dòng)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(duì)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(gè)的刻面組的部分。
[0011] 光學(xué)設(shè)備的實(shí)施例的特征在于基本上組內(nèi)的每個(gè)刻面具有關(guān)于相應(yīng)組光軸的傾 斜角at，其中所述傾斜角a t在由以下等式確定的范圍內(nèi)： at〈= 0.8 * ac，優(yōu)選地 at〈= 0.6 * ac， 其中a。= arcsin(n2/nl)并且a。是針對(duì)全內(nèi)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(zhǔn)則在折射光學(xué)設(shè)備上適用，但是在某種程度上，也在反射光學(xué)設(shè)備上 適用。將傾斜角的上限范圍僅限制到顯著低于a。（即，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(xué)設(shè)備，周界邊緣具有針對(duì)其最大高度 的絕對(duì)較低上限。