[发明专利]光学器件、灯具以及用于制造光学器件的方法

说明书

一种光学器件，该光学器件具有自由造型光学面，该自由造型光学面变换由零展度光源发射的入射光以形成包括沿着曲线聚焦的光线焦散的照射图案。照明曲线的横向厚度由入射光波长的衍射极限来确定。

技术领域

本发明涉及光学器件，更具体地涉及具有变换入射光以产生照射图案的自由造型光学面的光学器件。

背景技术

非成像光学器件的领域长期寻求设计将由光源发射的入射光变换成任意照射图案的光学面的方法。在最近二十年中，已经对于零展度(zero-étendue)(光线确切平行或确切从单个点发散的理想化)情况取得实质进展。该理想化允许发射光中的光线与目标照射图案中的光线之间的一一对应关系。该一一对应关系简化了确定反射或折射实施发射光的横截面中的光线的空间密度与目标照射图案中的光线的空间密度之间的一对一映射的光学面设计问题。如果平滑映射在初始与目标密度之间是可以的(对于零展度系统几乎总是这种情况)，那么该映射可以使用从最佳大众运输领域借鉴的方法来找到。产生的光学器件可以产生很复杂的照射图案，例如，投影摄影图像。简单地因为这些光学面的形状比通常与透镜和反射镜关联的简单代数面复杂，所以这些光学面通常被表示为自由造型光学面。

实际上，零展度光源不实用。实际光源例如发光二极管(LED)具有空间范围，即光线是从面发射的而不是从点发射的，并且这些光线在它们的传播期间相交，这使得一对一映射不可能，并且将问题推到最佳大众运输可以解决的问题的范围之外。如果用空间扩展光源照明自由造型光学面，则产生的照射图案显著模糊，非常像阴天的影子变得柔和且不清楚。根据热力学第二法则，该模糊是不可避免的，因此用于空间扩展光源的自由造型光学器件通常被设计为在被柔和模糊照明降低包围的一些有界区域中实现近似均一的照明。

例如，同时多面(SMS)的方法通过向期望的目标点引导来自空间扩展光源的边缘的光线来实现均一的照明。这样，光线形成某一未知但可接受的密度；然而，产生的照射图案的边缘仍然模糊。

另一种方法通过估计在用点光源照明时产生近似去模糊照明图案的光学面来预补偿扩展光源的模糊作用。在用扩展光源照明这种图案时，模糊和去模糊近似抵消。然而，对于一些照明图案，抵消不准确。

因此，需要可以将来自空间扩展光源的入射光变换成具有清晰边缘的目标照射图案的光学器件。然而，这种光学器件可以有益于若干光学应用，诸如用于标牌照明的光学器件和用于车辆前照灯的光学器件。

发明内容

一些实施方式基于以下认识：展度的增长是将入射光变换成不同结构化照射图案(诸如具有清晰边缘边界的照射图案)中的一个问题。展度是熵的光学类似物；它是与穿过空间区域的光线方向有关的不确定性(或等效地为与具有特定方向的光线的位置有关的不确定性)。为此，展度是由扩展光源形成的光束为何看起来模糊的原因。在诸如投影仪和遮光黑布的传统结构化照明装置中，展度部分借助诸如快门和孔径的光消耗障碍物来管理。

一些实施方式基于以下认识：展度的增长在光聚焦到一维曲线时减轻。一维曲线可以由沿着曲线聚焦的光线焦散形成。这样，除了按需绘制期望的曲线之外，使光的展开最小化。例如，在由零展度光源照明光学器件时，由零展度光源发射的入射光形成沿着具有可忽略宽度和深度的曲线聚焦的光线的焦散的照射图案，例如，照明曲线的宽度和/或深度小于入射光波长。然而，在用空间扩展光源代替零展度光源时，产生的曲线具有增大的宽度或深度，但仍然具有防止光溢出到曲线和/或照射图案外部的清晰边缘边界。

为此，一些实施方式基于以下认识：照射图案可以包括形成象形图、表意文字、标志、字形和字词以及其他图案(诸如形成用于路面的照明的非对称远光近光图案的照射图案)中的至少一种或组合的一个或多个曲线。在从由空间扩展光源照明的光产生这种照射图案时，产生的照射图案包括具有清晰边缘边界的较粗曲线。

一些实施方式基于照明曲线可以具有不同类型的认识。例如，曲线可以在曲线的整个长度上在平面中延伸，可以传播穿过三维空间和/或位于三维几何对象的表面上。这样，不同实施方式可以适应不同类型的投射面，包括平坦、凸和/或分离面。