CN104541190A - 具有3维外观的衍射照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了扩展区域照明装置，所述扩展区域照明装置包括光导和在光导的主表面上的衍射表面特征。衍射表面特征提供通过光导察看对象的低失真。来自离散光源的光被注入到光导中，并且衍射表面特征与所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。

Description

具有3维外观的衍射照明装置
技术领域
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
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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耦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。
还讨论了相关的方法、系统和制品。
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
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
图7为针对图6的表面结构计算出的提取效率的曲线图；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
图14a为图14的光导的细节；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
图19d为图19c的所选择光点的CIE色度坐标的曲线图；
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；
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；
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；
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；
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；
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
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。
在附图中，类似参考数字指示类似元件。
具体实施方式
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(viewing geometry)(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。
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。
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，诸如如图所示的表面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。
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3MTM VikuitTM 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(microcavitated)PET膜；3MTM光增强膜；和/或反射性偏振膜，包括但不限于VikuitiTM漫反射性偏振膜(DRPF)、VikuitiTM双倍增亮膜(DBEF)、VikuitiTM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 AngleMirror System(广角反射镜系统)”；US 2010/0165660(韦伯等人)，“Backlight and Display System 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 Semi-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 OutputConfinement in Both Polar and Azimuthal Directions and Related Constructions(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 Combinationswith Output Confinement in Both Polar and Azimuthal Directions and RelatedConstructions(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)”；WO 2008/144644(韦伯等人)，“Semi-Specular Componentsin 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 HollowCavity Type Display Backlight(中空光循环腔型显示背光源)”。
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10mm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y轴渐缩，或它可沿两个主要平面内方向渐缩。
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，光导可为不平坦的，包括简单弯曲的，即，仅沿一个主要平面内方向弯曲；或复杂弯曲的，即，沿两个主要平面内方向弯曲。光导可以是完全平坦的、完全不平坦的、或在一些区域平坦而在其它区域不平坦的。对于沿特定平面内方向不平坦的光导，沿此方向的横截面轮廓例如可为简单弧形或更复杂的不直的轮廓。在一些情况下，光导可大大偏离平坦结构，例如，光导可呈实心或空心的截头空心圆锥体的形式，其中根据需要，光注入可发生在截头圆锥体的大端或小端处。
无论光导112是否平坦，光导都可具有外边界或边缘，当以平面图形式来看光导时，外边界或边缘的形状是弯曲的、或分段平坦的(多边形的)或分段平坦和弯曲的组合。弯曲形状的实例是带有连续弧形的形状，诸如圆形、卵形和椭圆形，及带有不连续的或波状弧形的形状，诸如正弦形或正弦状轮廓。分段平坦形状的实例是三角形、四边形(例如，正方形、矩形、菱形、平行四边形、梯形)、五边形、六边形、八边形等。分段平坦形状可提供直的或平坦的侧表面或边缘以供来自离散光源的光注入，而弯曲形状提供弯曲的侧表面以供光注入。
光导通常是相对刚性和自支承的，使得光导在其自身重量下实质上不弯曲或变形，但也可使用柔性光导并且根据需要可使用例如支撑结构或框架将柔性光导保持在适当的位置。光导可具有一体构造，或其可由彼此附接而无显著居间气隙的多个部件来制成，例如，使用透明的光学粘合剂将薄型表面结构化的膜附接到较厚板的平坦、平滑的主表面。
光导可由任何合适的低损耗的透光材料诸如玻璃、塑料、或它们的组合制成。所需的是低损耗的，例如在可见波长范围内低吸收性和低散射性的材料，使得导模光能够以与由于通过衍射表面特征耦合出这种光造成的损耗相比小的吸收/散射损耗从一个侧表面完全传播穿过光导。示例性材料包括合适的：玻璃；丙烯酸类树脂；聚碳酸酯；聚氨酯；环-烯烃聚合物/共聚物，包括肯塔基州路易斯维尔的瑞翁化学公司(Zeon Chemicals L.P,Louisville,Kentucky)销售的ZeonexTM和ZeonorTM材料；硅氧烷和弹性体；及压敏粘合剂(PSA)和其它粘合剂，包括硅氧烷粘合剂、3MTM VHBTM可适形的丙烯酸系泡沫卷带和3MTM OCATM光学透明粘合剂。
装置110还包括一个或多个离散光源114a、114b，它们优选安装在光导112的边缘或侧表面处。光源优选为离散的并且其尺寸相对于光导的平面内维度(长度或宽度)为小的。光源114a、114b优选是固态光源，诸如发光二极管(LED)，但也可以使用其它合适光源。
就这一点而言，“发光二极管”或“LED”是指发射光的二极管，无论该光是可见的、紫外的还是红外的，但在大多数实际实施例中，所发射的光将在可见光谱范围例如约400到700nm内具有峰值波长。术语LED包括作为“LED”(不论是常规型还是超辐射型)销售的无内聚性的封闭或封装的半导体器件、和内聚性的半导体器件(例如激光二极管，包括(但不限于)垂直腔面发射激光器(VCSEL))。“LED晶粒”是LED最基本的形式，即采用半导体加工方法制成的单个部件或芯片的形式。例如，LED晶粒可由一种或多种III族元素的组合和一种或多种V族元素的组合形成(III-V半导体)。部件或芯片可包括适用于施加电力以使装置通电的电触点。例子包括引线结合、卷带式自动接合(TAB)或倒装芯片结合。部件或芯片的各个层和其它功能元件通常以晶片级形成，然后可以将加工好的晶片切成单个零件，以生产大量的LED晶粒。LED晶粒可经配置以进行表面安装、芯片直接贴装或其它已知的安装配置。一些封装LED通过在LED晶粒和相关联的反射器杯上形成聚合物封壳而制成。一些封装LED还包括一种或多种荧光体材料，这些荧光体材料受激于紫外或短波长可见LED晶粒，并以可见光谱范围内的一个或多个波长发荧光。出于本申请的目的，“LED”还应被认为是包括有机发光二极管，通常称为OLED。
将由诸如源114a、114b的源发射的光注入到光导中，以提供导模光，即，主要为通过全内反射(TIR)限制在光导中的光，忽略任何衍射表面特征的影响。由每个单独的源发射的光为可见的，并且可为宽带(例如，白色)或窄带(例如着色的，诸如红色、黄色、绿色、蓝色)。如果使用着色的窄带源，那么可将不同颜色组合以在表面122上提供整体白光照明，或颜色可为均匀的、或彼此不同的但以提供表面122上的装饰性着色(非白色)照明的方式来组合。
衍射表面特征113设置在光导的至少一个主表面上。这些表面特征或结构可暴露于空气、或利用有形材料(诸如低折射率材料)来平面化、或在图案化布置中进行以上两者(一些被暴露于空气，一些被平面化)。如在本文中其它地方所讨论的，将衍射表面特征设定尺寸并以其它方式配置以通过衍射将导模光从光导中耦合出来，以使得不同波长被不同地耦合出来，例如，以不同量、不同方向和不同角度分布耦合出来。可对衍射表面特征进行调控，使得来自边缘安装的光源的光从光导的两个主表面112a、112b实质上相等地进行发射，或替代地使得光优先地从主表面中的一个诸如表面112a进行发射，这个表面随后可被指定为光导输出表面。在后一种情况下，可将装置安装在特定的取向上，以便有效地照明房间、工作空间或其它表面。
尽管衍射表面特征将导模光从光导中耦合出来，但光导和衍射表面特征优选被调控成使得非导模光(例如源自光导后方的光源或对象并入射在光导的主表面中的一个上的光)具有最小程度的偏离(无论通过衍射或折射)，以使得可通过光导以低失真来察看对象。低失真可提供美观和实用益处两者。在图1中，失真低至足以使得用户120可通过光导112来察看和识别对象124。对象124可为既不产生光也不是照明装置110的一部分的顶篷或另一个相邻结构。另选地，对象124可产生光并且可为照明装置110的一部分，例如，它可为具有自己的衍射表面特征的另一个侧光式光导，或它可为不具有衍射表面特征但连接到光导112并安装成以使得其发射的光的大多数或至少一些被引导通过光导112的更常规的光源，诸如聚光灯或灯泡。此外，对象124可为或可包括被设置在装置110附近或附接到该装置的图形膜。
衍射表面特征113可呈现在实质上整个主表面112a或仅该表面的一部分上。如果衍射表面特征仅覆盖该表面的某些部分，那么来自边缘安装的光源的光可仅在这些部分中从光导发射。
以下还讨论了衍射表面特征的另外的方面。一个尤其值得注意的特征是，衍射表面特征中的至少一些在平面图中是不直的，并且在光导内传播的光与衍射表面特征相交以产生与不直的衍射表面特征进行相交的至少一个带。该带可为亮带，或在一些情况下为暗带。该带随着观察者120相对于照明装置110的察看位置的变化而改变外观(例如，形状)。该带可为形成图案的一组带中的成员，并且一个或多个带由于它们在给定察看位置处的外观和/或由于它们从一个察看位置到另一个察看位置的外观改变而可提供3维外观。在一个或多个给定的察看位置处，这一组带中的每个带均可与不直的衍射表面特征相交。不直的衍射表面特征在形状上可为例如弯曲或分段的，或可具有包括曲线和/或片段的波状或不连贯形状。
照明装置110和本文所公开的其它照明装置可用作用于一般照明目的等的照明设备或类似照明装置。可将照明设备安装在任何期望的位置和取向上，例如，在房间的顶篷上、内、或附近，或者房间的墙壁上、内、或附近，或安装在柱子、支架、或其它支撑结构上。可将照明设备取向成平行于顶篷、或平行于墙壁、或相对于顶篷或墙壁成一斜角或中间角。
在图2中，我们看到光导212的示意图，其中离散光源214将光注入到光导中，并且衍射表面特征213将导模光216从光导耦合出来以提供所耦合出的光217a、217b。光导212，其可与以上所讨论的光导112相同或类似，具有：第一主表面212a，其上设置有衍射表面特征213；与第一主表面对置的第二主表面212b；和侧表面212c，来自光源214的光可穿过其进入光导。光源214可包括：有源元件214a，诸如将电转化成可见光的一个或多个LED晶粒；和一个或多个反射构件214b，它们帮助将来自元件214a的一些被误导的光引导到光导212的侧表面212c中。来自光源214的导模光216在角度α的范围内经由全内反射(TIR)沿光导212并在其内传播，该角度α可相对于光导的局部平面(在这种情况下，x-y平面)来测量。所耦合出的光217a、217b可至少部分地由给定光线217c的传播方向与垂直于光导的局部平面的轴线217d(在这种情况下，z轴)之间的极角θ来测量或表征。图2还示出了入射光束218a，该入射光束218a穿过主表面212b入射在光导212上并进入其中、作为非导模光传播穿过光导212，并且作为透射光束218b穿过主表面212a离开光导。透射束218b优选通过衍射表面特征213而具有最小程度的偏离，以使得可通过光导212以低失真来察看对象。
现将详细说明衍射表面特征213的允许其提供以上讨论的功能特性的相关设计特性。通常，衍射表面特征213是带有明确限定的面的沟槽或脊/棱镜，这些沟槽或脊/棱镜沿循平面图中的预先确定的路径。出于图2的目的，为简单起见，我们将假设衍射特征213沿循彼此平行并且平行于y轴的直的线性路径。这个假设不像看起来那样是限制性的，因为直的线性特征可近似于衍射表面特征的沿循平面图中的弯曲路径(诸如同心圆或螺旋形弧)的一个很小部分或区段。为简单起见，我们还假设衍射特征213具有均匀的中心至中心间隔，被称为“间距”，其在图2中被标记为“p”。这个假设也不像看起来那样是限制性的，因为均匀间隔开的衍射特征213可近似于衍射表面特征的间距p随位置的变化而改变的一个很小部分或区段。还假设衍射表面特征213具有深度(沟槽)或高度(棱镜)“h”，如图2所示。
带有假设的线性配置和恒定间距的衍射表面特征213可被称为单间距的(或周期性的)一维(1D)衍射光栅。单间距的1D光栅直接耦合到光导212并形成其主表面212a，我们假设光导212具有折射率n并被浸入空气或真空中。来自光学波长λ的光源214的光通过侧表面212c注入或发射到光导212中，并作为导模光216主要通过TIR在该光导内并沿该光导传播。当这样的光入射在衍射表面特征213上并与它们相交时，一小部分(η)导模光216作为所耦合出的光217a、217b被提取出来。所耦合出或提取的光217a、217b在满足以下条件时沿正交于光导表面的方向(例如，在图2中，具有极角θ＝0)进行传播：
m×(λ/n)＝d×cos(α)         (1)
在这个公式中：α是指导模光入射在光栅表面上的角度，该角度是相对于实质上如图2所示表面的平面来测量的；m是衍射级；n是光导212的折射率；λ是光的波长；并且d是光栅间距，其在图2中被标记为“p”。例如，对于轴向(α＝0度)发射到具有折射率n＝1.5的丙烯酸光导中的具有λ＝530nm的绿光，光栅间距d(或p)应等于353nm，并且仅第一衍射级(m＝1)是可能的。对于α和λ的其它值，一般来讲提取方向将不再正交于光导表面。
对于单间距的1D衍射光栅，在此可以使用计算机模拟来示出所提取或耦合出的光随着光源波长变化的角度分布特性。为了完全表征角度分布，应当考虑极角(在图2中，角度θ)和方位角(在x-y平面中相对于x-y平面中的固定方向或轴线来测量的角度)两者。出于模拟的目的，为简单起见，我们假设：光源214和光导212(包括衍射表面特征213)沿平行于y轴的轴线无限延伸；间距d(或p)为353nm；并且光源214针对在入射在侧表面212c上之前由光源214发射在空气中的光而在x-z平面中具有朗伯分布，即，强度与α的余弦成比例。在以这些假设进行模拟之后，我们针对3个不同波长λ来计算随着极角θ变化的总集成光功率密度，并且在图3中绘制出结果。在该图中，曲线310、312、314分别示出针对λ为450nm(蓝光)、530nm(绿光)和620nm(红光)的光学波长的集成光功率密度。
除其它之外，图3的模拟结果展示出使用衍射表面特征进行的光提取的波长依赖性质。尽管曲线310、312、314在一定程度上重叠，但它们的峰值强度出现在彼此相差超过10度的极角处，其中红色峰值和蓝色峰值相隔了几乎30度。
除了模拟之外，我们还制造了单间距的1D衍射光栅，以便展示其作为用于光导的光提取器的实用性。首先，用于金刚石车削机(DTM)的金刚石顶端使用聚焦离子束(FIB)成形，以便形成带有45度夹角的V形金刚石顶端。随后，使用这个金刚石顶端围绕铜辊的圆周来切割对称的、相等间隔的V形沟槽，以便制作衍射光栅母模工具。随后，使用浇铸和固化复制工艺来将光栅图案从母模工具转移到膜基底。由于其所具有的低的双折射和折射率值(n＝1.5)，具有3密耳(约76微米)厚度的三醋酸酯纤维素(TAC)膜被用作基膜或基底，这与典型光导材料的折射率良好地匹配。将这个基膜施加到母模工具，两者间具有薄的丙烯酸树脂涂层。丙烯酸树脂组合物包括丙烯酸酯单体(可购自科宁化工公司(Cognis)的按重量计75％的PHOTOMER 6210和可购自奥德里奇化学公司(AldrichChemical Co.)的按重量计25％的1,6-己二醇二丙烯酸酯)及光引发剂(按重量计1％的Darocur 1173，汽巴特殊化学品公司(Ciba SpecialtyChemicals))。使用来自水银蒸气灯(“D”形灯泡)的紫外光来将微复制型树脂浇铸并且后固化在基膜上。将浇铸辊温度设定为130华氏度(54摄氏度)，并将辊隙压力设定为20至25psi(约138,000到172,000帕斯卡)。
所得衍射光栅膜的结构化或沟槽状表面的显微照片在图4中示出。在该图中，衍射表面特征的间距为约400纳米，并且沟槽的深度(或棱镜的高度)为约500纳米。
随后，使用一层光学透明粘合剂(来自明尼苏达州圣保罗市的3M公司(M Company,St.Paul,Minnesota)的3MTM光学透明粘合剂8172)将该膜层合到干净、平坦、且矩形的2mm厚的丙烯酸类树脂板，以使得衍射光栅背向丙烯酸类树脂板并暴露于空气，并且以使得衍射光栅膜的基膜与该膜所粘附到的丙烯酸类树脂板的平坦的主表面之间不存在显著气隙。因此，层合构造形成具有单间距的1D衍射光栅的光导，该1D衍射光栅用作光导的一个主表面上的衍射表面特征。光导包括平行于衍射表面特征的沟槽方向延伸的平坦的、直的侧表面，类似于图2的配置。光源使用发出橙色的LED(可购自欧司朗光电半导体公司(OSRAM Opto SemiconductorsGmbH))的线性阵列进行构造，每个LED具有约590nm的中心波长和约20nm的半最大值处全宽度(FWHM)带宽。单独LED的离散特性通过将漫射器板(型号DR-50，来自纽约州鲍德温市的阿斯特拉产品公司(AstraProducts Inc.,Baldwin,New York))放置在LED前方，即，在LED与光导的侧表面之间而得到掩蔽，以便提供在空间上更均匀的照明。因此，光源近似于发出在590nm波长下近似单色的光的线性光源。
将光源通电，并且使用锥光相机系统来测量随着极角和方位角的变化，通过衍射表面特征发射的所耦合出的光的强度。所测量的锥光强度分布在图5中示出。在该图中，光源的延长方向和沟槽方向对应于0度和180度的方位角值。将在正交基准平面中(即，在对应于图5中的90度和270度的方位角值的平面中)所测量的强度或辉度随极角θ的变化绘制在图5a中。读者可注意到，图5a中的曲线相对于图3中的曲线310、312、314的形状的类似之处。读者参考图5还可注意到，光由呈狭窄月牙形分布的1D衍射光栅来提取，该1D衍射光栅并不位于平面中，但其方位角随着极角的变化而偏移。
结合图4、图5和图5a所讨论的扩展区域照明装置的其它方面包括：从光导的两个主表面(参见例如图2的表面212a、212b)相等地提取或耦合出光，这是衍射表面特征的对称设计(即，形成线性衍射光栅的对称V形沟槽)的结果；如果单色源由白色光源和/或多色光源替代，那么将由于衍射现象而发生角度颜色分离(参见例如图3)；装置中不需要漫射部件(尽管在图5和图5a的实施例中，光源中包括了一个漫射部件以掩蔽LED光源的离散性质)，这是因为以下事实：依赖于TIR以允许导模光沿波导传播，并且依赖于衍射以便将光从光导提取或耦合出；并且所耦合出的光的月牙形分布通过相对狭窄的光提取角度来表征。
优先可通过光导的一个主表面而非另一个主表面来提取或耦合出导模光，其方式为改变衍射表面特征的形状，具体地，使得单独特征(例如，棱镜)的形状不对称。结合图6和图7对此进行论述。在图6中，照明装置610包括具有第一主表面612a和对置的第二主表面612b的光导612。第一主表面612a包括呈面状形式的衍射表面特征613，它们形成具有高度“h”和间距“p”的直角棱镜结构。装置610还包括光源614，光源614临近光导612的侧表面设置，以便将光作为导模光(从图6的视角来看这种光大致从左到右传播)注入到光导中。执行对装置610的计算机模拟。在模拟中，为简单起见，假设衍射表面特征613的棱镜结构为相等间隔的，并且沿平行于y轴的轴线线性延伸。还假设光源平行于y轴线性延伸，并且假设光源在平行于光导的平面的第一基准平面(参见图2中的x-y平面)中以朗伯分布将波长λ的偏振光发射到空气中，该光随后被折射在光导的侧表面处。模拟仅假设在垂直于第一基准平面的第二基准平面(参见图2中的x-z平面)中的光的一个传播角度，α＝5度，如图2中所参考的。假设光导的折射率为1.5。初始选择光学波长λ和光栅间距p，以使得针对第一级衍射(m＝1)，正交于光导表面来提取所耦合出的光，从而得出λ≈520nm并且p≈350nm。那么，光栅高度h在从50到500nm的范围内变化，而间距p在350nm处保持恒定。对于与光栅高度的特定值相关联的每个实施例，以下量由计算机模拟软件计算出：
·从第一主表面612a提取的横向磁性(TM)偏振光的提取效率，在此称为TM顶部提取效率；
·从第一主表面612a提取的横向电性(TE)偏振光的提取效率，在此称为TE顶部提取效率；
·从第二主表面612b提取的横向磁性(TM)偏振光的提取效率，在此称为TM底部提取效率；和
·从第二主表面612b提取的横向电性(TE)偏振光的提取效率，在此称为TE底部提取效率。
就这一点而言，“提取效率”是指针对单个交互作用从指定的主表面(612a或612b)提取的指定光(TM或TE)的量除以紧接在光束与提取表面的交互作用之前在光导内传播的这种指定光的量(表示为百分比)。
所计算出的量在图7中绘出，其中曲线710是TM底部提取效率，曲线712是TE底部提取效率，曲线714是TM顶部提取效率，并且曲线716是TE顶部提取效率。这些结果展示，可优先地通过光导的一个主表面来提取导模光，其方法是使得单独衍射特征(例如棱镜)的形状不对称。这些结果还展示，优先地从一个主表面提取光的程度取决于衍射特征的特定形状的细节。在直角棱镜特征的情况下，可通过选择近似等于间距p的高度h来使优先提取最大化。
可对衍射表面特征进行调控，使得从光导的一个主表面发射的光(例如，图2中的所耦合出的光217a)与从光导的对置主表面发射的光(例如，图2中的所耦合出的光217b)是相同或类似的。从对置的表面发射的光关于所耦合出的光的颜色、强度、和/或颜色和/或强度的角度分布可以是相同的。在一种方法中，可将衍射表面特征设置在两个对置的主表面上，并且这些衍射表面特征可相对于设置在对置的主表面之间并与它们等距的基准平面而为彼此的镜像，以使得照明装置相对于这样的基准平面具有径向对称性。在替代的实施例中，可对衍射表面特征进行调控，使得从光导的一个主表面发射的光实质上不同于从光导的对置的主表面发射的光。从对置的表面发射的光关于所耦合出的光的颜色、强度、和/或颜色和/或强度的角度分布可以是不同的。例如，观察者可感知到一种颜色的光从一个主表面发射，而实质上不同颜色的光从对置的主表面发射。在水平安装的照明装置中，可将白色光源与适当调控的衍射表面特征一起使用，以使得具有相对冷的色温(带蓝色的色调)的白光被向上引导朝向顶篷，并且具有相对更暖的色温(带红色的色调)的白光被向下引导朝向地板，或反之亦然。
在不期望不同颜色的光由于衍射而发生角度分离的应用中，可使用若干设计方法来克服颜色分离问题。在图8所示的一种方法中，两个或更多个光导可堆叠在一起。在图9所示的另一种方法中，不同的衍射表面特征被设置在给定光导的对置的主表面上，并且针对不同着色的光源进行调控。在图10和图11所示的另一种方法中，光导的给定主表面上的衍射表面特征可包括具有不同间距的表面特征组。需注意，尽管这些方法是结合处理颜色分离问题而呈现的，但它们还可用于其它目的，包括仍然发生颜色分离的实用和/或美观目的，或在仅采用具有给定期望的(非白色的)颜色的光源的单色实施例中使用。还需注意，尽管单独描述了各种方法，但这些方法中的任何两种或更多种可组合在一起并且用在单个实施例中。
随后转向图8，在该图中我们看到包括呈堆叠或分层布置的多个光导812、832、852的照明装置810的示意图。每个光导具有一对对置的主表面，即，光导812具有主表面812a、812b，光导832具有主表面832a、832b，并且光导852具有主表面852a、852b。每个光导的至少一个主表面优选包括衍射表面特征，例如，主表面812a可包括衍射表面特征813，主表面832a可包括衍射表面特征833，主表面852a可包括衍射表面特征853。装置810还包括光源814a、814b、834a、834b、854a、854b，如图所示，它们被布置成例如穿过它们的相应侧表面将光注入到相应光导中，以便在光导中提供导模光。优选地，这些光导(包括它们的衍射表面特征)中的每一个均具有低光学失真，以使得非导模光可相对不受干扰地穿过光导。以这种方式，通过衍射表面特征833而从光导832提取的光可穿过光导812以到达用户820和/或表面822，并且通过衍射表面特征853而从光导852提取的光可穿过光导812和光导832两者以到达用户820和/或表面822。此外，用户820还可透过光导812、832、852的堆叠以极少或无光学失真来观察对象，诸如对象824，其可与以上讨论的对象124相同或类似。
如果期望克服颜色分离问题，那么可对装置810中的各种光导、光源和衍射表面特征进行调控，以向用户820和/或表面822提供不同颜色的耦合出的光，使得所有这种光的总和提供实质上白色的光照明。例如，光源854a、854b可发射红光并且衍射表面特征853可沿装置的光轴(例如，平行于z轴的轴线)最佳地提取这样的光，并且光源834a、834b可发射绿光并且衍射表面特征833可沿同一个光轴最佳地提取绿光，并且光源814a、814b可发射蓝光并且衍射表面特征813可沿同一个光轴最佳地提取蓝光。当然，按次序来描述的红色、绿色和蓝色仅仅为示例，并且读者应当理解，还设想了多个替代的组合。此外，虽然在图8的堆叠中示出三个光导，但也可以使用其它数量的光导，包括两个、四个或更多个。堆叠内的每个层的构成组分都可具有相同或类似的设计，例如，相同的光导维度和特性、相同的衍射表面结构的维度和特性、及相同数量、颜色和布置的LED。另选地，每个层的构成组分在这些方面中的任一方面可不同于其它层中的对应组分。类似于照明装置110，装置810可在表面822上提供实质上白色的光照明，而在用户820直接观看装置810时提供着色的外观。另外，用户有利地在装置810的发射区域中看到具有3维外观的一个或多个带，这些带可起始于堆叠内的层中的任何一个、或一些、或所有层。
转向图9，在该图中我们看到照明装置910的示意图，照明装置910包括光导912和设置成将光注入到光导的不同(例如，正交的)侧表面中的光源914a、914b。光导912具有一对对置的主表面912a、912b。在装置910中，每个主表面均具有其自己的衍射表面特征：表面912a具有衍射表面特征913a，并且表面912b具有衍射表面特征913b。衍射表面特征在图中仅示意性地表示，但指示：特征913a大致平行于一个平面内轴线(例如，y轴)延伸，并且特征913b大致平行于正交的平面内轴线(例如，x轴)延伸。光源同样被定位并配置成大致沿正交的平面内方向将光注入，其中源914a被设置成大致沿x轴将光注入，并且源914b被设置成大致沿y轴将光注入。在此使用术语“大致”是因为光源无需(并在大多数情况下优选无需)准直，但在x-y平面中以一个角度分布来发射光。另外，虽然源914a、914b各自被示出为离散点源(诸如单个LED发射器)，但另选地它们各自可为此类离散源沿光导的相应侧表面延伸的线性阵列、或线性或条形扩展源。然而，来自源914a的光主要沿平面内x轴传播，以使得其与衍射表面特征913a强烈地交互作用并与衍射表面特征913b较弱地交互作用，并且来自源914b的光主要沿平面内y轴传播，以使得其与特征913a较弱地交互作用并与特征913b强烈地交互作用。
如果需要，使用几何形状或方向性实现的光源到光导上的不同相应衍射表面特征的这种选择性耦合可用于解决颜色分离问题。例如，光源在它们的发射光谱内可以是实质上互补的，例如，源914a可发射蓝光，并且源914b可发射黄光，在这种情况下，衍射表面特征913a可被配置成沿给定方向诸如照明装置910的光轴(例如，正z轴)来提取蓝光，而衍射表面特征913b可被配置成沿相同方向来提取黄光，以便沿该光轴提供实质上白光照明。蓝光或黄光与相反颜色的衍射表面特征(光提取光栅)之间存在极少交互作用，因为如上所解释的，用于蓝光提取的沟槽大致沿黄光的光路延伸，用于黄光提取的沟槽大致沿蓝光的光路延伸。因此，在同一个光导中，独立引导并提取不同颜色的光束。所耦合出的蓝光和黄光的组合视觉效果使观察者或用户感觉到白光。然而，在这个实例中，白光的显色指数(CRI)可为相对低的，因为光导912仅组合了两种颜色。
图9所示的方法可扩展到许多其它实施例，包括使用其它颜色的光源的实施例，这些其它颜色包括不同的互补颜色、和不互补的颜色的组合，另外包括可为相同的颜色(例如，对于两个源914a和914b是发绿色的光，或对于两个源是发红色的光)。另外，照明装置诸如装置910可与具有类似或不同设计(例如，呈堆叠布置，如结合图8所述)的其它照明装置组合。在这种情况下，可将每个光导配置成发射两种不同颜色的组合，并且如果需要，可对从该堆叠共同发射出的这些颜色进行选择以产生具有更高CRI的白光。
可用于解决颜色分离问题的另一种方法是图10和图11中大致所示方法。这些图中，示出光导1012、1112，其中给定的主表面上的衍射表面特征包括具有不同间距的表面特征组或分组。多个不同间距一般可被用来提供从光导提取的光的各种波长的期望分布，假设具有此类波长的光由一个或多个光源(未示出)注入到光导中。
如在其它地方所提及，本文所公开的光导可具有多种不同的构造，包括一体构造、或分层构造，在分层构造中，两个或更多个部件彼此附接而无显著的居间气隙。就这一点而言，光导1012、1112被示出为具有分层构造，但如果需要，它们可容易地被修改成具有一体构造。相反地，在其它图中示出为一体的光导可容易地被修改成具有分层构造。参考图10，光导1012包括相对厚的板或其它基底1011a，由载体膜1011b制成的膜附接到该板或其它基底1011a，棱镜层1011c已在该膜上进行浇铸并固化。基底1011a、载体膜1011b和棱镜层1011c优选具有相同或类似的折射率，并且优选全部对可见光而言是高度透射的，具有极少或无散射或吸收，但在一些情况下，受控量的吸收和/或散射可为可接受的、或甚至是所需的。参考图11，光导1112可具有与光导1012类似的构造，并且因此可包括相对厚的板或其它基底1111a，由载体膜1111b制成的膜附接到该板或其它基底1111a，棱镜层1111c已在该膜上进行浇铸并固化。
可通过任何合适的技术来完成棱镜的或表面结构化的膜到板或其它基底的用以提供分层光导的附接。例如，附接可使用合适的粘合剂(诸如透光的压敏粘合剂)来实现。附接还可使用注塑工艺(包括插入注塑工艺)来实现。化学键也可用于附接，例如，当将可固化的树脂浇铸并固化在诸如载体膜的合适基底上时。另选地，在一体构造情况下，衍射表面特征可例如通过压印或模塑(包括例如注塑工艺)而形成在诸如膜或板的一体基底的至少一个表面上。压塑、挤出复制和直接切割是可用于形成衍射表面特征的另外的技术。无论衍射结构是否是在膜、板或其它基底的表面上形成的，衍射表面特征都可使用现在已知或以后发展的任何合适技术来制造。可用于制造合适的衍射表面特征的另外的方法在以下文献中的一个或多个中进行讨论：WO 2011/088161(沃克(Wolk)等人)；US2012/0098421(汤普森(Thompson))；和US 2012/0099323(汤普森)。
光导1012、1112具有：相应的第一主表面1012a、1112a；和与第一主表面对置的相应的第二主表面1012b、1112b；及侧表面(未示出)。类似于本文所描述的其它光导，第一主表面1012a、1112a被配置成分别具有衍射表面特征1013、1113。表面特征可被称为沟槽或棱镜。沟槽/棱镜被示出为在横截面中具有不对称的90度锯齿轮廓，但根据需要也可以使用其它轮廓，包括其它不对称轮廓和对称(例如，V形)轮廓。在平面图中，沟槽/棱镜可沿循直的、弯曲的或这两种(例如，在一些地方是直的而在其它地方是弯曲的)路径。显著地，衍射表面特征1013、1113被布置成多个组或分组，任何给定分组中的棱镜或沟槽都具有均匀的间距，但相邻分组具有不同的间距。在一些情况下，分组可被布置成在光导的表面上重复的图案，最小重复组的分组在此被称为分组的“集合”。例如，光导1012(图10)具有衍射表面特征1013，这些衍射表面特征1013被分成沟槽或棱镜分组1030、1031和1032，这些分组是按照重复序列布置的，从而限定集合1040。分组1030、1031、1032中的每一个中的棱镜或沟槽都具有均匀的间距，但分组1030中的间距小于分组1031中的间距，分组1031中的间距继而小于分组1032中的间距。光导1112(图11)具有衍射表面特征1113，这些衍射表面特征1113被分成沟槽或棱镜分组1130、1131、1132、1133、1134、和1135。这些分组也可按照重复序列布置，以便限定集合1140。分组1130、1131、1132、1133、1134和1135中的每一个中的棱镜或沟槽都具有均匀的间距，但该间距随着其从分组1130向分组1135移动而逐渐变得更大。需注意，尽管图10和图11所示的各种分组中使用了不同间距，但优选地，这些间距中的每一个都在适于通过衍射原理来将一些可见导模光从光导中耦合出来的范围中。
当在平面图中看光导时，分组的宽度(平面内横向维度)和分组的集合的宽度可足够小，使得普通观察者在视觉上感知不到它们。另选地，分组的宽度和/或分组的集合的宽度可足够大，使得它们可作为标记或美观图案而被普通观察者感知到。
多间距式提取设计，诸如图10和图11中所描绘的那些，可用于进行颜色混合。一般来讲，可使用至少两个不同的分组(通过两个不同的间距来表征)，但是在许多情况下，期望至少三个不同的分组(通过三个不同的间距p1、p2、p3来表征)。对间距维度的选择是随着光导的折射率(n)而变化，并且随着我们期望从具有给定分组的光导提取的光的波长(λ)而变化。在示例性情况下，我们可选择p1＝λ1/n，其中λ1是在从400到600nm的范围内，并且p2＝λ2/n，其中λ2是在从500到700nm的范围内，并且p3＝λ3/n，其中λ3是在从600到900nm的范围内。在由丙烯酸类树脂(n≈1.49)或类似材料制成的光导的情况下，这些条件对应于在从约268到403nm的范围内的间距p1、在从约336到370nm的范围内的间距p2、和在从约403到604nm的范围内的间距p3。在光导内传播的多色光诸如白光与多个间距分组相交，使得不同颜色的光针对每个给定分组以不同的角度衍射(从波导耦合出或提取)，对于不同的分组，针对任何给定颜色的提取角度也是不同的。因此，可将各种颜色的光混合或组合，以便为在距光导一个合适距离处的用户或设置在该处的对象提供具有实质的颜色均匀度的照明，例如，实质上白色的光。
在示例性实施例中，照明装置可利用具有不同光谱输出的多个光源，并且可以使用控制器来独立控制不同光源，以便主动或动态地控制照明装置所发射的光的感知颜色。这种主动控制可用于调节或以其它方式改变输出光的色温、相关色温和/或显色指数(CRI)。出于这个目的，发射红色、绿色和蓝色的LED(RGB)与发射红色、绿色、蓝色和白色的LED(RGBW)的结合或组合具有特定益处。另外，包含有多间距式提取设计的光导同样具有特定益处。优选地，多间距式设计针对每个窄带发射光源包含给定间距的至少一个衍射特征分组，例如，间距针对红光进行调控的一个或多个分组、间距针对绿光进行调控的一个或多个分组、间距针对蓝光进行调控的一个或多个分组、等等。需注意，单独的窄带颜色并不限于红色、绿色和蓝色，并且发射其它非白色(诸如黄色或琥珀色)的光源也可用于扩展本发明所公开的照明装置的色域。
多间距式光栅设计及本发明所公开的其它衍射表面特征设计的相关设计参数是有效提取效率。提取效率以上已讨论，在此将不再重复。“有效”提取效率是在单个交互作用时从指定的主表面(612a或612b)提取的指定光的量除以紧接在与提取表面的交互作用之前在光导内传播的这种指定光的量的百分比。可对给定间距的衍射表面特征(沟槽或棱镜)的有效提取效率进行评估并将其与其它间距的有效提取效率进行比较。一般来讲，在给定系统参数的情况下，给定间距的有效提取效率：是具有该间距的衍射特征的平面图区域覆盖范围(例如，对于图10中的最小间距，表面上的三个分组1030的平面图区域的总和)的线性函数(即，与该平面图区域覆盖范围成正比)；并且还取决于其它因素，包括衍射特征间距和衍射特征(沟槽/棱镜)横截面轮廓形状。为了获得实质的颜色均匀度，期望确保针对不同间距的有效提取效率可彼此相当，例如，任何两个不同间距的有效提取效率的比率优选处于从约0.3到3的范围内。
当我们结合图4、图5和图5a来看时，用于将光注入到具有单间距式线性衍射光栅的光导中的单色朗伯光源使得产生所耦合出的光的月牙形的分布，其以相对狭窄的光提取角来表征。如果期望所耦合出的光的角度更进一步变窄，那么可将光源重新配置成具有合适的透镜、反射镜或其它部件，以便发射准直的或几乎准直的光而非朗伯光。相反，如果期望所耦合出的光的角度变宽，那么可将光源重新配置成在比朗伯分布更广的角度范围内发射光。微结构化的光学膜可与光源诸如LED或激光器组合以调控注入到光导中的光的角展度(angular spread)，从而还影响所耦合出的光的角展度。合适微结构化的光学膜在PCT专利公布WO 2012/075352(汤普森等人)和WO 2012/075384(汤普森等人)中进行描述。可被称为均匀卷带的这些光学膜直接被施加到光导的边缘或侧表面，并且包括朝外面向光源以增强光到光导中的耦合的折射结构。另选地，折射结构可例如通过注塑、压印或直接机加工而直接结合到光导的侧表面或注入边缘中。当设置在LED源和光导的侧表面之间时，这些光学膜或折射结构可使注入到光导中的光的角展度加宽，并且可与本文所公开的任一实施例中的光源中的一个、一些或所有一起使用。带有定制设计的复制型结构的光学膜还可与内聚性激光器一起使用，以提供用于注入到光导中的光的明确限定的矩形角度分布(即，在角的指定锥上具有近似恒定强度并在指定锥外具有零或接近零的强度的光分布)。
所耦合出的光的角展度还可通过适当选择衍射特征分组的物理宽度(平面内横向维度)进行调控，其中物理宽度正交于棱镜/沟槽的延长方向进行测量。每个分组的物理宽度影响与该分组相交的所有颜色的光，并且整个所提取的光是所有分组的平均效应。小的物理宽度趋于使所耦合出的光的角宽度加宽，而大的物理宽度趋于使所耦合出的光的角宽度变窄。然而，可通过物理宽度调节而实现的角度加宽或变窄的量在一定程度上是有限的，因为太小的物理宽度可能引起过量的光分散，以使得衍射表面特征产生高度的失真或散射，并且以使得光导看上去像是漫射的而非衍射的。
用于产生更有角度地分散(为了远侧表面处的更好的空间均匀度)的照明的另一种技术是使用沿不同的平面内方向(例如，对应于图5的锥光图中的不同方位角)取向的衍射表面特征的图案。不同地取向的衍射特征优选还与大致沿不同的平面内方向发射光的对应光源组合，这些平面内方向随着对应的衍射特征进行调控以获得最大提取效率。各种取向的衍射特征与各种取向的光源的组合可产生以多种方位角的方向发射的所耦合出的光，从而导致照明更有角度地分散并且在空间上更均匀。在示例性实施例中，可以使用至少三个不同的衍射特征取向，其对应于由120度的方位角彼此分开的平面内轴线。
不同取向的衍射表面特征还可通过使用连续弯曲的沟槽或棱镜来实现，例如，具有圆形、卵形或椭圆形形状(在平面图中)、或此类形状的部分(例如，弧形，包括一系列互连的弧，诸如正弦的或以其它方式成波状的形状)的沟槽或棱镜。就此而言，被描述为具有线性衍射表面特征的本文所公开的实施例可另选地采用弯曲的衍射特征。我们已经发现，弯曲的衍射表面特征在与离散光源和/或不均一反射结构组合时可用于产生呈亮带或暗带的形式的视觉特征。诸如以上所述的带在大多数扩展源应用中是高度不可取的，但是在这种情况下，它们被利用来提供具有美观的3维外观的照明装置。现将以图12a开始来进一步讨论这些带的外观和行为。
图12a示意性地示出包括光导1212和离散光源1214(诸如LED)的照明装置1210的前视图或平面图。为了简化解释，假设光导1212大致平行于x-y平面定位，但是一般来讲，光导无需如在本文其它地方所解释的那样是平坦的或平面的。另外，一般来讲，该图仅示出光导1212的一部分，以使得光导1212的外边界或边缘可具有任何期望的形状。然而，示出了一个边缘或侧表面1212c，并且假设光源1214靠近表面1212c定位，使得可将来自光源的光注入到光导中。光源1214优选在x-y平面中不是准直的、而是叉开的，使得其在某个角度或方向的范围内发射光。就此而言，平面内朗伯发射分布1214a叠加在该图上，朗伯分布是发散光源的代表性实例。分布1214a可以两种方式中任一种进行解释，这取决于光源的设计细节：它可表示用于发散光到空气或真空中(即，在不存在光导1212的情况下)的光源1214的强度分布，或它可表示用于实际上注入到光导1212中并在其内传播的光的光源1214的强度分布。读者应当理解，一般来讲，空气中的强度分布和光导中的强度分布是不同的，但由于发生在侧表面1212c处的折射所造成的转变(涉及传播方向的改变)而彼此相关。
光导1212包括在光导的一个或两个主表面上的衍射表面特征1213，这些衍射表面特征被配置成从光导中提取出导模光，如以上所解释的。衍射特征1213可与本文所讨论的其它衍射表面特征相同或类似，但出于本实施例目的，我们假设衍射特征被调控成在平面图中是弯曲的，如图所示。为简单起见，我们还假设每个单独的衍射特征1213具有恒定的曲率，至少在图12a所示的光导的一部分上如此，并且假想的基准线1207将每个衍射特征1213的曲率中心与光源1214连接。与该描述一致的是，衍射特征1213可全部为同心的，在这种情况下，这些特征的曲率随其沿线1207朝向光源1214前进而单调递减(曲率半径单调递增)，或衍射特征1213可具有相同的形状，在这种情况下，这些特征的曲率(和曲率半径)随其沿线1207朝向光源1214前进而保持恒定。在替代的实施例中，每个单独的衍射特征1213无需具有精确恒定的曲率，诸如在衍射特征1213是连续螺旋形沟槽或棱镜的一部分的情况下。
当光源1214通电时，光被耦合到光导1212中，并在光导内向平面内或平面外、在一个角度或方向的范围内作为导模光来传播。导模光中的一些通过衍射表面特征1213在光导上的任何给定位置处进行提取。然而，当从图12a的视角(即，沿正交于光导的平面的察看轴线)来察看时，与光源1214相关联的所耦合出的光在与基准线1207重合的相对直的、狭窄的带1209a中进行最强烈地提取。光导1212的其余部分具有相对较暗的外观，相对较暗的外观由图12a中的阴影指示。因此，带1209a具有在暗背景上的亮带的外观。带1209a的相对狭窄的宽度不是光源1214的任何准直的结果，因为光源是发散的，从而在相对广阔的平面内角度或方向的范围内发射光。来自光源1214的导模光并未在光导的平面内被限制于对应于带1209a的区域，而是延伸超过这个区域。
如果我们现在在相同条件下观察同一个照明装置1210，不同的是，我们改变察看几何形状，以使得我们相对于x-y-z坐标系(我们假设该坐标系相对于光导1212而言是固定的)沿不同的观察方向或轴线来观察照明装置1210，那么亮带看起来像如图12b示意性地示出的那样发生偏移。具体地，最初在图12a中被看作与基准线1207重合的带1209a的亮带针对斜角察看几何形状改变其形状，以产生弓形或弯曲的带1209b，该带偏离基准线1207，如图所示。带1209b同样具有比光导的其余部分更亮的外观，相对较暗的区域由图12b中的阴影指示。
在图12c中，我们示意性地示出了一些几何关系，这些几何关系可用于解释与离散光源相关联的亮带的观察到的特性，如图12a和图12b所描绘的。因此，我们示出遇到(与之相交)三个衍射表面特征1213a、1213b、1213c的导模光线1201的前视图或平面图。为了进行示意性的说明，我们假设表面特征是同心圆弧，并且光线1201与这些弧以如相对于径向方向在相应的相交点处所测量的不同的入射角相交。相应的径向方向针对第一相交点被标记为N1，针对第二相交点被标记为N2，并且针对第三相交点被标记为N3。在处于每个相交点对面的图12c的左侧，矢量V被示出为表示光线1201传播方向。另外，对于每个相交点，矢量V被分解成平行于径向方向的分量(V1a、V1b、V1c)和垂直于径向方向(平行于切向方向)的分量(V2a、V2b、V2c)。
对于导模光线1201与衍射表面特征的任何给定的交互作用，在该相交点处从光导提取的光的量将取决于多种因素，包括但不限于：沟槽或棱镜的间距；沟槽或棱镜的横截面轮廓；光的波长；光线的平面内取向，如以光线的方向矢量V沿局部径向或切向方向的分解所表达的；和光线的平面外取向。在每个相交点处，通常提取光中的至少一些，但所提取的光的量及其随着极角和方位角而变化的方向分布在很大程度上可取决于列出的因素。随着方向矢量V和径向方向之间的角度增加，所提取的光的量倾向于减少，因为方向矢量相切于衍射表面特征的分量不与衍射表面特征相交。
提供图12d用于参考目的，以便示出观察者1220在笛卡尔坐标系和极坐标系中沿特定观察方向或矢量来观看照明装置，诸如装置1210。假设照明装置的光导或其一部分位于x-y平面中。可以极角θ和方位角来指定观察或察看方向(矢量)。为了供观察者1220观察越过光导延伸的亮带，光导的对应于亮带的区域必须具有所发射的或耦合出的光的角度分布，该角度分布就特定(θ、)察看方向而言要比针对光导的其它区域耦合出的光的角度分布实质上更密集。然后，如果观察者通过移动到不同察看方向(θ、)来改变察看几何形状，那么亮带在位置和形状方面发生偏移，条件是光导的对应于所偏移的带的不同区域在新的(θ、)察看方向上具有比光导其它区域实质上更密集的耦合出的光的角度分布。针对任何给定的察看方向，带的外观是由所耦合出的光在光导的整个扩展输出区域上的每个点处的角度分布来确定。针对弯曲的衍射表面特征观察到的带的形状改变(比较带1209a、1209b)可与结合图5中所描绘的月牙形分布特性结合图12c进行讨论的几何因数相关。
我们已经发现，本发明所公开的光导和衍射表面特征可用于不仅产生形状随着察看几何形状而改变的亮带，而且产生以相同或类似方式改变形状的暗带。这种暗带在图13a和图13b中进行描绘。一种生成暗带的尤其有用的方式是使用设置在光导的一个或多个侧表面处的不均一反射结构。
因此，在图13中，我们看到包括光导1312和衍射表面特征1313的照明装置1310，衍射表面特征1313在平面图中是弯曲的。为了便于解释和简洁，我们假设光导1312和衍射特征1313分别与图12a的光导1212和衍射特征1213相同或类似。还提供一个或多个光源用于将光注入到光导1312中，但图13a中未示出此类光源，此类光源在设计上可以是小的和离散的或可以不是小的和离散的。相反，该图示出设置成临近光导1312的一个边缘或侧表面1312c的不均一反射结构。不均一反射结构是(或包括)扩展反射器1304和离散区域或光点1303的组合，所述离散区域或光点具有比相邻的扩展反射器1304更低的反射率。
反射器1304沿侧表面1312c的大部分延伸并沿此大部分提供相对高的反射率，该反射率可为镜面的或漫射的。离散光点1303较小，并且在侧表面1312c处更局部化。反射器1304优选在一些或所有可见光谱范围内具有至少50％、60％、70％、80％或90％的反射率。用作反射器1304的示例性材料包括诸如铝或银的金属、或利用交替的有机或无机材料层的薄膜堆叠的多层光学膜，例如，3MTM VikuitiTM增强镜面反射器膜(ESR)。反射器1304可为薄的柔性膜或块状对象的形式，并且可由薄的气隙与侧表面1312c间隔开，或直接施加到侧表面1312c而没有气隙。
离散光点1303在相对小的局部区域中干扰反射器1304所提供的高反射率。可将光点1303设置在反射器1304中的间隙或孔隙处，如图所示，或如果反射器在结构上是连续的，那么可将光点1303设置在反射器和侧表面之间。离散光点1303优选在一些或所有可见光谱范围内具有实质上小于反射器1304的反射率的反射率，例如，比反射器小至少20％、30％、40％或50％或更多。优选地，离散光点1303在一些或所有可见光谱范围内具有小于50％、40％、30％、20％、或10％的反射率。离散光点1303可为或可包括任何合适的吸收性材料，例如，黑色涂料或任何其它合适的光吸收材料。我们还已发现，离散光点1303可为未通电的LED光源，即，LED光源是“关闭”的。离散光点1303可以是薄的柔性膜或块状对象的形式，并且可由薄的气隙与侧表面1312c间隔开，或直接施加到侧表面1312c而没有气隙。在一些情况下，离散光点1303可完全省略，例如，在反射器1304中设置有间隙、孔或类似间断的情况下。
图13a是照明装置1310的在将光注入到光导1312中的光源(未示出)通电或照明时的示意性前视图或平面图。来自此类源的导模光在光导1312内传播，并且该光中的一些到达侧表面1312c并由反射器1304反射回到光导中。但相比之下，在离散光点1303处反射极少或不反射这种光。在光点1303处反射减弱的结果是源于光点1303并与该光点相关联的来自光导的光提取减少的区域。光提取减少的区域被感知为带1309a，带1309a相对于光导的周围区域更暗，这种更暗的外观由图13a中的阴影指示。当从图13a的视角(即，沿正交于光导的平面的察看轴线)来察看时，暗带1309a是相对直的和狭窄的，并且与基准线1307重合，基准线1307与图12a中的基准线1207相同或类似。光导1312的其余部分具有相对更亮的外观。
如果我们现在在相同条件下观察同一个照明装置1310，不同的是，我们改变察看几何形状，以使得我们相对于x-y-z坐标系(我们假设该坐标系相对于光导1312而言是固定的)沿不同的观察方向或轴线来观察照明装置1310，那么暗带看起来像如图13b示意性地示出的那样偏移。具体地，最初在图13a中被看作与基准线1307重合的带1309a的暗带针对斜角察看几何形状改变其形状，以产生弓形或弯曲的带1309b，该带偏离基准线1307，如图所示。带1309b同样具有比光导的其余部分更暗的外观，相对较暗的区域由图13b中的阴影指示。
我们已经描述了图12a-图12b中的具有可变形状的亮带和图13a-图13b中的具有可变形状的暗带。在一些情况下，亮带和暗带可在同一个照明装置和光导中结合使用。例如，多个离散光源(诸如LED)可沿光导的外周边设置在不同点处，并且反射结构(诸如金属环或夹持器)可用于双重目的：将光源保持在光导的侧表面处的适当位置，并沿侧表面的大部分提供高反射率表面。通过使得光源中的一些光源通电而其它光源不通电，针对通电的光源中的每一个可产生亮带，并且针对未通电的光源中的每一个可产生暗带。另选地，吸收性材料可取代未通电的光源中的一个或多个。
在其它替代的实施例中，不均一反射结构可以用于生成亮带。这可通过逆转用于生成暗带的扩展反射器和离散的吸收性光点的特性来实现。因此，例如，参考图13a，可将离散光点1303修改成具有高反射率，如结合反射器1304所述，并且可将扩展反射器1304修改成具有低反射率，如结合离散光点1303所述。高反射率和低反射率的这种逆转导致带1309a(和图13b中的带1309b)比光导的周围区域相对更亮，而不是相对更暗。
图14示出可被用作本文所公开的照明装置中的部件的示例性光导1412。光导1412具有对置的主表面和侧表面1412c，该侧表面1412c围绕呈狭窄圆环形式的光导的周边连续延伸。衍射表面特征1413设置在主表面中的一个上。在该实施例中，衍射特征1413形成实质上填充光导的一个主表面的紧密缠绕的螺旋。因此，衍射特征1413在平面图中实质上在它们整个长度上都是弯曲的，并且曲率随着距光导1412和衍射特征1413的几何中心的径向距离的变化而单调地改变，该中心在图14中被标记为“C”。光导1412和衍射表面特征1413的一部分在图14a中以示意性放大图示出。衍射特征的间距(相邻沟槽或棱镜之间的径向距离)可为均匀的或不均匀的，如在本文其它地方所讨论的。在替代的实施例中，紧密缠绕的螺旋可用同心圆或其它类似形状来替代。在其它替代的实施例中，可将光导1412的圆形形状和衍射表面特征1413的实质上圆形的形状改变成其它弯曲形状，诸如椭圆形或卵形。此外，衍射表面特征可另选地设置在光导1412的两个主表面上，或仅在一个或两个主表面的一部分上。
光导1412可以适当地被设定尺寸并与合适的离散光源组合以形成可用于办公室、家庭等中的一般照明目的的照明设备或类似照明装置。这种装置在图15a中示意性地示出。在该图中，照明装置1510包括具有对置的主表面和连续弯曲的侧表面1512c的光导1512。衍射表面特征(未示出)设置在光导1512的主表面中的一个上。出于该讨论的目的，我们假定衍射表面特征和光导与图14和图14a的衍射特征和光导是实质上相同的。因此，衍射表面特征形成以光导的几何中心“C”为中心的螺旋，并且向外前进至侧表面1512c。
八个离散光源1514、1515、1516、1517、1518、1519、1520、和1521沿圆形侧表面1512c以如从中心C所测量的45度间隔相等地分布。可为LED的八个光源中的每一个均通电并且具有发散的光输出，如上结合图12a所讨论的。与该讨论一致的是，来自各个光源的导模光与弯曲的衍射表面特征相交以产生从图15a的察看视角看到的亮带。因此，源1514产生带1524a，源1515产生带1525a，源1516产生带1526a，源1517产生带1527a，源1518产生带1528a，源1519产生带1529a，源1520产生带1530a，并且源1521产生带1531a。图15a的察看视角是沿垂直于光导1512的平面的察看轴线。就此而言，假设笛卡尔x-y-z坐标系相对于光导1512是固定的，其中光导1512位于x-y平面中或平行于该平面。图15a的察看轴线则平行于z轴。在这个察看几何形状的情况下，带1524a至1531a中的每一个均具有直线段的形状，它们全部从中心点C向外辐射并且每个都在其相应光源处终止。
在图15b中，相同的照明装置1510是从不同的察看几何形状来看的。在该图中，已经对具有与图15a相同的参考标记的元件进行了描述，并且无需进一步讨论。图15b的察看几何形状与图15a的察看几何形状的不同之处在于围绕y轴进行的旋转，以使得在图15b中，光源1518现在被设置成比光源1514更靠近观察者。因此，图15b的察看轴线仍然垂直于y轴，但相对于z轴成约45度的角度。为方便起见，我们可参考x-z平面作为观察平面，因为它包括用于光导1512的察看轴线和表面法线矢量。
图15b与图15a的比较揭示出一些亮带具有改变的形状。然而在图15a中，所有八个带都具有直线段的形状，在图15b中，仅两个带，即带1524b和1528b具有这种形状。需注意，这两个带的端点(即，用于带1524b的源1514和中心点C及用于带1528b的源1518和中心点C)沿平行于观察平面的线定位。剩余的带1525b、1526b、1527b、1529b、1530b、和1531b的端点沿不平行于观察平面但以非零角度与该平面相交的线定位，并且从图15b的视点来看这些带将不再看起来像直的而是弯曲的。图15b中示出的八个带形成图案，该图案由于各种带的相对形状、位置和曲率而具有3维外观。
在图15c中，相同的照明装置1510是从又一个察看几何形状来看的。在该图中，已经对具有与图15a和图15b相同的参考标记的元件进行了描述，并且无需进一步讨论。图15c的察看几何形状与图15b的察看几何形状的不同之处在于围绕y轴进行的另外的旋转，以使得在图15c中，光源1518同样被设置成比光源1514更靠近观察者。因此，图15c的察看轴线仍然垂直于y轴，但相对于z轴成约60度的角度。因此，图15c的观察几何形状的观察平面仍然是x-z平面。
图15c与图15b的比较揭示出一些亮带同样具有改变的形状。在图15b中具有直线段形状的两个带(参见带1524b、1528b)在图15c中仍然具有这种形状(参见带1524c、1528c)。同样，这两个带的端点(即，用于带1524c的源1514和中心点C及用于带1528c的源1518和中心点C)沿平行于观察平面的线定位。剩余的带1525c、1526c、1527c、1529c、1530c、和1531c的端点沿不平行于观察平面但以非零角度与该平面相交的线定位，并且这些带在图15c中具有的曲率大于它们在图15b中的相应曲率。图15c中所示的八个带继续形成图案，该图案由于各种带的相对形状、位置和曲率而具有3维外观。
各种特征和修改可结合到照明装置1510中。例如，可使用多于或少于八个(包括仅一个)光源，并且如果使用多于两个光源，那么它们无需(但可以)围绕光导的周边相等地间隔开。光源也无需(但可以)成对地布置在中心点C的对置侧上。如果使用多个光源，那么它们全部可具有标称地相同的设计，例如，标称地相同的输出光谱(颜色)、输出功率和物理维度。另选地，多个光源中的两个或更多个在设计上可实质上不同，例如，它们可以具有不同输出光谱(例如，一个可发射出红光，另一个则可发射出绿光，另一个则可发射出蓝光，另一个则可发射出白光等等)、或不同输出功率。在其它实施例中，光源中的一个或多个可用吸收性材料来替代，并且扩展反射器可沿侧表面1512c设置，使得相关联的亮带被暗带替代。
现在转向图16，该图示出可如何沿光导的弯曲侧表面安装离散光源(诸如图15a-图15c的那些)的示例性布置。照明装置1610包括：光导1612；设置成将光注入到光导1612的弯曲侧表面中的离散光源1614a、1614b；和诸如安装环的支撑结构1602。衍射表面特征(在此未示出但在本文其它地方进行描述)设置在光导1612的主表面上，以便将导模光从光导中提取出来。光源1614a、1614b可为或可包括LED或类似的小区域光源。光源安装在支撑结构1602的孔隙或狭槽中。如果需要，支撑结构1602可由金属或由其它反射材料制成，以沿光导1612的侧表面提供扩展反射器。另选地，薄的反射膜1604可插入在支撑结构与侧表面之间。在其它实施例中，支撑结构1602可由吸收性(或其它低反射率)材料制成，和/或可将膜1604制造成吸收性的或具有低反射率。无需在光导的侧表面处安装光源来提供导模光。例如，光源可通过光导的主表面的外部(例如，环形)部分而非通过侧表面来注入光，并且该侧表面在这种情况下可成斜面或成角度(例如，成45度)，使得通过主表面进入的来自光源的光向一侧反射，以提供导模光。
图17描绘可在本发明所公开的光源中使用的另一个光导1712。假设光导1712是平坦的，位于x-y平面中，带有扇形或饼片形的对置的主表面。邻接该主表面的是侧表面1712c1、1712c2、1712c3。侧表面1712c1是弯曲的，例如就像圆形的弧，并且侧表面1712c2和1712c3是平坦的。侧表面1712c2、1712c3在中心点C处相交，该中心点C可以是弯曲的侧表面1712c1的曲率中心。衍射表面特征1713设置在光导1712的一个或两个主表面上。衍射特征1713并非是同心的，而是被假设为全部具有相同的曲率，该曲率可等于弯曲的侧表面1712c1的曲率。此外，衍射表面特征1713被布置成具有不同间距的分组。这些包括：分组a1和a2，它们具有被配置成以预先确定的角度(例如，正交于光导的表面)来提取红色导模光的间距；分组b1和b2，它们具有被配置成以相同或不同的预先确定的角度来提取绿色导模光的间距；及分组c1和c2，它们具有被配置成以相同或不同的预先确定的角度来提取蓝色导模光的间距。因此，这些分组被布置成两个分组集合。
读者将会知道，可根据本文其它教导内容来对光导1712做出许多修改。例如，针对衍射表面特征可使用其它间距配置，包括整个光导上的恒定间距、及其它数量的分组类型和/或其它数量的分组集合。另外，衍射表面特征1713可全部制成是同心的，例如，具有位于中心点C处的曲率中心，而非恒定曲率。
光导诸如图17的光导适用于与具有相同或类似设计的光导组合在一起，以提供具有甚至更大的扩展发射区域的照明装置。在图18中，这种照明装置被示出为照明装置1810。装置1810包括扇形或饼形的光导1812，这些光导1812可以交替的拼接布置彼此附连，如图所示，因此所得的一组光导沿y方向延伸。在这种布置中，相邻光导1812的直的侧表面(参见例如图17中的表面1712c2、1712c3)彼此附连。各种光导1812可全部具有相同的标称设计特征，例如，衍射表面特征的相同间距配置，或可替代地使用具有不同设计的光导。一个、一些或所有光导1812可与图17的光导1712相同或类似。
装置1810还包括多个离散光源1814，这些离散光源1814沿光导1812的弯曲的侧表面分布以便将光注入到其中。优选地，一个、一些或所有光源1814与它们的相应光导上的衍射表面特征相交以产生形状随着视角变化而改变的带。光源1814可全部具有标称地相同的设计，例如，标称地相同的输出光谱(颜色)、输出功率和物理维度。另选地，多个光源中的两个或更多个在设计上可实质上不同，例如，它们可具有不同的输出光谱(例如，一个可发射红光，另一个可发射绿光，另一个可发射蓝光，另一个可发射白光等等)、或不同的输出功率。如果针对每个光导1812使用三个不同分组类型的衍射表面特征，例如，如图17所示的红色、绿色和蓝色分组类型，那么用于每个光导1812的光源1814可基本上包括一个或多个红色光源、一个或多个绿色光源及一个或多个蓝色光源或由它们组成。在其它实施例中，光源1814中的一个或多个可用吸收性材料来替代，并且扩展反射器可沿侧表面1512c设置，使得相关联的亮带由暗带替代。
实例1
制造一个适合用作照明设备的照明装置并对其进行评估。该装置在设计上类似图14、图15a和图16的装置。该装置包含带有呈螺旋图案的衍射表面特征的圆形光导，这些衍射表面特征被布置成具有不同沟槽或棱镜间距的六个分组类型的重复图案。安装环被用于使得三十六个相等间隔开的LED围绕光导的弯曲的侧表面定位。现将给出另外的构造细节。
使用精密金刚石车削机来将螺旋形沟槽图案切割到圆柱形工具的铜表面中，该螺旋形沟槽图案在复制之后变为照明装置中的衍射表面特征。金刚石成形为使得沟槽在横截面上具有类似于图6的锯齿(不对称的)轮廓，其中高度与间距比(参见图6)为约1:1。在切割期间，该螺旋的沟槽间距在六个特定值(315nm、345nm、375nm、410nm、445nm、和485nm)之间循环，以产生形成彼此邻接但彼此不重叠的嵌套式环形区域的沟槽分组。每个环形区域是具有恒定间距的沟槽分组，并且每组六个相邻环形区域形成重复的一组沟槽分组或沟槽分组的集合。螺旋图案具有约8英寸(约20厘米)的最大直径。环形区域的径向维度或宽度被选择为使得所有六个间距值的总面积是相同的。即，整个沟槽状图案的面积为约314cm2(πr2，其中r≈10cm)，并且具有315nm间距的沟槽的总面积为约314/6≈52cm2，并且具有其它五个间距中的每一个的沟槽的总面积也为约52cm2。环形区域是相对狭窄的，如径向地所测量的，最大的这种维度为约150微米。
随后，使用浇铸和固化技术在薄的柔性透光膜中复制所得铜工具的沟槽状表面(参见例如图11中的层1111b和1111c)。这是通过以下方式完成的：利用有机膦酸剥离层来涂覆铜工具的沟槽状表面(本领域的技术人员通常已知)，并且使用具有约5密尔(约125微米)厚度的透明聚对苯二甲酸乙二酯(PET)支撑膜来对带涂层的精密工具浇铸丙烯酸树脂组合物。丙烯酸树脂组合物包括丙烯酸酯单体(可购自科宁化工公司的按重量计75％的PHOTOMER 6210和购自奥德里奇化学公司的按重量计25％的1,6-己二醇二丙烯酸酯)和光引发剂(按重量计1％的Darocur 1173，汽巴特殊化学品公司)。随后，使用紫外光来固化树脂组合物。这形成了微复制型光学膜，该光学膜为约125微米厚并且具有来自精密铜工具的呈螺旋形沟槽图案的负或反转型式(负复制品)的形式的衍射表面特征。PET支撑膜的折射率为约1.49，并且固化的丙烯酸树脂的折射率为约1.5。当以垂直于微复制型光学膜的表面的角度察看时，该光学膜具有带有略微蓝色凋的透明外观。可通过膜以低失真来察看对象。
切除螺旋图案周围的过量材料，使得微复制型膜呈圆形形状。该膜被直接附接到厚度3mm的干净的透光圆形丙烯酸类树脂板的一个主表面，该板还具有约20cm的直径。附接是使用1密尔(约25微米)厚的光学透明的压敏粘合剂(VikuitiTM OCA 8171，来自3M公司)完成的，其中膜的微复制型表面背向该板并暴露于空气，并且在膜和板之间实质上无气隙。板与膜的组合产生在其(仅)一个主表面上具有用于光提取的衍射表面特征的光导，光导具有约20cm的直径和约3mm的厚度。
一串36个标称地相同的LED(产品代码NCSL119T-H1，来自日亚化学公司(Nichia))用于将光注入到光导中，每个LED以发散分布发射白光(“暖白色”)。LED安装在环形框中，使得它们以10度增量围绕光导的圆形侧表面相等地间隔开，每个LED指向光导的中心并与侧表面紧邻地设置，以便将光直接注入到光导中。为了提高效率，将高反射率镜膜(3MTM VikuitiTM ESR)的条层合在每两个相邻LED之间的安装环的内表面上，镜膜条还与光导的圆形侧表面紧邻。
将这样构造的照明装置连接到电源并从房间的顶篷悬挂下来。图19a是照明装置的照片，其中电源是关闭的，并且房间环境光是打开的。该照片的察看方向略微倾斜，即，并不沿其对称轴或光学轴直接位于照明装置下方，而是相对于此轴成适度的角度。需注意，可通过光导以极少或无显著失真地看到顶篷的细节。用于悬挂照明装置并将其连接到电源的线也可通过光导看到。在这种“关闭”状态中，光导具有略微带蓝色的色调，类似于微复制型膜本身的色调。图19b是从与图19a相同的察看方向察看的同一个照明装置的照片，但其中电源(并且因此所有36个LED)是打开的并且房间环境光是关闭的。可在光导的不同区域处看到可变的颜色色调，在图19b的灰度照片中，颜色并不可见。还可在光导的输出区域上方看到亮带，36个通电的光源中的每一个对应于一个带，并且这些带在图19b中清楚地可见。从图19b的察看几何形状看到大多数带为弯曲的，这些带形成具有类似于图15b的3维外观的图案。当以其它察看方向观察时，亮带实质上以类似于图15a至图15c的顺序改变形状，并且可在几乎任何察看方向越过光导看到可变的颜色色调。
图19c为实例1的照明装置的另一张照片，其类似于图19b但是以一定程度地更倾斜的视角来看的。在该照片中，三个小区域或点1910c、1912c、1914c被标识在光导在相邻亮带之间的输出区域上。这些点中的每一个处的颜色以已知的CIE色度(x,y)坐标进行测量。CIE(x,y)颜色坐标(其为无量纲的)不应与例如，如在本文多张图中所示的笛卡尔x-y-z坐标系中的空间(x,y)坐标相混淆。对颜色的测量是使用被配置为色度计的相机来完成的，该色度计型号为PR-650SpectraScanTM，来自加利福尼亚州查茨沃斯市的光学研究公司(Photo Research Inc.,Chatsworth,California)。在视觉上，区域1910c具有暗红颜色，并且被绘制为图19d的CIE颜色坐标标度上的点1910d。区域1912c具有橙色或棕色颜色，并且被绘制为图19d的标度上的点1912d。区域1914c具有蓝色颜色，并且被绘制为图19d的标度上的点1914d。
带有扩展区域光导和衍射表面特征的实例1的照明装置具有以下效果：将当直接用眼睛察看时呈现为非常亮的点源的LED光源转换成具有显著较低辉度的扩展区域源，使得可直接察看照明装置而不会损伤眼睛。衍射表面特征不仅用于从光导中提取出导模光的功能目的，而且用于当直接观察照明装置时通过添加吸引人的颜色和3维带图案来增强照明装置的美观吸引力(例如，如图19b和图19c中那样)。然而，我们已经发现，用户在直接观看照明装置时看到的美观颜色和带无需减损照明装置为远离该照明装置的对象和表面提供实质上均匀的白光照明的能力。
使用图20a所示设置来测试由实例1照明装置产生的远程照明。在这个设置中，项目2010表示从顶篷悬挂的实例1照明装置。照明装置2010具有光轴或对称轴2001，该轴2001穿过盘形光导中心并垂直于光导。在该图中，光轴2001平行于笛卡尔坐标系的z轴。平坦表面2012平行于x-y平面延伸，并且设置在距照明装置20102.3米的距离处，如沿光轴2001所测量的。平坦表面2012被覆盖以白色漫反射膜(产品代码DLR80，来自杜邦公司(E.I.du Pont de Nemours and Company))，该膜对可见光具有98％反射率。随后，将相机2016如图所示那样定位，相对于光轴2001以约30度的角度取向，以便获得如仅仅由实例1照明装置2010照明的白色漫射表面的彩色图像。以上所提及的PR-650相机被用作相机2016。在所照明的平坦表面2012上限定九个小区域或点，并且使用PR-650相机来测量这些小区域中的每一个处的颜色。九个小区域沿x轴相等地间隔开，从与光轴2001对准的第一区域2014a到第九区域2014i，相邻区域(共同地以参考数字2014指代)之间的中心至中心间隔为30厘米。因此，从区域2014a到区域2014i的距离为240cm。在视觉上，所照明的平坦表面2012显现为标称白色的，至少在由区域2014覆盖的区域上方具有良好的空间均匀度。
针对区域2014所测量的CIE颜色坐标在图20b的CIE颜色坐标标度上绘出。所测量的颜色限定曲线2015，曲线2015具有对应于区域2014a处的颜色的端点2015a和对应于区域2014i处的颜色的对置端点2015i。因此，当采样区域(参见区域2014)更远离照明装置2010的光轴2001移动时，相机2016测量红移。然而，红移相对较小，因为曲线2015上的所有测量点均保持靠近普朗克(Planckian)轨迹，普朗克轨迹指示来自实例1照明装置2010的在表面2012上的实质上白色的场照明。
在实例1的照明装置的变型中，将电源与36个白色LED中的所选择的LED断开连接，并且观察该照明装置的外观。对于未通电的LED中的每一个可看到微弱的暗带，该微弱的带具有与在打开LED的情况下将会产生的亮带大致相同的形状。
另外的实例
多个照明装置是以不同于实例1的形状、尺寸、和光源布置制成。这些照明装置是通过获得如实例1中所述微复制型光学膜并将其切割成如图21的平面图中所示的矩形片制成的。矩形片以标签2121、2122、2123、2124、2125、2126、2127、2128、2129来标识，并且被示出为叠加在衍射表面特征的螺旋图案上方。螺旋图案先前已结合实例1进行描述。每个矩形片都具有约6英寸(约150mm)的长平面内维度(长度)和约4英寸(约100mm)的短平面内维度(宽度)。切口相对于螺旋图案近似对称地制成，以使得用于片2121的衍射表面特征与用于片2129的衍射表面特征是实质上相同的，用于片2122的衍射表面特征与用于片2128的衍射表面特征是实质上相同的，用于片2123的衍射表面特征与用于片2127的衍射表面特征是实质上相同的，并且用于片2124的衍射表面特征与用于片2126的衍射表面特征是实质上相同的。此外，用于片2125的衍射表面特征是原始螺旋图案的一部分，其中螺旋图案的中心实质上对应于片2125的几何中心。还应注意，对于片2121、2123、2127、和2129，衍射表面特征占据矩形的大部分区域，但没有衍射表面特征占据矩形的三角形部分，这个部分是平滑的，不具有衍射表面特征。对于片2125，衍射表面特征占据矩形大部分区域，但没有衍射表面特征占据矩形的几何中心中的小圆形部分，这个部分是平滑的，不具有衍射表面特征。
出于以下讨论中的描述目的，我们参考图21所示矩形片的四个边缘，其中顶部边缘的标记是“TE”(从图21的视角)，底部边缘是“BE”，左边缘是“LE”，并且右边缘是“RE”。这些边缘针对矩形片2129在图21中示出，但未针对其它八个矩形片来示出，这仅仅是为了避免图中出现不必要的混乱。
随后，各种光导通过使用光学透明粘合剂来将微复制型光学膜的矩形片中所期望的一个粘附到厚度为3mm的类似尺寸和形状的丙烯酸类树脂板。附接完成，使得膜片的微复制型表面背对该板并暴露于空气，其中膜片和板之间实质上无气隙。板和膜的组合产生在(仅)一个主表面上具有用于光提取的衍射表面特征的光导，光导具有约6英寸和4英寸(约150mm和100mm)的平面内维度和约3mm的厚度。这种光导2212在图22a的照明装置2210中示意性地示出。该视图示出光导2212是由干净的透明板2211a制成的，微复制型光学膜片2211b附接到该透明板。膜片2211b可为图21所示的矩形片2121至2129中的任何一个。光导2212具有包含来自螺旋图案的适当部分的弯曲衍射表面特征的第一主表面2212a。光导2212还具有平滑、未结构化并与第一主表面2212a对置的第二主表面2212b。光导2212还具有对置的侧表面2212c、2212d。光源模块2214被安装成与侧表面2212c相邻，以便将光注入到光导2212中。
在图22a中，假设膜片2211b和光导2212的长轴平行于y轴，以与图21一致。因此，膜片2211b的短轴平行于x轴。光导2212的对称轴或光轴2201平行于z轴，并且穿过矩形膜片2211b的几何中心。图22b中示出照明装置2210的示意性俯视图或平面图。在该图中，可以看到光源模块2214具有与光导2212(和矩形片2211b)的短边实质上相同的长度，并且包括沿x轴相等间隔开的一行单独的离散光源2214a。在实例中，使用了十八个此类光源，这些光源标是标称地相同的LED(产品代码NS2W123BT，来自日亚化学公司(Nichia))，每个LED以发散的分布发射白光。相邻光源的中心至中心间隔为约6mm。在图22b的视图中，还可看到光导2212的另外的侧表面2212e和2212f。光轴2201被设置在光导2212的几何中心处，并且平行于z轴延伸。
在一些实例中，光源模块2214被放置成与光导2212的长边缘相邻，而不是沿短边缘。这种配置在图22c的照明装置2210c中示出。照明装置2210c与照明装置2210是实质上相同的，不同的是，光源模块2214是沿光导2212的长边缘中的一个，诸如侧表面2212f放置的。光源模块2214中的光源的物理长度和数量与照明装置2210中的相同，因此，这一行光源2214仅沿侧表面2212f的一部分延伸。
实例2
如结合图21至图22c所描述那样来制造一个照明装置。该装置使用矩形片2121(参见图21)，并且光源模块2214沿光导的短边(如图22b所示)、沿矩形片2121的TE边缘安装。利用电源将光源通电，并从各种察看几何形状来对照明装置拍摄照片。图23a中示出照明装置在实质上沿光轴2201(参见图22a、图22b)察看时的照片。光源和片2121的TE边缘位于该图左侧。图23b中示出同一个照明装置当在y-z平面中以倾斜角度察看时的照片。光源和片2121的TE边缘位于该图的顶部。图23c中示出同一个照明装置当在x-z平面中以倾斜角度察看时的照片。光源和片2121的TE边缘位于该图的左侧。可在察看几何形状中的每一个中清楚地看到与离散光源相关联的亮带，并且观察到这些带随着察看几何形状而在形状和曲率上发生改变。还可在该光导的不同区域处看到可变的颜色色调，但是在这些图的灰度照片中颜色不可见。
实例3
如结合图21至图22c所描述那样来制造另一个照明装置。该装置使用矩形片2122(参见图21)，并且光源模块2214沿光导的短边(如图22b所示)、沿矩形片2122的TE边缘安装。利用电源将光源通电，并从各种察看几何形状来对照明装置拍摄照片。图24a中示出照明装置在实质上沿光轴2201(参见图22a、图22b)察看时的照片。光源和片2122的TE边缘位于该图的左侧。图24b中示出同一个照明装置当在x-z平面中以倾斜角度察看时的照片。光源和片2122的TE边缘位于该图的左侧。图24c中示出同一个照明装置当在x-z平面中以另一个倾斜角度察看时的照片。在该图中，照明装置已被旋转，以使得光源和矩形片2122的TE边缘位于该图的右侧。可在察看几何形状中的每一个中清楚地看到与离散光源相关联的亮带，并且观察到这些带随着察看几何形状而在形状和曲率上发生改变。还可在该光导的不同区域处看到可变的颜色色调，但是在这些图的灰度照片中颜色不可见。
实例4
如结合图21至图22c所描述那样来制造另一个照明装置。该装置与实例3的装置是实质上相同的，不同的是，光源模块2214是沿矩形片2122的BE边缘、而非TE边缘安装。利用电源将光源通电，并从各种察看几何形状来对照明装置拍摄照片。图25a中示出照明装置在实质上沿光轴2201(参见图22a、图22b)察看时的照片。光源和片2122的BE边缘位于该图的左侧。图25b中示出同一个照明装置当在x-z平面中以倾斜角度察看时的照片。在该图中，照明装置已被旋转，以使得光源和片2122的BE边缘位于该图的右侧。图25c中示出同一照明装置当在x-z平面中以另一个倾斜角度察看时的照片。在该图中，照明装置已被旋转回来，以使得光源和矩形片2122的BE边缘位于该图的左侧。可在察看几何形状中的每一个中清楚地看到与离散光源相关联的亮带，并且观察到这些带随着察看几何形状而在形状和曲率上发生改变。还可在该光导的不同区域处看到可变的颜色色调，但是在这些图的灰度照片中颜色不可见。
实例5
如结合图21至图22c所描述那样来制造另一个照明装置。该装置使用矩形片2124(参见图21)，并且光源模块2214沿光导的短边(如图22b所示)、沿矩形片2124的BE边缘安装。利用电源将光源通电，并从各种察看几何形状来对照明装置拍摄照片。图26a中示出照明装置在实质上沿光轴2201(参见图22a、图22b)察看时的照片。光源和片2124的BE边缘位于该图的左侧。图26b中示出同一个照明装置在实质上沿光轴2201但从光导的相反侧(例如，在图22a中，面向表面2212b而非表面2212a)观察时的照片。光源和片2124的BE边缘位于该图的左侧。可在察看几何形状中的每一个中清楚地看到与离散光源相关联的亮带，并且观察到这些带随着察看几何形状而在形状和曲率上发生改变。还可在该光导的不同区域处看到可变的颜色色调，但是在这些图的灰度照片中颜色不可见。
实例6
如结合图21至图22c所描述的那样来制造另一个照明装置。该装置使用矩形片2125(参见图21)，并且光源模块2214沿光导的短边(如图22b所示)、沿矩形片2125的TE边缘安装。利用电源将光源通电，并从各种察看几何形状来对照明装置拍摄照片。图27a中示出照明装置在实质上沿光轴2201(参见图22a、图22b)观察时的照片。光源和片2125的TE边缘位于该图的左侧。图27b中示出同一个照明装置当在x-z平面中以倾斜角度察看时的照片。光源和片2125的TE边缘位于该图的左侧。图27c中示出同一个照明装置当在x-z平面中以另一个倾斜角度察看时的照片。在该图中，照明装置已被旋转，以使得光源和矩形片2125的TE边缘位于该图的右侧。可在察看几何形状中的每一个中清楚地看到与离散光源相关联的亮带，并且观察到这些带随着察看几何形状而在形状和曲率上发生改变。还可在该光导的不同区域处看到可变的颜色色调，但是在这些图的灰度照片中颜色不可见。
本申请的教导内容可与提交于同一天的以下共同转让的申请中的任一个或所有申请的教导内容结合使用：美国专利申请序列号13/572,813(代理人档案号69809US002)，“Lighting Devices With Patterned Printing ofDiffractive Extraction Features(带有衍射提取特征的图案化印刷的照明装置)”；美国专利申请序列号13/572,823(代理人档案号69810US002)，“Colorful Diffractive Luminaires Providing White Light Illumination(提供白光照明的彩色衍射照明设备)”；和美国专利申请序列号13/572,835(代理人档案号69811US002)，“Diffractive Luminaires(衍射照明设备)”。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中使用的表示量、特性测量等的所有数值应被理解为均用术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则本说明书和权力要求书中示出的数值参数均为近似值，其可根据由本领域的技术人员利用本申请的教导内容寻求获得的期望特性而变化。并不试图限制等同原则在权利要求书的范围内的应用，每个数值参数应该至少按照所报告的有效数位数字并且通过应用惯常的四舍五入法进行理解。尽管示出本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是对在本文所述特定实例中示出的任何数值而言，它们在合理情况下尽可能精确地被报告出来。然而，任何数值都很可能包含与测试或测量限制相关联的误差。
本发明的各种修改和更改在不脱离本发明的实质和范围的情况下将对本领域的技术人员显而易见，并且应当理解，本发明并不限于本文所述的例示性实施例。读者应当假设，一个公开的实施例的特征还可应用于所有其它公开的实施例，除非另外指明。还应理解，本文所参考的美国专利、专利申请公布和其它专利和非专利文献在它们不与前述公开内容矛盾的情况下，均以引用方式并入。

Claims (20)

1.一种照明设备，包括：
具有第一主表面的光导，所述第一主表面具有适于将导模光从所述光导中耦合出来的衍射表面特征；和
离散光源，所述离散光源被设置成将光注入到所述光导中；
其中所述衍射表面特征中的至少一些在平面图中是不直的，并且所述光源和所述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。
2.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述带是亮带，并且其中所述带的外观随着观察者相对于所述照明设备的察看位置的变化而改变。
3.根据权利要求2所述的照明设备，其中所述带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。
4.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述离散光源是被设置成将光注入到所述光导中的多个光源之一，并且其中所述带是对应于所述多个光源的多个带之一，所述带中的每一个带与所述不直的衍射表面特征相交。
5.根据权利要求4所述的照明设备，其中所述多个带形成图案，所述图案随着观察者相对于所述照明设备的察看位置的变化而改变，从所述察看位置中的至少一些来看所述带的图案具有3维外观。
6.根据权利要求1所述的照明设备，其中在平面图中，所述光导具有非多边形形状和弯曲的侧表面。
7.根据权利要求6所述的照明设备，其中所述离散光源被设置成使光穿过所述弯曲的侧表面注入到所述光导中。
8.根据权利要求6所述的照明设备，其中所述离散光源是被设置成使光穿过所述弯曲的侧表面注入到所述光导中的多个光源之一，并且其中所述带是对应于所述多个光源的多个带之一，所述带中的每一个带与所述不直的衍射表面特征相交。
9.根据权利要求6所述的照明设备，其中所述不直的衍射表面特征限定弯曲的路径，所述弯曲的路径与所述弯曲的侧表面实质上不相交并且相匹配。
10.根据权利要求6所述的照明设备，其中所述非多边形形状是圆形或卵形。
11.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述不直的衍射表面特征限定弯曲的路径，所述弯曲的路径形成螺旋或一系列同心圆或卵形。
12.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述光导表现出通过所述光导察看对象的低失真。
13.一种照明设备，包括：
具有第一主表面和至少一个侧表面的光导，所述第一主表面具有适于将光从所述光导中耦合出来的衍射表面特征；
第一光源，所述第一光源被设置成将光注入到所述光导中；
沿所述至少一个侧表面延伸的不均一反射结构，所述不均一反射结构提供沿所述至少一个侧表面的主要部分的第一反射率和在所述至少一个侧表面的局部区域处的不同于所述第一反射率的第二反射率；
其中所述衍射表面特征中的至少一些在平面图中是不直的，并且所述光源、所述衍射表面特征和所述反射结构受到调控，以产生与不直的衍射表面特征相交的带。
14.根据权利要求13所述的照明设备，其中对于可见光，所述第一反射率为至少50％，并且所述第二反射率小于所述第一反射率，以使得所述带是暗带。
15.根据权利要求14所述的照明设备，其中所述不均一反射结构包括被设置在所述至少一个侧表面的所述主要部分上的反射材料，在所述至少一个侧表面的所述局部区域中不含所述反射材料。
16.根据权利要求13所述的照明设备，其中所述不均一反射结构包括金属夹持器，并且所述局部区域处的所述第二反射率对应于由所述金属夹持器承载的非照明的第二光源。
17.根据权利要求16所述的照明设备，其中在平面图中，所述光导具有非多边形形状，并且所述至少一个侧表面是弯曲的并围绕所述光导的完整周边延伸。
18.根据权利要求13所述的照明设备，其中所述局部区域是彼此间隔开的并具有小于所述第一反射率的反射率的多个局部区域之一，并且其中所述带是对应于所述多个局部区域的多个暗带之一，所述暗带中的每一个暗带与所述不直的衍射表面特征相交。
19.根据权利要求18所述的照明设备，其中所述多个暗带形成图案，所述图案随着观察者相对于所述照明设备的察看位置的变化而改变，从所述察看位置中的至少一些来看所述暗带的图案具有3维外观。
20.一种系统，包括：
具有第一主表面的第一光导，所述第一主表面具有适于将导模光从所述第一光导中耦合出来的第一衍射表面特征；和
第一离散光源，所述第一离散光源被设置成将光注入到所述第一光导中；
具有第二主表面的第二光导，所述第二主表面具有适于将导模光从所述第二光导中耦合出来的第二衍射表面特征；和
第二离散光源，所述第二离散光源被设置成将光注入到所述第二光导中；
其中所述第一衍射表面特征中的至少一些在平面图中是不直的，并且所述第一光源和所述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；并且
其中所述第二衍射表面特征中的至少一些在平面图中是不直的，并且所述第二光源和所述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。
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