CN105445835B - 照明装置及照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种照明装置以及照明系统。所述照明装置包括：基板，包括第一表面和基本与所述第一表面相对的第二表面；沿着所述基板的所述第一表面的第一单元，其中至少一个所述第一单元包括第一浮雕形态；沿着所述基板的所述第一表面的第二单元，其中至少一个所述第二单元包括第二浮雕形态。其中沿着所述第一表面的所述第一单元的一个单元的位置与沿着所述第一表面的所述第二单元的一个单元的位置相邻。

Description

照明装置及照明系统
技术领域
本发明总体上涉及光学。具体地，本发明关于利用衍射光栅效应的光外部耦合(outcoupling)及导引结构。
背景技术
衍射光栅结构是具有基于包括衍射效应的物理光学来调节光路的表面的精细结构(例如，横截面轮廓5为微米)。许多已知的“微型棱镜”结构并不是真正的衍射结构，因为它们是相对大的(例如，横截面轮廓为50微米)，由此，仅基于其中的折射效应(即仅应用几何光学的原理)来改变光路。
通常，光在两种介质之间的界面处的折射用斯涅耳定律来描述：
Figure BDA0000868277340000011
且对于反射，θi＝θr
其中，θi、θr和θt分别是界面的法向矢量与入射光束、反射光束和折射光束之间的入射角、反射角和折射角。n和v分别是指第一介质和第二介质的折射系数(refractionindex)和光在所述介质中的速度。为了可视化，参见图1。当来自相对于第二材料具有更高折射系数的材料的光以比关于表面法线的临界角大的角与介质边界相交时，可能产生全内反射。
衍射现象经常可通过衍射光栅观察到，衍射光栅是指用来使光分散成光谱的由大量平行线(即，光栅沟槽或“狭缝”)形成的透明或反射表面图案。透射光栅在透明材料上具有沟槽。反射光栅在表面上的反射涂层上具有沟槽。穿过这种表面或从这种表面反射的光线由于衍射而弯曲。根据下列的(平面内)光栅方程，衍射角取决于光波长度λ和所谓的沟槽“间隔”或沟槽“周期”d(有时也称作“节距”)。
mλ＝d(sinα+sinβm)， (2)
其中，角α和β分别是指入射角和衍射角。本实例中的角度从光栅法线测得。“m”是指衍射级，其是一个整数。鉴于方程2，对于所选波长λ，符合|mλ/d|<2的m的值显然是可物理地实现的。等衍射级m＝0对应于直接透射或镜面反射。光栅的每个沟槽均引入一个衍射图案，从而干涉多个沟槽的许多衍射图案。参见图1，为了示意性地示出反射光栅，其中，光栅沟槽垂直于页面，并且单色光束在表面平面内传播。对于最常见的衍射，衍射光栅的沟槽具有矩形的横截面，即它们是二元沟槽(binary groove)，但梯形或三角形的形态也是可行的。
精确且有效的光管理的重要性正不断增长。能量消耗和光污染是所有光学应用中的两个实际问题。目前，光学解决方案中的主要焦点是光耦合及导引结构。
波导件是尤其适于其中载有波的元件。在光学中，波导件常被称为光导件(lightguide)，并且它们典型地包括具有相对高的折射系数的介质材料。当波导件被置于具有较低折射系数的环境中时，有利地，导向件根据全内反射的原理来载波。光导件包括光纤、玻璃以及例如不同的薄膜。
在光学应用中，可以使用诸如二元沟槽的衍射光栅来进行光外部耦合和光散射。然而，仅使用衍射光栅沟槽并不能自动确保尚可符合任何下文中将评述的标准的性能。
图2公开了一种示出细长型光导件202的横截面的情形，诸如LED(发光二极管)204的光源已附设至该光导件。当光关于介质界面法线的入射角比临界角小时，光的大部分从光导件顶面在非优选且不适当的方向上外部耦合。如从干涉图(conoscope figure)中所看到的，从光导件202发出的光输出206既不是特别均匀的也不是定向的。这种输出可以通过设置在光导件底面或顶面以改变光路的多个微结构而获得，从而使之前在光导件中以全反射方式传播的一部分光改变其方向和入射角，由此使这部分光在接触介质界面时在光导件外部传输。
图3公开了一种对应的情况，其中，大量单独的(即单个的)闪耀光栅沟槽302已被置于光导件底面304上，以用于外部耦合光。因为闪耀光栅沟槽是尤其对入射角有选择性且敏感的结构，所以光栅沟槽的定向耦合效率与光的入射角密切相关，对于圆锥角(即入射光与平行于光栅法线的图3的平面(XY)之间的角度)也是这样。因此，仅对于非常有限范围的入射角实现了定向外部耦合，以实现较窄的垂直外部耦合角并且具有仍然合理的波导输出系数(即可从入射光与合适的外部耦合光之间的关系确定的优选效率参数)。对于其他入射角，光穿过闪耀光栅结构并进一步例如在光导件内部或外部传播。该光的大部分最终从光导件漏出或以非优选的角度外部耦合，从而产生非定向的输出光，因此，在许多应用中，产生较差的照明效果和较低的光耦合效率。EP1260853中公开了一种使用单独闪耀光栅沟槽的现有技术解决方案，其中，连续沟槽之间的距离至少是几十个微米。
尽管存在各种现有技术解决方案，然而发现从光导件或其他照明装置的光发射表面输出并不足以实现外部耦合光的方向性和均匀性。外部耦合光或多或少是朗伯式的(Lambertian)和不均匀的。
为了进一步分析衍射光栅沟槽的性能，进行了多次关于单独的微棱镜型光栅沟槽的性能以及当光栅沟槽位于如图3所示的光导件底部时电磁(物理光学)方法与光线跟踪方法之间的差异的试验和模拟。分析之后得出下列结论：以45°闪耀角入射到单个光栅沟槽或微棱镜上的光的相互作用因而具有等边三角形的形状。在试验中，设定的光以从60°到90°的角度α入射到微棱镜型沟槽上，其中角度α是入射光在XY平面中相对于垂直线的角度。角度θ是圆锥角，即入射到XZ平面中的光的角度。当θ＝0°时，光垂直于沟槽在XY平面中传播。
如果角度α处于范围87°<α<132°(与关于沟槽法线的入射角42°<γ<87°对应)内，上述微棱镜型沟槽通常适合于穿过光导件顶面的输出光。对于较小的角度，光将穿过这些沟槽而离开光导件，仅有小部分的光能到达光导件的顶面。最优的角度α是90°。当角度α在80°到100°之间时，从光导件的输出角基本上不大于15°。还发现，对于相对窄范围的角度α，例如，从87°到100°，虽然考虑到对于小于87°的角度，部分光会穿过衍射沟槽，当光导件输出系数被定义为沟槽的反射比与光导件顶面的透光率的乘积时，该系数明显大于0.90。θ偏差零导致输出角φ的绝对值的增大。对于大于10°的θ，实际上不可能获得从光导件顶部以小于15°的角度外部耦合的光。因此，单个沟槽尤其不适于具有垂直于出射表面的较大入射角的外部耦合光。
通过将结合有例如极化现象的电磁建模与光线跟踪建模(几何光学)作比较，可以发现，当角度θ不是特别大(例如，<30°)时，两种方法可以提供关于光的传播方向和光输出系数的相当等同的结果。然而，电磁建模由于衍射现象而提供了更高的光输出系数，尤其是结合较小和较大的入射角。
发明内容
本发明的实施例的目的是至少减轻上述明显存在于现有技术装置中的缺陷。
此目的通过本发明的技术方案来实现，本技术方案包括衍射表面浮雕(relief)结构，该衍射表面浮雕结构对耦合光的方向性提供了改进的、有效的控制并且典型地可修改、复制及并入到其他实体中，以形成照明装置的衍射外部耦合系统的至少一部分。
因此，在本发明的一个方面中，提供一种照明装置，包括：基板，包括第一表面和基本与所述第一表面相对的第二表面；沿着所述基板的所述第一表面的第一单元，其中至少一个所述第一单元包括第一浮雕形态，其中所述第一浮雕形态包括与所述基板相邻的凹槽并且被配置为在光穿透至少一个所述第一浮雕形态并且从另外至少一个所述第一浮雕形态朝向所述基板的所述第二表面反射后，从所述基板外部耦合所述光；沿着所述基板的所述第一表面的第二单元，其中至少一个所述第二单元包括第二浮雕形态，其中所述第二浮雕形态被配置为在所述光穿透至少一个所述第二浮雕形态并且从另外至少一个所述第二浮雕形态朝向所述基板的所述第二表面反射后，从所述基板外部耦合所述光。其中沿着所述第一表面的所述第一单元的一个单元的位置与沿着所述第一表面的所述第二单元的一个单元的位置相邻。
优选地，至少一个所述第一浮雕形态具有第一轮廓以及至少一个所述第二浮雕形态具有第二轮廓，并且其中所述第一轮廓与所述第二轮廓不同。
优选地，所述第一单元至少部分地位于所述基板的所述第一表面上的载体元件中。
优选地，所述第二浮雕形态的浮雕形态沿着远离所述基板的所述第一表面的方向凸起。
优选地，所述第二单元至少部分地位于所述基板的所述第一表面上的载体元件中。
优选地，所述第一浮雕形态和所述第二浮雕形态相对于彼此半随机地定向以避免莫阿干涉效应。
优选地，所述凹槽中的凹槽具有大约5微米或更小的周期。
优选地，所述凹槽中的凹槽具有大约2微米或更小的高度。
优选地，第一浮雕形态或第二浮雕形态中的至少一个具有大约15微米或更小的形态周期。
根据本发明的另一个方面，提供.一种照明系统，包括：光源；以及根据上面任意一项所述的照明装置。
在此所用的措词“多个”是指从1开始的任意正整数，即1、2、3等。
措词“形态周期”是指从形态(轮廓)，例如光栅沟槽的开始处到连续形态(轮廓)的开始处的距离。对于光栅沟槽，经常使用对应的术语“沟槽周期”。
下文中，不管相关的衍射表面浮雕形态的实际性质如何，即，不管其例如是否是载体元件上的凹槽或凸起，措词“深度”和“高度”都等同地使用。
所附独立权利要求中公开了本发明的各种实施例。
附图说明
图1a示出了斯涅耳定律和光的折射。
图1b示出了衍射光栅。
图2是细长型光导件的截面图，其中，光源已连接至该光导件。
图3示出了从光导件底部上定义的多个单独光栅沟槽外部耦合的光。
图4a公开了具有多个外部耦合单元的光导件的实施例的平面图。
图4b是根据本发明一个实施例的衍射外部耦合单元的截面图。
图4c是作为根据本发明一个实施例的外部耦合系统的一部分的衍射外部耦合单元的三维视图。
图4d公开了相对于外部耦合光和载体元件定位衍射外部耦合单元的实例。
图5a示出了衍射外部耦合单元的实施例，其中，闪耀角在光栅沟槽之间改变。
图5b示出了衍射外部耦合单元内的沟槽轮廓构造的各种可能实施例。
图6a是光外部耦合系统的平面图，该光外部耦合系统具有以伪随机方式定义于其上的外部耦合单元。
图6b是用显微镜获得的、载体元件表面上由根据本发明实施例的多个外部耦合单元的衍射结构形成的规则表面图案的平面图。
图6c是衍射元件形状的两个实施例的平面图。
图6d是用显微镜获得的、载体元件表面上根据本发明实施例的外部耦合单元的表面浮雕图案的平面图。
图6e是用显微镜获得的、载体元件表面上根据本发明实施例的外部耦合单元的衍射结构的另一平面图。
图7a示出了外部耦合单元布置的其他实施例。
图7b示出了外部耦合单元布置的其他实施例。
图8图示了整个光导件上的聚合外部耦合单元的一个实例。
图9a图示了表面浮雕图案中具有三个衍射表面浮雕形态的实施例。
图9b图示了用于外部耦合效率确定的一种可能布置。
图9c示出了根据本发明一个实施例中的外部耦合的效果。
图9d图示了一个示意性的情形，其中，分析了入射光的圆锥角的影响。
图10示出了根据本发明的一种可能光导件布置的性能的实验结果。
具体实施方式
图4a仅以实例的方式图示了光导件布置的一个实施例，其中，透明的光导件表面区域401上构造有多个不同的外部耦合单元404，并且，邻近该导向件的一端设有一个或多个光源402，诸如荧光灯或LED。在此具体实施例中，单元404内的线代表衍射表面浮雕形态，诸如光栅沟槽(或其“顶峰”)。外部耦合单元402在大小、形状、对准、内部结构、材料等方面可以不同。并且，可利用包括不同类的子结构(诸如线性、弯曲或波状的形态)的聚合单元来有效地导引入射到其上的光。相邻的外部耦合单元之间的距离可基于预定模式而改变。例如，随着进一步远离光源402移动时光的强度趋向于下降，外部耦合单元的密度可作为距离光源和/或光内部耦合装置的距离的函数分别纵向地和/或横向地增加，从而补偿损失。
外部耦合单元404可朝着预定光源单独或成组地(group-wise)对准；注意，例如右上方的两个单元404是旋转的，从而使沟槽的峰线基本垂直于来自包括在用402标识出的实体中的多个光源的特定点光源(来自该光源的假想光线图示为两条虚线)。
光导件的材料可以是塑料，例如聚合物、晶族(class)、或硅。
图4b公开了根据本发明的外部耦合单元(在矩形内)的一个实施例的横截面。一般来说，这种衍射光外部耦合单元可以形成包括多个衍射外部耦合单元的照明装置的光外部耦合系统的一部分，并包括用于传输光的基本透明的载体元件以及衍射结构，该衍射结构包括在载体元件的表面区域上定义的多个连续衍射表面浮雕形态，其中，这些形态具有基本上闪耀或倾斜的沟槽轮廓，并且轮廓周期为15微米或更小，优选地在0到10微米之间，最优选地在0到5微米之间，例如3微米，并且这多个连续衍射表面浮雕形态被布置成通过属于这多个浮雕形态中的一个或多个浮雕形态朝着预定方向和/或载体元件上的出射区域而耦合入射到衍射结构上的光，从而使在预定的入射角和预定的圆锥角内入射到多个光栅沟槽中的一个上的至少一些光线，通过涉及所述多个浮雕形态的所述一个浮雕形态与至少另一个浮雕形态的相互作用而朝着期望的方向和/或出射区域至少部分地耦合。某些适当耦合的光线可以与光栅结构的每个浮雕形态(即，外部耦合单元的表面浮雕图案)相配合。
仍然参考图4b，在此具体实施例中，具有作为衍射表面浮雕图案的表面浮雕形态的闪耀沟槽406，其中该衍射表面浮雕图案定义在可选地由反射体408覆盖的载体元件底面上；例如，能够由诸如光栅的表面浮雕图案来提供镜面反射体，该光栅被布置成提供预定类的反射性并在整个照明作业中支撑表面浮雕图案406的沟槽，从而获得期望的照明效果。
在此实施例中，表面浮雕图案406的沟槽具有5微米的周期和高度，但是在其他实施例中，可以采用不同的尺寸，例如1、2、3、4或10微米的周期和/或高度。该实施例的载体元件与一种合成聚合物PMMA(丙烯酸类的透明塑料)相比具有1.49的折射系数，而与对应于例如真空或在实际情况中最常为空气的周围介质相比具有～1.0的折射系数。相对于光栅法线的入射角用γ标识出。期望的外部耦合方向是这样的预定方向，即在此实例中该预定方向可以是光导件顶面的法线方向，即外部耦合角将相对于外部耦合顶面(即期望的出射表面)的法线来定义。在图中，外部耦合角用φ标识出。并且，可使用其他用于定义外部耦合角的可替代方式；例如，该角度可基于所选光栅表面来定义。
所有示出的光线至少部分地穿透第一光栅沟槽，并从第二光栅沟槽或第三光栅沟槽朝着载体元件的顶面反射和散射。一些可见光线已通过没有可选的反射体408的底面而离开载体元件。可对至少部分底面进行处理，以扩大入射角γ，入射光仍然将在该入射角内离开预定的、期望的出射表面和/或方向，优选地还在预定的、期望的出射角(例如，
Figure BDA0000868277340000112
)内。在此具体实施例中，出射表面(即顶面)可包括衍射元件，优选地呈浮雕结构410的形式，例如，包括例如二元、正弦或旋转(“横向”)闪耀的散射体(圆形/椭圆形与角关联)以微调外部耦合光的散射。散射体可用来可控地散射这样的光，即例如对于特定的应用，由于外部耦合单元的主表面浮雕图案的效率提高，该光可被过份地校准。因此，可在应用基础上灵活地使用各种衍射表面结构(优选地是浮雕图案但也可以是额外的薄膜、薄片、叠片等)，以微调外部耦合单元的下层浮雕图案所提供的可能更固定的外部耦合角。
通常，光的外部耦合角(范围)
Figure BDA0000868277340000111
可通过如下方式来调节：选择外部耦合单元的闪耀角、形态轮廓(例如，闪耀的、倾斜的、高度、周期)和对准(水平的和/或垂直的，例如，相对于载体表面倾斜)，引入另外的表面结构或层(顶面和底面功能元件，诸如(镜面)反射体、散射体等)，以及根据预定设置将单元自身安置在载体元件基板上。除了仅反射/散射或传输/折射的光线以外，衍射元件还对外部耦合光进行排序，并且通过仔细地选择所用构造(诸如表面浮雕周期、形态、对准等)，仍可完全控制外部耦合光，以便根据所选的效率标准将至少预定的、足够部分的外部耦合光的保持在预定的目标角
Figure BDA0000868277340000121
内。
图4c公开了作为根据本发明实施例的外部耦合系统的一部分的图4b的外部耦合单元404的三维视图。在此具体实例中，单元404示出为基本从载体元件(例如，光导件)401底部延伸至顶部的立方体，但也可使用其他构造和外部耦合单元形式。在整个外部耦合系统中可利用一个或多个相似或不同的外部耦合单元404，以控制入射光朝着期望的方向和/或载体元件上的期望出射表面区域的耦合。不管所用单元404的形状和大小如何，它们都可被看作是三维实体，由于相关的表面浮雕形态(例如，光栅沟槽)的确具有宽度、长度和高度。
光源402被构造成射出待由光导件401传输的光(箭头)，由此，外部耦合通过许多外部耦合单元404、通过光导件401顶面上以虚线矩形412示出的出射区域来执行。因此，在另一实施例中，光导件401的一个预定表面(例如顶面)可形成出射区域。在又一实施例中，出射区域可由光导件401的若干表面中的至少一部分构成。另外，在又一实施例中，载体元件上具有多个期望的出射区域。
相同的方案应用于由每个外部耦合单元404发生的外部耦合，即，根据外部耦合系统中的具体外部耦合单元404相对于系统的聚合出射区域的位置和形状，单元404的出射区域典型地包括单元404的一个或多个表面区域中的至少一部分。可以选择单元404的衍射结构的设计和定位，以便耦合在预定的入射角范围内入射的光的至少预定部分，从而在预定的效率需求下在预定的出射角内(即，在期望的方向上)离开期望的单元表面。本领域的技术人员应理解的是，在本文的上下文中，该出射区域显然是期望的出射区域，但是在实际情况中，典型地也存在一些通过其他区域的泄漏。
浮雕结构410(诸如散射体)还可存在于顶面上，但为了清楚起见，图中省去了该浮雕结构。光导件上可以设置各种另外的顶面/底面/侧面元件(诸如反射体408)，以覆盖期望表面的至少一部分。
所示单元404在载体元件(即光导件401)的底面上包括作为表面浮雕图案的多个连续的闪耀微棱镜型沟槽406。此外，单元404还可包括另外的衍射元件，诸如光栅(例如，多个二元沟槽)，这些额外的衍射元件位于表面的空白区域上且在沟槽406之后或之前，并相对于沟槽406平行或者垂直地对准。
图4d示意性地公开了根据本发明的表面浮雕图案和载体元件的各种实施例。图中，仅出于例证的目的而已呈现出衍射表面浮雕形态和入射/外部耦合光，并且所用角度或其他尺寸通常不应被认为是特定的有利设计。在横截面图420中，载体元件包括透明材料，从而使光能够在介质中向前行进，并通过表面浮雕图案414、416外部耦合，这些表面浮雕图案是在介质表面上定义的凸起414和/或凹槽/沟槽416。
视图422图示了一个实施例，其中，表面浮雕图案414、416被定义为透明的光传输载体元件的、且与载体元件的期望出射区域分开(例如，相对)的预定表面区域上的凸起和/或凹槽。
视图424公开了一个实施例，其中，载体元件本身未被构造成传输光，而只是作为表面浮雕图案(例如，凸起和/或凹槽/沟槽)的载体。
相似的设置选项应用于另外的衍射元件418(例如，反射体和散射体)，这些另外的衍射元件可实施为表面浮雕图案(例如，载体元件上的凸起或凹槽/沟槽)，或者可替代地或另外地，这些另外的衍射元件可被设置为载体元件的期望表面顶部上的薄片、层或薄膜。这些元件418可以设置在表面浮雕图案414、416的顶部上或与之紧邻。有经验的读者应认识到，虽然图中公开了衍射元件418的可能位置的各种实例，但主要从例证的角度选择图示的位置和元件厚度。
在本发明的一个实施例中，衍射外部耦合单元可包括位于载体元件的相对侧上的两个表面区域，其中，这两个区域都包括衍射表面浮雕图案，以便在载体元件外部共同协作地耦合光。
图5a示出了衍射外部耦合单元内的光栅沟槽构造的实施例的横截面。该实施例的衍射结构包括四个闪耀沟槽，这些闪耀沟槽定义出具有可变闪耀角的轮廓，第一闪耀沟槽和第三闪耀沟槽相对于入射光具有约45°的闪耀角，而第二闪耀沟槽和第四闪耀沟槽具有约41°的较小的闪耀角。可以改变这些闪耀角，以针对预定的波长提供期望的衍射效率，或例如以优选的方式调节相对于入射角的外部耦合角。
图5b示出了表面浮雕图案的另一示意性实施例。在构造502中，大量表面浮雕形态(例如，具有相似的闪耀角的沟槽)被小的没有沟槽的区域分开。在另一实施例中，闪耀角可在各个沟槽之间改变。在504处，仅是以期望的闪耀角彼此连续地设有四个相同的沟槽。在构造506中，连续沟槽之间的闪耀角逐渐改变。在构造508中，沟槽的闪耀角改变。在510处，沟槽是倾斜的矩形，即倾斜的二元沟槽。例如，图5b的图案可实施为从载体元件表面延伸的凸起或者可实施为载体元件中的凹槽。
在本发明的外部耦合单元的不同实施例中，表面浮雕图案的一个或多个连续形态可基本恰好位于彼此之后(参见504)，或分开，从而使这些形态之间的距离保持足够得短，即，形态周期处于预定界限内，以便足够有效地执行本发明的交互性特征。通过对后一实施例的横截面进行观察(参见502)，这些形态的轮廓没有彼此直接相连，而是在它们之间具有较小的物理间隔。形态周期仍优选地为15微米或更小，更优选地为10微米或更小，最优选地为5微米或更小。
图6a公开了一种外部耦合系统的实施例，其中，作为载体元件基板上已以半随机方式组织有多个外部耦合单元。在半随机化中，仍从分析上考虑来自载体元件的光的外部耦合，但还应注意到不要将这些单元彼此完全对准从而形成规则的网格。在一个实施例中，基板的预定表面区域被分成多个局部建模区域，由此，每个局部建模区域应仍满足多个条件，例如该区域内的外部耦合单元之间的最大距离或外部耦合单元的预定密度等。图中以小方形表示的、单独地或形成为各种形状的组地设置的单元可相对于彼此和光源旋转和/或倾斜。例如，可以利用这种半随机化来避免莫阿干涉效应(Moire effect)，或者相对于不同的光源对准这些单元。
图6b公开了基板上由多个衍射结构(例如，外部耦合单元的衍射表面浮雕图案)形成的相对密集的规则图案的实施例。
图6c图示了能够用在外部耦合单元中的两个更加示意性的衍射结构。参考标号602是指一种六条曲线的单元，而604处的聚合结构包括沟槽，这些沟槽在以某些预定物理间隔隔开的三个以不同方式对准的组中是分段线性的。
图6d公开了用显微镜获得的具有三个平行的连续沟槽的衍射表面浮雕图案的实施例的视图。
图6e公开了用共焦显微镜获得的衍射结构(例如，结合有两个和四个具有不同长度的平行沟槽的衍射表面浮雕图案)的视图。轮廓测量值代表沟槽周期和高度。
图7a是基板上具有方形轮廓及相同大小的三个衍射结构的实施例702、704、706的另一显微镜视图。在单元之间和/或单元内，沟槽的对准和长度不同。
图7b是基板上具有不同方形轮廓的多个衍射结构的实施例的显微镜视图。
图8公开了已调制光导图案的衍射表面浮雕结构的三个部分的实施例，该已调制光导图案包括可被看作是包括邻近的和内嵌结构的聚合外部耦合单元和/或支撑结构的不同实体。较大的方形实体可选地包括以不同方式对准的较小的方形806(用虚线突出并放大)，这些较小的方形还包括将这些较小的方形分成三个可分开的子区域的分叉浮雕形态，例如，分叉沟槽。在另一实施例中，这些沟槽是平行但不连续的，即，将较小的方形806进一步分成子区域的沟槽具有移位。这些子区域可被看作是其自身为细长的矩形形状的外部耦合单元，或者可被看作是单个外部耦合单元的不同部分。浮雕形态的角度位移可与光导件和显示器相结合而用来避免莫阿干涉效应。因此，得到的整个结构是完全可测量的。一些包含衍射形态的区域可被构造成作为主外部耦合部件而工作，而其他区域被构造为微调或调节主要由主外部耦合部件设定的外部耦合角。例如，较小的方形806可作为主外部耦合单元而布置，而周围的较大方形部分包括支撑元件，例如部分散射。聚合结构中的示意性沟槽组合包括：闪耀沟槽+二元沟槽、闪耀沟槽+(90°或x°)旋转沟槽、闪耀沟槽+顶部/底部散射体实体等。代替沟槽，对应的凸起形态也是可应用的，或者根据实施例甚至是优选的。
下文中评述了几种有利于根据本发明实施例的期望衍射外部耦合单元和系统设置的设计的示例性情形。
图9a公开了一种设置，其中，光在XY平面内以角度α、且在YZ平面内以角度θ落到三个微棱镜型闪耀光栅沟槽上。参考标号908表示可选的反射体，例如镜子。5×5微米的光栅沟槽彼此靠近地设置。光导件折射系数例如是n＝1.49。让我们首先考虑没有反射体908的情况。并且假设在光导件中没有角度-45°<α<42°的光线存在。相继的三个一组的棱镜的区别性特征在于，以角度42°<α<87°入射到第一沟槽上的光线将几乎全部通过表面A。注意一部分到达侧面A的底部的光将在从光导件出来进入空间之后损失，而剩下的落到侧面B上的光重新进入光导件中。然而，在通过侧面B重新进入光导件中之后，角度α将增大。在通过一个或两个沟槽之后，作为增大的角度的结果，光线可使其自身处在入射角范围87°<α<132°，并且从具有第三沟槽的光导件输出。现在，我们应考虑从光导件的顶面(即期望的出射区域)输出的能量与从没有反射体的底面损失的能量之间的关系，从而评估该布置的性能。表1给出了针对不同入射角α的损失能量的估计值Pmissed以及有用的输出能量与沟槽处损失的能量的比值Pout/Pmissed。数据适于非偏振光。
表1 θ＝0°时，针对不同角度α的能量输出
Figure BDA0000868277340000171
当Pout/Pmissed＝∞时，整个能量从光导件的顶部输出。
当Pout/Pmissed→0时，大部分能量从光导件的底部输出从而损失。从表1可以看出，角度α越小，损失越大，故有用输出越小。
表2给出了针对不同角度θ的能量输出的数据。
表2 θ≠0°时，针对不同角度α的从光导件的输出能量
Figure BDA0000868277340000181
现在我们可以得出一些结论：
角度θ越大，光导件输出处的角度φ越大。比值Pout/Pmissed越大，有用输出能量的比例越大。当比值是1时，从光导件的顶部和底部输出相同量的能量。试验已表明，上述比值随着角度α的增大而增大。
接下来，分析结合有反射体908的对应情形，但是棱镜型沟槽的数量在1至5之间改变，以获得全面的比较数据。角度β描述了特定的光线偏离角度α＝90°(即，从水平方向)。因为光导件的折射系数是n＝1.49(例如，PMMA)，所以，在全内反射的情况下，处于范围42°<α<90°(相反地，0°<β<48°)内的光线将在光导件中传播。负的角度-48°<β<0°(90°<α<138°)将与正的角度一起考虑，因为由于反射来自光导件的顶面和底面，因此角度+β和-β同时存在。因此，所考虑的角度范围是0<|β|<48°。技术人员应理解的是，在范围-45°<β<-42°内的入射光落到沟槽的第一侧上并从其上反射。因此，此范围的角度将不增加有用角度处的光能量输出，即使增加闪耀光栅沟槽的数量。
以给定角度
Figure BDA0000868277340000193
导引的光的效率能够通过多种方式来评估，参见针对一个示例性实施例的图9b。
让辐射能量P落到沟槽上。然后，效率可被定义为η＝P’/P，其中，P’是由满足施加于光输出角的一个可能条件的沟槽输出的辐射：
Figure BDA0000868277340000194
如果α＝90°，理论上，所有入射光都将从光导件输出，即η＝P2’/P2＝100％。当入射角α不等于90°时，输出效率较小：η＝P1’/P1<100％。因此，基于上述评估，我们可假设在这种情况下沟槽表现出较差的性能。然而，因为考虑到入射光束的均匀密度(能量与光束的横截面的比值)，我们有当h1>h2时P1>P2(P1/h1＝P2/h2)，所以输出功率的绝对值可小于P2’。
因此，可以断定的是，上述效率评估可能是不充分的，因为光栅沟槽上的入射能量在不同的角度α(或β)时是不同的。由于此，假设以所有角度α入射到沟槽上的入射光的密度均匀(P/h＝常数)，我们引入对衍射元件辅助的光输出效率的不同评估：
Figure BDA0000868277340000191
其中，42°<α<90°，Pm是在角度α为当前值的情况下在方向
Figure BDA0000868277340000192
上从光导件输出的能量，而max{Pα}是对于任意数量的闪耀光栅沟槽在角度α满足条件42°<α<90°的情况下输出能量的最大值。
因此，值χ代表针对各种数量的光栅沟槽和入射角被标准化成最大导出输出能量的输出光的相对能量，并且仅在入射角参数和这多个光栅沟槽相组合的情况下，相当于χ＝100(在相对单元中)。
表3至表7显示出对于1-5个闪耀光栅沟槽以每次5°改变的入射角α和β以及对应的从光导件输出的光的角度
Figure BDA0000868277340000201
有用的输出角被加粗：
Figure BDA0000868277340000202
效率η(百分比)和χ(在相对单元中)的值具有如上所述的物理意义。表3至表7中负的角度
Figure BDA0000868277340000203
表明光线朝着半平面-XY(朝着图9a的左侧)前进，正的角度表明光线朝着半平面XY前进。在表4至表7中，在深色背景上示出了新的光输出角
Figure BDA0000868277340000204
如果这些新的角度
Figure BDA0000868277340000205
处于有用的范围内，在此实例中
Figure BDA0000868277340000206
η和χ的对应值也以深色背景示出。在α和β值的两栏中，对于η>50％的α和β值在深色背景上印出。
所有表中的最后一行都示出了闪耀光栅沟槽在所有角度下的估计性能。最后一行中的η的值显示出当均匀的光按照所有以上所考虑的入射角同时落到沟槽上时光输出的平均效率。对于每种数量的光栅沟槽，所有表的最后一行中的χ的值都与有用方向上的输出能量成比例，通过五个沟槽输出的辐射对应于100％。
表3对于单个沟槽，角度
Figure BDA0000868277340000207
和光输出效率与角度α(β)
Figure BDA0000868277340000208
Figure BDA0000868277340000211
表4对于两个沟槽，角度
Figure BDA0000868277340000212
和光输出效率与角度α(β)
Figure BDA0000868277340000213
表5对于三个沟槽，角度
Figure BDA0000868277340000214
和光输出效率与角度α(β)
Figure BDA0000868277340000215
Figure BDA0000868277340000221
表6对于四个沟槽，角度
Figure BDA0000868277340000222
和光输出效率与角度α(β)
Figure BDA0000868277340000223
表7对于五个沟槽，角度
Figure BDA0000868277340000224
和光输出效率与角度α(β)
Figure BDA0000868277340000225
Figure BDA0000868277340000231
鉴于这些表格，我们可认识到，增加新的光栅沟槽会导致新的光输出角
Figure BDA0000868277340000232
出现。还应注意的是，对于任意额外的闪耀沟槽，较少数量的新的角度会出现，并且这些新的角度处于入射角β的较大值(角度α的较小值)的范围内。光输出的平均效率η随着闪耀光栅沟槽数量的增加而增加，并且光栅沟槽的数量越大，增加率越低。相应地，闪耀光栅沟槽的数量越大，输出能量在有用方向上的比例越大。我们可以推断出，两个沟槽能够输出比一个沟槽多89％的能量，三个沟槽能够输出比两个沟槽多48％的能量，四个沟槽能够输出比三个沟槽多28％的能量，以及五个沟槽能够输出比四个沟槽多22％的能量。注意，上述结论支持以所有考虑的角度均匀入射的光的情况。我们还可断定，当使用3个、4个和5个沟槽时，辐射将以所有考虑的入射角输出，而当使用1个或2个沟槽时，较大比例的折射光将继续在光导件中传播。
因此，在许多要求改善外部耦合方向性的应用中，例如，将较宽的入射角范围外部耦合成较窄的输出角范围，仅使用一个闪耀光栅沟槽不是足够有效的，而增加几个闪耀光栅沟槽可从根本上提高效率且不会使输出角增大得过多。
图9c还示出了包括三个闪耀沟槽和反射体且入射光以角度α＝60°的实施例。有利地，超过50％的光线从光导件顶面以相对于光导件的表面法线的小角度外部耦合。少于50％的光线将继续在光导件内传播。此图示出了反射体如何防止部分光线穿过其底部而离开光导件。
图9d图示了一个实施例，其中，角度θ不是零。在此实例中，圆锥角θ决定沟槽偏离所示的YZ平面。光以角度θb＝0落到光栅上。从沟槽输出的光线将转过角度θb。在到达沟槽之前，入射光处于XY平面内。在落到第一沟槽的表面上时，光线被反射(反向散射)或折射，而到达另一表面。增加与沟槽相互作用(通过折射或反向散射)的次量，增加输出光线转过的角度θb。光线1以接近180°的角度α从倾斜的沟槽表面反射。如果光线以这样的方式到达沟槽，即其在经过一个或两个沟槽之后不会离开光导件，则光线以非零的角度θb继续在光导件内传播(光线2)。在这种情况下，光线将以较小的入射角到达下一个平行沟槽(沟槽组)：θ-θb，其中，0<θb<θ。
因此，假若与不同沟槽组的相互作用为多次连续的动作，转过角度θ时，光线获得这样的角度θb，即θb→∞(如果θb＝0°且θ＝0°，那么θb将补偿角度θ)。这仅在继续在光导件中传播的光线将经过沟槽时才会发生。如果光线在从沟槽表面反射之后继续在光导件中传播，那么其偏离θb将在相反的方向上。然而，这种光线在光导件中的比例相当小。
接下来，研究从光导件的输出角(即角度
Figure BDA0000868277340000241
)满足条件
Figure BDA0000868277340000242
时角度θ的值。表8给出了当α＝90°时作为角度θ的函数的输出角
Figure BDA0000868277340000243
表8 α＝90°时，角度
Figure BDA0000868277340000251
与角度θ
Figure BDA0000868277340000252
表8示出了对于固定的光入射角度α＝90°，范围0<θ<10°内的所有角度都提供了合理的外部耦合结果
Figure BDA0000868277340000253
在所考虑的实例中，单束光线在从这些沟槽(即，行中的第一沟槽)反射时形成。对于固定的角度θ，减小角度α，增大光线的输出角
Figure BDA0000868277340000254
然而，随之出现了新的光线组。当出现新的光线组时，一部分光将再次以可接受的角度离开光导件。
因此，当光以角度θ≠0°入射到沟槽上时，在与这些沟槽相互作用之后继续在光导件中传播的光的最大部分将以这样的角度θb传播，即，使得当这部分光落到后续的沟槽上时，此角度将部分地补偿角度θ。输出光线与棱镜之间相互作用的动作次量越多，角度θb越大，并且角度α将越接近180°。当对于适当的角度α，θ<10°时，基本满足示例性的条件
Figure BDA0000868277340000255
参考表8。然而，在光入射到沟槽上的实际情况中，针对角度θ的条件可不是那么严格，因为沟槽组可扩展，因此，应仔细选择每个外部耦合单元的沟槽的数量，或通常地表面浮雕形态的数量。
图10示出了根据本发明的一个实施例的光导件所提供的性能的试验结果。在得到了极高效率的同时，也得到了非常高的光方向性因数。上部的显微镜图代表径向对准的具有弯曲光栅沟槽的多个外部耦合单元。下部的锥光镜图代表较窄的外部耦合角±5°。由于更高的衍射效率，尤其是对于较小和较大的入射角，实际光导件的性能可能甚至超过理论上确定的性能。
为了制造根据本发明实施例的衍射外部耦合单元和载体介质，例如，对于平版制作工艺和/或用于母版制作和注射模塑的微加工，可以使用滚动条式压花(roll-to-roll)或平面压花。
在上述分析中，衍射单元常常包括作为衍射表面浮雕轮廓的闪耀沟槽，但是根据应用，闪耀凸起或其他图案(例如，倾斜轮廓)也可以是完全可行的选项。
本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。技术人员应理解以下事实，即明确公开的实施例应被解释为仅出于例证的目的，本范围将覆盖更适合本发明的每种具体使用情况的其他实施例和等同物。

Claims (8)

1.一种光导装置，包括：
第一载体元件，包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
沿着所述第一载体元件的所述第一表面的第一单元，其中至少一个所述第一单元包括第一浮雕形态，其中所述第一浮雕形态为衍射浮雕形态，并包括与所述第一载体元件的所述第一表面相邻的凹槽并且被配置为在光穿透至少一个所述第一浮雕形态并且从所述第一浮雕形态中的至少第二个朝向所述第一载体元件的所述第二表面反射后，从所述第一载体元件外部耦合所述光；
沿着所述第一载体元件的所述第一表面的第二单元，其中至少一个所述第二单元包括第二浮雕形态，其中所述第二浮雕形态为衍射浮雕形态，并被配置为在所述光穿透至少一个所述第二浮雕形态并且从所述第二浮雕形态中的至少第二个朝向所述第一载体元件的所述第二表面反射后，从所述第一载体元件外部耦合所述光，
其中沿着所述第一表面的所述第一单元的一个单元的位置与沿着所述第一表面的所述第二单元的一个单元的位置相邻。
2.根据权利要求1所述的光导装置，其中，至少一个所述第一浮雕形态具有第一轮廓以及至少一个所述第二浮雕形态具有第二轮廓，并且其中所述第一轮廓与所述第二轮廓不同。
3.根据权利要求1所述的光导装置，其中，所述第二浮雕形态的浮雕形态沿着远离所述第一载体元件的所述第一表面的方向凸起。
4.根据权利要求1所述的光导装置，其中所述第一浮雕形态和所述第二浮雕形态相对于彼此半随机地定向以避免莫阿干涉效应。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的光导装置，其中，所述凹槽中的凹槽具有大约5微米的周期或具有1、2、3、4或10微米的周期。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的光导装置，其中，所述凹槽中的凹槽具有1微米的高度或具有大约2微米的高度。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的光导装置，其中，所述第一浮雕形态或所述第二浮雕形态中的至少一个具有大约15微米或更小的形态周期。
8.一种照明系统，包括：
光源；以及
根据权利要求1-7任意一项所述的光导装置。
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