CN114286954A - 提供来自光源的特定光分布的多小面漫射器 - Google Patents

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Abstract

所设计和制造的光学或光漫射器(或简称“漫射器”)包括以单元或集合来布置的许多小面，其中平坦面或朝外表面具有取向和透射角(可由法线的方向余弦定义)，以将接收到的光重定向到预定义光分布的一区域或部分。还提供了设计或定义漫射器的小面的方法，以及制造漫射器和包括新漫射器的装置或产品(诸如微显示器和照明组件)的方法。漫射器在光学上被设计成产生用户指定的光分布。漫射器可以通过其前表面或外表面(光透射表面)上的小面的配置来进行工程设计，以产生几乎任何类型的光分布或形状，并且漫射器设计便于它们使用挤塑工艺以及其他制造技术进行制造。

Description

提供来自光源的特定光分布的多小面漫射器
相关申请的引用
本申请要求于2019年7月13日提交的美国临时专利申请号62/880,776号的优先权，该美国临时专利申请通过援引整体纳入于此。
背景
技术领域
本说明书总体上涉及光透射、投影和在照明显示器中的使用并涉及相关设备或产品。更具体而言，本说明书涉及一种光学漫射器，其被设计成通过使用多个面(或微结构或透镜)在空间中产生特定或预定义的光分布，从而将光瞄准所需方向。本说明书还涉及用于创建新光学漫射器的设计和生产方法，以及包括或利用该光学漫射器的装置(产品或设备)，诸如微显示器(诸如发光二极管(LED)屏幕)、许多类型的照明设备(例如，汽车工业中使用的灯、室内和室外照明应用等)、投影屏幕等。
2.相关背景。
对于光学漫射器(或光漫射器，或更简单地说，“漫射器”)的需求仍然很大，以漫射或散射光，从而以所需的方式(诸如软化光或将光向外传播使其看起来不是来自点光源)透射光。由于越来越多地依赖诸如LED、激光器等光源作为光源，以及越来越多包括微显示器的设备对漫射光的需求，未来几年对漫射光或软光的需求将可能增长。
微型显示器(诸如智能手机、紧凑型计算和游戏设备等中的那些)中使用的典型漫射光通常由紧凑型光学系统提供，该光学系统具有由半透明材料(诸如磨砂玻璃、聚酯膜、聚碳酸酯基板、蛋白石玻璃、灰色玻璃等)形成的漫射器。传统漫射器是使用光散射材料制成的，这种材料可以产生在所有方向和角度上的光分布。这些类型的漫射器包括由蛋白石或牛奶玻璃形成的漫射器，且还可以包括由磨砂玻璃和喷砂玻璃形成的漫射器，以形成随机表面来散射穿过漫射器的透射光。虽然这些漫射器可有用于软化来自光源的相干或非相干光，但它们无法控制角光分布或透射，而且由于这些漫射器通常会产生全内反射(TIR)，因此光透射效率往往相对较低。
因此，已经创建了其他类型的漫射器，以尝试解决与灯丝、电弧、LED、光纤、激光光源和其他光源相关联的热点和不均匀光分布问题。这些替代设计的漫射器在平滑和均质化光源方面相对成功，同时也在其他应用中提供了均匀的光，诸如用于液晶显示器(LCD)背光、LED显示器、机器视觉、汽车照明、观察屏等。这种漫射器可以通过操纵透明材料中的横截面形状以主要在给定的XZ或YZ平面上分布光来制作，但在其他情况下，在漫射器中使用简单的透镜设计。其他更复杂的漫射器(其可称为光成形漫射器)可使用衍射光学元件(DOE)并可与激光光源一起使用。这些漫射器通常使用基板中产生的相位差来使用DOE将光线衍射到特定方向，并且DOE可以是可提高光透射效率(例如，达到80％或更高)、提供光束定形、并使输出光均匀化的，全息记录的随机化表面结构。
虽然解决了传统漫射器的一些问题，但使用这些更复杂的光学漫射器仍然存在一些问题。例如，与高度工程化的全息漫射器相关联的一个问题是，它们很昂贵且记录起来很麻烦。另一问题是，它们的结构(或DOE)非常精细，以致于它们不能被挤塑(这是首选的低成本制造方法)，因为由于结构大小较小，材料在挤压压花时往往会“松弛”。因此，全息漫射器通常在紫外线(UV)浇铸和固化环境中制造，或在比挤塑更昂贵的工艺中制造。全息漫射器的另一问题是，由于结构非常小(例如，小于5微米)，以致于它们对灰尘、用户手上的油等特别敏感，这可能会使它们无用或者至少在所需的散射中效率较低且较不有效。
仍然需要新的光或光学漫射器来解决现有漫射器的这些和其他问题。在大多数情况下，漫射器的工程设计不完善并且由于浪费光(例如，低光透射效率)和未正确地漫射光而以相当粗糙和低效的方式工作，这可能会留下热点。对于LED漫射器和LED照明来说尤其如此。由于LED往往提供非常明亮的“点”或光点，因此它们很难漫射并且会在漫射器表面上形成非常热的区域或点。然而，在其他情况下，LED漫射器提供的漫射非常“重”，以至于它阻挡了大部分或大量光，并且在许多应用中，诸如在显示器背光中使用时，如此低的光透射效率是不合需的。归因于与LED光源相关联的能效和一般生产成本，许多人预计LED照明将几乎占据照明市场，并且在不久的将来解决与漫射LED照明相关的问题是非常合需的。
发明内容
简言之，本文描述了用于从包括LED光源和无热点的相干光源在内的各种各样的光源在空间中提供用户选择的光分布的漫射器。使用新的设计方法来设计漫射器，该设计方法有效地处理用户的输入或所需的光分布(诸如高斯或非高斯分布或工程形状，诸如产品徽标、图像、字母等)并定义漫射器前表面或透光表面的小面或微结构。这些小面按集合或单元来随机分布在该前表面，这些集合或单元与预定义光分布中的各个区域(或亮度水平)相关联，并且执行分配过程以设置每一集合中的小面数目以达到该集合或单元的亮度水平(例如，具有较高亮度水平的单元被分配成比例地高于亮度水平较低的单元的面数)。此外，分配给每一区域的小面(例如，分布的角范围)被随机定向以定向该区域内的光，而不仅仅定向在该区域的中心，以避免热点。
更具体地，提供了一种用于在空间中产生预定光分布的装置。该装置包括可操作以输出光的光源。该装置还包括具有基板的漫射器，该基板具有接收从光源输出的光的背表面和与该背表面相对的前表面，该前表面重定向并透射在该背表面上接收的光，以从该漫射器输出具有预定义光分布的漫射光。基板由透光材料(诸如“透明”聚碳酸酯、PET、玻璃、陶瓷等)形成。前表面被形成为包括多个小面，所述多个小面在光透射穿过所述前表面期间散射或重定向所述光，从而将光源提供的光进行漫射。该多个小面中的每一者被随机分配到多个集合中的一者，并且该多个集合中的每一者与预定义光分布的一区域相关联。
在一些实施例中，多个集合中的每一者中的每一小面都具有平坦面，该平坦面定向成将在背表面上接收到的光重定向到与多个集合中的、它们被分配到的一个集合相关联的预定义光分布区域内的方向。此外，预定义光分布的每一区域与角范围相关联，并且该区域内的方向被随机分配到每一小面(例如，一个集合的每一小面都不会将其光定向成完全相同的方向，同时仍会对光分布形状的该特定区域或区的亮度作出贡献)。在某些情况下，每一小面由漫射器前表面上的平坦面的坐标和该平坦面的法向量方向来定义。
在相同或其他实施例中，每一小面集合与定义预定义光分布的亮度单元相关联。基于分配给每一亮度单元的亮度值，选择分配给每一小面集合的小面数目(或可用小面的比例)。在某些情况下，预定义光分布是高斯分布，而在其他情况下，预定义光分布是线焦点、是工程形状、包括一个或多个字母、或包括一个或多个图像。光源可以是发光二极管(LED)光源、相干光源、灯丝光源、荧光光源或卤素光源。
在一些优选实施方式中，该装置还包括定位成接收输出漫射光的至少一个附加光学元件，并且该装置被适配成用作显示器、投影屏、影院或电影制作照明、汽车照明、室内或室外照明、或光固化单元。该装置的漫射器可经由挤塑工艺形成，或使用小面的紫外线(UV)或E束固化进行铸造和固化。
附图说明
图1是具有本描述的“小面”或多小面漫射器的装置(诸如微显示器、照明设备等)的示意图或功能框图；
图2是本描述的可被用于图1的装置中的示例性漫射器的横截面图；
图3是用于设计和生产本描述的如参考图1和2所呈现的光学漫射器之类的光学漫射器的系统的功能框图；
图4示出了由漫射器设计模块提供给图3的系统的用户的用户输入页或GUI的屏幕截图，其示出了每一亮度单元中的光线数量；
图5A和5B示出了头文件的内容的屏幕截图，其示出了由本描述的小面生成算法的操作所使用和/或创建的数据；
图6示出了绘制出用于所设计的漫射器(如图4-5B所示)的相对亮度与偏转角的图或标绘。
图7示出了显示从根据本描述来设计的漫射器(诸如图4-5B的漫射器)发射的光线的方向的图或标绘；
图8示出了可由本文所述的软件所生成的示例性亮度几何结构，并且包括亮度曲线的正交侧视图和该曲线的等轴测试图，其中所述曲线的值水平以灰度值示出；
图9是示出图8的亮度曲线的光线追踪的结果的图；
图10是由本文描述的软件所提供的示出了亮度单元的GUI的屏幕截图，其中各值与所设计的漫射器的高斯型光分布相关联；
图11示出了由本描述的设计模块所提供的GUI的屏幕截图，该GUI针对漫射器的特定亮度分布来示出了与每一亮度单元或集合相关联或分配给每一亮度单元或集合的小面的总数；
图12示出了可由本文所述的软件所生成的第二示例性亮度几何结构，并且包括亮度曲线的正交侧视图和该曲线的等轴测试图，其中所述曲线的值水平以灰度值示出；
图13是示出图12的亮度曲线的光线追踪的结果的图。
具体实施方式
简言之，本文描述的实施例涉及光学或光漫射器(或简称“漫射器”)，其被设计和制造为包括以单元或集合来布置的多个小面，其中平坦面或朝外表面具有匹配的取向和透射角(可由包含每个小面表面的平面的法线的方向余弦来定义)。本说明书还涉及一种设计或定义漫射器的小面的方法、制造漫射器的方法、以及包括或使用新漫射器的装置或产品(诸如微显示器、照明组件等)。本文所述的多小面漫射器或小面漫射器在光学上被设计成在单个方向或多个方向上产生用户指定的光分布。漫射器可以通过其前表面或外表面(光透射表面)上的小面的配置来进行工程设计，以产生几乎任何类型的光分布或形状，并且漫射器设计便于使用挤塑工艺以及其他制造技术(诸如铸造和固化方法(例如UV或E束技术))进行制造。
图1示出了利用本说明书的多小面漫射器设计的装置100。装置100包括可操作以产生光流115的光源110，光流115可以是几乎任何波长的并且当光源110是基于激光的光源时可以是相干的或者当光源110是灯丝光源、LED、电弧光源、光纤光源等时可以是非相干的。光源110的许多实现提供点或斑流115，使得当该装置是显示设备时，漫射是合需的，以在装置中提供在空间中分布以用于所需用途(诸如用于背光显示屏)的输出光140。
为此，装置100包括光学或光漫射器(或“小面”漫射器)120，其被布置在光源110和装置100的输出之间(诸如在光源110和可任选附加光学组件150之间)。漫射器120由半透明到透明材料(例如，50％到90％或更多透光材料)－诸如透明聚碳酸酯、PET等－的基板或主体(例如，薄膜或薄片)形成。漫射器120(或其主体/基板)具有背表面122，其可以是平坦的，面向光源110以用于接收来自光源的光流115，并且表面122可以被布置成与流115的定向轴或行进轴正交或另一取向。
此外且重要的是，漫射器120(或其主体/基板)包括与背表面122相对(且通常平行)的前表面124，其被用于散射和重定向穿过漫射器的光115以产生漫射输出光140。前表面124被形成为包括多个集合/单元126、127，每一集合/单元具有多个小面126、127。这可以通过小面的示例性的第一集合或单元126看到，每一集合或单元126在前表面124上的定义位置(例如，面/表面128的中心的X-Y坐标)具有平坦面/表面128。集合/单元126的每一小面被配置成具有特定取向和透射角130，这可以由包括面/表面128的平面的法线的方向余弦来定义。每一集合/单元126可以被适配或配置成以不同的方式散射或定向从前表面124透射的光，以提供漫射输出光140，使得光140在单个方向或多个方向上具有用户可指定的光140分布。
装置100还可以包括可任选附加光学组件150，以允许装置100实现不同的目的。例如，光学组件150可以是LCD或其他显示屏，使得光源110和漫射器120的组合用作具有漫射输出光140的屏幕/组件150的背光。在其他情况下，当装置100采用照明设备(例如，汽车前照灯、尾灯等)的形式时，光学组件150包括透镜和/或光学盖。在其他情况下，装置100可以采取LED照明、LCD/LED显示器、投影系统、标志/显示器、前投影屏幕、移动电话/智能手机、条形码扫描仪、检查系统、室外或室内照明、医疗仪器、光纤照明设备等的形式。
图2示出了本说明书的诸如可以用作图1的装置100的漫射器120的光学漫射器200的横截面和大幅放大视图。如图所示，漫射器200具有主体或基板204，主体或基板204具有背面或第一侧202，其如所示可以是平坦的。背面202被暴露于光源(图2中未示出，但从图1的光源110理解)的输出，使得其接收入射光220，该入射光220被示为由多条平行光线(或非漫射光)组成。主体/基板204由高度透光的材料形成，诸如透明聚碳酸酯、PET或其他塑料、玻璃、陶瓷等，其透光率可以是70％至90％或更高(并且可在本文中标记为“透明”，即使在透射光220时并非完全有效)。
入射光220透过后表面202被接收，并且基本上不受阻碍地传播，直到其到达漫射器200的前表面或第二表面206。前表面或第二表面206与后表面或第一表面202相对，并且其独特地形成为具有多个小面210，每一小面具有唯一地取向和角度(透射角)以散射从前表面206透射的光230以提供漫射光230。为了便于说明，针对每一小面210示出一条光线，但实际上，每一小面将接收并散射入射光220的多条光线。从漫射器200的简化版本中可以看出，小面具有不同的取向和透射角，这可由包含每一小面210的面/外表面的平面的法线的方向余弦来定义，以便在漫射出射光230中提供入射光220在单个方向或多个方向上的所需分布并具有所需光定形。
漫射器200通过包含小面210来实现漫射光230的透射，小面210的形状可以是矩形(例如正方形)并且在其面/外表面上基本上是平坦的，其尺寸(例如侧面)在6到350微米的范围内。小面210的更优选大小可以是12到100微米(沿一侧测量)，但是一些实施例可以使用更大或更小的小面。在一些实施例中，漫射器200的所有小面210可以具有匹配的大小和形状(例如，所有小面210可以是正方形，具有从12到30微米(或另一有用范围)范围内选择的相等边长)，而其他实施例可以使用不同大小的小面210(在一集合或单元内或者在不同集合/单元之间)。
如下文更详细地解释的，在设计和制造过程中，通过计算其法线的方向余弦并将其布置在关于前表面206的位置处以产生平行入射光220向所需方向的折射来定义每一小面210。许多这样的小面210(诸如数十万到几百万)将取决于小面210的大小和漫射器200的大小来被设计或计算，并且选择每一小面取向和透射角(或法线的方向余弦)以将光230引导到空间中用户指定的区域。漫射光230的这种可选分布允许用户在漫射光230照亮的空间或区域中投射图像或消息。
漫射器200的新设计的总体影响相当大且具有颠覆性，因为它允许以与传统漫射器相同或更低的成本制造高度工程化和精细化的漫射器。此外，在仿真中，漫射器200已显示出比传统漫射器具有更高的光透射效率，例如90％或更高，相比之下，一些传统漫射器的光透射效率小于50％。
图3是用于设计和生产本说明书的如参考图1和2所呈现的光学漫射器之类的光学漫射器的系统300的功能框图。如图所示，系统300包括工作站或计算系统310，操作员或设计者可使用该工作站或计算系统310来设计漫射器以提供用户指定的光分布。工作站310可以是用于执行本文所描述的功能的几乎任何计算系统，诸如台式机、膝上型设备、笔记本、平板、智能手机，等等。工作站310包括处理器312，处理器312处理或执行代码、指令和/或软件，以执行或提供本文描述的漫射器设计模块320的功能。具体而言，设计模块320使用小面定义算法322来生成用于漫射器的小面定义，以实现用户可选择的光分布。
处理器312还管理系统310的允许使用系统310的操作员或设计者输入数据并查看模块320呈现的信息的输入和输出(I/O)设备314(诸如监视器或显示器、键盘、鼠标、触摸屏或触摸板等)的操作。为此，模块320可以被配置成生成图形用户界面(GUI)316，该图形用户界面(GUI)316可以显示在I/O设备314中提供的系统310的监视器上，并且操作员可以与GUI316交互以提供由处理器312存储在系统310的存储器/数据存储350中的一组用户输入342。
用户输入342连同诸如漫射器正面或表面的大小和形状、用于形成漫射器的材料的透射率等其他信息一起被用作小面定义算法322的输入，以生成漫射器的设计文件350，该文件可由处理器312存储在存储器340中。然后该文件350作为输出如虚线箭头360所示地(例如，通过有线或无线通信)传递到漫射器制造系统370，诸如挤塑系统、铸造和固化系统等。系统370使用该输入文件来制造漫射器，其前表面或外表面具有满足该类型漫射器的设计文件350的要求的小面。
具体而言，每一设计文件350可包括包含小面形状354(诸如矩形、正方形等)、小面大小352(例如，对于正方形小面表面/面是12微米×12微米)和小面数目356的信息，这可以在用户输入342中提供，或者更常见地，由模块320基于小面大小352和漫射器的前表面或外表面的大小和形状来计算，以便用小面基本上覆盖该表面。此外，每一漫射器的设计文件350包括由小面设计算法322生成的小面定义358，并且这些可以包括每一小面的位置(例如，平坦面/表面的中心点的X-Y坐标)及其法线的方向余弦(或小面的面/平坦面的取向和透射角)。
发明人创建了计算机程序，以实现漫射器设计模块320及其小面定义算法322，并且该程序被适配成将设计者(或客户)对漫射器的设计作为输入。此外，该程序允许设计者编程和/或修改其设计，并执行它们以生成设计文件(例如，图3中的文件350)，该文件可被用于根据程序生成的设计(例如，具有漫射器前表面或外表面上的每一小面的定义)来制造漫射器。
在本说明书的此处，浏览该程序请求或使用什么输入(例如，图3中的用户输入342)来创建漫射器设计以及设计者/用户在一些示例性而非限制性实现中如何录入可以是有用的。在一个示例中，用户当在其计算设备上使用该程序时，录入表示两个角度中的每一角度的角位置的数据。第一角度沿X轴，而另一角度沿Y轴。(在其监视器或显示设备上的GUI等中)向用户呈现亮度单元，并且用户可针对每一单元录入所需的亮度值(诸如以一的分数或百分比)。对于之前设计的几个漫射器，该程序可能会有一些默认值或硬编码值，并且该程序可以使用这些值自动将这些值填充到亮度单元中，设计者/用户随后可以修改(或接受)它们。
每一单元代表一个复合角度，所设计的漫射器的小面将以该角度来瞄准光线。用户输入项可以是中心单元的分数，或所需方向的光线数。该程序可以基于单元大小和衍射基板(及其包含小面的外表面或前表面)的总体大小，自动计算从光源到每一单元的输入光线数。例如，小面的大小(默认设置或用户输入)可以是12微米正方形的面/表面，而漫射器的前表面或外表面/透射表面的面积(同样是默认或用户输入)可以是40000微米正方形，并且该程序将确定在该表面上可以提供并且需要定义总共11111111个小面。该程序会根据用户输入和可用小面总数来成比例地自动填充单元。图4示出了该程序向用户显示的用户输入页或GUI的屏幕截图400，该屏幕截图示出了由该程序放置在每一单元中的光线数量，以用于以用户指定的方式从漫射器的多小面前表面来分配来自光源的接收光。
该计算机程序被配置成获取用户设计信息，并生成将沿所需路径(与该程序分配给它们的单元相关联)折射光线的每一小面法线。值得注意的是，该程序还被配置成在设计的漫射器前表面或外表面上的随机位置生成小面。这允许根据设计的复制漫射基板的边缘接合在一起以形成更大的漫射器(例如，根据漫射器设计形成的1到N个漫射器可以按对接方式组装，以形成具有由每一子漫射器或基板的配置来定义的光分布的单个漫射器)。这一点对于本说明书非常重要且独特，因为小型小面阵列(一个用于小表面积漫射基板或漫射器的前表面)的模具成本可能相当昂贵。小面位置的随机性允许较小的漫射器/基板被阶梯化或重新组合，而不会在所制造的漫射器中产生在输出漫射光或输出光分布中明显的“跳跃”或接缝。
以下是可被用来实现该计算机程序的小面生成子例程(例如，图3的小面定义算法322)的代码段连同该代码的各部分的功能性和输出的叙述性描述：
Figure BDA0003510173670000101
Figure BDA0003510173670000111
Figure BDA0003510173670000121
这些计算中使用的数字和数据的详细信息可以输出到头文件，其可包括图5A和5B的屏幕截图500所示的数据，如漫射器设计者可以在其工作站上查看的。此头也放在供应商文件的顶部，以跟踪计算细节。最后输出文件是很长的文件，在该示例中其包含11111111个小面中的每一小面的方向余弦。该文件太长以致于附录在本说明书中是不实际的。然而，图6示出了绘制出所设计的漫射器(诸如图4-5B中的一个)的相对亮度与偏转角的图或标绘600，且图7示出了显示从根据本说明书设计的漫射器(诸如图4-5B中的漫射器)透射的光线方向的图或标绘700。在图7中，可以看到，X方向的总扩展为60度，而Y方向的总扩展为16度。
如从上述对漫射器设计模块及其相关联算法的讨论中将明白，发明人的想法可以使用生成数据文件的软件(和/或固件)来实现。漫射器设计者使用这些数据文件在漫射器表面上创建以所需方向和所需强度发送来自光源的入射光线的折射元件或小面，所需方向和所需强度这两者都可以通过对该软件的用户输入来进行用户选择。该软件被配置以便用户可以使用各种输入来定义最终输出(例如，具有所定义小面的漫射器设计文件)，并且这些可包括：(a)小面大小；(b)阵列大小(例如，可能与漫射器的前/透射表面相关联的最终总输出画布)；(c)小面和其上存在小面的膜这两者的折射率(或使用哪种透射材料以及膜厚度的指示)；(d)所需的光漫射角度(通常以度为单位)；(e)最终产品朝向(面向/背向光源)。
在定义了这些一般参数(通过输入或程序存储和/或访问的值)后，该程序提供用户界面，以允许用户使用基于“单元”的系统或办法来定义光源的亮度如何通过所定义的光漫射的角分布而被分布。在某些情况下，手动输入亮度值可能会让程序的用户感到乏味。为了解决这一潜在问题，发明人在该程序中添加了功能，允许输入包含每一单元的亮度信息的数据文件(例如，用户可以接受或修改的起始或默认亮度)。
在一个特定原型实现中，用于预填充各单元的数据文件是在3D软件(例如
Figure BDA0003510173670000131
)中生成的。图8示出了3D软件生成的示例性亮度几何结构，并且亮度可以通过顶点高度和灰度值来直观地指定。在图8中，表示810是亮度曲线的正交侧视图，而表示820是曲线的等轴测试图，其值水平用灰度值示出。总之，3D软件生成3D“亮度”曲线，曲线上的点随后被转换成软件可以读取并用作适当亮度值的格式。发明人还使用软件例程对所设计的漫射器进行光线追踪，其中图9示出了提供图8的亮度曲线810、820的光线追踪结果的图900。如从图900中可以看出的，随着光漫射角度向用户指定的设置增加，光线计数逐渐下降到零。
一旦生成亮度值文件(用户输入)并将其输入到软件/设计模块，该软件就对亮度单元进行归一化，诸如以使其最大亮度为1。这种亮度分布可以在图10所示的用户界面GUI1000的屏幕截图中看到，该屏幕截图包括单元图，显示了每一单元基于如图8所看到的“高斯”曲线的亮度值。每一单元代表基于最终所需分布角的特定度数范围。每一单元中的数字表示该特定度数范围的亮度值。例如，如果漫射器被设计成具有30度×30度的分布，并且有15个单元，则每一单元代表最终漫射光输出的2度×2度区域。请注意，在图10中，角单元包含零个小面，并且因此亮度为零，因为在该示例中的预期分布是椭圆形。
如果用户/设计者发现这些亮度值令人满意，他们可以指令该算法继续调整计算亮度值，以反映所设计的漫射器上可用小面的总数。最终计算过程将十进制数转换成整数(因为制作分数小面不太可能是实际的)。小面总数由小面大小(其可以是默认值，或由用户/设计者通过其用户输入从预定义范围中选择)和总体画布大小(或所设计的漫射器前/透射表面的大小)来确定。
图11示出了GUI的屏幕截图1100，该GUI提供了所设计漫射器的亮度分布，示出了与每一亮度单元或集合相关联的小面总数(例如，分配来在与该亮度单元相关联的方向和/或位置上分布光的小面数)。每一单元中包含的数字反映了将分配给该单元的指定度数范围的小面总数，并在制造时将被倾斜(或定向)以在该度数范围内的某个地方折射入射光(单元/集合中每一小面的面/表面具有法线的相同方向余弦)。
如果用户/设计者认为这些值令人满意，则该软件将通过向单元分配小面来继续执行算法。分配给一单元的每一小面其倾斜角度都被随机化了，同时仍落在该单元可接受的范围内，以允许光的平滑分布。然而，一些实施例可以使单个单元的所有小面指向该单元的直接中间角值，但是在某些情况下，这可能导致每一单元度范围的热点(这可能不适用于许多光分布应用)。此外，该算法被配置成使得跨漫射器的面/表面的小面分配是随机的，并且不由小面位置或单元角度确定。发明人已经证明，将小面随机分布到单元/集合与微观小面大小相组合可以产生如下漫射器：该漫射器以适当的方式折射通过漫射器透射的光，以实现特定分布，而不管来自光源的入射光在何处接触漫射器的后表面，并且因此不管其在何处接触漫射器的前表面或透射表面上的小面阵列。
一旦软件分配了单元/集合可用的所有小面，该软件就输出文本文件(漫射器设计文件)，其包含每一小面的X-Y坐标数据以及dX/dY/dZ倾斜(或取向)数据。然后，该文本文件可被用于制造具有表面的漫射器，该表面具有可在光学装置中提供的小面单元或集合，以提供来自光源的光的用户定义分布。例如，文本文件可被用于将平面阵列精密模具创建成母版(其可以是玻璃母版等)，并且该母版可被用于生长或形成垫片(例如，镍垫片等)。然后，垫片可被用于制造透明铸件，诸如通过使用UV固化液体，并且最终铸件(例如，漫射器)的质量与初始模具完全匹配，或至少以非常高的精度来匹配。因此，照射光线透过这些透明或半透明铸件会导致用户/设计者(诸如通过上图所示的单元GUI)向软件输入的初始亮度分布。
如将理解的，上述技术可被用于使用漫射器来生成光分布，以满足几乎任何用户的需求且不限于图8和图9所示的几何结构。作为一个示例，图12示出了3D软件生成的示例性亮度几何结构，并且亮度可以通过顶点高度和灰度值来被直观地指定。在图12中，表示1210是亮度曲线的正交侧视图，而表示1220是曲线的等轴测试图，其值水平用灰度值示出。输入曲线可有用于生成具有“环形”亮度下降的光分布。图13示出了提供图12的亮度曲线1210、1220的光线追踪结果的图1300。
在本说明书的此处，提供由用于设计漫射器的软件/计算机程序执行的算法的附加细节以及发明人解决和克服的一些数学挑战，可能是有用的。首先，发明人理解，当今的大多数漫射器是全息的，或者使用透镜结构。在本例中，目标是能够创建在软件中生成(定义)并且可以快速有效地加工的高斯和非高斯漫射器。另一目标是这些类型的漫射器的设计和制造将使其能够工作(例如，根据设计者的输入正确地漫射光)，而不管光源(例如LED、基于激光的光源等)的入射光以透射模式(以及在需要时反射)通过漫射器的区域，使得光源不必精确地对准漫射器的中心或在漫射器后面固定。如光学和光透射领域的技术人员将明白的，新漫射器的透射模式被证明是极具挑战性的。
为了创建具有此类目标的漫射器的新前/透射表面，发明人确定，结构或小面应随机化地位于前/透射表面上。将光定向到特定方向(例如，如上所述的度数范围)的小面集合或单元的随机位置非常有用，使得无论使用的是激光器还是LED灯，都会出现相同形状的光(或分布)(例如，新漫射器设计不需要特定的输入流)。这还需要结构的子集内(例如，在被分配以提供入射光的特定重定向的每一亮度单元或小面集合内)的随机结构。因此，可以制作较小的模具(或使用此类较小的模具制造漫射器)，并随后在分步重复的环境中组装，即使是通过重叠各结构，也不会在光源穿过结构时产生可见的光跳跃。基于小面的结构的可以即时地以任何角度编程的优势是巨大且出乎意料的。例如，根据本说明书进行漫射器设计的编程和加工是相对较快的。此外，新漫射器设计允许替换现有的全息型漫射器，并且无需拍摄或使用全息母版(其可能昂贵且难以制作)。
本发明的挑战和一个独特之处在于，解决这一问题的数学被发现是不寻常和非传统的。以下讨论描述了发明人提供的一些贡献(或成就)以及本文所述软件/计算机程序执行的算法背后的基本逻辑。通常，当曲面的法向量已知时，可以使用斯涅耳定律。在这种情况下，小面的平坦表面/面的法向量未知，无法找到光线到所需位置的折射。换言之，发明人必须在数学上重新编写斯涅耳定律，为起始光线提供折射表面，以找到将光线折射到所需位置的表面法线。
为了做到这一点，发明人以向量公式重写或修改了斯涅耳定律。这种重写要求两个向量的叉积形成第三向量，以命中光线的所需位置。在重写的数学中，两个向量之间的角度的正弦与叉积成正比。在发明人初始工作中，没有一个解决方案来创建可以作为软件(或其算法)的一部分来求解的一个(或多个)方程。在这种情况下，假设软件可以被配置成在没有确定解的情况下计算优化解，并且应该理解，本说明书包括使用这种优化解来寻找和定义每一小面的法向量的软件。
然而，通过发明人的重大努力，及时发现方程可以求解，并且由软件(或漫射器设计模块/程序)执行的算法的更优选实施例涉及以归一化格式创建叉积，其中两个向量之间的角度的正弦成比例。通过求解方程，可以将漫射器设计成包含大量(数十万到数百万)精心取向的小面，以高效地将光弯曲/引导成所需的任何形状或光分布(甚至是字母或符号)。重要的是，入射光不需要准直，它可以作为任何入射向量(甚至是入射光向量的平均值)被输入，并且仍然可以通过漫射器前/透射表面上的小面被折射/重定向到所需位置。在过去，对于大多数漫射系统来说，这即使不是不可能，也是极其困难的。
如上所述，为漫射器定义的小面可以在形状(例如，圆形、方形、矩形、六角形等)和大小上变化，在某些情况下，常见尺寸(例如矩形(在一些实施例中为正方形)的边)在约6到8μ到350μ或更大的范围内。定义了小面的大小、形状和数量(基于小面和漫射器前/透射表面的大小和形状)，小面定义算法使用对小面的随机选择来分配给亮度束/集合(其可能与总体定义的光分布的特定分布角范围相关联)，并且该算法还使用该单元及其分布角范围内(或预定区域内)的透射角的随机分配来避免热点(例如，并非每一或甚至任何小面都将对准预定区域的中心)。
光分布可以由用户输入来定义，以实现几乎任何所需的光分布，诸如用于创建线焦点或用于消除热点的工程设计漫射(诸如在不使用本发明的情况下使用LED灯作为光源时可能发生的热点)。此外，可以将光分布定义为诸如字母或图像之类的工程设计形状，并且定义小面以提供光分布，以在距漫射器的前/透射表面一定距离的空间中呈现这些形状。此外，用户输入可以定义来自光源的入射光流的方向和/或位置，并且该算法(或漫射器设计模块)可以被配置成操纵或响应入射光的方向，以解决漫射器需求，作为定义用于所需光分布的小面的一部分。该程序还可以被配置成通过(经由用户输入等)改变程序中材料的折射率(例如，由用户输入设置的一个参数可以是漫射器材料和/或用于形成漫射器的基板/膜的折射率)来提供操纵小面的能力。
新漫射器可与各种各样的光源，诸如LED、荧光灯、激光和卤素灯或光源，一起使用。在一个特定实现中，本文所述的具有光漫射器的装置是用LED光源实现的，并且被配置成用作LED照明固化单元或在LED照明固化单元中使用，用于印刷和转换行业的固化能量固化油墨和涂料的正确光分布。在其他实现中，该装置被用在投影屏中或用于提供投影屏。在其他情况下，该装置包括新漫射器，以提供影院照明或电影制作照明。在使用新漫射器的有用装置的其他示例中，本文所教导的装置可以采用所有类型的微显示器或屏幕(例如，LED屏)的形式(例如，用于PDA、TV、智能手机或蜂窝手机、垫、平板等或具有显示器或屏幕的其他电子设备的显示器或屏幕)。在其他用例中，新装置使用漫射器在汽车前照灯、尾灯和内饰中进行光漫射。其他装置可包括并使用新漫射器来用于室内和室外照明应用。
定义漫射器的小面的文件可被用于各种制造工艺(例如，创建模具)。例如，本文描述的软件所输出的设计文件可被用于在挤塑工艺中制造漫射器的方法，以及在小面的铸造和固化(UV或E束)固化中的制造方法。此外，由于使用本文所教导的随机选择，设计文件可被用作创建更大模具和无缝模具的方法的输入。
尽管本发明已经以一定程度的细节进行了描述和说明，但应理解，本公开仅是作为示例来作出，并且，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对部件的组合和布置进行多种改变，如所要求保护的。
例如，漫射器的光接收表面(例如，面向光源的背表面)可以被配置成包括小面，而前表面可以是平坦的。附图中未示出与上述相反的取向，但本领域技术人员将容易理解。
如上所述，漫射器及其小面通常将被配置成漫射不同波长的光。例如，小面可以被工程设计成提供白光的预定义光分布(光的特定散射或漫射)，以及提供用于各种应用的特定波长范围，诸如IR、较低波长等。在相同或其他示例中，可以对无触摸屏等进行设计编程。换言之，漫射器可被制作成在本文所教导的非常特定的波长下工作，并由本领域技术人员通过现成的扩展来理解。
在一些实施例中，漫射器被配置成金属化反射漫射器，并且在漫射器的平坦表面上提供反射金属的薄膜或层，并且来自光源的输出光在本文所述的光散射反射之前首先穿过包含小面的表面。本文所述的漫射器可如上所述通过多种方式制造，并且还包括通过模制玻璃和注塑塑料工艺来制造。

Claims (32)

1.一种用于在空间中产生预定义光分布的装置，包括：
能操作来输出光的光源；以及
具有基板的漫射器，所述基板具有接收从所述光源输出的光的背表面和与该背表面相对的前表面，所述前表面重定向并透射在所述背表面上接收的光，以从所述漫射器输出具有所述预定义光分布的漫射光，
其中所述基板由透光材料形成，
其中所述前表面包括提供所述光的漫射的多个小面，
其中，所述多个小面中的每一者被随机分配到多个集合中的一个，以及
其中所述多个集合中的每一集合与所述预定义光分布的一区域相关联。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个集合中的每一者中的每一小面都具有平坦面，所述平坦面被定向成将在所述背表面上接收到的光重定向到所述预定义光分布的与多个集合中的、它们被分配到的一个集合相关联的区域内的方向。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述预定义光分布的每一区域与角度范围相关联，并且其中所述区域内的方向被随机分配给每一小面。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每一小面由所述漫射器的前表面上的平坦面的坐标和所述平坦面的法向量方向来定义。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每一小面集合与定义所述预定义光分布的亮度单元相关联，并且其中分配给每一小面集合的多个小面是基于分配给每一亮度单元的亮度值来选择的。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预定义光分布是高斯分布。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预定义光分布是线焦点、是工程设计形状、包括一个或多个字母、或包括一个或多个图像。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源是发光二极管(LED)光源、红外(IR)、白光源、相干光源、灯丝光源、荧光光源或卤素光源。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括被定位成接收输出漫射光的至少一个附加光学元件，并且所述装置是显示器、投影屏、影院或电影制作照明、汽车照明、室内或室外照明、以及光固化单元之一。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述漫射器是通过挤塑工艺、使用所述小面的紫外(UV)或E束固化进行铸造和固化、模制玻璃工艺或注塑塑料工艺而形成。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每一小面都具有平坦面，该平坦面具有圆形、矩形、方形或六角形形状并且具有在6到350微米之间的最大外尺寸。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，每一小面被工程设计用于落在预定义范围内的特定波长的光。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，与所述特定波长相关联的光是白光、红外光或较低波长的光，并且其中所述装置是触摸屏或非触摸屏。
14.一种光学漫射器，包括：
由具有透光效率至少为50％的材料形成的主体；
所述主体上的平坦背表面，用于接收来自光源的输出光；以及
与所述主体上的平坦背表面相对的前表面，散射并透射在所述背表面上接收的输出光以提供具有预定义光分布的漫射光，
其中所述前表面包括多个小面，每一小面具有平坦面，该平坦面具有在6至350微米范围内的最大外尺寸，
其中所述多个小面中的每一者被随机分配到多个集合中的一个，
其中所述多个集合中的每一集合与所述预定义光分布的一区域相关联，
其中亮度值被分配给每一集合，以及
其中所述多个小面中的分配给每一集合的小面子集是基于该集合的亮度值来在数量上调整大小的。
15.根据权利要求14所述的光学漫射器，其特征在于，分配给每一集合的小面的每一平坦面被定向成将在所述背表面上接收到的光重定向在所述预定义光分布的与所述多个集合中的、它们被分配到的一个集合相关联的区域内的方向上，其中所述预定义光分布的每一区域与一角度范围相关联，并且其中所述区域内的方向被随机分配给每一小面的。
16.根据权利要求14所述的光学漫射器，其特征在于，每一小面由所述漫射器的前表面上的平坦面的坐标和所述平坦面的法向量方向来定义。
17.根据权利要求14所述的光学漫射器，其特征在于，所述预定义光分布是高斯分布。
18.根据权利要求14所述的光学漫射器，其特征在于，所述预定义光分布是线焦点、是工程设计形状、包括一个或多个字母、或包括一个或多个图像。
19.根据权利要求14所述的光学漫射器，其特征在于，所述漫射器是通过挤塑工艺、使用所述小面的紫外(UV)或E束固化进行铸造和固化、模制玻璃工艺或注塑塑料工艺而形成的。
20.一种制造漫射器以产生用户可选择的光分布的方法，包括：
定义漫射器的前表面的大小；
为所述漫射器定义小面的大小和形状；
基于所述前表面的大小和所述小面的大小，计算用于包含在所述前表面上的小面的数目；
接收或检索定义光分布的用户输入；
将所述光分布划分成多个单元，每一单元具有相关联的亮度值，以基于从光源输入所述漫射器的光来实现所述光分布；
基于相关联的亮度值，确定小面数目中的要包含在与所述多个单元中的每一单元相关联的集合中的子集；以及
将每一小面随机分配给所述集合中的一个集合，直到每一集合都具有所述小面数目的所确定的子集。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述多个单元中的每一单元提供所述光分布的角区域，并且其中所述方法还包括定义每一单元中每一小面的平坦面的法向量的方向，以将所述输入光引导到落在所述角区域内的方向。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，落在所述角区域内的方向被随机分配给指派到一个集合的小面内的每一小面。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述光分布是高斯分布、是线焦点、是工程设计形状、包括一个或多个字母、或包括一个或多个图像。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括创建输出设计文件，所述输出设计文件定义每一小面的平坦面的法线方向以及每一平坦面在所述前表面上的坐标，并且其中所述方法还包括使用所述输出设计文件来形成透明材料的基板的漫射器以包括所述前表面，所述前表面包括通过挤塑工艺、使用小面的紫外线(UV)或E束固化进行铸造和固化、模制玻璃工艺或注塑塑料工艺而形成的小面。
25.一种光学漫射器，包括：
由具有透光效率至少为50％的材料形成的主体；
背表面，用于接收来自光源的输出光并用于散射在所述背表面上接收的输出光以提供漫射光；以及
在所述主体上与所述主体上的背表面相对的平坦前表面，用于透射由所述背表面散射的输出光以作为具有预定义光分布的漫射光，
其中所述背表面包括多个小面，每一小面具有平坦面，该平坦面具有在6至350微米范围内的最大外尺寸，
其中所述多个小面中的每一者被随机分配到多个集合中的一个，
其中所述多个集合中的每一集合与所述预定义光分布的一区域相关联，以及
其中亮度值被分配给每一集合。
26.根据权利要求25所述的光学漫射器，其特征在于，所述多个小面中的分配给每一集合的子集是基于所述集合的亮度值在数量上调整大小的，其中分配给每一集合的小面的每一平坦面被定向成将在所述背表面上接收到的光重定向在所述预定义光分布的与所述多个集合中的分配给它们的一个集合相关联的区域内的方向上，其中所述预定义光分布的每一区域与一角范围相关联，并且其中所述区域内的方向被随机分配给每一小面。
27.根据权利要求25所述的光学漫射器，其特征在于，每一小面由所述漫射器的背表面上的平坦面的坐标和所述平坦面的法向量方向来定义。
28.根据权利要求25所述的光学漫射器，其特征在于，所述预定义光分布是高斯分布，并且其中所述漫射器是通过挤塑工艺、使用所述小面的紫外(UV)或E束固化进行铸造和固化、模制玻璃工艺或注塑塑料工艺而形成的。
29.根据权利要求25所述的光学漫射器，其特征在于，所述预定义光分布是线焦点、是工程设计形状、包括一个或多个字母、或包括一个或多个图像，并且其中所述漫射器是通过挤塑工艺、使用所述小面的紫外(UV)或E束固化进行铸造和固化、模制玻璃工艺或注塑塑料工艺而形成的。
30.一种光学漫射器，包括：
由具有透光效率至少为50％的材料形成的主体；
所述主体上的平坦背表面，所述平坦背表面上设置有反射金属膜或反射金属层，用于将来自光源的输出光反射回所述主体；以及
与所述主体上的平坦背表面相对的前表面，散射并透射从所述背表面反射的输出光以提供具有预定义光分布的漫射光，
其中所述前表面包括多个小面，每一小面具有平坦面，该平坦面具有在6至350微米范围内的最大外尺寸，
其中所述多个小面中的每一者被随机分配到多个集合中的一个，
其中所述多个集合中的每一集合与所述预定义光分布的一区域相关联，
其中亮度值被分配给每一集合，以及
其中所述多个小面中的分配给每一集合的小面子集是基于该集合的亮度值来在数量上调整大小的。
31.根据权利要求30所述的光学漫射器，其特征在于，分配给每一集合的小面的每一平坦面被定向成将在所述背表面上接收到的光重定向在所述预定义光分布的与所述多个集合中的、它们被分配到的一个集合相关联的区域内的方向上，其中所述预定义光分布的每一区域与一角范围相关联，并且其中所述区域内的方向被随机分配给每一小面。
32.根据权利要求31所述的光学漫射器，其特征在于，每一小面由所述漫射器的前表面上的平坦面的坐标和所述平坦面的法向量方向来定义。
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