CN117120880A - 组合多小面表面和透镜覆盖表面以提供特定光分布的漫射器 - Google Patents

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(如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区域或部分。还提供了一种设计或定义漫射器的小面的方法，作为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。漫射器被光学设计为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压工艺以及其他制造技术进行制造。

Description

组合多小面表面和透镜覆盖表面以提供特定光分布的漫射器

对相关申请的引用

本申请要求于2021年2月25日提交的美国专利申请第17/185,680号的权益，美国专利申请第17/185,680号是于2021年1月8日提交的美国专利申请第17/144,504号的部分继续申请(CIP)，美国专利申请第17/144,504号是于2020年6月5日提交的美国专利申请第16/894,4895号的分案，美国专利申请第16/894,4895号要求于2019年7月31日提交的美国临时专利申请第62,880,776号的优先权，所有这些申请通过引用以其整体并入本文。

背景技术

1.技术领域

本说明书总体上涉及光透射、投影，以及光透射和投影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小面(或微结构或透镜)在空间中产生特定或预定义的光分布，从而将光瞄准所期望的方向。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”)漫射或散射光从而以所期望的方式(诸如软化光或将光扩散开)透射光使光看起来不是来自点光源的需求持续很大。由于越来越多地依赖诸如LED、激光器等源作为光源，并且由于需求，未来几年对漫射光或软光的需求将可能增长。

微显示器(诸如智能电话、紧凑型计算和游戏设备等中的那些)中使用的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、灰玻璃等)形成的漫射器。传统的漫射器是使用光散射材料制成的，该材料产生光在所有方向和角度上的分布。这些类型的漫射器包括由蛋白石或乳白玻璃形成的漫射器，并且还可以包括由磨砂玻璃和喷砂玻璃形成的散射器，以创建随机表面来散射穿过漫射器的透射光。虽然这些漫射器对于软化来自光源的相干或非相干光有用，但它们不提供对角度光分布或透射的控制，并且光透射的效率往往相对较低，因为这些漫射器通常产生全内反射(TER)。

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的问题。这些替代设计的漫射器在平滑和均匀化源方面已经相对成功，同时在其他应用中也提供均匀的光，诸如用于液晶显示器(LCD)背光、LED显示器、机器视觉、汽车照明、观看屏幕等。这种漫射器可以通过透明材料中的横截面形状的规则化来制造，以主要在给定的XZ或YZ平面中分布光，但是在其他情况下，在漫射器中使用简单的透镜状设计。其他更复杂的漫射器(其可以被称为光整形漫射器)可以使用衍射光学元件(DOE)，并且可以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)、提供光束整形、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，但即使使用这些更复杂的光学漫射器也仍然存在一些问题。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压(挤压是优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，通常在比挤压更昂贵的紫外线(UV)铸造和固化环境或工艺中制造全息漫射器。全息漫射器的另一个问题是，由于结构非常小(例如，小于5微米)，它们对灰尘、来自用户手上的油等特别敏感，这可能会使它们变得无用，或者至少在期望的散射中效率较低且效果较差。

仍然需要解决现有漫射器的这些和其他问题的新的光或光学漫射器。对于大多数情况而言，漫射器设计得不好并且通过浪费光(例如，低的光透射效率)和不适当地漫射光而以相当粗糙和低效的方式操作，这可能会留下热点。这在LED漫射器和LED照明方面尤其如此。由于LED往往会提供非常亮的“光斑”或光点，因此它们很难漫射，并可能在漫射器表面上创建非常热的区域或光斑。然而，在其他情况下，LED漫射器提供的漫射是如此“重”，以至于它阻挡了大部分或大量的光，并且这种低的光透射效率在许多应用中是不期望的，诸如在显示器背光中的使用。由于与LED光源相关联的能源效率和总体生产成本，许多人预计LED照明将几乎占据照明市场，并且非常期望在不久的将来解决与散射LED照明相关联的问题。

发明内容

简言之，本文描述了用于从各种各样的光源(包括LED光源和相干光源)在空间中提供用户选择的光分布而没有热点的漫射器。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期望的光分布(诸如高斯或非高斯分布或经工程设计的形状，诸如产品徽标、图像、字母等)并定义漫射器前表面或光透射表面的小面或微结构。这些小面按集合或单元跨该前表面随机分布，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，并且分配过程被执行来设置每一集合中的小面数量以达到该集合或单元的亮度水平(例如，相比具有较低亮度水平的单元，对具有较高亮度水平的单元分配按比例更高数量的小面)。此外，分配给每一区域(例如，该分布的角度范围)的小面被随机定向以在该区域内定向光，而不仅仅在该区域的中心，以避免热点。

更具体地，提供了一种用于在空间中产生预定义光分布的装置。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后表面和与该后表面相对的前表面，该前表面重定向并透射在该后表面上接收的光，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，该多个小面在光透射穿过前表面期间散射或重定向所述光，从而对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区域相关联。

在一些实施例中，多个集合中的每一者中的小面中的每一者具有平坦面，该平坦面被取向成：将在后表面上接收的光重定向到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。此外，预定义光分布的区域中的每一者与角度范围相关联，并且该区域内的方向被随机分配给小面中的每一者(例如，集合的各个小面不会将其光定向成完全相同的方向，但仍会对光分布形状的该特定区域或区的亮度作出贡献)。在一些情况下，小面中的每一者由漫射器的前表面上的平坦面的坐标和由平坦面的法向量方向来定义。

在相同或其他实施例中，小面的集合中的每一者与定义预定义光分布的亮度单元相关联。基于分配给亮度单元中的每一者的亮度值来选择分配给小面的集合中的每一者的小面(或可用小面的部分)的数量。在某些情况下，预定义光分布是高斯分布，而在其他情况下，预定义光分布是线聚焦，是经工程设计的形状，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)源、相干光源、灯丝光源、荧光光源或卤素光源。

在一些优选实现方式中，该装置进一步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、剧院或电影制作照明、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压工艺、注塑模制、或使用小面的紫外线(UV)或E束固化进行铸造和固化而形成。

附图说明

图1是本说明书的利用“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是本说明书的诸如可被用于图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说明书的诸如参考图1和图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和图5B示出了头文件的内容的屏幕截图，其示出了由本说明书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(诸如图4-图5B的漫射器)的相对亮度与偏转角的关系的图或标绘；

图7示出了显示从根据本说明书来设计的漫射器(诸如图4-图5B的漫射器)透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生成的示例性亮度几何结构，并且包括亮度曲线的正交投影侧视图和该曲线的等距视图，其中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提供的显示了亮度单元的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示出了由本说明书的设计模块提供的GUI的屏幕截图，该GUI针对漫射器的特定亮度分布显示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投影侧视图和该曲线的等距视图，其中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；

图14是与图1和图2所示的装置类似的装置的简化端视图，但包括漫射器的基板或主体的光接收或后表面上的多个透镜；

图15是图14的装置的一部分的放大图，示出了行进穿过漫射器的光；

图16是与图14所示的装置类似的装置的简化端视图，不同之处在于，漫射器以漫射器的多小面表面和透镜覆盖表面取向，该多小面表面用作光接收表面，该透镜覆盖表面用作漫射器的前表面或光透射表面；

图17是图16的装置的一部分的放大图，示出了行进穿过漫射器的光；

图18是被设计用于为光源提供所期望的光分布的、与图14-图17中所示的装置类似的装置的侧视图；以及

图19是由本说明书的漫射器(诸如图14-图18所示的漫射器)的一小部分提供的漫射的光线追踪。

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(如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)。本文描述的多小面漫射器或小面漫射器在光学上被设计为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它们使用挤压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示出了本说明书的利用多小面漫射器设计的装置100。装置100包括光源110，光源110可操作以产生光流115，该光流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为灯丝源、LED、电弧源、光纤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，使得漫射是期望的以在装置100中提供在空间中分布以用于所期望用途(诸如当装置100是显示设备时用于使显示屏150背光)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，其设置在光源110与装置100的输出之间(诸如在光源110与任选附加光学组件150之间)。漫射器120由诸如透明聚碳酸酯、PET等半透明到透明的材料(例如，50％到90％或更高百分比的透光材料)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)具有后表面122，后表面122可以是平坦的，面向光源110，用于接收来自光源110的光流115，并且表面122可以被布置为与流115的方向轴或行进轴正交或相对于该方向轴或行进轴处于另一取向。

此外且重要的是，漫射器120(或其主体/基板)包括与后表面122相对(且通常平行)的前表面124，其用于散射和重定向穿过漫射器120的光115以产生漫射输出光140。前表面124形成为包括多个集合/单元126、127，每个集合/单元具有多个小面。这可以通过示例性的第一小面集合或单元126看出，每个小面在前表面124上的限定位置(例如，面/表面128的中心的X-Y坐标129)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。每个集合/单元126可以适于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的分布。

装置100可以进一步包括任选附加光学组件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的组合利用漫射输出光140充当屏/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可以采用LED照明、LCD/LED显示器、投影系统、指示牌/显示器、前投影屏幕、移动电话/智能电话、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(并且在本文中可标记为“透明”，即使在透射光220时并非完全高效)。

入射光220透过后表面202被接收，并且基本上不受阻碍地行进，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，每一小面具有独特取向和成角度(以透射角)的面以散射从前表面206透射的光230从而提供漫射光230。为了便于说明，针对每一小面210示出一条光线，但在实践中，每一小面将接收并散射入射光220的多条光线。如从漫射器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，以便在单个方向或多个方向上的漫射出射光230中提供入射光220的期望分布并具有期望的光整形。

漫射器200通过包括小的小面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，边)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的形状可以是正方形，具有从12到30微米范围(或另一有用范围)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，在设计和制造工艺期间，通过计算小面210的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向期望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定向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高得多的光透射效率，诸如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诸如参考图1和图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可以是对于执行本文所描述的功能有用的几乎任何计算系统，诸如台式机、膝上型设备、笔记本、平板、智能电话，等等。工作站310包括(多个)处理器312，该(多个)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的定义，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，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GUI 316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。

小面定义算法322使用用户输入342连同其他信息(诸如漫射器正面或前表面的大小和形状、用于形成漫射器的材料的透射率等)作为输入，以针对漫射器生成设计文件350，该设计文件可由处理器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，诸如挤压系统、铸造和固化系统等。

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)和小面数量356的信息，小面数量356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/平坦表面的取向和透射角)。

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。

就本说明书中的这一点而言，在一些示例性而非限制性实现中，检查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/用户可以如何录入该输入可以是有用的。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期望的亮度值(诸如以一的分数或百分比)。对于之前已设计的几个漫射器，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以自动地用这些值填充亮度单元，设计者/用户随后可以修改(或接受)这些值。

每一单元表示复合角度，所设计的漫射器的小面将以该复合角度来瞄准光线。用户输入条目可以是相对于中心单元的分数，或所期望方向的光线数。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)的总体大小来自动计算从源到每一单元的输入光线的数量。例如，小面可以(通过默认设置或用户输入)被尺寸设置为具有12微米正方形的面/表面，而漫射器(同样通过默认或用户输入)被定义为在其前表面或外表面/透射表面上具有40000微米正方形面积，并且该程序将确定可以在该表面上提供并且需要定义总共11111111个小面。该程序，与用户输入和可用小面总数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分配来自源的接收光。

该计算机程序被配置成获取用户设计信息，并生成将沿期望路径(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，该程序被进一步配置成使得在设计中的漫射器的前表面或外表面上的随机位置处生成小面。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个漫射器可以按邻接方式组装，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(小表面积漫射基板或漫射器的前表面具有一个)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创建在输出漫射光或输出光分布中将显而易见的“跳跃”或接缝。

以下是可用于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和输出的叙述性描述：

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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和图5B的屏幕截图500中所示的数据，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。最终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在本说明书中是不实际的。然而，图6示出了绘制出针对所设计的漫射器(诸如图4-图5B的漫射器)的相对亮度与偏转角的关系的图或标绘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-图5B的漫射器)透射的光线的方向的图或标绘700。在图7中，可以看到，X方向的总扩散为60度，而Y方向的总扩散为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理解，发明人的构思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折射元件或小面，该折射元件或小面以期望方向和期望强度发送来自(多个)光源的入射光线，期望方向和期望强度这两者都可以经由对该软件的用户输入来进行用户选择。该软件被配置使得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(或对使用哪种透射材料以及膜厚度的指示)；(d)期望的光漫射角度(通常以度为单位)；以及(e)最终产品面向方向(面向/背向光源)。

在(通过输入或程序存储和/或访问的值)定义了这些一般参数后，该程序提供用户界面，以允许用户使用基于“单元”的系统或方法来定义光源的亮度如何通过光漫射的所定义的角度分布而被分布。在一些情况下，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，该功能允许输入包含针对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，用于预填充单元的数据文件是在3D软件(例如，)中生成的。图8示出了可以由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8中，表示810是亮度曲线的正交投影侧视图，而表示820是曲线的等距视图，其中值水平用灰度值示出。总之，3D软件生成3D“亮度”曲线，其中沿曲线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。发明人进一步采用软件例程对所设计的漫射器执行光线追踪，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，光线计数缓和地下降到零。

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，该单元图显示了每一单元基于如图8中所看到的“高斯”曲线的亮度值。每一单元表示基于最终期望分布角的特定度数范围。每一单元内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，并且存在15个单元，则每一单元表示最终漫射光输出的2度×2度区域。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的形状是椭圆形。

如果用户/设计者发现这些亮度值令人满意，则他们可以指令该算法继续调整计算亮度值，以反映正在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/设计者经由其用户输入从预定义范围中选择)和总体画布大小(或正在设计的漫射器前/透射表面的大小)来确定。

图11示出了GUI的屏幕截图1100，该GUI提供了设计中的漫射器的亮度分布，示出了与每一亮度单元或集合相关联的小面总数(例如，被分配以用于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的总数，并在制造时将被倾斜(或取向)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。分配给单元的每一小面的倾斜角度都被随机化了，同时仍落在针对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度值，但是在一些情况下，这可能导致每一单元度数范围的热点(这对许多光分布应用而言是不合适的)。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，该文本文件可用于制造在制造漫射器时使用的抗蚀剂或工具，该漫射器的表面具有这样的小面单元或集合：其可在光学装置中被提供以提供来自光源的用户定义的光分布。例如，文本文件可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，垫片可用于制造透明铸件，诸如通过使用UV固化流体，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匹配。因此，透过这些透明或半透明铸件照射光会导致用户/设计者(诸如经由以上所示的单元GUI)向软件输入初始亮度分布。

如将理解的，上述技术可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示出了可以由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是亮度曲线的正交投影侧视图，而表示1220是曲线的等距视图，其中值水平用灰度值示出。输入曲线对于生成具有“环形”亮度下降的光分布有用。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。

就本说明书中的这一点而言，提供由用于设计漫射器的软件/计算机程序执行的(多个)算法以及发明人所解决和克服的一些数学挑战的附加细节可以是有用的。首先，发明人理解，当今的大多数漫射器是全息的，或者利用透镜结构。在该情况下，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会被设计和制造使得其能够起作用(例如，根据设计者的输入正确地漫射光)，而不管来自光源(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，使得光源不必准确地与漫射器的中心对准或固定在漫射器后面。如光学和光透射领域的技术人员将理解的，新漫射器的透射模式被证明是极具挑战性的。

为了创建将此类目标纳入考虑的漫射器的新前/透射表面，发明人确定，结构或小面应随机化它们在前/透射表面上的位置。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化的位置是有用的，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(其可能昂贵且难以创建)。

本发明的挑战和一个独特方面在于，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，当表面的法向量已知时，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，无法找到光线到期望位置的折射。换言之，发明人必须在数学上重新编写斯涅耳定律，从而为起始光线提供折射表面，以找到将光线折射到期望位置的表面法线。

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，以命中光线的期望位置。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。在发明人的初始工作中，似乎可能没有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(多个)方程可以被求解，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)仔细取向的小面，以高效地将光弯曲/定向成所期望的任何形状或光分布(甚至是字母或符号)。重要的是，入射光不需要被准直，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/重定向到期望位置。在过去，对于大多数漫射系统来说，已经证明这即使不是不可能，也是极其困难的。

如上所述，针对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，常见尺寸(诸如矩形(在一些实施例中为正方形)的边)在约6到8μ到1000μ或一些情况下更大的范围内。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)，并且该算法进一步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，以实现几乎任何期望的光分布，诸如用于创建线聚焦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经工程设计的形状，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，以求解漫射器需要的解来作为用于期望光分布的小面的定义的一部分。该程序可以进一步被配置成通过(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集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一起使用，诸如LED、荧光灯、激光和卤素照明或光源。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，以提供剧院照明或电影制作照明。在具有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、智能电话或蜂窝电话、计算设备(诸如平板、平板计算机等)或具有显示器或屏幕的其他电子设备的显示器或屏幕)。在又其他用例中，新装置使用漫射器在汽车前照灯、尾灯和内部进行光漫射。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，用于创建模具)。例如，本文描述的软件所输出的设计文件可用于在挤压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所处理的随机选择，设计文件可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，面向光源的后表面)可以被配置成包括小面，而前表面可以是平坦的。这种相较于上述取向相反的取向虽然在附图中未示出，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用于漫射各种波长的光。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光金属的薄膜或层，并且来自光源的输出光在本文所述的带光散射的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，并且进一步包括经由模制玻璃和注塑塑料工艺来制造。

在一些实施例中，漫射器(如图1的漫射器120或图2的漫射器200)被设计和制造为在漫射器的“后表面”或与“前”或包含小面的表面相对的表面上包括多个透镜。如上所述，漫射器的基板或主体的包含小面的表面可以是漫射器的光透射表面，或者可以是漫射器的光接收表面，其中任何一种布置在具有多小面漫射器的装置(诸如图1的装置100)中都是有用的。例如，漫射器120的后表面122包括多个透镜或者漫射器200的后表面202包括多个透镜可能是有用的。这些透镜可用于在一个或多个轴上允许或创建更宽的漫射光分布(图1中的光140或图2中的光230)，这在某些应用中可能是非常期望的。

图14是类似于图1和图2所示装置的装置1400的简化端视图，但包括漫射器1410的基板或主体1411的光接收或后表面1414上的多个透镜1415。图15是图14的装置1400的一部分的放大图1550，示出了行进穿过漫射器1410的光。在该示例性装置1400中，提供了光源1420，该光源1420包括多个LED 1422以产生入射光(或(多个)源光流)1560，该入射光被定向到基板1411的背面或透镜覆盖表面1414上。在装置1400的其他实现中，光源1420的不同配置可以如上所述被利用以提供准直或非准直光1560。

如图所示，该装置1400中的光接收表面1414被制造为包括多个透镜1415，这些透镜用于接收并聚焦或整形入射光1560，然后入射光1560如箭头1565所示透射穿过基板或漫射器主体1410并到光透射或“前”表面1412上。如上面详细讨论的，小面1413被配置为通过使用特别配置的小面1413单元或集合来漫射光，如出射漫射光1570所示。透镜1415通常将由与小面1413和基板1410相同的材料形成，并且通常以与小面1413相同或相似的方式形成。

透镜1415可以采用各种各样的形状来实践装置1400，其中圆形透镜作为一个有用但非限制性示例示出。在其他情况下，透镜(旨在包括几乎任何光学结构)1415可以是正方形、六边形、椭圆形、棱锥状、透镜状(Lenticular)或任何其他有用的配置，以获得期望量的光整形(例如，在一个或多个轴上实现漫射光1570的期望的更宽分布)。如图所示，透镜1415的大小和数量被选择为与小面1413的大小和数量相似(例如，透镜的数量和/或外部尺寸可以与小面的数量和/或外部尺寸匹配，或在小面数量的正负10％至20％的范围内)，但这不是实现装置1400的必要条件。透镜状透镜(当用于透镜1415时)通常会在15微米(弦宽)至约500微米的范围内，并且其他类型的透镜1415和光学元件1413通常会具有相似的尺寸(或大小)，在一些情况下元件/小面1413和透镜1415优选地在15微米至约100微米的范围内。

图16是类似于图14中所示装置并使用与漫射器1410相同配置的装置1600的简化端视图。然而，在装置1600中，漫射器1410藉由漫射器1410的多小面表面1412(或基板1411的具有小面1413的表面)进行取向，该多小面表面1412(或基板1411的具有小面1413的表面)用作光接收表面。在装置1600中，透镜覆盖表面1414(或基板1411的具有透镜1415的表面)用作漫射器1410的前表面或光透射表面。

图17是图16的装置1600的一部分的放大图1750，示出了行进穿过漫射器1410的光。特别地，来自LED 1422的入射光1560首先入射到小面1413上，并且如箭头1765所示漫射并透射穿过主体或基板1411。该光1765随后以期望量的整形或聚焦穿过透镜1415，作为出射漫射光1770。

在本说明书的这一点上，对使用体素作为具有小面的光准直和整形元件的新漫射器设计的使用提供简要回顾或概述可能是有用的。然后，说明书将转向在发明人发起的一个漫射器设计和制造项目期间所学到的概念或经验教训的简短概述。

在光管理中，尤其是在诸如LED之类的点光源的情况下，有时期望以不同的方式对光进行整形，并且还使光准直，并增加或降低目标的亮度。例如，提供体素的小面可以设置在照明元件下方的不同水平处(在基板的顶部或基板的底部)。这些小面可以被随机分组和选择，并且非常小的区域(例如，小于1mm²)可以包含数个聚焦小面，从而在不同水平处创建体素。换言之，照射穿过小面的一个激光在体素中可以具有3个或更多个焦距。

体素在相交处创建光点，随后以所期望的锥角扩散到期望区域。随着体素在光学元件下方创建得更深(焦距更长)，所得锥角变得更窄，从而导致一些准直或更窄的角度。焦距或体素可以用更高数量的小面进行加权，以便增加所得锥角的亮度水平。通过这样做，可以在以下工作示例中根据目标来对照明进行整形。显然，这些小面集合被随机化在一起，并且该装置在没有必要配准到LED或照明的情况下执行相同的操作。然而，通过配准小面，可以根据特定应用的需要或期望来实现更准确的分布。

体素的焦距可以是从几微米到几英尺。小面可以具有各种大小，诸如从约15微米到约5000微米。小面可以在基板的顶部或底部，或者两者都有，并且小面可以被挤压压花、注塑或铸造并固化在漫射器基板上。

示例性漫射器设计项目最初涉及创建两个独特的漫射表面，这两个表面的特征是来自基于LED的光源的两种不同的光分布。然而，确定的是，高度特定的光分布只能通过将小面阵列配准到特定的LED源位置来实现。此外，后来的数据示出了对称、规则的角度分布。在具有该新的光度数据、并且发明人理解优选地具有不需要配准的系统或装置的情况下，发明人确定期望一种新的方法。

照明装置/系统的实验和分析表明，基础照明设备或光源包括具有120°LED的LED板或光源，该LED具有离轴聚焦，并且现有的漫射元件是主要聚焦/准直(例如，到漫射元件下方约10mm的点)的“聚焦”菲涅耳透镜阵列。然后光线交叉，以形成约60度的锥角。所产生的漫射光具有一定的分布形状，该分布形状确实使照明设备顶部的光稍微准直，从而使光远离壁整形并减少眩光。然而，当前或原始照明装置设计的局限性包括：它不允许在Z轴上对不同层进行“加权”，也不允许在目标底部实现所期望的目标“平坦度”。

图18是被设计用于为光源1810(在该非限制性示例中是LED板)提供所期望的光分布的、类似于图14-图17中所示装置的装置1800的侧视图。如图所示，装置1800包括多个LED形式的光源1810，其输出120°光分布1814。该光1814由漫射器1820接收，漫射器1820被配置为将透镜(诸如在面向LED板1810的背面或光接收表面上)与多个小面(诸如在背向LED板1810的正面或光透射表面上)的使用相结合。漫射器1820可以采用上面参考图14和图15描述的形式(或者，在某些情况下，可以采用上面参照图16和图17描述的形式)。

使用具有如本文所教导的透镜和小面的该漫射器1820，允许装置1800进行操作以实现期望的目标角度分布，并提供对输出曲线的改进(与上述菲涅耳透镜漫射器相比时)。漫射器1820的新小面阵列设计与由漫射器1820的透镜提供的聚焦方法相组合，获得大约120°LED输出1814，并以所期望的方式将其重定向，如用高度受控的角度分布1840所示。从漫射器1820发射的光线在离漫射器表面一距离的点处相交，如用交叉水平1830所示，以形成体素，从而产生经工程设计的分布角。

图19示出了由本说明书的漫射器1910(诸如图14-图18所示的漫射器)的一小部分提供的漫射的光线追踪1900。如图所示，来自漫射器1910的漫射或输出光1914具有多个交叉点，以提供与漫射器1910的光透射表面间隔一距离的相同数量的体素(例如，1到3个或更多个)。在一些实施例中，向设计系统的用户提供更高级别的控制(例如，经由对设计优化模块的输入)，以智能地或选择性地将多个交叉点1918放置在离漫射器1910期望的距离处。

以这种方式，交叉点1918中的每一者可以通过在照明设备或光源(未示出，但至少从图18中可以理解)下方(或距其一距离)创建多个体素焦点来以独特的、用户可控的角度分布和小面计数为特征。“体素”方法在许多情况下用于限制照明装置1900产生的眩光量。在该示例中，光源包括提供入射120度输入或光流的LED。漫射器1910的小面被混合和随机化，使得在任何给定区域(例如，几平方毫米等)中，小面在每个光线追踪1900的不同水平上创建多个体素或焦点1918。如上所述，体素1918中的每一者可以由漫射器设计者根据需要进行加权，以改变每个得到的锥角的亮度(例如，其可以设置为45度、60度和90度，或者任何其他期望的锥角，并且这些对于三个体素1918中的每一者可以相同或不同)。

在照明装置1900中，示出了三个体素1918，但是可以提供一个、两个、三个、四个或更多个体素来创建一个、两个、三个或更多个层，每个层具有一个、两个或更多个体素1918以实现期望的漫射器。创建这些体素的漫射器1910中的小面集合的宽度可以是小于0.5mm并且重复的图案，或者若干小面的大小可以高达1cm或更大。继而，所有这些图案集都可以随机化，从而创建向量而不是体素，以获得相同的光分布结果。小面本身可以在定位上随机化，也可以不随机化，以便避免不想要的图案化。

在许多应用中，诸如针对图19所示的照明装置1900中的体素1918，得到的锥角是不同的。例如，随着体素1918变得更深(例如，离漫射器1910的光透射表面更远)，所得到的锥角更窄，从而允许在中心有更多的光(例如，在该三体素示例设备1900中，对于最近体素1918为90度，对于中间体素1918为60度，且对于最远或最深体素1918为45度)。此外，请注意，这项技术可以用作准直器，而不仅仅是漫射器。此外，折射光的小面可以被加权，使得更多的光被导向所选择的锥角(其中，更大的权重导致漫射器1910的更多小面被分配给该特定体素1918)。

Claims (33)

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所述光的后表面和与所述后表面相对的前表面，所述前表面重定向并透射在所述后表面上接收的所述光，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，

其中所述后表面包括将在所述后表面上接收的所述光聚焦到所述前表面上的多个透镜，

其中所述前表面包括提供所述光的所述漫射的多个小面，并且

其中所述多个集合中的每一者与所述预定义光分布的区域相关联。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个小面中的每一者被随机分配到多个集合中的一个集合，并且其中所述多个集合中的每一者中的所述小面中的每一者具有平坦面，所述平坦面被取向为将在所述后表面上接收的所述光重定向到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。

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所述区域中的每一者与角度范围相关联，并且其中所述区域内的所述方向被随机分配给所述小面中的每一者。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述小面中的每一者由所述漫射器的所述前表面上的所述平坦面的坐标和由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，所述小面的所述集合中的每一者与定义所述预定义光分布的亮度单元相关联，并且其中分配给所述小面的所述集合中的每一者的所述小面的数量是基于分配给所述亮度单元中的每一者的亮度值来选择的。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源是发光二极管(LED)源、红外(IR)源、白光源、相干光源、灯丝光源、荧光光源或卤素光源。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：被定位成接收所述输出漫射光的至少一个附加光学元件，并且其中所述装置是显示器、投影屏、剧院或电影制作照明、汽车照明、室内或室外照明、以及光固化单元中的一者。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述小面中的每一者都具有平坦面，所述平坦面具有圆形、矩形、正方形或六边形形状并且具有在6到1000微米范围内的最大外尺寸。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透镜中的每一者具有在6到1000微米范围内的最大外尺寸。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透镜中的每一者具有透镜状、正方形、圆形、六边形、椭圆形或棱锥状形状。

11.一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所述光的后表面和与所述后表面相对的前表面，所述前表面透射在所述后表面上接收的所述光，作为来自所述漫射器的具有所述预定义光分布的漫射光，

其中所述后表面包括漫射所述光的多个小面，其中所述前表面包括多个透镜，所述多个透镜将在所述后表面上接收的所述光整形到所述前表面上以产生所述漫射光，

其中所述多个集合中的每一者与所述预定义光分布的区域相关联。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，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集合，并且其中所述多个集合中的每一者中的所述小面中的每一者具有平坦面，所述平坦面被取向为将在所述后表面上接收的所述光重定向到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。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述预定义光分布的所述区域中的每一者与角度范围相关联，并且其中所述区域内的所述方向被随机分配给所述小面中的每一者。

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述小面中的每一者由所述漫射器的所述前表面上的所述平坦面的坐标和由所述平坦面的法向量方向来定义。

15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述小面的所述集合中的每一者与定义所述预定义光分布的亮度单元相关联，并且其中分配给所述小面的所述集合中的每一者的所述小面的数量是基于分配给所述亮度单元中的每一者的亮度值来选择的。

16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述光源是发光二极管(LED)源、红外(IR)源、白光源、相干光源、灯丝光源、荧光光源或卤素光源。

17.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，进一步包括：被定位成接收所述输出漫射光的至少一个附加光学元件，并且其中所述装置是显示器、投影屏、剧院或电影制作照明、汽车照明、室内或室外照明、以及光固化单元中的一者。

18.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述小面中的每一者都具有平坦面，所述平坦面具有圆形、矩形、正方形或六边形形状并且具有在6到1000微米范围内的最大外尺寸。

19.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述透镜中的每一者具有在6到1000微米范围内的最大外尺寸。

20.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述透镜中的每一者具有透镜状、正方形、圆形、六边形、椭圆形或棱锥状形状。

21.一种光学漫射器，包括：

主体，所述主体由具有至少50％的透光效率的材料形成；

后表面，用于接收来自光源的输出光并用于散射在所述后表面上接收的所述输出光以提供漫射光；以及

前表面，所述前表面在所述主体上、与所述主体上的所述后表面相对，用于透射由所述后表面散射的所述输出光，作为具有预定义光分布的漫射光，

其中所述后表面和所述前表面中的第一一者包括多个小面，每一小面具有平坦面，所述平坦面具有在6至350微米范围内的最大外尺寸，

其中所述后表面和所述前表面中的第二一者包括多个透镜，

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者，

其中所述多个集合中的每一者与所述预定义光分布的区域相关联，并且

其中亮度值被分配给所述集合中的每一者。

22.根据权利要求21所述的光学漫射器，其特征在于，所述透镜中的每一者具有在6到1000微米范围内的最大外尺寸。

23.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述透镜中的每一者具有透镜状、正方形、圆形、六边形、椭圆形或棱锥状形状。

24.根据权利要求21所述的光学漫射器，其特征在于，所述多个小面的分配给所述集合中的每一者的子集是基于所述集合的亮度值在数量上调整大小的，其中分配给所述集合中的每一者的所述小面的所述平坦面中的每一者被取向成：将在所述后表面上接收的所述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所述区域内的方向上，其中所述预定义光分布的所述区域中的每一者与角度范围相关联，并且其中所述区域内的所述方向被随机分配给所述小面中的每一者。

25.根据权利要求21所述的光学漫射器，其特征在于，所述小面中的每一者由所述漫射器的所述后表面上的所述平坦面的坐标和由所述平坦面的法向量方向来定义。

26.根据权利要求21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经由挤压工艺、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。

27.根据权利要求21所述的光学漫射器，其特征在于，所述预定义光分布是线聚焦，是经工程设计的形状，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经由挤压工艺、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。

28.一种光学漫射器，包括：

主体，所述主体由至少对光半透明的材料形成；

后表面，用于接收来自光源的输出光并用于散射在所述后表面上接收的所述输出光以提供漫射光，以及

前表面，所述前表面在所述主体上、与所述主体上的所述后表面相对，用于透射由所述后表面散射的所述输出光，作为具有预定义光分布的漫射光，

其中所述后表面和所述前表面中的第一一者包括各自具有平坦面的多个小面，

其中所述小面的至少一个集合被配置成在距所述前表面的预定义距离处生成体素，从而以预定义锥角透射所述漫射光的一部分。

29.根据权利要求28所述的光学漫射器，其特征在于，所述小面的第二集合被配置成在距所述前表面的第二预定义距离处生成第二体素，从而以第二预定义锥角透射所述漫射光的第二部分。

30.根据权利要求29所述的光学漫射器，其特征在于，所述第二预定义距离大于所述预定义距离，并且其中所述第二预定义锥角与所述预定义锥角不同。

31.根据权利要求29所述的光学漫射器，其特征在于，提供所述第二体素的所述小面的所述第二集合具有比提供所述体素的所述小面的所述集合更大数量的所述小面，由此所述漫射光的所述第二部分具有比所述透射光的所述部分更大的亮度。

32.根据权利要求28所述的光学漫射器，其特征在于，所述后表面和所述前表面中的第二一者包括多个透镜，并且其中所述平坦面中的每一者具有在6到350微米范围内的最大外尺寸。

33.根据权利要求28所述的光学漫射器，其特征在于，所述多个小面中的每一者被随机分配给多个集合中的一者，其中所述多个集合中的每一者与所述预定义光分布的区域相关联，并且其中亮度值被分配给所述集合中的每一者。