TWI466315B - 照明系統 - Google Patents

Description

照明系統

本發明有關一照明系統，其包括諸如電致發光元件、例如發光二極體(LED)之至少一光源；及至少一光學元件，其表面係藉著繞射及/或折射型光學微結構所建構。本發明另有關一光學元件，其表面係藉著繞射及/或折射型光學微結構所建構，且有關具有此一光學元件或此一照明系統之準直透鏡。

LEDs係該技藝中所熟知者，可被用於大變化性之波長、發射功率及其他性質、及被用於很多電器。一有關使用LED來源之主要問題係藉由LED所發射之光線不能被輕易地塑形或準直的事實。這是由於一LED係有著典型數十微米直至數毫米的活性區域之延伸式光源的事實，且因此具有延伸超過一寬闊之範圍的輸出光線分佈。為了準直或以別的方式塑形該所發射之光束，一外部光學系統必需被配置成鄰接該LED。

藉由單側面式繞射透鏡、諸如菲涅耳波帶片之準直係在該技藝中習知者。再者，世界專利第WO2004/044995號建議在其鄰接該光源的表面之一配置一具有繞射及/或折射型光學微結構之微光學元件，以準直及/或以別的方式塑形該最初、典型朗伯的光線分佈。世界專利第WO2004/044995號亦提出使用一具有複數獨立區段之微光 學元件，其中每一區段具有一個別之光學功能。世界專利第WO2004/044995號論及該微光學元件之複數不同的可能功能。然而，世界專利第WO2004/044995號未提及該光學元件之需要達成這些功能的具體設計。

美國專利第5,577,492號揭示一使用經典的折射光學系統之透鏡，以準直輻射能量、例如太陽光或一LED之光線。該透鏡具有二不同區段。一內部區段被塑形成藉由凸透鏡或菲涅耳透鏡聚焦光線。一環形外部區段包括具有複數肉眼可見的小刻面之像鋸齒輪廓。這些小刻面係以此一方式塑形，使得一進入該外部區段中之透鏡的射線係在該小刻面的一側面遭受全內反射(TIR)。美國專利第5,577,492號提出如果一LED之光線將被準直，使用僅只具有一些小刻面之透鏡。因此，不會涉及光學微結構。

本發明之一目的係以此一使得用想要方式增進對該光束塑形之能力的方式，改善具有至少一光源及至少一微光學元件之照明系統，該微光學元件包括具有不同光學微結構之至少二區段。

特別地是，其將為想要的是具有一解決方法，其允許藉由一LED所發射之光線的光線分佈之較佳的準直。

其將亦想要的是具有一解決方法，其允許產生一旋轉式不對稱、例如長方形之輸出光線分佈。

本發明之另一目的係提供一具有小尺寸之結構，使得其可在小電子裝置、諸如行動電話等中輕易地施行。在此，其特別想要的是提供一適合用於例如在一些行動電話 中所包括的數位相機之閃光燈的準直透鏡。

該目的係藉由具有申請專利範圍第1項之特色的照明系統、藉由具有申請專利範圍第25項之特色的光學元件、及藉由根據申請專利範圍第29項之準直透鏡所達成。較佳具體實施例被敘述在該等申請專利範圍附屬項、該敘述及該等圖面中。

在其他元件之中，本發明使用微光學元件。如與傳統光學元件相反，微光學元件使用具有細微結構之元件，該等細微結構係使得該光線之波動本質必需被考慮及帶有該微光學元件於輻射、特別藉由折射及/或繞射時所具有之效果。就本發明之情況而言，這些結構被稱為光學微結構，及所涉及之光學元件被稱為微光學元件。該等光學微結構具有對於折射光學元件為大約數個波長直至數十波長、且對於繞射光學元件為大約一波長直至數個波長之特徵輪廓深度及輪廓寬度。譬如，該等特徵深度/高度及通常寬度典型係亦數微米，譬如0.5微米-200微米，較佳地是在1微米及大約50微米之間、或於1微米及大約30微米之間。通常，微光學元件具有諸結構，使得呈現在該結構上之不同鄰近位置的輻射之相位關係被很好地界定。這是與經典的、純折射之光學元件相反，在此該輻射在該結構之不同元件的行為能夠以一幾何之光學模型敘述，且該波動本質被忽略不計。

由於此原理及與傳統、純折射光學元件相反，像球面透鏡，此等微光學元件具有該潛力，以用幾乎任何方式塑形該最初發射之光線。這與一或多個當作光源之LED結合是特別有益的。另一優點係該等微光學元件可本質上被塑形為平坦的，並能夠在大量製程中被製成，例如藉由將該想要之輪廓印記在一透明的基板上。

具有光學微結構之光學元件的進一步利益係包括該結構之基板可為本質上平坦的。一典型之基板厚度係0.5毫米，一較佳範圍係300微米至1.1毫米。該基板係譬如一塑膠材料或樹脂之至少局部透明層。

光學微結構之另一利益係它們能夠以具成本效益之方式在大量生產製程中藉由複製技術、諸如模壓加工或模製、較佳地是在晶圓尺度上製成。較佳之製造方法被敘述於該等同在申請中之美國專利申請案第10/541,008(如美國專利第2006/0113701號與世界專利第WO2004/068198號所發表)、11/384,562、11/384,563、11/384,537、及11/384,558號，其係以引用的方式併入本文中。

根據本發明之第一態樣的照明系統包括沿著一光軸配置之至少一光源及至少一光學元件。該光學元件具有第一表面(前表面)，其被引導朝向該光源及作用為一用於藉由該光源所發射之光線的進入面。該光學元件另包括第二表面(後表面)，其指向離開該光源及作用為一用於該光線的出射面。該第一及第二表面之至少一個係藉著繞射及/或折射型光學微結構所建構。為了達成該想要之射束成形效 果，該光學元件包括其光學微結構為彼此不同之至少二區段。在該至少二區段之每一區段中，該等光學微結構之圖案係至少遍及一預定之角度範圍關於至少一對稱軸旋轉地對稱的。這意指在每一區段內，對於離該對稱軸具有一恆定距離及位在一預定角度範圍內的所有點，該圖案係相同的，如在該方位角之方向中所視。該對稱軸可為該光軸或與其平行延伸之另一軸心。不同區段可具有不同之對稱軸。

根據本發明之另一態樣的光學元件具有第一表面及第二表面，其中該第一及第二表面之至少一個係藉著繞射型及折射型光學微結構之至少一個所建構。該光學元件包括其光學微結構為彼此不同之至少二區段。根據本發明，每一區段具有圓形盤片、圓形環部、圓形盤片之扇形區、圓形環部之扇形區、具有二平行筆直的邊界線之細長條、及此等形狀之片段的至少一種之形狀。

一區段可被視為該光學元件之前表面或後表面的部份，在此該光學微結構之圖案係恆定的或僅只連續地變化，而在此於二鄰接區段間之圖案中有一變化，使得其係可能在這些區段之間界定某些類型之邊界線。

根據本發明之第一態樣，在該光學元件之每一個別區段內，配置在離其對稱軸、例如該光軸大約相同距離之所有區域具有相同之表面結構的圖案。譬如，在一距離r1，該等微結構具有一輪廓深度dm1及一輪廓寬度wm1，且在一距離r2，具有一輪廓深度dm2及一輪廓寬 度wm2。於鄰接區段之間，該圖案/表面結構/輪廓型式大致上改變。如目前所主張之對稱性需求不會意指該表面結構本身係在一微米之尺度上完全地對稱。

因此，一區段之形狀較佳地係以下形狀之一：圓形盤片、圓形環部、圓形盤片之扇形區、圓形環部之扇形區、長方形(對應於一具有移位至無窮遠處之對稱軸的環部片段)、及其片段(“截短的”形狀)，例如三角形、長方形、及其他形狀。二或更多區段被組合，以較佳地是覆蓋該整個前表面及/或後表面。

該光學元件在該前表面上、該後表面上、或在兩表面上能具有微結構。至少在包括微結構的表面之一上、亦可能在兩表面上，微結構之圖案被分成獨立之區段。某一區段不包括任何微結構係亦可能的。

遍及φ之角度範圍的旋轉式對稱性意指一被塑形至像一圓或一圓形環部之扇形區的區段，其中心被該對稱軸所界定，於兩案例中，具有該開度角φ。遍及φ=360度之角度範圍的旋轉式對稱性意指一大致上被塑形至像一圓形盤片或圓形環部之區段。大致上，該等區段遍及一很小之角度範圍，例如僅只φ=1度或更少具有旋轉式對稱性係可能的，導致該光學元件的一連續式或半連續式而非斷續式之整個表面結構，如在方位角方向(亦即φ之方向)中所視。該光學元件本身亦可具有一異於圓形盤片之形狀，例如藉由修整一圓形設計，以給與一長方形之形狀。於此案例中，該等區段可具有一截短/分段的盤片或環部或其扇 形區之形狀。於此圖樣中，一長方形亦可被視為“截短的”圓或一圓之“截短的”180度扇形區。三角形可被視為一圓之“截短的”扇形區，並具有少於180度之開度角。於兩案例中，該對稱軸對應於該虛圓之中心。

大致上，與其至該對稱軸之距離r無關，在同一區段內之所有點具有相同圖案之微結構。然而，該表面結構且因此該光學性質隨著r、例如於一具有TIR之區段中連續或斷續地改變係亦可能的，在此該等微結構之精確輪廓可視該入射角、且因此視r而定。

該旋轉式對稱性簡化該等微結構之設計及製造。雖然如此，所主張之發明允許根據給定之需求塑形一光線分佈，例如由一LED所發射者。根據本發明之較佳具體實施例，提供一照明系統，其具有增強之光學效率，並在由該光軸之徑向中藉由該光學元件之分段所達成；及一照明系統，其能夠產生長方形或橢圓形的輸出分佈，並藉由該光學元件之環繞著該光軸的方位角方向中之分段所達成。

譬如，如果該目標分佈係關於該光軸移位，軸外幾何形狀、亦即那些在此至少一對稱軸不會與該光軸一致之處係有益的。再者，其係適合包括該光學元件具有一光學功能之案例中，該功能係一尺寸的或可分開之功能，例如僅只於x方向中之準直或於x方向中之準直隨同在y方向中之射束成形。

本發明包括譬如以下之較佳具體實施例：I：集中環繞著該光軸(作用為一共用之對稱軸)的一 圓形塑形區段及一或多個環形塑形區段。在此，每一區段遍及360度之角度範圍具有旋轉式對稱性(例如圖7b所視)。譬如能提供增強之光學效率。

II：類似I，但在離該光軸一段距離處具有該共用之對稱軸。於無窮遠處之對稱軸對應於像細長條之區段(圖15)。這允許建立軸外之輸出分佈。

III：被塑形成像一圓之扇形區的二或更多區段，並具有一對應於該光軸(作用為一共用之對稱軸)的中心及具有總計360度之開度角。在此，每一區段遍及少於360度之角度範圍對應於其開度角(圖9+11)具有旋轉式對稱性。這能夠譬如由旋轉式對稱輸入分佈建立一長方形或橢圓形的輸出分佈。如果該光學元件係長方形的(圖17)，具有180度之開度角的二區段之每一區段對應於一具有藉由筆直的邊界線所分開之二細長條的光學元件。

IV：類似III，但在離該光軸一段距離處具有該共用之對稱軸。

V：類似III，但在徑向中具有一額外之變化(I與II之結合，圖13)。

VI：類似III，但在徑向中離另一對稱軸具有一額外之變化(II與III之結合，圖16)。

類型I之照明系統對於達成改良之光束準直性質係特別有利的，其設有至少二、較佳地是三區段，並具有一對應於該光軸之共用對稱軸，該照明系統之光學性質隨著離該光軸之距離r、但不在方位角方向中改變(亦即它們關於 該光軸遍及360度之角度範圍呈現旋轉式對稱性)。該內部區段對應於(0至40度之)小入射角θ，且該外部區段對應於高達90度之較高入射角θ，在此該入射角θ係於該光軸及所發射光線的方向之間測量。本發明允許對於入射角之每一區域選擇具有諸光學性質之光學結構的自己型式，該等性質被設計成適於該想要之輸出分佈，例如以一給定之效率達成該想要之偏轉。根據本發明的一較佳具體實施例，一對應於較高入射角之外部區段具有利用TIR之微結構，藉此在一比經典的凸透鏡或“正常”繞射或折射微結構遠較高之效率下達成特別是用於高入射角之高偏轉角度。用於較低之入射角，亦即於該內部區段中，使用在一或兩表面上之折射及/或繞射微結構。“正常”繞射或折射之微結構僅只在該材料介面歷經折射，而TIR結構在該材料介面歷經折射及在該微結構內側歷經全內反射。這將在下文參考圖3及4討論。在與當作光源之LED結合中，此照明系統係特別有益的，且譬如比單一側面式繞射透鏡更有效率。

本發明之利用類型III的結構之另一較佳具體實施例具有產生大致上橢圓形或長方形之輸出光線分佈的作用。用於一長方形螢幕之照明或用於相機用之閃光燈的生產，此一輸出分佈係想要的，譬如，如果藉由該光源所發射之那麼多光線將被利用。純旋轉式對稱(亦即遍及360度之方位角的角度範圍)之微光學元件不能產生所需之輸出分佈。因此，本發明建議將該光學元件分成複數區段，較佳 地是至少四或八區段，該等區段具有一圓之扇形區的形狀及一對應於該光軸之共用對稱軸。這些區段導入朝向該光軸之不同等級的偏轉，且藉此使其可能達成該想要之分佈。用於一些具體實施例，其可為較佳地是藉由環部片段細分該等扇形區，該等環部片段具有一對應於該光軸之對稱軸或關於該光軸及該扇形區之中心移位。

設計一根據本發明之光學元件的方法包括以下之步驟，譬如：決定一必需被該光學元件所表示之光學功能，以便達成一想要之輸出分佈。將該光學功能分成二或更多子功能。決定例如藉由進來之角度θ及/或方位角的角度φ及/或離該光軸之距離的某一範圍所界定之區段的形狀、用於此區段的微結構之形狀及圖案，使得該區段代表一子功能。組合該等不同之區段，以決定一包括不同之個別區段的光學元件之表面結構。

用於該光學元件之個別區段的設計方法能譬如於世界專利第WO2004/044995號中所敘述地實施，其係以引用的方式併入本文中。此方法包括該等步驟：將該光源之光線發射製作成一陣列之點光源，每一點光源以整體而言具有與該電致發光元件相同之有角度的光線分佈，反之該強度選擇性地被設計成適於該電致發光元件的一局部發射強度。選擇性地，對應於光線離開該光源之諸點的第二點光源之模型化光線發射係在抵達該光學元件之前被反射。用於該想要之光束形狀，為每一點光源設計一射束成形光學元件。組合用於所有點光源之射束成形光學元件，產生一 整個光學功能。根據該整個光學功能產生一用於該微光學結構之表面輪廓。

於該下文中，參考概要圖面敘述本發明之較佳具體實施例。

圖1顯示一具有沿著光軸3配置的光源1及光學元件2之照明系統。在此及於以下之圖面中，"x"及"y"標示彼此垂直及垂直於該光軸3之方向。該光學元件2具有用作一藉由該光源1所發射之光線的進入面之第一表面4、及在其相反側面上用作一藉由該光源1所發射之光線的出射面之第二表面5。該等表面4、5之至少一個係藉著光學微結構10(圖3+4所示)所建構。

典型為LED之光源1具有一橫向尺寸t1，該尺寸t1比起該光學元件2該橫向尺寸t2係小的。基於該等微結構，該光學元件2能沿著該光軸被以小尺寸製成；其厚度d係遠比其橫向尺寸t2較小。

該光源1及該光學元件2間之光學媒介6具有第一折射率n1。此光學媒介6可為空氣或另一物質，例如一連接該光源1與該光學元件2之透明樹脂。該光學元件2本身包括另一具有第二折射率n2之媒介7，在此n2係高於n1，典型為n2>1,25及n1>1,1。在該光學元件2之後方，在此有第三媒介8，其具有折射率n3，典型為空氣(n3=1)。

典型之媒介6係空氣或一些塑膠材料其中之一，而用於該LED來源之保護包裝。媒介7視用於該元件之大量生產所選擇的方法而定，且典型係適合於射出成形之塑膠或紫外光硬化型環氧基樹脂(在一載體晶圓上，其典型是玻璃)的其中之一。

一射線9係在關於該光軸3為一角度θ之下發射。此角度亦被標示為入射角θ。一射線落在該光學元件上之下的最大入射角被標以θ_collect 。一垂直於該光軸的任意軸、亦即該y軸與一射線9在該x-y-平面或該光學元件2之平面上的投影部份間之角度被標示為方位角之角度φ。

圖2顯示一根據本發明的照明系統之典型輸出分佈。在該光學元件2後方之輻射強度I被顯示為該入射角θ之函數。用於一準直光學元件，該輻射強度朝向高角度θ下降。該強度分佈係藉由其有角度之寬度FWHM(半峰全幅值)所敘述，該輻射強度在該寬度內係大約其最大值的一半。用於一準直透鏡，FWHM係比2θ_collect 較小。

圖3概要地顯示用於大約0至40度之較小入射角，一射線9在其進入表面4通過該光學元件2。該進入表面4係藉著微結構10所建構。在本範例中，該等微結構具有一成圓形的像鋸齒狀輪廓。於所顯示之剖視圖中，該等微結構10包括在關於該光軸3大約5-60度的角度α延伸之第一齒腹10a，及大致上延伸平行於該光軸3之第二齒腹10b。該等微結構10之深度dm係大約20微米，且它們被製成圓形的，並譬如具有大約4.5微米之寬度w(半峰 全幅值)。該第二齒腹10b同樣能在關於該光軸3的一角度延伸，例如在一少於30度之角度。再者，其係可能使用更複雜之局部結構，其可具有超過二個之齒腹。譬如藉由該峰與峰距離所給與之微結構的輪廓長度較佳地係20-100微米。

該表面4形成圍繞該光源1之第一媒介6及該第二光學媒介7間之介面，該微結構之表面被界定在該第二光學媒介中。該表面形狀藉由利用折射或繞射準直進來之光線。一射線及該光軸3間之入射角θ及該出射角θ'間之關係能被以下之式子所敘述：sinθ>n2/n1 sinθ'。

圖4大致上顯示與圖3中相同之結構型式，此時使一射線9在關於該光軸大約40度至大約90度的較高入射角θ之下入射。該結構性參數(例如齒腹角度、深度、圓化寬度)可為與圖3之那些參數完全相同或不同。於一經典的之幾何形狀圖示中，該進來之光束撞擊在該第二齒腹10b，被折射朝向該第一齒腹10a，且在此藉著TIR所反射。大致上，該等第二齒腹10b係在關於該光軸的一小角度之下導向。該結構係能夠產生一遠比該入射角θ較小之出射角θ'。

圖5概要地顯示一射線9在該光學元件2的一出射面5通過折射/繞射型微結構10、亦即由該第二媒介7轉移至該第三媒介8。在此面5上之入射的角度對應於圖3或4之角度θ'；該結果之出射角係表示以θ"。與圖3相同之關係是有效的：sinθ'>n3/n2 sinθ"。

圖6顯示當作用於不同型式光學元件之入射角θ的函數之可達成的準直效率。該等曲線係用於入射在微結構上而具有550奈米波長的平面波之模擬結果，設有dm=20微米及w=4,5微米。於圖6之計算中，該齒腹角度α係被變化之參數。於更一般之案例中，吾人將變化該角度α及該深度dm兩者。且在甚至更一般之案例中，吾人將具有用於齒腹10a、10b兩者之角度及該深度dm當作自由參數。該準直效率係由在該光軸的一般方向中偏向之LED所發射的光量。被考慮用於準直的角度範圍典型係±5度(θ_collect =5)，且準直效率係接著在該角度範圍內所發射之光量。

該等表面被建構如下：-A：在第一/進入表面及無特定結構的第二表面上之折射結構

-B：在第二/出射表面及無特定結構的第一表面上之折射結構

-C：在兩表面上之折射結構

-D：在第一表面及無特定結構的第二表面上之標準TIR結構

-E：在第一表面上之TIR結構及第二表面上之折射結構

用於結構A，該效率在大約25度之入射角下降至大約百分之50，且在大約40度之入射角下降到少於百分之10。用於結構B，該效率在大約32度之入射角下降至大 約百分之50，且在大約40度之入射角下降到少於百分之10。用於結構C，該效率在大約32度幾乎線性地下降至百分之50，且在60度下降到少於百分之10。結構D及E對於小於22度之角度顯示一顯著的(D)或緩慢(E)下降，且對於高於30度之角度顯示一增加的效率。

基於這些模擬，其係可能選擇該結構或諸結構之組合，為該光學元件之目的，該組合係最有效率的。譬如，用於提供一準直透鏡，對於準直在0至25-40度之較低入射角之光線，結構A及B係有效率的。對於準直在40度與更多之較高入射角的光線，結構D及E係有效率的。結構C可被使用在大約30-55度之中介區域中，在此其他結構之效率係較低的。

此一具有不同區段之透鏡2係純粹概要地以側視圖顯示在圖7a中與以俯視圖顯示在圖7b中，該等區段具有不同型式之微結構。該光學元件2具有一長方形之形狀，且被細分成關於該光軸3同心地配置之三區域11、12、13。內部區段11係大致上具有半徑r1之圓形。中介區段12係具有外部半徑r2及內部半徑r1之環形。外部區段13係長方形(對應於一“截短的”圓形環部)，並具有一圓形切口，該切口具有半徑r2。該等區段係如此關於用作對稱軸3'之光軸3經過360度之角度範圍旋轉地對稱。該光學元件本身可具有其他形狀，例如圓形、方形、六角形等。可根據設計需求選擇此形狀；於很多案例中，其在該輸出分佈上不會具有太多影響。

該三區段11、12、13被建構在其第一及第二表面4、5上，如圖7a中所示，亦即：在該第二表面5上具有折射微結構10之內部區段11(結構B)；在該兩表面4、5上具有折射微結構10之中介區段12(結構C)；在該第一表面4上具有TIR微結構10'之外部區段。譬如選擇該等半徑，以實踐以下之關係：0≦r1/d≦0.6(對應於0-30度之入射角)，0.6≦r2/d≦1.26(對應於30-50度之入射角)，及1.2≦r3/d(對應於超過50度之入射角)，在此d係該光源1至該光學元件2之距離。

圖8顯示一具有光學元件2之照明系統，該光學元件具有四區段14、15、16、17，其形狀大致上像用於產生一輸出分佈的圓之(截短的)扇形區，該輸出分佈於一遠隔平面中或於一有角度空間中係大約長方形的。該光學元件2本身被顯示在圖9中。其大致上係長方形，且藉由該等對角線被分成四區段14、15、16、17。該等區段14、15、16、17之每一區段具有一圓30之在其周邊截去的扇形區之形狀，以給與該光學元件一長方形之形狀。該圓30在此係純粹虛構的，且被顯示以僅只說明該對稱之條件。其不須對應於該透鏡2之任何物理元件。該圓/扇形區之中心對應於該光學元件2上之光軸3的位置。該光軸3如此用作一對稱軸3'。該等區段14、15、16、17之每一區段係如此分別經過大約80度之φ1與大約100度之φ2的角度範圍在本身之旋轉式對稱內。該等非鄰接區段14/16及15/17係亦分別關於彼此全等；對於每一對 14/16、15/17，該等光學微結構之圖案係相同的，但在鄰接區段之間係不同的。

將在下文參考圖10a-c、11及12討論如何能達成一大致上長方形之輸出分佈：圖10a-c顯示該輻射強度，其當作於一度空間、例如該x尺寸中之輸出角度的函數，用於三個不同之準直透鏡，在此為“標準”之準直透鏡，而沒有不同之區段(具有均勻之微結構，例如型式A-E)，如在該透鏡元件之徑向中所視。例如圖7a+b所示，於徑向中之額外的分段係亦可能的。視所選擇之微結構而定，該強度曲線具有一不同之形狀及FWHM。該等角度分佈之寬度對應於在x-、y-及對角線方向中所需之寬度，用於產生一長方形之分佈20。

圖10a-c中之分佈係藉由假設徑向地對稱的元件所計算，而沒有藉由待產生之長方形分佈的x-、y-及對角線方向所需之任何把不同FWHM作為目標之分段。如此，一光線分佈將藉由一產生如圖10a所示輸出分佈的透鏡以一中介FWHM、藉由一產生如圖10b所示輸出分佈的透鏡以一較大FWHM、與藉由一產生如圖10c所示輸出分佈的透鏡以一小FWHM準直。在決定用於輸出分佈之想要縱橫比所需的微結構之後，對應於該等分佈之元件被用於建構圖11所示型式之分段式光學元件2。

圖11顯示一具有八區段14、15、16、17、18、19、20、21之光學元件2，其係特別適合用於產生一長方形之 輸出分佈。上、下、左及右區段14、15、16、17對應於那些圖9所示者。該等角落中之四區段18、19、20、21被加入，以達成對角線方向中之有角度寬度的控制。其微結構比那些區段14、15、16、17具有一更少之準直效果，且如此於對角線方向中導致一增加之有角度寬度，如圖12c所示。在此，該等開度角φ1、φ2、φ3係大約30-50度，且總計達360度。

該八區段14、15、16、17、18、19、20、21具有一圓之扇形區的形狀，該圓具有一對應於該光軸之對稱軸，其中至少第一對區段包括第一圖案之微結構，第二對區段包括第二圖案之微結構，且第三對及第四對區段包括第三圖案之微結構。該準直透鏡具有二階之旋轉式對稱性。

準直x方向中之進來分佈的區段15&17中之微結構對應於圖10a所示元件之分佈，準直y方向中之進來分佈的區段14&16中之微結構對應於圖10c所示元件之分佈，且其他區段對應於如圖10b所示元件。

如圖11所示，一光學元件之輸出分佈被描述在圖12中。用於在x-、y-及對角線方向中之此分佈的寬度w_x 、w_y 、w_xy ，以下之關係為有效的：w_y <w_x <w_xy 。

較佳地是，該等寬度係使得該輸出分佈的寬度w_x 與高度w_y 之間產生4:3或16:9之縱橫比。

圖9之光學元件2允許於x-及y-方向中達成不同之有角度寬度，但不會給與關於該對角線方向之控制。如此，一橢圓形而非長方形之輸出分佈20係達成。譬如， 如果該輸出分佈必需於該y-尺寸比於該x-尺寸中為狹窄的，該上區段14及該下區段16包括圖10b中所使用的光學元件之結構(朝向該光軸較強烈之準直/偏向)，且該左側區段15及右側區段17包括圖10b中所使用的光學元件之結構(朝向該光軸中度之準直/偏向)。此效果係大致上與該光學元件2本身之形狀無關。譬如，為著要說明之目的，圖9中之光學元件2被顯示為長方形的，但亦可為正方或圓形。用於說明扇形區設計之區段，一“虛擬之”圓30係以虛線顯示。

為了根據吾人之需要進一步塑形該輸出分佈，如圖7a+b所示，該基本原理、亦即於徑向中具有完全旋轉式對稱性的光學性質之變化能與如圖9及11所示之基本原理、亦即方位角方向中的光學性質之變化結合，而於徑向中維持該等相同之性質，如由該光軸所視。在圖13及14中給與範例。

圖13概要地顯示呈一圓之扇形區的形狀之二區段22、23，並分別具有當作中心之光軸、具有半徑r3及具有開度角φ1及φ2。每一區段22、23被分別分成三子區段22a、22b、22c及23a、23b、23c。這些具有環部扇形區之形狀。該等子區段間之邊界線係分別配置在離該光軸一段距離r1、r2及r1'、r2'處。在一區段22、23內，每一子區段包括例如型式A-E之不同微結構，如上面所述。譬如，每一區段具有該光學元件之結構，如圖7a,b所示。

圖14概要地顯示具有不同地建構的第一及第二表面之光學元件的一部份，該第一及第二表面設有像扇形之區段，如圖13所示。譬如，區段24及25能被配置在該第一表面上，且區段26能夠被配置在該第二表面上。所有區段可具有不同之半徑。再者，該等子區段亦可具有不同之半徑以及不同的微結構。因此，能達成一高設計自由度，以便用很多不同方式塑形該光束。

圖15顯示光學元件2之另一範例，其包括複數具有環部片段之形狀的區段。該光學元件2本身係長方形的。該等環部片段具有一對應於關於該光軸3移位的對稱軸3'之中心。用於一移位進入無窮遠處之對稱軸，該等環部片段接近直線或細長條。

圖16顯示本發明之另一具體實施例，其係基於如圖9及15所示原理的一組合。該光學元件2被分成四區段，如圖9所示；用於這些區段，給與經過大約90度之角度關於作用如(主要)對稱軸3'的光軸3之旋轉式對稱性。該等區段之一或多個、在此區段15係藉由子區段15a、15b額外地建構，該等子區段具有一環部之片段的形狀，並集中環繞著另一關於該光軸3移位之對稱軸3"。

其他區段14、16、17可同樣為再分的，關於該等對稱軸3'、3"之一或甚至進一步之對稱軸具有旋轉式對稱性。

圖17顯示用於根據本發明之光學元件2的另一範 例。該長方形元件2包括二區段14、15，並具有長方形之細長條形狀。該二區段14、15亦可被視為一環繞著該光軸3的圓之二(截短的)扇形區，每一扇形區具有180度之開度角θ1。如於圖9中，該圓30係純粹虛構的，且被顯示以僅只說明該對稱之條件。其不一定對應於該透鏡2之任何物理元件。然而，一圓形之光學元件2係亦可能的。

圖18顯示一具有相機之行動電話40，該相機具有一物鏡41及一包括根據本發明之照明系統1的閃光燈42。本發明允許在低成本製造一極薄之照明系統，因該光學元件2可為如300毫米般薄，並能夠在大量生產製程中製成。因此，其甚至可被整合於薄的行動裝置中。對於數位相機之應用係亦可能的。

該輸出分佈較佳地係大致上長方形，且於寬度及高度之間較佳地是具有4:3或16:9縱橫比。該分佈較佳地係盡可能為均勻的。這典型在離開該光學元件之1毫米距離處被界定在一平面中。倘若為4:3縱橫比，該輸出分佈係大約30度寬廣，且大約20度高。

該光學元件2使用包括較佳地係類似配置在圖11中之至少八區段。該等區段被組織成三組；以圖11之觀點，這些群組係區段14&16、區段15&17及18,19,20,21。每一群組具有其自身之功能，其典型建立類似於圖12a-c所示者之分佈。

於一些案例中，區段之數目可為較高的。於此一案例 中，吾人以類似圖11之八區段開始，且將一或多個群組中之諸區段分成二組，且接著根據用於原來之分組的相同原理重行組合該等片段。

在區段內側之微結構係關於該光軸旋轉式地對稱。在每一區段內側，該微結構係使得該結構之局部橫側尺寸在該元件之中心(靠近該光軸)為最大的，且當移向該邊緣時典型變得較小。該局部橫側尺寸對應於一幾何形狀中之峰至峰的距離，如圖3或4所示。

1‧‧‧光源

2‧‧‧光學元件

3‧‧‧光軸

3'‧‧‧對稱軸

3"‧‧‧對稱軸

4‧‧‧第一表面

5‧‧‧第二表面

6‧‧‧媒介

7‧‧‧媒介

8‧‧‧媒介

9‧‧‧射線

10‧‧‧微結構

10a‧‧‧齒腹

10b‧‧‧齒腹

11‧‧‧區段

12‧‧‧區段

13‧‧‧區段

14‧‧‧區段

15‧‧‧區段

15a‧‧‧子區段

15b‧‧‧子區段

16‧‧‧區段

17‧‧‧區段

18‧‧‧區段

19‧‧‧區段

20‧‧‧區段

21‧‧‧區段

22‧‧‧區段

22a‧‧‧子區段

22b‧‧‧子區段

22c‧‧‧子區段

23‧‧‧區段

23a‧‧‧子區段

23b‧‧‧子區段

23c‧‧‧子區段

24‧‧‧區段

25‧‧‧區段

26‧‧‧區段

30‧‧‧圓

40‧‧‧行動電話

41‧‧‧物鏡

42‧‧‧閃光燈

圖1顯示一具有光源之照明系統及一具有光學微結構之光學元件；圖2顯示一照明系統之典型的輸出分佈；圖3在光學元件之進入面概要地顯示一光射線之通過一折射/繞射型微結構；圖4概要地顯示一光射線利用全內反射通過微結構；圖5在光學元件之出射面概要地顯示一光射線之通過一折射/繞射型微結構；圖6顯示用於當作該入射角之函數的可達成之光學效率的模擬結果；圖7a+b於側視圖及平面圖中顯示一具有增加之光學效率的光學元件，該光學元件具有於徑向中之三不同區段；圖8顯示一照明系統，其具有一設有四區段之光學元 件，該等區段被塑形成像一圓之扇形區，用於產生一大致上長方形之輸出分佈；圖9顯示一具有四區段之光學元件，該等區段具有一圓之扇形區的形狀；圖10a-c顯示該輻射之強度，當作用於三不同準直透鏡的輸出角度之函數；圖11顯示一具有八區段之光學元件，該等區段具有一圓之扇形區的形狀，而用於一適於產生長方形之輸出分佈的照明系統；圖12顯示該輻射之強度，當作在垂直於該光軸的二方向中所測量之輸出角度的函數，該光軸用於一光學元件，如圖11所示；圖13顯示光學元件的一部份，其在一表面上具有呈一圓之扇形區的形狀之區段，該等區段於徑向中被細分為子區段；圖14顯示如圖13所示光學元件的一部份，具有所建構之第一及第二表面；圖15顯示一具體實施例，在此一區段係分成子區段，該等子區段之對稱軸與該主要區段之對稱軸不同；圖16顯示本發明基於如圖9及15所示原理之組合的另一具體實施例；圖17顯示一具有二區段之具體實施例，該二區段對應於一圓之二扇形區，並具有180度之開度角；圖18顯示一具有包括準直透鏡之閃光燈的行動通訊 裝置。

2‧‧‧光學元件

3‧‧‧光軸

3'‧‧‧對稱軸

4‧‧‧第一表面

5‧‧‧第二表面

10‧‧‧微結構

10'‧‧‧TIR微結構

11‧‧‧區段

12‧‧‧區段

13‧‧‧區段

r1‧‧‧內部半徑

r2‧‧‧外部半徑

r3‧‧‧半徑

Claims (34)

1. 一種照明系統，其包括至少一光源及至少一光學元件，該至少一光學元件影響由該至少一光源所發射之光，該光源及該光學元件被沿著一光軸配置，其中該光學元件具有被引導朝向該光源之第一表面、及指向離開該光源之第二表面，其中該第一及第二表面之至少其中之一係藉著繞射及折射型光學微結構之至少其中之一所建構，且其中該光學元件包括至少二區段，該等區段之光學微結構係彼此不同的，其特徵在於該至少二區段的每一區段中，該等光學微結構之圖案係至少於一預定角度範圍關於至少一對稱軸旋轉地對稱，其中該至少一對稱軸對應於不同於該光軸的一軸心，且該軸心係平行於該光軸延伸。
2. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中該至少一對稱軸對應於一移至無窮遠處之軸心。
3. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中在該至少二區段中之光學微結構的圖案具有不同之對稱軸。
4. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中每一區段具有圓形盤片、圓形環部、圓形盤片之扇形區、圓形環部之扇形區、設有二平行筆直的邊界線之細長條、及此等形狀之片段的至少其中之一種之形狀。
5. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中第一及第二區段中之光學微結構的圖案係於一少於360度的角度範圍關於該光軸旋轉地對稱。
6. 如申請專利範圍第5項之照明系統，其中第一及第 二區段中之光學微結構的圖案係於至少10度的角度範圍關於該光軸旋轉地對稱。
7. 如申請專利範圍第5項之照明系統，其中第一及第二區段中之光學微結構的圖案係在30度與180度之間的角度範圍關於該光軸旋轉地對稱。
8. 如申請專利範圍第5項之照明系統，包括超過二個區段。
9. 如申請專利範圍第8項之照明系統，包括至少四個區段。
10. 如申請專利範圍第5項之照明系統，其中該至少二區段之光學性質係使得該入射光被朝向該光軸偏轉，且其中朝向該光軸之偏轉在鄰接區段之間係不同的。
11. 如申請專利範圍第5-10項之任一項的照明系統，其中該光學元件包括四區段，該等區段之每一個包括光學微結構的一圖案，該圖案係於70度至110度之角度範圍關於該光軸旋轉地對稱。
12. 如申請專利範圍第11項之照明系統，包括具有成雙地相等之光學微結構圖案的至少二對區段，該等圖案係關於該對稱軸以非鄰接之關係彼此相對地配置。
13. 如申請專利範圍第12項之照明系統，其中該對稱軸與該光軸重合。
14. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中該等區段之每一個被分成二或更多子區段。
15. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中該光學 元件之至少一表面包括一輪廓，其具有該光源之大約一至數十個波長的特徵輪廓深度(dm)及輪廓寬度(w)，以便形成該等光學微結構。
16. 如申請專利範圍第15項之照明系統，其中該光學元件之至少一表面包括一輪廓，其具有在0.5微米與250微米之間的特徵深度及/或高度，以便形成該等光學微結構。
17. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中該光源係一電致發光元件。
18. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中該光源係一發光二極體。
19. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中該光學元件係至少局部透明的，且配置在離該光源的發光表面達一預定距離處。
20. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中該光源及該光學元件係配置在一共用之外殼中，以便在該光源及該光學元件之間維持一給定的空間關係。
21. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中該光源及該光學元件係被至少一局部地透明之基板所連接，以便在該光源及該光學元件之間維持一給定的空間關係。
22. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中該光學元件包括至少一局部地透明之層，且在該層的前表面或後表面之至少其中之一個中具有光學微結構。
23. 如申請專利範圍第1項之照明系統，其中該光學 元件係藉由一複製技術所製成。
24. 如申請專利範圍第23項之照明系統，其中該光學元件係藉由模壓加工所製成。
25. 如申請專利範圍第23項之照明系統，其中該光學元件係藉由模製法所製成。
26. 一種光學元件，其具有第一表面及第二表面，其中該第一及第二表面之至少其中之一個係藉著繞射型及折射型光學微結構之至少其中之一個所建構，且其中該光學元件包括至少二區段，該等區段之光學微結構係彼此不同的，其中，每一區段具有圓形盤片、圓形環部、圓形盤片之扇形區、圓形環部之扇形區、設有二平行筆直的邊界線之細長條、及此等形狀之片段的至少其中之一種之形狀，該至少二區段的每一區段中，該等光學微結構之圖案係至少於一預定角度範圍關於至少一對稱軸旋轉地對稱，其中該至少一對稱軸對應於不同於該光學元件之光軸的一軸心，且該軸心係平行於該光學元件之光軸延伸。
27. 如申請專利範圍第26項之光學元件，包括一具有圓形盤片之形狀的第一區段、及一具有圓形環部之形狀的第二區段，該盤片及該環部係同心的。
28. 如申請專利範圍第26項之光學元件，其中該至少二區段具有圓形盤片之扇形區與圓形環部之扇形區的至少其中之一個之形狀，且具有少於360度之開度角。
29. 如申請專利範圍第26至28項之任一項的光學元 件，其中至少一區段包括至少二子區段，該等子區段之光學微結構係彼此不同的。
30. 如申請專利範圍第26項之光學元件，其中該光學元件係為適於影響由至少一光源所發射之光的光學元件。
31. 一種用於行動通訊裝置之相機的閃光燈，包括如申請專利範圍第1項的照明系統。
32. 如申請專利範圍第31項之閃光燈，該光學元件包括具有一圓之扇形區的形狀之至少八區段，並設有一對應於該光軸之對稱軸，其中至少第一區段對包括第一圖案之微結構，第二區段對包括第二圖案之微結構，且第三區段對及第四區段對包括第三圖案之微結構，該光學元件具有二階之旋轉式對稱性。
33. 一種用於行動通訊裝置之相機的閃光燈，包括如申請專利範圍第26項的光學元件。
34. 如申請專利範圍第33項之閃光燈，其中該光學元件包括具有一圓之扇形區的形狀之至少八區段，並設有一對應於該光軸之對稱軸，其中至少第一區段對包括第一圖案之微結構，第二區段對包括第二圖案之微結構，且第三區段對及第四區段對包括第三圖案之微結構，該光學元件具有二階之旋轉式對稱性。