具有3維外觀的衍射照明裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明整體涉及照明裝置，尤其適用于包含光導(dǎo)和衍射元件以將導(dǎo)模光從光導(dǎo)中耦合出來的照明裝置。本發(fā)明還涉及相關(guān)聯(lián)的制品、系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]使用光導(dǎo)來使來自邊緣安裝的離散CCFL或LED光源的光在光導(dǎo)的擴(kuò)展區(qū)域上方分散的擴(kuò)展區(qū)域照明裝置是已知的。液晶顯示器(LCD)中使用的側(cè)光式背光源是此類照明裝置的主要示例。通常，重要的是使得此類照明裝置具有隨著擴(kuò)展區(qū)域輸出表面上的位置的變化而保持均勻、或至少緩慢變化的顏色和亮度。通常，還重要的是使得此類照明裝置發(fā)出實(shí)質(zhì)上白色的光，使得液晶面板的濾波作用可產(chǎn)生范圍從藍(lán)色到紅色的全彩像素和圖片。
[0003]為了從光導(dǎo)中提取出導(dǎo)模光，側(cè)光式背光源常常將光導(dǎo)的主表面配置成具有漫射涂料或其它散射材料的印刷圖案，或配置成具有例如結(jié)構(gòu)化表面，如各個(gè)面被設(shè)計(jì)成通過折射或反射來改變光的方向的一系列溝槽或棱鏡所提供的。在主表面上使用衍射溝槽或棱鏡來將導(dǎo)模光從光導(dǎo)中提取出來并不是普遍的，因?yàn)檠苌渚哂袕?qiáng)大的波長(zhǎng)依賴性，這種強(qiáng)大的波長(zhǎng)依賴性可容易產(chǎn)生高度著色的外觀，而高度著色的外觀在大多數(shù)的最終用途應(yīng)用中是不可接受的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]我們已開發(fā)出一系列新型擴(kuò)展區(qū)域照明裝置，這些擴(kuò)展區(qū)域照明裝置使用光導(dǎo)的主表面上的衍射表面特征來從擴(kuò)展的光導(dǎo)提取光。來自一個(gè)或多個(gè)離散光源的光被注入到光導(dǎo)中，并且衍射表面特征與注入的光相交以將導(dǎo)模光從光導(dǎo)中耦合出來。所耦合出的光產(chǎn)生外觀形狀隨著察看位置而改變的一個(gè)或多個(gè)帶。這些帶可以是對(duì)應(yīng)于離散光源的亮帶、或與沿光導(dǎo)的側(cè)表面延伸的任選不均一反射結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的暗帶。多個(gè)帶可形成隨著察看位置而改變的亮或暗的圖案，從至少一些察看位置來看帶的圖案具有3維外觀。照明裝置可被用作用于一般照明或裝飾性照明的照明設(shè)備。這些裝置中使用的衍射表面特征可針對(duì)傳播通過光導(dǎo)的非導(dǎo)模光提供低光學(xué)失真，以允許通過光導(dǎo)來察看對(duì)象。
[0005]本文中尤其描述照明裝置，諸如包括光導(dǎo)和離散光源的照明設(shè)備。光導(dǎo)包括第一主表面，第一主表面具有適于將導(dǎo)模光從光導(dǎo)中耦合出來的衍射表面特征。離散光源被設(shè)置成將光注入到光導(dǎo)中。衍射表面特征中的至少一些在平面圖中是不直的，并且光源和衍射表面特征受到調(diào)控，以產(chǎn)生與不直的衍射表面特征相交的帶。
[0006]帶可為亮帶，并且?guī)У耐庥^可隨著觀察者相對(duì)于照明裝置的察看位置的變化而改變。帶可從第一察看位置處的直的形狀改變?yōu)樵诘诙炜次恢锰幍膹澢螤?。離散光源可為設(shè)置成將光注入到光導(dǎo)中的多個(gè)光源之一，并且所述帶可為對(duì)應(yīng)于多個(gè)光源的多個(gè)帶之一，這些帶中的每一個(gè)帶與不直的衍射表面特征相交。多個(gè)帶可形成隨著觀察者相對(duì)于照明裝置的察看位置的變化而改變的圖案，從察看位置中的至少一些來看帶的圖案具有3維外觀。
[0007]在平面圖中，光導(dǎo)可具有非多邊形形狀和彎曲的側(cè)表面。離散光源可被設(shè)置成使光穿過彎曲的側(cè)表面注入到光導(dǎo)中。離散光源可為被設(shè)置成使光穿過彎曲的側(cè)表面注入到光導(dǎo)中的多個(gè)光源之一，并且?guī)Э蔀閷?duì)應(yīng)于多個(gè)光源的多個(gè)帶之一，這些帶中的每一個(gè)帶與不直的衍射表面特征相交。不直的衍射表面特征可限定彎曲的路徑，彎曲的路徑與彎曲的側(cè)表面實(shí)質(zhì)上不相交并且相匹配。非多邊形形狀可為圓形或卵形的。
[0008]不直的衍射表面特征可限定彎曲的路徑，彎曲的路徑形成螺旋或一系列同心圓或卵形。光導(dǎo)可表現(xiàn)出通過光導(dǎo)察看對(duì)象的低失真。
[0009]本發(fā)明還公開了包括光導(dǎo)、第一光源和非均一反射結(jié)構(gòu)的照明裝置。光導(dǎo)包括第一主表面和至少一個(gè)側(cè)表面，第一主表面具有適于從光導(dǎo)中耦合出光的衍射表面特征。第一光源被設(shè)置成將光注入到光導(dǎo)中。不均一反射結(jié)構(gòu)沿至少一個(gè)側(cè)表面延伸，不均一反射結(jié)構(gòu)提供沿至少一個(gè)側(cè)表面的主要部分的第一反射率和在至少一個(gè)側(cè)表面的局部區(qū)域處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圖中是不直的，并且光源、衍射表面特征和反射結(jié)構(gòu)受到調(diào)控，以產(chǎn)生與不直的衍射表面特征相交的帶。
[0010]對(duì)于可見光，第一反射率可為至少50%，并且第二反射率可小于第一反射率，以使得帶為暗帶。不均一反射結(jié)構(gòu)可包括被設(shè)置在至少一個(gè)側(cè)表面的主要部分上的反射材料，至少一個(gè)側(cè)表面的局部區(qū)域中不含反射材料。不均一反射結(jié)構(gòu)可包括金屬夾持器，并且局部區(qū)域處的第二反射率可對(duì)應(yīng)于由金屬夾持器承載的非照明的第二光源。在平面圖中，光導(dǎo)可具有非多邊形形狀，并且至少一個(gè)側(cè)表面可以是彎曲的并圍繞光導(dǎo)的完整周邊延伸。局部區(qū)域可為彼此間隔開的并具有小于第一反射率的反射率的多個(gè)局部區(qū)域之一，并且?guī)Э蔀閷?duì)應(yīng)于多個(gè)局部區(qū)域的多個(gè)暗帶之一，這些暗帶中的每一個(gè)暗帶與不直的衍射表面特征相交。多個(gè)暗帶可形成隨著觀察者相對(duì)于照明設(shè)備的察看位置的變化而改變的圖案，從察看位置中的至少一些來看暗帶的圖案具有3維外觀。
[0011]本發(fā)明還公開了包括第一光導(dǎo)和第二光導(dǎo)及第一離散光源和第二離散光源的系統(tǒng)。第一光導(dǎo)包括第一主表面，第一主表面具有適于將導(dǎo)模光從第一光導(dǎo)中稱合出來的第一衍射表面特征。第二光導(dǎo)包括第二主表面，第二主表面具有適于將導(dǎo)模光從第二光導(dǎo)中耦合出來的第二衍射表面特征。第一離散光源被設(shè)置成將光注入到第一光導(dǎo)中，并且第二離散光源被設(shè)置成將光注入到第二光導(dǎo)中。第一衍射表面特征中的至少一些在平面圖中是不直的，并且第一光源和第一衍射表面特征受到調(diào)控，以產(chǎn)生與不直的第一衍射表面特征相交的第一帶。此外，第二衍射表面特征中的至少一些在平面圖中是不直的，并且第二光源和第二衍射表面特征受到調(diào)控，以產(chǎn)生與不直的第二衍射表面特征相交的第二帶。
[0012]還討論了相關(guān)的方法、系統(tǒng)和制品。
[0013]本申請(qǐng)的這些和其它方面根據(jù)以下詳細(xì)描述將顯而易見。然而，在任何情況下都不應(yīng)將以上概述理解為是對(duì)要求保護(hù)的主題的限制，要求保護(hù)的主題僅僅由所附權(quán)利要求書限定，權(quán)利要求書在審查期間可以進(jìn)行修改。
【附圖說明】
[0014]圖1為利用光導(dǎo)主表面上的衍射表面特征的照明裝置的示意性側(cè)視圖或剖面圖；
[0015]圖2為光導(dǎo)的示意性側(cè)視圖或剖面圖，其中離散光源將光注入到光導(dǎo)中并且衍射表面特征將導(dǎo)模光從光導(dǎo)中耦合出來；
[0016]圖3為使用線性衍射表面特征從光導(dǎo)提取出來的光的集成光功率密度的強(qiáng)度對(duì)極角的曲線圖；
[0017]圖4為可用于從光導(dǎo)進(jìn)行光提取的復(fù)制型衍射表面的顯微圖；
[0018]圖5為使用如圖4所示衍射表面結(jié)構(gòu)的照明裝置的隨著極角和方位角的變化所測(cè)量的強(qiáng)度的錐光圖；
[0019]圖5a為針對(duì)圖5的錐光圖沿特定基準(zhǔn)平面所測(cè)量的輝度對(duì)極角的曲線圖；
[0020]圖6為具有不對(duì)稱或閃耀式衍射表面結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)的示意性側(cè)視圖或剖面圖；
[0021]圖7為針對(duì)圖6的表面結(jié)構(gòu)計(jì)算出的提取效率的曲線圖；
[0022]圖8為包括呈堆疊或分層布置的多個(gè)光導(dǎo)的照明裝置的示意性側(cè)視圖或剖面圖；
[0023]圖9為包括被設(shè)置在光導(dǎo)的對(duì)置的主表面上并針對(duì)不同的著色光源進(jìn)行調(diào)控的不同衍射表面特征的照明裝置的示意性透視圖；
[0024]圖10和圖11為具有衍射表面特征的光導(dǎo)的示意性側(cè)視圖或剖面圖,衍射表面特征包括具有不同間距的表面特征組；
[0025]圖12a為照明裝置的表現(xiàn)出與離散光源相關(guān)聯(lián)的亮帶的一部分的示意性前視圖或平面圖；
[0026]圖12b為圖12a的照明裝置部分的示意性斜視圖，其中該裝置是從傾斜角度進(jìn)行察看的，這使得亮帶的形狀產(chǎn)生改變；
[0027]圖12c為遇到各種衍射表面特征的導(dǎo)模光線的示意性前視圖或平面圖；
[0028]圖12d為在笛卡爾坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系背景下具有極角Θ和方位角的觀察方向或矢量的示意圖；
[0029]圖13a為照明裝置的表現(xiàn)出與不均一反射結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的暗帶的一部分的示意性前視圖或平面圖；
[0030]圖13b為圖13a的照明裝置部分的示意性斜視圖，其中該裝置是從傾斜角度進(jìn)行察看的，這使得暗帶的形狀產(chǎn)生改變；
[0031]圖14為具有形成為螺旋的衍射表面結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)的示意性前視圖或平面圖；
[0032]圖14a為圖14的光導(dǎo)的細(xì)節(jié)；
[0033]圖15a為利用離散光源以及光導(dǎo)的照明裝置的示意性前視圖或平面圖，光導(dǎo)具有形成螺旋或同心圓的衍射表面結(jié)構(gòu)；
[0034]圖15b為圖15a的照明裝置的示意性斜視圖，其中該裝置是從傾斜角度進(jìn)行察看的，這使得帶的形狀相對(duì)于它們?cè)趫D15a中的形狀產(chǎn)生改變；
[0035]圖15c為圖15a和圖15b的照明裝置的示意性斜視圖，其中該裝置是從比圖15b的角度更傾斜的角度進(jìn)行察看的，從而使得帶的形狀相對(duì)于它們?cè)趫D15a和圖15b中的形狀產(chǎn)生進(jìn)一步的改變；
[0036]圖16為照明裝置的一部分的示意性前視圖、平面圖或剖面圖，照明裝置包括光導(dǎo)、設(shè)置成將光注入到光導(dǎo)中的離散光源、和支撐結(jié)構(gòu)；
[0037]圖17為具有相等曲率的衍射表面結(jié)構(gòu)的平坦餅形光導(dǎo)的示意性前視圖或平面圖；
[0038]圖18為包括一組平坦餅形光導(dǎo)和離散光源的照明裝置的示意性前視圖或平面圖；
[0039]圖19a為使用具有彎曲衍射表面結(jié)構(gòu)的圓形光導(dǎo)構(gòu)造的照明裝置的照片，該照明裝置是從傾斜視角拍攝的，其中環(huán)境光是打開的并且照明裝置的離散光源是關(guān)閉的；
[0040]圖19b為從相同傾斜視角拍攝的圖19a的照明裝置的照片，但是其中環(huán)境光是關(guān)閉的并且照明裝置的離散光源是打開的；
[0041]圖19c為以略微更傾斜的視角的圖19b的照明裝置的照片，并且其中該照明裝置的表面上的所選擇的小區(qū)域或光點(diǎn)被標(biāo)識(shí)和標(biāo)記出；
[0042]圖19d為圖19c的所選擇光點(diǎn)的CIE色度坐標(biāo)的曲線圖；
[0043]圖20a為用于測(cè)量由圖19b的照明裝置來照明的表面的光學(xué)特性的設(shè)置的示意圖；
[0044]圖20b為如圖20a所指出的所選擇光點(diǎn)的CIE色度坐標(biāo)的曲線圖；
[0045]圖21為具有螺旋形衍射表面特征的衍射膜的示意性前視圖或平面圖，該圖示出如何將膜細(xì)分成矩形片；
[0046]圖22a為使用圖21的膜片中的一個(gè)制成的照明裝置的示意性側(cè)視圖或剖面圖；
[0047]圖22b為圖22a的照明裝置的示意性前視圖或平面圖，其中線性組的離散光源是沿光導(dǎo)的副邊緣定位；
[0048]圖22c為類似于圖22b的示意性前視圖或平面圖，但是其中該線性組的離散光源是沿光導(dǎo)的主邊緣定位；并且
[0049]圖23a-圖 23c、圖 24a_ 圖 24c、圖 25a_ 圖 25c、圖 26a_ 圖 26b 和圖 27a_ 圖 27c 為使用矩形光導(dǎo)、線性組的離散光源及類似于圖21所示那些中的一些的衍射表面特征制成的照明裝置的照片。
[0050]在附圖中，類似參考數(shù)字指示類似元件。
【具體實(shí)施方式】
[0051]我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，照明裝置(諸如照明設(shè)備)可使用擴(kuò)展區(qū)域光導(dǎo)、衍射表面特征和離散光源來制成以提供裝置中的通用照明，這種通用照明還可由于包括具有3維外觀的一個(gè)或多個(gè)帶的視覺外觀而為美觀的，例如，這些帶可隨著察看幾何形狀(viewinggeometry)(察看位置和/或察看視角)的變化而改變形狀，和/或多個(gè)帶可形成從至少一些察看位置來看具有3維外觀的圖案。形狀上的改變通常與這些帶中的一個(gè)或多個(gè)的曲率改變(例如，從直的改變?yōu)閺澢幕蚍粗嗳唬驈钠骄弿澢母淖優(yōu)楦鼜?qiáng)烈地彎曲的或反之亦然)相關(guān)聯(lián)。
[0052]圖1以示意性側(cè)視圖或剖面圖示出示例性照明裝置110。照明裝置110包括擴(kuò)展區(qū)域光導(dǎo)112和離散光源114a、114b。照明裝置110可以任何期望的配置來安裝，但是在這種情況下，其被示出為例如在房間或建筑物的頂篷中或其附近，物理地安裝在用戶120上方。裝置110可在諸如桌面或地板的表面122上提供實(shí)質(zhì)上白色的光照明。然而，當(dāng)用戶120直視裝置110時(shí)，該用戶可看到橫跨裝置110的發(fā)射區(qū)域的各色的圖案。該用戶還有利地看到在該裝置的發(fā)射區(qū)域中的具有3維外觀的一個(gè)或多個(gè)帶。給定的帶是從所述離散光源中的一個(gè)發(fā)射的光與光導(dǎo)的一個(gè)或兩個(gè)主表面上的衍射表面特征相交的結(jié)果。另選地，給定的帶可為沿光導(dǎo)的側(cè)表面延伸的非均一反射結(jié)構(gòu)中的具有高反射率或低反射率的局部區(qū)域所反射或吸收的光的交互作用的結(jié)果。除了該裝置的發(fā)射區(qū)域中的各色的圖案和帶之外，用戶120還可通過光導(dǎo)112以小光學(xué)失真或無光學(xué)失真來觀察對(duì)象，諸如對(duì)象124。此類對(duì)象所發(fā)射或反射的光能夠作為非導(dǎo)模光傳播通過光導(dǎo)，僅少量的光被衍射表面特征偏轉(zhuǎn)。
[0053]光導(dǎo)112沿在圖1中示出為笛卡爾坐標(biāo)系的X軸和y軸的兩個(gè)平面內(nèi)方向延伸，使得光導(dǎo)具有對(duì)置的主表面112a、112b及側(cè)表面112c、112d。衍射表面特征113設(shè)置在光導(dǎo)112的主表面中的至少一個(gè)上,諸如如圖所不的表面112a、或在其它實(shí)施例中表面112b、或表面112a和112b兩者上。在任何情況下，衍射表面特征受到調(diào)控以通過衍射將導(dǎo)模光從光導(dǎo)中耦合出來。圖中將導(dǎo)模光示出為光116，并且將從光導(dǎo)發(fā)射的所耦合出來的光示出為光117a、117b。光117a在用戶120或表面122的總體方向上穿過表面112a，并且光117b在遠(yuǎn)離用戶120或表面122的總體方向上穿過表面112b。在一些情況下，可將照明裝置110安裝成使得光117b提供對(duì)房間的間接照明，例如，通過從頂篷或從另一個(gè)反射構(gòu)件反射來將光117b重新定向回到該房間中。
[0054]就這一點(diǎn)而言，可將反射膜或反射層施加到表面112b的全部或一部分，或可將它定位在表面112b附近，以便將光117b重新定向，使得其從表面112a發(fā)出。反射膜可以漫射方式、鏡面反射方式、或半鏡面反射方式來反射光，并且可隨著波長(zhǎng)的變化而均勻或不均勻地反射光，并且它可隨著偏振的變化而均勻或不均勻地反射垂直入射光。反射膜例如可為或可包括:白色涂料或任何其它顏色的涂料；高反射率鏡膜，例如，帶有金屬涂層(諸如鋁、銀、鎳等)的膜、或非金屬鏡膜諸如3M? Vikuit? ESR;具有有機(jī)(例如聚合物的)或無機(jī)組分光學(xué)層的多層光學(xué)膜，這些光學(xué)層帶有的層厚度輪廓受到調(diào)控，以在一些或所有可見光譜范圍內(nèi)以垂直入射角度或另一個(gè)期望的入射角度來反射光；帶有漫射涂層的ESR膜；具有光滑表面的白色反射器；帶有刷制金屬表面的反射器，包括帶有金屬涂層的膜，該膜的表面被粗糙化以提供半鏡面或漫射反射率；帶有結(jié)構(gòu)化表面的反射器；微空腔化(miCTocavitatecOPET膜；3M?光增強(qiáng)膜；和/或反射性偏振膜，包括但不限于Vikuiti?漫反射性偏振膜(DRPF)、Vikuiti ?雙倍增亮膜(DBEF)、Vikuiti "*雙倍增亮膜II(DBEF II)、和在一些或所有的可見光譜范圍內(nèi)對(duì)具有不同偏振的垂直入射光具有不同的反射率但對(duì)這種垂直入射光具有大于50%的平均反射率的多層光學(xué)膜。還可參見以下文獻(xiàn)中所公開的光學(xué)膜:US 2008/0037127(韋伯(Weber))，“Wide Angle MirrorSystem(廣角反射鏡系統(tǒng))” ;US 2010/0165660 (韋伯等人)，“Backlight and DisplaySystem Using Same (背光源及使用背光源的顯示系統(tǒng))” ;US 2010/0238686 (韋伯等人)，“Recycling Backlights With Sem1-Specular Components (具有半鏡面部件的循環(huán)背光源)，，;US2011/0222295 (韋伯等人)，“Multilayer Optical Film with Output Confinementin Both Polar and Azimuthal Direct1ns and Related Construct1ns (在極方向和方位角方向上均具有輸出限制的多層光學(xué)膜及相關(guān)構(gòu)造)”;US 2011/0279997(韋伯等人)，“Reflective Film Combinat1ns with Output Confinement in Both Polar andAzimuthal Direct1ns and Related Construct1ns (在極方向和方位角方向上均具有輸出限制的反射膜組合及相關(guān)構(gòu)造)” ；W0 2008/144644(韋伯等人)，“Sem1-SpecularComponents in Hollow Cavity Light Recycling Backlights (中空光循環(huán)腔背光源中的半鏡面部件)”；和 WO 2008/144656 (韋伯等人)，“Light Recycling Hollow Cavity TypeDisplay Backlight (中空光循環(huán)腔型顯示背光源)”。
[0055]光導(dǎo)112可為物理上厚或薄的，但其優(yōu)選為厚至足以支撐大量導(dǎo)模，并且此外厚至足以有效地耦合到離散光源的發(fā)射區(qū)域。光導(dǎo)例如可具有在從0.2到20mm或從2到1mm范圍內(nèi)的物理厚度。厚度可為恒定且均勻的，或其可隨著位置的變化而改變，如同漸縮的或楔形光導(dǎo)。如果是漸縮的，那么光導(dǎo)可僅沿一個(gè)平面內(nèi)方向例如X軸或I軸漸縮，或它可沿兩個(gè)主要平面內(nèi)方向漸縮。
[0056]忽略與例如衍射表面結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的小幅度表面變化，光導(dǎo)可以是實(shí)質(zhì)上平坦的或平面的。然而，在一些情況下，光導(dǎo)可為不平坦