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本专利针对LED照明中光斑、颜色不一致及眩光问题，提出一种光漫射器解决方案。通过在材料板双面设置导光元件阵列，利用成角小面与面内小面的协同作用，实现入射光的定向偏转与重定向，从而均匀化光束并混合多源光。该结构无需复杂光学系统，可替代传统均化器，适用于LED照明领域。
【专利摘要】一种光漫射器由具有相对的第一和第二主表面的材料板形成，其中每一个表面包含导光小面的阵列。第一表面的每一个导光小面通过该板将入射光主要定向到第二表面的对应配对的导光小面，并且第一表面的至少一些不同的导光小面在不同的方向上将入射光定向到第二表面的它们的对应配对的导光小面。出口处的角度轮廓可以被控制，并且例如不需要在漫射器的输出端比在输出端发散更多。
[0005] 漫射器的光学功能是散射光并且因此产生更柔和的光或者更均匀的发光表面(或 出射窗）。同时，光散射是漫射器的主要缺点：它们加宽了初始光束，这给出了增加的展度 (Etendue)。这可能是使用漫射器的不期望结果。
[0006] 图1示出由漫射器进行的光散射的该效果。入射在漫射器12上的每一个光束10在 生成经漫射的输出光14时被加宽。该加宽与漫射器的散射强度成比例。因此，为了借助漫射 器使某个发光表面均匀，通常存在对于附加的射束成形光学元件的需要，以准直由漫射器 加宽的光束。
[0010] 根据示例，提供一种光漫射器，包含： 具有相对的第一主表面和第二主表面的材料板，其中第一表面和第二表面都包含导光 元件的阵列，每一个元件包含成角小面并且包含面内小面，成角小面具有相对于其相应主 表面的相应成角取向，面内小面与其相应主表面位于平面中， 其中通过第一表面的成角小面的成角取向，在第一方向上照射在第一主表面上的光作 为偏转光基本只被定向到第二表面的相关联的成角小面， 其中照射在该第二表面的相关联的成角小面上的所述偏转光通过其成角取向在输出 方向上重定向光， 并且其中第一表面的至少一些成角小面具有相互不同的成角取向，以在相互不同的方 向上将入射光定向到第二表面的它们相关联的成角小面。
[0011] 光漫射器通过由成角小面空间地混编（shuffle)光而起作用，并且光的出射角度 可以保持不变或者它可以被有意地控制。例如，如果期望的话，来自光漫射器的出射光的角 度范围可以等于或者小于光漫射器的入射光的角度范围。这样的混编提供局部化的漫射功 能。然而可以阻止光输出射束的加宽。光方向的输出范围可以形成平行射束或者发散或汇 聚射束。光漫射器可以例如放置于照明器的出射窗以使出射窗均匀，这使得有角度 (angular)射束分布不变。这意味着，不需要附加射束成形光学元件以在漫射之后使射束成 形，因为光漫射器维持(或改进)射束形状。该漫射器通过相对简单手段为在照明和/或光学 设备中实现均匀性提供了巨大可能性。
[0012] 通过使第一表面具有至少一些不同的成角小面，其在不同方向上将入射光定向到 第二表面的它们对应的配对的成角小面，这意味着成角小面不仅仅在相同的方向上移位 (shift)光，而且执行混编功能。第一表面的所有成角小面具有一相关联的方向，成角小面 将它们的入射光重定向到该方向。可以存在一组这样的可能的方向。这些方向可以利用随 机性元素限定，以提供随机的(或伪随机的)光混编功能。
[0013] 为使漫射器相对高效，每一个导光元件包含面内小面，其基本上与主表面在平面 中延伸。平均来说，光垂直地照射到第一主表面，并且因此随后也垂直地照射到面内小面。 表面上菲涅尔反射的程度以及因此光的使用效率取决于所述表面上的入射角度。通过为每 一个导光元件提供成角小面和面内小面两者，获得具有相对高效率的光漫射。
[0014] 第一表面内的每一个成角小面优选地将入射光定向到第二表面的对应的配对的 光成角，其位于以第二表面上的正对成角小面为圆心的预定半径之内。此范围取决于物理 和光学配置。该半径越大，可以实现的均匀化的量越大。
[0015] 每一个位于预定半径内的成角小面可以处于距中心的相应的向量平移处。于是可 以存在与每一个不同的向量平移对应的配对的成角小面。通过为每一个不同的向量方向/ 平移提供配对的成角小面，可以实现第一表面上的成角小面的所有可能的不同的重定向功 能，并且这避免了漫射器仅仅执行上面提到的图像移位。这些方向可以以随机的方式分配。
[0016] 面内小面和成角小面优选地镶嵌(tessellate)以填充漫射器的区域。该镶嵌可以 是随机的（例如泰森多边形(Voronoi)镶嵌），包括不同形状和大小的成角小面的半规则的 镶嵌，或规则的正方形镶嵌，或规则的三角形镶嵌。规则的镶嵌可以例如使用可以是正方形 或六边形的成角小面。
[0017]在一组示例中，对于第一表面的每个第一成角小面以及不正对所述第一成角小面 的第二表面的对应配对的第二成角小面，位于与第二成角小面相对的位置的第一表面的第 三成角小面与位于与第一成角小面相对的位置的第二表面的第四成角小面配对。这样，成 角小面的一个对应的配对与共辄的对应配对相匹配。这样，光路基本在两个配对之间交换， 从而提供混编操作。配对的此匹配使得设计过程更容易确保第一表面的成角小面和第二表 面的成角小面之间的期望的一对一的确定性映射。
[0022] 实施例也提供一种制造光漫射器的方法，该光漫射器包含具有相对的第一主表面 和第二主表面的材料板，其中每一个表面包含成角小面的阵列，其中第一表面的每一个成 角小面将入射光主要定向到第二表面的对应配对的成角小面，其中第二表面的每一个成角 小面将它的入射光定向到输出方向，其中该方法包含： 随机选择第一表面上的第一成角小面； 在与第一成角小面相对的第二表面上的位置的预定半径之内，随机选择第二表面上的 第二成角小面，并且将这些定义为对应的第一对； 如果该第一对彼此不相对，那么将位于与第二成角小面相对的位置上的第一表面的第 三成角小面和位于与第一成角小面相对的位置上的第二表面的第四成角小面定义为第二 对； 重复定义步骤，直到所有成角小面被配对;以及 通过在第一表面中形成成角小面，制造光漫射器，该成角小面将入射光定向到第二表 面中的对应配对的成角小面。
[0025] 现在将参考所附附图详细描述本发明的示例，在附图中： 图1示出漫射器的已知的操作； 图2更详细地示出实施例的漫射器的操作以及漫射器的部分的结构； 图3用于说明一种设计和制造方法； 图4示出用于接收发散的入射光的漫射器的不同示例； 图5示出可替代的成角小面设计； 图6示出漫射器的两种可能的使用；以及 图7示出漫射器的第三种可能的使用。
[0029]实施例提供一种光漫射器，其中材料板具有相对的第一和第二主表面，其中每一 个表面包含导光元件的阵列，每一个导光元件包含面内小面和成角小面。第一表面的每一 个成角小面将入射光主要定向到第二表面的对应配对的成角小面，并且第一表面的至少一 些不同的成角小面在不同的方向上将入射光定向到第二表面的它们的对应配对的成角小 面。此布置提供漫射器功能。然而，出口处的角度轮廓可以被控制，并且例如不需要在漫射 器的输出端比在输入端发散更多。
[0031] 图2示出空间漫射器20的一个示例的操作。该漫射器是由两个结构化的表面22、24 组成的光学设备，这两个表面是大体平行的并且在漫射器厚度各处彼此面对。漫射器具有 由光学透明材料形成的面板型结构，例如具有与面板的尺寸相比相对小的厚度。
[0033]第一表面22被结构化，使得它折射入射射束的部分26,在各种方向上重定向这些 部分。第二表面24拾取这些部分并且恢复它们的初始方向。这示出于图2的左边部分。射束 的部分26将表示为光蘇，尽管实践中它们覆盖一定区域。
[0035]图2也示出均具有面内小面32、32和成角小面30、30、34、34的一些相对的导光 元件的布置21的一个示例，以示出空间光混编功能如何发生。为了简单起见，每一个表面上 只示出两个成角小面。
[0036]第一表面22具有第一成角小面30,其被成角以使得其不垂直于入射光方向；面内 小面32,其垂直于入射光方向；以及第二成角小面34,其被成角以使得其不垂直于入射光方 向。第一和第二成角小面如所示造成光线重定向。它们然后被朝向第二表面上的对应的成 角小面定向，该对应成角小面被成角以恢复原始的光线方向。然而，作为可替代方案，第二 表面24可以为光线给出新的期望的预定义方向，而不是恢复入射射束方向。
[0037]除了每一个表面上的面内小面之外，此示例示出每个表面上的两个成角小面，其 中面内小面提供只有非常有限的菲涅尔反射的高效通过功能，成角小面提供射束交换功 能。第二表面具有成角小面30，其接收来自成角小面30的经重定向的光;面内小面32，其 接收来自面内小面32的通过的光；以及成角小面34，其接收来自成角小面34的经重定向的 光。相对倾斜的成角小面30、34位于法向取向的面内小面32的相对侧上的方式只是示例。 [0038]如将在下面的描述中见到的，使用成对布置的成角小面以提供光交换简化了面取 向的设计以及两个表面的成角小面之间的映射。然而，表面之间的映射可以更复杂。
[0039] 基本上，要求从第一表面的成角小面集合到第二表面的成角小面集合的一对一的 映射。第一表面中的一个成角小面只能映射到范围内的第二表面中的成角小面。此范围将 取决于材料的折射率(因为这限定了光弯曲角）以及板的厚度。在此范围内有多少可替换的 成角小面将取决于各个成角小面的大小。
[0041] 阵列的面内小面和成角小面优选地镶嵌，使得在一些示例中每一个面内小面和每 一个成角小面是正方形、六边形、三角形或其它合适的形状。不同形状的成角小面可以在一 个设备中使用以提供不规则的镶嵌。每一个成角小面可以具有平坦表面，其以相对于漫射 器的整个平面的对应角度而取向，以产生期望的光线重定向，使得由第一表面22的成角小 面重定向的光线] 为了保持光线方向处于控制之下，第一和第二表面之间应该存在确定性关系，使 得第一表面上的每一个成角小面将它的光路由到第二表面上的对应的唯一成角小面。每一 个光线于是通过第一表面上的一个成角小面和第二表面上的一个成角小面经历折射，其中 第一表面上的这个成角小面和第二表面上的这个成角小面具有成角小面的对应配对的两 个表面之间的映射。
[0045] 下面的算法定义成角小面的配对并且因此建立表面之间的映射。图3用于解释此 方法。成角小面名字A·和Φ指成角小面的面上坐标，而符号主要(prime)指第二表面。 [0046]该方法包含： 1. 随机选择第一表面上的成角小面/71。此随机选择可以由某些概率密度支配，例如， 可以使得更可能首先选择位于入射射束的不均匀性的直接附近的成角小面。 2. 找到被允许与仍配对的第二表面上的成角小面。这些是位于距成角小面/7,在半径 r的范围之内的成角小面(其是与第一表面上正被考虑的成角小面正对的第二表面上的成 角小面)并且是尚未与其它成角小面配对的成角小面。成角小面/7，具有与/71相同的面上坐 标，但是位于第二表面上。这组允许的成角小面包括成角小面/7,自身。这样，可以定义一些 通过配对。 3. 从这些允许的成角小面中，随机选择第二表面上的成角小面。此随机选择可以 被某些概率密度支配，例如可以使得更可能选择位于与初始成角小面/71更远的成角小面， 以高效利用用于光束的空间混编的半径r。 4. 将成角小面/71与(71?对。 5 .将成角小面Q7与/71配对。此配对与在步骤4中配对的配对/71-Q7共辄。注意 到，这只适用于不正对的配对。配对的该性质和对应的光线的右边部分中示出。 这样，成角小面被配对以提供光交换功能。 6.重复步骤1-5,直到所有成角小面都被配对。
[0047] 对于任何选择的成角小面，此方法总是使得位于第二表面上的成角小面能够与之 配对。因此，此方法提供计算上非常简单的途径以定义期望的一对一映射，而此外包含一个 成角小面只能与特定半径内的对应的成角小面配对的物理限制。该设计的随机元素改进了 漫射性质的随机性。
[0048] 共辄对的使用（使得光在位置对之间交换）简化了设计过程。然而，可以替代地使 用更加复杂的网状型映射。该漫射器可以用于一般地随机化光，或者该漫射器可以考虑与 之一起使用的光源而设计。
[0051]上面的解释基于平行入射光的处理。空间漫射器可以用于处理非平行(发散)入射 射束。对于发散的射束存在至少两个解决方案： 1. 第二表面24的成角小面以及该表面自身可以制造得更大，以跟进由于发散光束引 起的第一成角小面到第二表面上的投射的增大。此途径在图4中图示。 2. 第一和第二表面上的成角小面的轮廓可以是弯曲的。这样，成角小面合并透镜功 能。除了改变光线方向之外，第一和第二表面的成角小面可以另外地分别准直和去准直射 束。此途径在图5中示出。在第一表面22上示出单个的成角小面，其与第二表面24上的单个 的成角小面配对。如所示，成角小面具有弯曲的透镜状表面50、52。第一和第二表面上的透 镜的能力可以取决于光束的发散角度而优化。具有弯曲轮廓的成角小面起作用以重定向射 束，而且起准直和去准直射束的透镜的作用。
[0052]图6示出空间漫射器可能的使用的第一个示例。漫射器20直接应用到LED 60的顶 部上，从而事实上增加了 LED的大小而没有改变光束（图6(b))或者以期望的方式改变它，但 是没有增加展度（图6(a))。空间漫射器也可以例如用于部分地混合多于一个LED的光。
[0054] 图7(a)示出漫射器的外观。在被仿线(b)中示出的图像的一个示例中， 空间漫射器为1.8mm厚且具有2000个六边形的成角小面。成角小面为100μπι宽。可以使用更 厚的空间漫射器以改进射束均匀性。
[0056] 本发明可以用在光照光学元件和照明应用中。它特别适合用于LED照明应用，因为 它通过相对简单的手段解决了斑点、颜色混合/不一致以及眩光的问题。此外，在当前使用 射束均化器的应用中，它可以替代庞大射束均化器而使用。
[0058] 漫射器应该尽可能薄以使尺寸保持低，但是漫射器越厚，其可以均匀化得越多。厚 度可以受成角小面的精度限制。通过示例的方式，厚度可以处于lmm-200mm的范围中。每一 个成角小面可以例如具有0.001mm-10mm的线性尺寸。一般地，一个设计目的是成为足够小 的以使得用户不会清楚地看见粒度。另一方面，在一些情况中，可能期望的是将粒度视作设 计特征。
[0060]不均匀性的规模和成角小面的数量之间存在关系。成角小面的大小应该小于不均 匀性的规模。如果均匀性为出射窗的大小的量级，可以存在至少100个成角小面以覆盖该窗 (10x10阵列）。举例来说，可能存在10 3到106个成角小面。
[0062]通过乐鱼研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的 发明时，可以理解和达成对所公开实施例的其它变型。权利要求中，词语包含不排除其它 元素或步骤，并且不定冠词一不排除复数。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施 的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考标记不应当 被解释成限制范围。
1. 一种光漫射器，包含：具有相对的第一主表面和第二主表面的材料板，其中所述第一表面和第二表面都包含 导光元件的阵列，每一个元件包含具有相对于其相应主表面的相应成角取向的成角小面并 且包含与其相应主表面位于平面中的面内小面，其中通过所述第一表面的成角小面的成角取向，在第一方向上照射在所述第一主表面 上的光作为偏转光基本只被定向到所述第二表面的相关联的成角小面，其中照射在所述第二表面的相关联的成角小面上的所述偏转光通过其成角取向在输 出方向上重定向光，并且其中所述第一表面的至少一些成角小面具有相互不同的成角取向，以在相互不同 的方向上将入射光定向到所述第二表面的它们相关联的成角小面。2. 如权利要求1所述的光漫射器，其中所述第一表面中的每一个成角小面将入射光定 向到所述第二表面的对应的配对的成角小面，其位于以所述第二表面上的正对的成角小面 为圆心的预定半径之内。3. 如前述权利要求中任一项所述的光漫射器，其中所述面内小面和所述成角小面镶嵌 以填充所述漫射器的区域。4. 如权利要求3所述的光漫射器，其中所述成角小面是正方形或六边形的。5. 如前述权利要求中任一项所述的光漫射器，其中对于所述第一表面的每一个第一成 角小面和不正对所述第一成角小面的所述第二表面的对应的配对的第二成角小面，在与所 述第二成角小面相对位置处的所述第一表面的第三成角小面与在与所述第一成角小面相 对位置处的所述第二表面的第四成角小面配对。6. 如前述权利要求中任一项所述的光漫射器，其中所述成角小面是平坦的表面。7. 如前述权利要求中任一项所述的光漫射器，其中所述成角小面包括透镜状表面形 状。8. 如前述权利要求中任一项所述的光漫射器，其中所述第二表面具有比所述第一表面 更大的面积。9. 如前述权利要求中任一项所述的光漫射器，其中所述第二表面的成角小面具有比所 述第一表面的成角小面更大的面积。10. -种LED灯布置，包含： LED照明设备；以及如前述权利要求中任一项所述的漫射器。11. 如权利要求10所述的布置，其中所述LED照明设备包含多个LED，其中所述漫射器用 于混合所述LED输出。12. 如权利要求10或11所述的布置，包含位于所述照明设备和所述漫射器之间的准直 器。13. -种制造光漫射器的方法，所述光漫射器包含具有相对的第一主表面和第二主表 面的材料板，其中所述第一表面和第二表面都包含导光元件的阵列，每一个元件包含具有 相对于其相应主表面的相应成角取向的成角小面并且包含与其相应主表面位于平面中的 面内小面， 其中通过所述第一表面的成角小面的成角取向，在第一方向上照射在所述第一主表面上的光作为偏转光基本只被定向到所述第二表面的相关联的成角小面，其中照射在所述第二表面的相关联的成角小面上的所述偏转光通过其成角取向而在 输出方向上重定向光，其中所述方法包含：随机选择所述第一表面上的第一成角小面；在与所述第一成角小面相对的所述第二表面上的位置的预定半径之内，随机选择所述 第二表面上的第二成角小面，并且将这些定义为对应的第一对；如果所述第一对不是相对的，那么将位于与所述第二成角小面相对的位置上的所述第 一表面的第三成角小面和位于与所述第一成角小面相对的位置上的所述第二表面的第四 成角小面定义为第二对；重复所述定义步骤，直到所有成角小面被配对；以及通过在所述第一表面中形成成角小面，制造所述光漫射器，所述成角小面将入射光定 向到所述第二表面中的对应配对的成角小面。14. 如权利要求13所述的方法，其中随机选择第二成角小面包含应用概率密度函数以 使更可能选择位于距所述第一成角小面更远处的第二成角小面。15. 如权利要求13或14所述的方法，其中所述面内小面和所述成角小面镶嵌以填充所 述漫射器的区域。